摘要：本文通过典型案例解读GB4706.1-2005及IEC60335-1：2010中19.5、19.11.2和19.11.3条款标准要求。

 

关键词：非正常工作  管状外鞘电热元件 保护电子电路

 

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：

 

随着生产工艺、科学技术的发展，以及消费者对产品用户体验要求越来越高，家用电器智能化成为发展趋势。产品大量使用传感器，微处理器等分立或集合半导体元件。但部分企业设计研发人员解读GB4706.1-2005《家用和类似用途电器的安全 第一部分：通用要求》第19.5、19.11.2和19.11.3条款有误，导致产品在极端情况下有着火危险，未能通过中国强制性认证。

 

笔者希望通过分析实际工作典型案例帮助大家更好地理解标准的要求。

 

一、保护电子电路定义

 

GB4706.1-2005标准的第3.9.3条款给出了保护电子电路的定义：

 

防止非正常运行状态下出现危险的电子电路。

 

注：电路中的部分也可以起到功能作用

 

IECEE/CB Scheme/CTL DSH730决议举例如下图1所示，电流从电源L极经T2，T1到电热元件R回到电源N极，T2由“PT100热敏电阻-微处理器”控制正常加热，当过热时NTC将温度转为电压信息送入微处理器，输出低电平锁住T1，切断电热元件。“PT100-IC-T1”系统可视为“电子式温控器”，而“NTC-IC-T1”系统可视为保护电子线路。

 

 

图1 保护电子线路

 

值得注意保护电子线路定义中注解，电路的部分也可以起功能作用。如图2是典型的豆浆机原理图，R与NTC分压将豆浆温度转为电压信号送入IC，IC输出驱动信号控制三极管，从而控制继电器的闭合。通常设计人员认为此电子线路系统是控制正常的功能，过热保护主要是通过热熔断体保护。可是由于部分非正常试验中该电子线路起到了防止过热的作用，按标准定义也称其为保护电子线路。

 

图2 典型的豆浆机原理图

 

二、19.5条款要求及案例分析

 

GB4706.1-2005第19.5条标准摘录如下：

 

19.5 装有带管状外鞘或埋入式电热元件的0I类和I类器具，要重复19.4的试验。但控制器不短路，而电热元件的一端要与其外鞘相连接。 

 

改变器具电源极性，电热元件另一端要与电热元件的外鞘相连，重复此试验。 

 

打算永久连接到固定布线的器具和在19.4的试验期间出现全断开的器具不进行此试验。 

 

注1：带中性线的器具，在中线与外鞘连接的状态下进行试验。 

注2：对埋入式电热元件，其金属外壳可认为是外鞘。

 

试验先如图3所示，将电热元件与继电器连接的一端与外鞘相连接并将外鞘与中线N相连，热熔断体一端连接火线L。不难理解当接上电源后，就会形成“L-热熔断体-铠装电热元件-N”的回路，当电热元件温度超温时，热熔断体开路，切断电热元件的电源，从而达到保护器具效果，符合标准的要求。

 

图3 19.5条款第一次试验接线

 

19.5条款试验第二次如图4所示的改变电源的极性，将电热元件与热熔断体连接的一端与外鞘相连接并把外鞘与中线N相连，继电器一端连接火线L，这样就形成了“L—继电器—电热元件—N”的回路，当温度过高时，NTC感应温度反馈IC，IC断开继电器，从而实现过热保护，符合标准要求。

 

图4 19.5条款第二次试验接线

 

在笔者工作实践中遇到较多的19.5条款典型错误的设计如图5所示的结构，所有控制装置和保护装置都串联在管状电热元件一极，而管状电热元件的另外一极直接跟电源相连，透过上述分析讨论，其结构不符合标准要求。

 

图5 所有控制装置和保护装置在一极上

 

三、19.11.3条款保护电子线路

 

单一故障下重复19.5案例分析

 

GB4706.1-2005第19.11.3条款标准如下：

 

19.11.3如果器具装有使器具符合第19章要求的保护电子电路，则按19.11.2 中a）－f）的要求，相关试验以模拟单一故障的方式重复进行。

 

