對于觸摸式感應(yīng)開關(guān)絕緣材料球壓試驗(yàn)溫度選擇的探討

楊 帆

（嘉興威凱檢測技術(shù)有限公司 嘉興 314000）

引言

隨著我國產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)和人民生活水平的提高，對于家用電器的要求也不僅僅是安全耐用，產(chǎn)品的外形設(shè)計(jì)也逐漸列入了選購的條件中，越來越多的家用電器開始使用觸摸式控制使得電器表面更美觀時(shí)尚并且便于設(shè)計(jì)。然而筆者發(fā)現(xiàn)部分檢測人員在檢測過程中將觸摸感應(yīng)開關(guān)的外部絕緣材料作為外部零件來進(jìn)行75 ℃的球壓試驗(yàn)。同時(shí)有些企業(yè)也往往會選用不合適的非金屬材料作為開關(guān)從而導(dǎo)致產(chǎn)品不符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 觸摸感應(yīng)開關(guān)介紹

觸摸感應(yīng)開關(guān)是一種用來替代傳統(tǒng)機(jī)械開關(guān)的設(shè)備，按照開關(guān)原理又分為電阻式觸摸開關(guān)、電容式觸摸開關(guān)、壓電式觸摸開關(guān)，目前主流的是電容式觸摸開關(guān)，廣泛應(yīng)用在吸油煙機(jī)、電吹風(fēng)、卷發(fā)器、洗衣機(jī)、電飯鍋等常見的家用電器中，見圖1。本文也主要選擇此種觸摸感應(yīng)開關(guān)進(jìn)行介紹。

圖1 幾種家電的觸摸感應(yīng)開關(guān)

電容式觸摸開關(guān)的實(shí)現(xiàn)原理主要是基于當(dāng)人手指接近平板電容時(shí)引發(fā)平板電容的值發(fā)生微變化，從而通過電路將這一變化轉(zhuǎn)化為信號來實(shí)現(xiàn)開關(guān)的功能[1]。而在實(shí)際應(yīng)用中，一些比較普遍的做法是利用觸摸彈簧來協(xié)助構(gòu)建電容感應(yīng)器。而且由于觸摸彈簧的存在，PCB 就可以安裝在離外殼或操作面板較遠(yuǎn)的位置，并且即便在振動強(qiáng)烈或溫度劇烈變化的工作條件下，也能可靠地提供感應(yīng)連接。

圖2 是某攪拌機(jī)上的觸摸感應(yīng)開關(guān)，實(shí)際安裝時(shí)，觸摸按鍵板利用卡扣將觸摸彈簧壓緊。操作時(shí)只要將手指貼緊按鍵板表面，即可起到開關(guān)作用，相對于普通機(jī)械開關(guān)更為省力。

圖2 觸摸感應(yīng)開關(guān)及安裝后

2 觸摸感應(yīng)開關(guān)的結(jié)構(gòu)分析

如圖3 所示是一種觸摸感應(yīng)開關(guān)的設(shè)計(jì)。工作時(shí)通過設(shè)置好預(yù)先的定位，利用觸摸彈簧2 將平板感應(yīng)電極3 緊貼在觸摸面板4 背面，從而形成一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。而這個(gè)結(jié)構(gòu)一旦構(gòu)成，電路板的電容檢測電路就可以檢測到一個(gè)初始電容C0。當(dāng)人手或其他導(dǎo)電體觸及觸摸面板4 時(shí)，則觸摸面與感應(yīng)電極3 會形成一個(gè)較大的觸摸電容Cf，從而使電容檢測電路得到反饋進(jìn)而完成觸摸按鍵工作[2]。

圖3 一種觸摸感應(yīng)開關(guān)設(shè)計(jì)原理圖

通過以上結(jié)構(gòu)和原理介紹我們可以分析得出，觸摸感應(yīng)開關(guān)是通過觸摸面板4 和電路板1 將觸摸彈簧2 壓緊來保持感應(yīng)電極3 的在位，而由于是感應(yīng)電極3 和人手或其他導(dǎo)電體形成電容，并且通過電路板1 上的電容檢測電路來對形成的電容值檢測進(jìn)行判定，因此在正常工作過程中，觸摸彈簧2 是有電流經(jīng)過。

在標(biāo)準(zhǔn)GB 4706.1-2005 中對于帶電部件的定義如下：打算在正常使用時(shí)通電的導(dǎo)線或?qū)щ娦圆考?。凡是符?.1.4 要求的易觸及部件或不易觸及部件都認(rèn)為是非帶電部件[3]。

由此可知，如果不滿足8.1.4 要求，那么開關(guān)內(nèi)的觸摸彈簧是帶電部件。

3 標(biāo)準(zhǔn)條款解析

標(biāo)準(zhǔn)GB 4706.1-2005 第30 章的30.1 條款有下述規(guī)定：

對于非金屬材料制成的外部零件、用來支撐帶電部件（包括連接）的絕緣材料零件以及提供附加絕緣或加強(qiáng)絕緣的熱塑性材料零件，其惡化可導(dǎo)致器具不符合本標(biāo)準(zhǔn)的，應(yīng)充分耐熱。該試驗(yàn)在烘箱內(nèi)進(jìn)行，烘箱溫度為（40±2）℃加上第11 章試驗(yàn)期間確定的最大溫升，但該溫度應(yīng)至少：（75±2）℃（對于外部零件）或（125±2）℃（對于支撐帶電部件的零件）[3]。

