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Jul 16, 2023

Evaluación de fuentes de energía inteligentes y no estáticas: una aclaración racional

Nota del editor: el documento en el que se basa este artículo se presentó originalmente

Nota del editor: el documento en el que se basa este artículo se presentó originalmente en el Simposio internacional IEEE sobre ingeniería de cumplimiento de productos (ISPCE) de 2021, realizado virtualmente en septiembre de 2021.

Se reproduce aquí con el amable permiso del IEEE. Derechos de autor 2021, IEEE.

Las fuentes de energía se están volviendo más complejas a medida que se diseñan sistemas para suministrar energía a través de cables de comunicación y otros cables de infraestructura independientes de la red eléctrica suministrada por la red eléctrica. Este documento propone aclarar cómo probar y medir correctamente el voltaje, la corriente y la potencia con respecto a estas fuentes de alimentación o fuentes que no se comportan como una fuente de alimentación estática, ya que el sistema de control está integrado en la fuente de alimentación e incluye retroalimentación del control remoto. equipo alimentado o cableado de distribución a la fuente para mantener un funcionamiento adecuado, o incluso iniciar una salida de energía continua.

Ejemplos de estas fuentes de energía inteligentes o no estáticas incluyen USB, alimentación a través de Ethernet (PoE), alimentación de energía inversa (RPF) y tecnologías de "administración inteligente de fallas". Estas tecnologías y los sistemas inteligentes de manejo de fallas (a veces llamados "Sistemas de energía administrados por fallas") pueden incluir fuentes que detectan una conexión específica a algún equipo remoto y luego encienden la energía y/o desconectan/reducen el nivel de voltaje cuando se detecta una condición de falla. sentido Una condición de falla detectada podría incluir una impedancia de carga o circuito anormal y/o un puente humano simulado.

Si no se pueden realizar las pruebas apropiadas y tomar las medidas adecuadas basadas solo en la evaluación del equipo fuente, se puede poner en servicio un equipo inseguro y potencialmente crear riesgos de descarga eléctrica e incendio en el equipo o el cableado conectado.

Hay muchas cosas que hacemos desde nuestra formación y experiencia sin pensarlo dos veces; a estos los llamamos supuestos básicos y son parte de cada pedacito de nuestra vida. Cuando se trata de pruebas de seguridad de productos, siempre se supone que la energía necesaria para hacer funcionar el Equipo bajo prueba (EUT) está fácilmente disponible y proviene de fuentes de alimentación de CC o CA. Como tal, solo lo mencionamos en la placa de identificación del producto según lo exige el estándar de seguridad, que generalmente es adecuado. Pero ahora debemos examinar esto con más detalle para aplicar correctamente la evaluación de las salidas secundarias del equipo bajo prueba, llamado Equipo de fuente de alimentación (PSE), o la alimentación en un dispositivo remoto llamado Dispositivo alimentado (PD). El proceso utilizado es bien conocido y generalmente se denomina aprovisionamiento o configuración, que usaremos en esta discusión. El aprovisionamiento (normalmente software/firmware) o configuración (normalmente hardware) incluye específicamente proporcionar el firmware/software más el equipo de carga que debe ser ajustable para las diversas pruebas normales, anómalas y de falla requeridas. También puede ser necesario utilizar un equipo de apoyo que se comunique con el PSE para generar ciertas salidas o señales que deben medirse.

Al examinar la situación habitual de muchos electrodomésticos, equipos monofásicos comerciales y de oficina que reciben energía de la red eléctrica, se espera que la fuente de energía esté disponible en el laboratorio de prueba, proporcione el voltaje y la corriente de la placa de identificación necesarios y tenga la capacidad de manejar las corrientes Normal, Anormal y de Falla necesarias para una operación apropiada durante la prueba. El uso de la energía de la red sin procesar ciertamente será adecuado para probar dicho equipo; tener una fuente de alimentación ajustable intermedia (generador local o fuente de alimentación variable) necesita un mayor escrutinio antes de que comience la prueba. Nada de esto se menciona siquiera en las normas de seguridad que utilizamos normalmente; es asumido.

Cuando un producto PSE también suministra energía a los equipos aguas abajo, puede haber dificultades para comprenderlo por completo, sin hacer suposiciones sobre las características. Al evaluar una DP, se debe comprender la entrada nominal (voltaje y corriente o potencia). Sin embargo, para el PSE que suministra energía al PD, los estándares de seguridad generalmente no requieren ningún etiquetado de estas fuentes. Por lo tanto, el laboratorio de pruebas debe determinar y comprender las características de la fuente para evaluar una DP y, quizás lo que es más importante, debe comprender cómo asegurarse de que la fuente de salida del PSE se coloque en una situación que permita realizar las pruebas de una manera que replica la intención de la norma de seguridad. Y esto puede implicar un conocimiento considerable del equipo e incluir equipo de soporte, software/firmware especial e incluso la conexión de un PD representativo. Estos conceptos pueden ser extraños a muchas evaluaciones de seguridad de productos que a menudo incluyen solo el equipo específico enviado para evaluación. Cuando se necesita equipo adicional, esto a menudo se denomina prueba a nivel del sistema, y ​​muchos estándares de seguridad se escriben en base a la prueba de una sola pieza única de equipo, ya que el equipo conectado en uso normal a menudo es desconocido o es posible que ni siquiera esté fabricado por el mismo proveedor. . Dado que las fuentes no estáticas o inteligentes utilizan información de control adicional (en uno o ambos extremos), esto debe revelarse claramente y, en la mayoría de los casos, se deben proporcionar módulos de transmisión y recepción adecuados solo para que el circuito funcione. Cualquier equipo de carga necesario suministrado se suma a otros equipos de software/firmware de aprovisionamiento/configuración que puedan ser necesarios.

Cabe señalar que IEC 62368-1 se conoce específicamente como un estándar de equipo y, como tal, muchos laboratorios y fabricantes prueban los PSE y PD de forma independiente como entidades únicas e independientes. A menudo se argumenta que IEC 62368-1 no es un sistema estándar y, como tal, el equipo en el extremo remoto (ya sea PSE o PD) está fuera del alcance de la evaluación particular. Esto crea un gran enigma, ya que se espera que sea necesario probar y cargar el equipo para obtener las condiciones esperadas, pero sin un extremo opuesto real del sistema o un dispositivo que sea representativo del dispositivo en el peor de los casos (o tal vez incluso cableado donde las pérdidas IR pueden ser una carga significativa), no puede lograr la condición deseada para las diversas pruebas. En algunos casos, el fabricante de un PSE o PD ni siquiera fabrica el equipo del otro extremo, lo que hace que esto sea mucho más difícil. Un ejemplo simple es PoE, donde un conmutador PoE puede ser fabricado por un gran fabricante de conmutadores y puede tener de 4 a 96 puertos, con una cantidad máxima de energía que puede generar con alimentación PoE (por ejemplo, 800 vatios en total), y el software controla cómo mucha potencia se distribuye al cableado y los PD (como un teléfono IP, una cámara de seguridad o incluso iluminación LED) en función de los dispositivos conectados y su consumo de energía necesario. Y la mayoría de las veces, los fabricantes de PD no fabrican los PSE y viceversa.

Este enigma requiere repensar los supuestos y requisitos para IEC 62368-1; donde el aprovisionamiento/configuración para las pruebas adecuadas requiere un concepto y una configuración a nivel de sistema con el fin de evaluar una sola entidad dentro del sistema, y ​​también una comprensión profunda de las características de funcionamiento de los productos por parte del laboratorio de pruebas. Tanto el fabricante del equipo como el laboratorio de pruebas deben llegar a un acuerdo sobre el equipo proporcionado para la configuración de la prueba que permitirá la evaluación completa del equipo que se está probando; módulos adicionales, etc., ya sean PSE o PD, según se requieran para la evaluación.

IEC 62368‑1, así como IEC 60950-1 e IEC 62368‑3, y la mayoría de los demás estándares asumen que los circuitos de tecnología de la información y la comunicación (TIC) externa que reciben energía del PSE al PD son alimentados por circuitos que emiten un máximo de voltaje en un circuito abierto sin carga, la medida se denomina comúnmente voltaje de circuito abierto. En general, bajo carga, el voltaje puede caer a medida que se reduce la resistencia (aumenta la carga en el PSE) y la corriente aumenta hasta que se produce un retroceso (normalmente con fuentes de alimentación conmutadas) o se suministra la máxima corriente de cortocircuito (normalmente con fuentes lineales). ). Estas fuentes pueden responder como se espera a las cargas resistivas en valores de resistencia como 2000 ohmios o 5000 ohmios definidos en un estándar de seguridad. Estos valores simulan una resistencia típica del cuerpo humano bajo una condición específica. Para que se considere segura, la fuente debe suministrar una corriente de contacto segura o un voltaje de contacto aceptablemente bajo, tal como se define en IEC 62368-1 Tabla 4, 'Límites de fuente de energía eléctrica...' para proporcionar protección contra descargas eléctricas. Estos valores se basan en IEC 60479-1 utilizando técnicas de medición IEC 60990.

Sin embargo, muchas tecnologías y suministros más nuevos no tienen salida (o tienen una salida de preencendido o cosquilleo muy pequeña) en cargas resistivas. Como tal, se está volviendo evidente que las pruebas no se están realizando según lo previsto, lo que incluye los DP normales. Esto incluye, entre otros, la determinación de la clasificación de la fuente, que afecta criterios como los requisitos de aislamiento. También afecta las mediciones de temperatura de la superficie y otras pruebas de carga térmica, ya que las fuentes no están operando en ningún lugar cercano a su salida máxima.

Por ejemplo, PoE emite voltajes de salida pequeños o periódicos que buscan una firma de impedancia de un PD. Hasta que vea esa firma de apretón de manos, no suministrará voltaje ni corrientes normales para alimentar un PD. Y en el circuito abierto u otras condiciones (como cargas no capacitivas) especificadas en IEC 62368‑1, el PoE PSE solo enviará estas pequeñas señales indefinidamente.

La gran mayoría de los informes de prueba revisados ​​de laboratorios de todo el mundo indican que no se informa voltaje o que solo se reporta un voltaje pequeño para estos tipos de circuitos externos PoE. Esto no es inesperado ya que IEC 62368-1 define el uso de cargas no capacitivas y/o circuitos abiertos para medir o cargar equipos. Dado que estas condiciones no provocan un protocolo de enlace adecuado, la activación de la fuente no se logra de manera que el circuito pueda caracterizarse o evaluarse según los requisitos de la norma de seguridad. La prueba del equipo o circuito(s) bajo las condiciones de carga definidas no se puede realizar según lo previsto hasta que esta verificación inicial de las características del circuito se haya completado con éxito, lo que requiere un simulador de carga o un cableado y DP representativos del peor de los casos.

Otro ejemplo es una tecnología que funciona mucho más allá de RFT-V y RFT-C normalmente (alrededor de 330-400 VCC con varios miles de vatios efectivos) pero, como se interpreta hoy en día IEC 62368-1, no tendría salida ya que requiere un PD que es algo capacitivo y está especialmente diseñado para ese PSE. La salida es solo un pulso ocasional en un circuito abierto o una carga resistiva no capacitiva que IEC 62368‑1 especifica para la prueba. Nuevamente, esto es una falla al proporcionar una guía de configuración adecuada en el estándar para poner el circuito en funcionamiento y luego caracterizarlo antes de probarlo en condiciones de carga específicas.