适用条件是“装有符合第19章要求的保护电子电路”，如图２中的“NTC—IC—继电器”有人误以为只是在11章正常工作动作的“电子温控器”，热熔断体才是起到保护作用，没有保护电子线路。因为没有考虑到19.5条款试验的现象，导致误以为没有保护电子线路。  

 

如图4所示，将电热元件与热熔断体连接的一端与外鞘相连接并将外鞘与电源中线N相连，继电器一端连接电源火线L，这样就形成了“L—继电器—电热元件—N”的回路，当温度过高时，NTC感应温度反馈IC，IC断开继电器，从而对器具实现过热保护，“NTC—IC—继电器”除了是“电子温控器”外，还是保护电子电路，显然19.11.3适用。

 

标准19.11.2中a）～f）的要求摘录如下：

 

19.11.2要考虑下列的故障情况，而且如有必要，要每次施加一个故障，并考虑随之发生的间接故障。

 

a)如果电气间隙和爬电距离小于第29章中的规定值，则功能性绝缘短路； 

b)任何元件接线端处开路； 

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

d)非集成电路电子元件的任何两个接线端处的短路。该故障情况不施加在光耦合器的两个电路之间；

e)三端双向可控硅开关元件以二极管方式失效； 

f)集成电路的失效。要考虑集成电路故障条件下所有可能的输出信号。如果能表明不可能产生一个特殊的信号，则其有关的故障可不考虑。

 

注1：如可控硅整流器和三端双向可控硅开关元件那样的元件，不经受f）故障情况。 

注2：微处理器按集成电路进行试验。

 

1、保护电子线路中三极管c、e极施加故障d）情况下重复19.5试验

 

假设控制继电器的三级管的c、e极施加故障d）短路，继电器的线圈将会一直通电，不再受IC输出信号的控制，继电器强电的开关触点一直处于导通状态。如图6所示，将电热元件与继电器连接的一端与外鞘相连接并把外鞘与中线N相连，热熔断体一端连接火线L。热熔断体过热保护符合标准要求。当然，在施加故障d)时，不仅仅只针对三极管的c、e极之间，按照具体电路的设计，考虑到最不利的情况，也有可能是c、e、b极的任意一极之间。

 

图6 三极管短路情况下重复19.5试验

 

如图7所示的改变电源的极性，将电热元件与热熔断体连接的一端与外鞘相连接并把外鞘与中线N相连，继电器一端连接火线L，这样就形成了“L—继电器—电热元件—N”的回路。又因为控制继电器的三极管c、e极短路导致继电器开关触点呈导通状态，可简化为“L—电热元件—N”，电热元件一直通电，且没有任何保护装置，最终将导致电热元件烧断甚至起火，不符合标准19.13判定条款的要求。

 

图7三极管短路情况下重复19.5试验

 

2、保护电子线路中NTC施加故障下重复19.5试验

 

保护电子线路中NTC为热敏电阻，也应该模拟故障d短路和故障b）开路。NTC是负温度系数热敏电阻，温度越高，电阻越低，与电阻R的分压就越低，即传送到IC电压值越低，IC测得温度越高，反之亦然。

 

对NTC施加故障d）短路时，因为直接拉地，使IC一直读取低电平，重复19.5试验时IC“以为”锅体温度高，输出低电平断开继电器进行保护，不会发生危险。

 

对NTC施加故障b）开路时，相当于IC的I/O口上拉至高电平，在重复19.5试验时，IC“以为”锅体温度一直处于低温，输出高电平驱动继电器，同时由于热熔断体被旁路，形成电热元件没有任何保护，结果不符合标准19.13判定条款的要求。

 

针对NTC模拟短路或开路，IECEE/CB Scheme/CTL DSH0725A决议文件提出中“用一个固定阻值的电阻去替换NTC”更严酷的模拟条件。NTC开路或短路的极端情况可能在IC内部可鉴别判定，但NTC阻值被人为固定，一般的IC无法鉴别从而导致永远输出令继电器闭合的信号。

 

3、保护电子线路中IC施加故障f)情况重复19.5试验

 

 如果IC施加故障f)，模拟IC内部出现故障持续输出某一固定信号，例如IC“错误地永远”输出高电平时，三极管导通，继电器闭合，电热元件加热。同上分析，重复19.5试验不符合19.13判定条款的要求。

 