首先，觸摸感應(yīng)開關(guān)的觸摸表面一般均是外部部件，其材質(zhì)一般為PP（聚丙烯纖維）、PA66（聚己二酰己二胺）或玻璃等非金屬材料，當(dāng)該材料因?yàn)槭軣峄蚱渌蜃冃螘r(shí)，人手可能穿過該部位觸及內(nèi)部的危險(xiǎn)部件，從而有導(dǎo)致產(chǎn)品不符合本標(biāo)準(zhǔn)，因此需要對該觸摸開關(guān)的表面非金屬材料進(jìn)行耐熱試驗(yàn)。

但是對于耐熱試驗(yàn)（即球壓試驗(yàn)）的球壓溫度選擇有以下一些不同的觀點(diǎn)：

觀點(diǎn)一：該開關(guān)表面非金屬材料僅僅是器具的外部零件，因此至少要依照（75±2）℃的溫度進(jìn)行球壓試驗(yàn)。

觀點(diǎn)二：該開關(guān)表面非金屬材料是用來支撐帶電部件的絕緣材料零件，因此至少要依照（125±2）℃的溫度進(jìn)行球壓試驗(yàn)。

觀點(diǎn)三：該開關(guān)表面非金屬材料雖然是用來支撐帶電部件的絕緣材料零件，但是由于該電容檢測電路一般僅為5 V 或類似的低壓電路，由于同時(shí)該材料是器具的外部零件，因此僅要依照至少（75±2）℃的溫度進(jìn)行球壓試驗(yàn)，而不需要按照（125±2）℃的溫度來進(jìn)行試驗(yàn)。

4 IEC/TC 61 國際電工委員會第61 家用電器技術(shù)委員會網(wǎng)絡(luò)全體會議討論內(nèi)容

2020年10月IEC/TC61 國際電工委員會第61 家用電器技術(shù)委員會網(wǎng)絡(luò)全體會議對本文圖2 中的實(shí)際案例問題進(jìn)行了討論并做出相應(yīng)的回答。

案例問題翻譯如下：

一款觸摸感應(yīng)開關(guān)，彈簧電極未與220 V 電源隔離，安裝后從原始長度15 mm 減小到10 mm，根據(jù)IEC 60335-1 的30.1 條款的觸摸面板/外殼的球壓試驗(yàn)而言，觸摸面板/外殼是“支撐”電極（帶電部件）還是只是“接觸”電極？

關(guān)鍵的爭論點(diǎn)是：開關(guān)表面材料從上往下壓住電極是否可以被“視為”支撐電極部件？

觀點(diǎn)一：不，是“接觸”而不是“支撐”，是PCB 板“支撐”了彈簧和電極帶電部件，而不是外殼。對支撐帶電部件（125±2）℃的球壓試驗(yàn)不適用。

觀點(diǎn)二：是，很難理解一個(gè)部件如何從上往下“支撐” 另一個(gè)部件，但是，只需將攪拌機(jī)器具上下顛倒即可想象，如圖4 所示。很明顯彈簧-電極-帶電部件同時(shí)被PCB板和觸摸面板/外殼支撐。 如果外殼被拆除，彈簧和電極將不能保持在原來位置，將會移動5 mm，所以對支撐帶電部件（125±2）℃的球壓試驗(yàn)適用。

圖4 觸摸感應(yīng)開關(guān)受力分析

對于回答的翻譯如下：

觸摸面板/外殼應(yīng)該被認(rèn)為是支撐帶電部件。

值得注意的是在這個(gè)案例中“支撐”不應(yīng)只局限于考慮重力的影響，也適用于器具中保持帶電部件永久可靠安置在位的情況。在決定球壓試驗(yàn)被要求的三個(gè)選項(xiàng)中（外部部件，支撐帶電部件，附加/加強(qiáng)絕緣），基于這次的案例情況這是唯一的選項(xiàng)。

5 分析討論

IEC/TC 61 大會的回答也是基于以下原因：

首先，按照一般檢測過程中“就高不就低”的原則，同時(shí)按照標(biāo)準(zhǔn)GB 4706.1-2005 內(nèi)條款30.1 的注3 以及附錄O（見圖5），如果一種材料是外殼，那就要依照（75±2）℃的溫度進(jìn)行球壓試驗(yàn)，如果它也是用來支撐帶電部件的絕緣材料零件，那就要依照（125±2）℃的溫度進(jìn)行球壓試驗(yàn)，還要考慮11 章+40 ℃和19 章的溫升+25 ℃取其中的較高值。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)GB 4706.1-2005 附錄O

其次，兩種觀點(diǎn)的區(qū)別在于是否是支撐帶電部件的絕緣材料，以圖2 和圖3 的產(chǎn)品為例，觸摸按鍵板利用卡扣將觸摸彈簧壓緊，使得感應(yīng)電極與該材料緊貼，從而人手觸摸開關(guān)時(shí)候才能和感應(yīng)電極產(chǎn)生感應(yīng)電容，如果未能將彈簧壓緊，那么人手觸摸開關(guān)表面時(shí)也可能會因?yàn)榻佑|不良而導(dǎo)致開關(guān)不起作用，因此這種結(jié)構(gòu)能起到了一個(gè)保持連接在位的作用。

而為什么“PCB 支撐彈簧，外殼不支撐”的觀點(diