摘要：本文通過典型案例解讀GB4706.1-2005及IEC60335-1：2010中19.5、19.11.2和19.11.3條款標準要求。

 

關鍵詞：非正常工作  管狀外鞘電熱元件 保護電子電路

 

Abstract: This article discusses the requirments of clause 19.5，19.11.2 and 19.11.3 of GB4706.1-2005 and IEC60335-1:2010, and gives some tipical example.

 

Key words: abnormal operation tubular sheathed heating element Protective Electronic Circuit (PEC)

 

前言：

 

隨著生產工藝、科學技術的發展，以及消費者對產品用戶體驗要求越來越高，家用電器智能化成為發展趨勢。產品大量使用傳感器，微處理器等分立或集合半導體元件。但部分企業設計研發人員解讀GB4706.1-2005《家用和類似用途電器的安全 第一部分：通用要求》第19.5、19.11.2和19.11.3條款有誤，導致產品在極端情況下有著火危險，未能通過中國強制性認證。

 

筆者希望通過分析實際工作典型案例幫助大家更好地理解標準的要求。

 

一、保護電子電路定義

 

GB4706.1-2005標準的第3.9.3條款給出了保護電子電路的定義：

 

防止非正常運行狀態下出現危險的電子電路。

 

注：電路中的部分也可以起到功能作用

 

IECEE/CB Scheme/CTL DSH730決議舉例如下圖1所示，電流從電源L極經T2，T1到電熱元件R回到電源N極，T2由“PT100熱敏電阻-微處理器”控制正常加熱，當過熱時NTC將溫度轉為電壓信息送入微處理器，輸出低電平鎖住T1，切斷電熱元件。“PT100-IC-T1”系統可視為“電子式溫控器”，而“NTC-IC-T1”系統可視為保護電子線路。

 

 

圖1 保護電子線路

 

值得注意保護電子線路定義中注解，電路的部分也可以起功能作用。如圖2是典型的豆漿機原理圖，R與NTC分壓將豆漿溫度轉為電壓信號送入IC，IC輸出驅動信號控制三極管，從而控制繼電器的閉合。通常設計人員認為此電子線路系統是控制正常的功能，過熱保護主要是通過熱熔斷體保護。可是由于部分非正常試驗中該電子線路起到了防止過熱的作用，按標準定義也稱其為保護電子線路。

 

圖2 典型的豆漿機原理圖

 

二、19.5條款要求及案例分析

 

GB4706.1-2005第19.5條標準摘錄如下：

 

19.5 裝有帶管狀外鞘或埋入式電熱元件的0I類和I類器具，要重復19.4的試驗。但控制器不短路，而電熱元件的一端要與其外鞘相連接。 

 

改變器具電源極性，電熱元件另一端要與電熱元件的外鞘相連，重復此試驗。 

 

打算永久連接到固定布線的器具和在19.4的試驗期間出現全斷開的器具不進行此試驗。 

 

注1：帶中性線的器具，在中線與外鞘連接的狀態下進行試驗。 

注2：對埋入式電熱元件，其金屬外殼可認為是外鞘。

 

試驗先如圖3所示，將電熱元件與繼電器連接的一端與外鞘相連接并將外鞘與中線N相連，熱熔斷體一端連接火線L。不難理解當接上電源后，就會形成“L-熱熔斷體-鎧裝電熱元件-N”的回路，當電熱元件溫度超溫時，熱熔斷體開路，切斷電熱元件的電源，從而達到保護器具效果，符合標準的要求。

 

圖3 19.5條款第一次試驗接線

 

19.5條款試驗第二次如圖4所示的改變電源的極性，將電熱元件與熱熔斷體連接的一端與外鞘相連接并把外鞘與中線N相連，繼電器一端連接火線L，這樣就形成了“L—繼電器—電熱元件—N”的回路，當溫度過高時，NTC感應溫度反饋IC，IC斷開繼電器，從而實現過熱保護，符合標準要求。

 

圖4 19.5條款第二次試驗接線

 

在筆者工作實踐中遇到較多的19.5條款典型錯誤的設計如圖5所示的結構，所有控制裝置和保護裝置都串聯在管狀電熱元件一極，而管狀電熱元件的另外一極直接跟電源相連，透過上述分析討論，其結構不符合標準要求。

 

圖5 所有控制裝置和保護裝置在一極上

 

三、19.11.3條款保護電子線路

 

單一故障下重復19.5案例分析

 

GB4706.1-2005第19.11.3條款標準如下：

 

19.11.3如果器具裝有使器具符合第19章要求的保護電子電路，則按19.11.2 中a）－f）的要求，相關試驗以模擬單一故障的方式重復進行。

 