 四、解决方案       

 

1．CTL决议提出解决方案

 

19.11.3下重复19.5的测试要求在IECEE/CB Scheme/CTL PDSH-441A决议中有讨论共识，摘录如下：

 

决议： 需要额外的热断路器，或按第4.1,4.2和第5版标准电子温控器要看成是保护电子电路 PEC（protective  electronic circuit）并按相关条款评估。

 

对该CTL决议简单地可以理解为两种解决方案，一是在电热元件与“电子温控器”连接的一端增加第三个额外的热断路器，温度过高时直接断开强电。或在三极管与继电器线圈的回路上串联一个机械式的热断路器，在温度过高时断开继电器线圈的供电回路，避免继电器一直吸合（如图8）。这样，无论电子线路被施加19.11.2中的任意故障加上重复19.5试验，总会机械式热断路器或热熔断体对电热元件进行保护，器具的安全不依赖于电子线路，符合标准的要求。

 

图8 增加额外的机械式热断路器

 

方案二是按照保护电子电路来进行相关评估。

 

2．针对三极管c、e极施加故障d）重复19.5不符合标准要求解决方案

 

标准19.11.3每次只施加19.11.2中的一种故障，因此只要保证在施加一次短路不会导致继电器永久闭合即可解决该问题。如图9所示，原一个三极管改为两个三极管的e、c极串联。这样在19.11.2的d）故障中只能短接一个三极管的c、e极，另一个三极管仍能受IC控制正常通断，避免继电器永久闭合。

 

图9 两个三极管串联

 

也许有人会提出两个三极管串联没有用，如果直接把继电器开关触点短路也有危险。笔者认为在19.11.3条款中不应短路继电器。理由有：

 

19.11.2是针对电子元件施加的故障，电磁继电器按定义不属于电子元件。

 

GB4706.1-2005标准中“电子元件”定义摘录如下：

 

3.9.1 主要是通过电子在真空、气体或半导体中运动来完成传导的部件。

 

电磁继电器电子不是在真空、气体或半导体中运动，而是在螺线管中运动。

 

在IEC60335-1:2010标准已经有继电器短路的19.14条款，并且19.14是施加单一故障，并不需要在继电器短路的情况下重复19章的其他测试。

 

3．针对IC施加故障f)重复19.5不合格的解决方案

 

显然图9方案只是解决了三极管c、e极短路导致继电器常通的问题，如果IC施加故障f)，始终输出高电平信号，仍然不符合标准的要求。

 

电路可不作任何改动，对IC进行软件评估。经过软件评估的IC，因为内里的程序已经是B级、或者C级，已对IC的I/O口故障、RMA存储器故障，时间故障，看门狗等等影响安全的危险采取了相应的措施，可认为故障f)的情况不会出现。

 

只要器具的最终安全是要依赖于程序的正常运行的，如“电子温控器——加热管——热熔断体”的结构中，IC通过NTC采集温度信号，进而相应地发出输出信号对加热管的通断进行控制，19.11.2故障f)要通过软件评估来解决。

 

4．针对NTC施加故障下重复19.5试验的解决方案

 

对于上述图9的方案解决了IC输出端的问题，未解决输入端的风险。如果控制其输出的输入端信号NTC问题不解决，仍将存在风险。

 

如图10所示两个三极管串联+软件评估方案，可以通过软件评估的IC的程序来鉴别NTC短路、开路或阻值被固定不变的失效，简单概括编写程序周期性地读取NTC的信号，如果在预设加热一段周期内（如两分钟、三分钟等）NTC信号不变则程序判断NTC出现了故障，停机保护。

 

图10 两个三极管串联+软件评估

 

  五、结论          

 

GB4706.1-2005标准原则上一次只模拟一个故障条件，唯有在19.11.3条款出现“双重失效”条件，这与电子线路电子元件的特性密不可分。

 

企业设计研发人员、生产制造人员和检测评价人员应正确地理解“保护电子线路”的定义，有效地判断产品电子线路是否同时起功能作用和非正常保护作用，才能正确地施加故障条件进行19.11.3“双重失效”的试验，只有这样才能“设计和生产出质量好的产品”。

 

参考文献： 

 

[1]   GB4706.1-2005《家用和类似用途电器的安全 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