Se prevé que los detalles y la intención se aclaren en IEC 62368-1 4.ª edición en el Anexo B y estas mismas aclaraciones se describen en IEC 62368-2 Justificación para garantizar que estos circuitos se prueben y notifiquen adecuadamente. Esto se logrará mediante el uso de un método de nivel de sistema adecuado para simular el funcionamiento normal, incluidas las condiciones asumidas en IEC 62368‑1 con pruebas normales con circuitos abiertos y varias cargas aplicadas, incluidas cargas no capacitivas. Sin embargo, es posible que surja una pregunta sobre cómo realizar una medición de voltaje de circuito abierto, ya sea en la fuente de PSE o en la carga de DP cuando se requiere un cable/carga adicional. Es posible que la medición deba realizarse bajo una carga mínima. Otros casos de prueba requeridos pueden usar resistencias específicas para cargar o medir circuitos y estos pueden disparar o apagar las fuentes. Las respuestas no son simples y requieren una reflexión considerable durante el proceso de prueba. Se debe utilizar la razonabilidad al realizar la prueba para demostrar la conformidad con la intención de la norma.

Aquí se describe el texto específico propuesto cláusula por cláusula para IEC 62368-1 para cubrir los temas discutidos.

El texto específico final en el estándar se ajustará, por supuesto, según la versión del estándar que se actualice.

El equipo debe diseñarse y construirse de tal manera que, en condiciones normales de operación como se especifica en la Cláusula B.2, condiciones anormales de operación como se especifica en la Cláusula B.3 y condiciones de falla única como se especifica en la Cláusula B.4, se proporcionen medidas de seguridad para reducir la probabilidad de lesiones o, en caso de incendio, daños a la propiedad.

Las partes del equipo que podrían causar lesiones no deben ser accesibles y las partes accesibles no deben causar lesiones.

Cuando el equipo esté diseñado de tal manera que una o más de sus fuentes de alimentación requieran una técnica de configuración específica, una carga o protocolo o software para encender la salida de alimentación, mantener la salida de alimentación activa u obtener el voltaje, la corriente o la potencia de salida previstos en condiciones normales, Se proporcionarán condiciones anormales y de falla única más un método para lograr esa salida para evaluación y prueba y se emplearán.

Por ejemplo, conectar cargas representativas previstas en el peor de los casos o dispositivos alimentados externamente, y repetir con cualquier carga necesaria, incluso en condiciones de falla en el cableado de distribución y las cargas aplicadas.

Esto es fundamental para determinar características como el voltaje y la corriente de salida para las clasificaciones ES y PS, el uso en edificios y otros cableados, consulte IEC 62368‑1, Anexo Q, circuitos destinados a la conexión al cableado de edificios, así como la carga adecuada para pruebas de calefacción. .

Estos ejemplos no son necesariamente todos inclusivos.

El cumplimiento se comprueba mediante inspección y mediante las pruebas pertinentes.

Cuando la fuente es un circuito dentro del equipo, la clasificación de corriente de protección del circuito es:

La clasificación del dispositivo de protección contra sobrecorriente si la corriente está limitada por un dispositivo de protección contra sobrecorriente; o

La corriente de salida máxima, si la corriente está limitada por la impedancia de fuente del suministro. La corriente de salida se mide con cualquier carga resistiva, incluido un cortocircuito medido después de la estabilización, generalmente 60 s o más después de la aplicación de la carga si la corriente está limitada por la impedancia o el dispositivo limitador de corriente es un fusible, un disyuntor o un PTC. dispositivo, o en tiempos más largos, como 5 s o más en otros casos.

Si la fuente es de un tipo que no genera voltajes/corrientes normales en una carga resistiva, la fuente debe conectarse a un dispositivo de terminación/impedancia que enciende el voltaje/corriente de la fuente y crea las condiciones de prueba necesarias, incluido el peor de los casos. condiciónes de la prueba.

5.7.1 Generalidades

Las mediciones de voltaje de contacto prospectivo, corriente de contacto y corriente del conductor de protección se realizan con el EUT alimentado con el voltaje de suministro más desfavorable (ver B.2.3).

Activación: si una fuente de alimentación es de un tipo que requiere negociación/apretón de manos entre una carga o detecta cargas de manera inteligente y, como resultado, no permite la salida de voltajes/corrientes normales en cargas resistivas, la fuente debe conectarse a un dispositivo de terminación. /impedancia que enciende la fuente de voltaje/corriente y genera una salida bajo las condiciones nominales especificadas.

6.2.2.1 Generalidades

Un circuito eléctrico se clasifica como PS1, PS2 o PS3 según la potencia eléctrica disponible para el circuito desde la fuente de alimentación. La clasificación de la fuente de energía eléctrica se determinará midiendo la potencia máxima en cada una de las siguientes condiciones:

Si la fuente o el circuito de carga son de un tipo que no permite la salida de voltajes/corrientes normales en cargas resistivas, la fuente debe conectarse a un dispositivo de terminación de activación/impedancia que enciende el voltaje/corriente de la fuente y genera la peor -Caso de suministro de energía en condiciones normales y de falla. Si se mide un dispositivo de carga de este tipo, la fuente es la máxima potencia efectiva que se puede entregar durante las condiciones normales de funcionamiento, así como las fallas.

La potencia se mide en los puntos X e Y en la Figura 34, Medición de potencia para falla en el peor de los casos y Figura 35, Medición de potencia para falla en la fuente de alimentación en el peor de los casos.

Figura 1: IEC 62368-1, Figura 34, Medición de potencia para falla en el peor de los casos

Figura 2: IEC 62368-1, Figura 35, Medición de potencia para falla de fuente de alimentación en el peor de los casos

Los equipos destinados a proporcionar energía a través del sistema de cableado a equipos remotos deben limitar la corriente de salida a un valor que no cause daños al sistema de cableado, debido al sobrecalentamiento, en cualquier condición de funcionamiento normal o de carga externa. La corriente continua máxima del equipo no debe exceder un límite de corriente adecuado para el calibre mínimo de cable especificado en las instrucciones de instalación del equipo.

NOTA: este cableado generalmente no está controlado por las instrucciones de instalación del equipo, ya que el cableado a menudo se instala independientemente de la instalación del equipo.

Los circuitos PS2 o circuitos PS3 que proporcionan energía y que están destinados a ser compatibles con LPS a circuitos externos (consulte el Anexo Q) deben tener su potencia de salida limitada a valores que reduzcan la probabilidad de ignición dentro del cableado del edificio durante condiciones normales de operación y fallas externas.

Los circuitos de cables conductores externos emparejados, como los descritos en la Tabla 13, 'Tensiones transitorias de circuitos externos', números de ID 1 y 2 que tienen un diámetro de cable mínimo de 0,4 mm, deben tener la corriente limitada a 1,3 Arms o CC

EJEMPLO: Las características de tiempo/corriente de los fusibles tipo gD y tipo gN especificados en IEC 60269-2 cumplen con el límite anterior. Los fusibles tipo gD o tipo gN de 1 A cumplirían el límite de corriente de 1,3 A.

El cumplimiento se verifica mediante prueba, inspección y, cuando sea necesario, mediante los requisitos del Anexo Q.

Los terminales de salida de los equipos que suministran energía a otros equipos, excepto los tomacorrientes y los tomacorrientes para electrodomésticos conectados directamente a la red eléctrica, están conectados a la impedancia de carga más desfavorable, incluido el cortocircuito.

Si la fuente es de un tipo que no genera voltajes/corrientes normales en una carga resistiva, la fuente debe conectarse a un dispositivo de terminación/impedancia que enciende el voltaje/corriente de la fuente y crea las condiciones normales y anormales en el peor de los casos.

E.1 Clasificación de fuente de energía eléctrica para señales de audio Al clasificar las señales de audio como una fuente de energía eléctrica (consulte la Tabla E.1), el equipo se debe operar para entregar la máxima potencia de salida sin recorte en su impedancia de carga nominal. La carga se elimina y la clase de fuente de energía eléctrica se determina a partir del voltaje de salida de circuito abierto resultante.

Si la fuente es de un tipo que no genera voltajes/corrientes normales en una carga resistiva, la fuente debe conectarse a un dispositivo de terminación/impedancia que enciende el voltaje/corriente de la fuente, lo que crea las condiciones normales y anormales en el peor de los casos.

Q.1.1 Requisitos

Una fuente de energía limitada deberá cumplir con uno de los siguientes:

Si se utiliza un dispositivo PTC, deberá:

Cuando se utilice un dispositivo de protección contra sobrecorriente, deberá ser un fusible o un dispositivo electromecánico no ajustable y sin restablecimiento automático.

Si la fuente de energía es del tipo que requiere un protocolo de enlace/negociación entre una carga o detecta cargas de manera inteligente y, como resultado, no permite la salida de voltajes/corrientes que ocurren normalmente en cargas resistivas, la fuente debe conectarse a un dispositivo de terminación/impedancia que enciende la fuente de voltaje/corriente y genera la entrega de energía bajo las condiciones especificadas.

Q.1.2 Método de prueba y criterios de cumplimiento

El cumplimiento se comprueba mediante inspección y medición y, en su caso, mediante el examen de los datos del fabricante de las baterías. Las baterías deben estar completamente cargadas cuando se realicen las mediciones de Uoc e Isc de acuerdo con la Tabla Q.1 y la Tabla Q.2. Se considerará la potencia máxima, por ejemplo, de una batería y de un circuito de red.

La carga a la que se hace referencia en las notas al pie b y c de la Tabla Q.1 y la Tabla Q.2 y en la Q1.1. se ajusta para desarrollar la máxima corriente y la máxima transferencia de potencia a su vez. Las condiciones de falla simple se aplican en una red de regulación de acuerdo con la Cláusula Q.1.1, inciso c) mientras se encuentren bajo estas condiciones de corriente y potencia máximas.

Q.2 Prueba para circuitos externos – cable conductor emparejado

Los equipos que suministren energía a un cable conductor emparejado de un circuito externo destinado a ser conectado al cableado del edificio deben verificarse de la siguiente manera.

Si la limitación de corriente se debe a la impedancia inherente de la fuente de alimentación, se mide la corriente de salida en cualquier carga resistiva (consulte la nota e de Q.1 o f de Q.2), incluido un cortocircuito. El límite de corriente no debe excederse en ningún momento después de 60 s de prueba. Si la limitación de corriente es proporcionada por un dispositivo de protección contra sobrecorriente que tiene una característica de tiempo/corriente especificada:

Si la limitación de corriente la proporciona un dispositivo de protección contra sobrecorriente que no tiene una característica específica de tiempo/corriente:

Aunque conceptualmente sencillo, la implementación de requisitos adecuados para lograr la evaluación completa necesaria de una unidad PSE o PD es compleja cuando se ajusta a los requisitos generales de un estándar como IEC 62368-1 para garantizar que cada uno funcione de forma independiente en una manera segura.

Los detalles que se presentan aquí se basan en la experiencia personal al tratar con el proceso de evaluación de este tipo de equipo, una comprensión detallada de los requisitos establecidos en la norma más la aplicación de la razonabilidad, una técnica de adaptación de la Norma basada en peligros, al proceso de evaluación de estas unidades.

El detalle aquí proporcionará al usuario una hoja de ruta integral a través de IEC 62368-1 que describe los detalles específicos que deben tenerse en cuenta en la evaluación.

Cada parte en el proceso de evaluación debe aplicar la sensatez al adaptar estas evaluaciones, como se hace en otras situaciones (que generalmente no son tan complejas) para garantizar una evaluación completa de los peligros al mostrar que las salvaguardas colocadas son adecuadas para proteger al usuario y el entorno local.

Los autores agradecen a IEC TC 108 HBSDT por sus comentarios al tratar este problema no resuelto y directamente a IEC por las citas base de IEC 62368-1 que se muestran con modificaciones aquí en detalle para tratar este difícil problema en curso.

Jim WiesePeter PerkinspoepoderPSEnormaspruebas

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