適用條件是“裝有符合第19章要求的保護電子電路”，如圖２中的“NTC—IC—繼電器”有人誤以為只是在11章正常工作動作的“電子溫控器”，熱熔斷體才是起到保護作用，沒有保護電子線路。因為沒有考慮到19.5條款試驗的現象，導致誤以為沒有保護電子線路。  

 

如圖4所示，將電熱元件與熱熔斷體連接的一端與外鞘相連接并將外鞘與電源中線N相連，繼電器一端連接電源火線L，這樣就形成了“L—繼電器—電熱元件—N”的回路，當溫度過高時，NTC感應溫度反饋IC，IC斷開繼電器，從而對器具實現過熱保護，“NTC—IC—繼電器”除了是“電子溫控器”外，還是保護電子電路，顯然19.11.3適用。

 

標準19.11.2中a）～f）的要求摘錄如下：

 

19.11.2要考慮下列的故障情況，而且如有必要，要每次施加一個故障，并考慮隨之發生的間接故障。

 

a)如果電氣間隙和爬電距離小于第29章中的規定值，則功能性絕緣短路； 

b)任何元件接線端處開路； 

c)電容器的短路，符合GB/T14472(idt IEC 60384-14)的電容器除外； 

d)非集成電路電子元件的任何兩個接線端處的短路。該故障情況不施加在光耦合器的兩個電路之間；

e)三端雙向可控硅開關元件以二極管方式失效； 

f)集成電路的失效。要考慮集成電路故障條件下所有可能的輸出信號。如果能表明不可能產生一個特殊的信號，則其有關的故障可不考慮。

 

注1：如可控硅整流器和三端雙向可控硅開關元件那樣的元件，不經受f）故障情況。 

注2：微處理器按集成電路進行試驗。

 

1、保護電子線路中三極管c、e極施加故障d）情況下重復19.5試驗

 

假設控制繼電器的三級管的c、e極施加故障d）短路，繼電器的線圈將會一直通電，不再受IC輸出信號的控制，繼電器強電的開關觸點一直處于導通狀態。如圖6所示，將電熱元件與繼電器連接的一端與外鞘相連接并把外鞘與中線N相連，熱熔斷體一端連接火線L。熱熔斷體過熱保護符合標準要求。當然，在施加故障d)時，不僅僅只針對三極管的c、e極之間，按照具體電路的設計，考慮到最不利的情況，也有可能是c、e、b極的任意一極之間。

 

圖6 三極管短路情況下重復19.5試驗

 

如圖7所示的改變電源的極性，將電熱元件與熱熔斷體連接的一端與外鞘相連接并把外鞘與中線N相連，繼電器一端連接火線L，這樣就形成了“L—繼電器—電熱元件—N”的回路。又因為控制繼電器的三極管c、e極短路導致繼電器開關觸點呈導通狀態，可簡化為“L—電熱元件—N”，電熱元件一直通電，且沒有任何保護裝置，最終將導致電熱元件燒斷甚至起火，不符合標準19.13判定條款的要求。

 

圖7三極管短路情況下重復19.5試驗

 

2、保護電子線路中NTC施加故障下重復19.5試驗

 

保護電子線路中NTC為熱敏電阻，也應該模擬故障d短路和故障b）開路。NTC是負溫度系數熱敏電阻，溫度越高，電阻越低，與電阻R的分壓就越低，即傳送到IC電壓值越低，IC測得溫度越高，反之亦然。

 

對NTC施加故障d）短路時，因為直接拉地，使IC一直讀取低電平，重復19.5試驗時IC“以為”鍋體溫度高，輸出低電平斷開繼電器進行保護，不會發生危險。

 

對NTC施加故障b）開路時，相當于IC的I/O口上拉至高電平，在重復19.5試驗時，IC“以為”鍋體溫度一直處于低溫，輸出高電平驅動繼電器，同時由于熱熔斷體被旁路，形成電熱元件沒有任何保護，結果不符合標準19.13判定條款的要求。

 

針對NTC模擬短路或開路，IECEE/CB Scheme/CTL DSH0725A決議文件提出中“用一個固定阻值的電阻去替換NTC”更嚴酷的模擬條件。NTC開路或短路的極端情況可能在IC內部可鑒別判定，但NTC阻值被人為固定，一般的IC無法鑒別從而導致永遠輸出令繼電器閉合的信號。

 

3、保護電子線路中IC施加故障f)情況重復19.5試驗

 

 如果IC施加故障f)，模擬IC內部出現故障持續輸出某一固定信號，例如IC“錯誤地永遠”輸出高電平時，三極管導通，繼電器閉合，電熱元件加熱。同上分析，重復19.5試驗不符合19.13判定條款的要求。

 

 四、解決方案       

 

1．CTL決議提出解決方案

 

19.11.3下重復19.5的測試要求在IECEE/CB Scheme/CTL PDSH-441A決議中有討論共識，摘錄如下：

 

決議： 需要額外的熱斷路器，或按第4.1,4.2和第5版標準電子溫控器要看成是保護電子電路 PEC（protective  electronic circuit）并按相關條款評估。

 

對該CTL決議簡單地可以理解為兩種解決方案，一是在電熱元件與“電子溫控器”連接的一端增加第三個額外的熱斷路器，溫度過高時直接斷開強電。或在三極管與繼電器線圈的回路上串聯一個機械式的熱斷路器，在溫度過高時斷開繼電器線圈的供電回路，避免繼電器一直吸合（如圖8）。這樣，無論電子線路被施加19.11.2中的任意故障加上重復19.5試驗，總會機械式熱斷路器或熱熔斷體對電熱元件進行保護，器具的安全不依賴于電子線路，符合標準的要求。

 

圖8 增加額外的機械式熱斷路器

 

方案二是按照保護電子電路來進行相關評估。

 

2．針對三極管c、e極施加故障d）重復19.5不符合標準要求解決方案

 

標準19.11.3每次只施加19.11.2中的一種故障，因此只要保證在施加一次短路不會導致繼電器永久閉合即可解決該問題。如圖9所示，原一個三極管改為兩個三極管的e、c極串聯。這樣在19.11.2的d）故障中只能短接一個三極管的c、e極，另一個三極管仍能受IC控制正常通斷，避免繼電器永久閉合。

 

圖9 兩個三極管串聯

 

也許有人會提出兩個三極管串聯沒有用，如果直接把繼電器開關觸點短路也有危險。筆者認為在19.11.3條款中不應短路繼電器。理由有：

 

19.11.2是針對電子元件施加的故障，電磁繼電器按定義不屬于電子元件。

 

GB4706.1-2005標準中“電子元件”定義摘錄如下：

 

3.9.1 主要是通過電子在真空、氣體或半導體中運動來完成傳導的部件。

 

電磁繼電器電子不是在真空、氣體或半導體中運動，而是在螺線管中運動。

 

在IEC60335-1:2010標準已經有繼電器短路的19.14條款，并且19.14是施加單一故障，并不需要在繼電器短路的情況下重復19章的其他測試。

 

3．針對IC施加故障f)重復19.5不合格的解決方案

 

顯然圖9方案只是解決了三極管c、e極短路導致繼電器常通的問題，如果IC施加故障f)，始終輸出高電平信號，仍然不符合標準的要求。

 

電路可不作任何改動，對IC進行軟件評估。經過軟件評估的IC，因為內里的程序已經是B級、或者C級，已對IC的I/O口故障、RMA存儲器故障，時間故障，看門狗等等影響安全的危險采取了相應的措施，可認為故障f)的情況不會出現。

 

只要器具的最終安全是要依賴于程序的正常運行的，如“電子溫控器——加熱管——熱熔斷體”的結構中，IC通過NTC采集溫度信號，進而相應地發出輸出信號對加熱管的通斷進行控制，19.11.2故障f)要通過軟件評估來解決。

 

4．針對NTC施加故障下重復19.5試驗的解決方案

 

對于上述圖9的方案解決了IC輸出端的問題，未解決輸入端的風險。如果控制其輸出的輸入端信號NTC問題不解決，仍將存在風險。

 

如圖10所示兩個三極管串聯+軟件評估方案，可以通過軟件評估的IC的程序來鑒別NTC短路、開路或阻值被固定不變的失效，簡單概括編寫程序周期性地讀取NTC的信號，如果在預設加熱一段周期內（如兩分鐘、三分鐘等）NTC信號不變則程序判斷NTC出現了故障，停機保護。

 

圖10 兩個三極管串聯+軟件評估

 

  五、結論          

 

GB4706.1-2005標準原則上一次只模擬一個故障條件，唯有在19.11.3條款出現“雙重失效”條件，這與電子線路電子元件的特性密不可分。

 

企業設計研發人員、生產制造人員和檢測評價人員應正確地理解“保護電子線路”的定義，有效地判斷產品電子線路是否同時起功能作用和非正常保護作用，才能正確地施加故障條件進行19.11.3“雙重失效”的試驗，只有這樣才能“設計和生產出質量好的產品”。

 

參考文獻： 

 

[1]   GB4706.1-2005《家用和類似用途電器的安全 第一部分：通用要求》

[2]   IEC60335-1: 2010《Household and similar electrical appliances – safety – Part 1: General requirements》

[3]    IECEE/CB Scheme/CTL Decision DSH 0725A

[4]    IECEE/CB Scheme/CTL Decision DSH 730

[5]    IECEE/CB Scheme/CTL Decision PDSH-441A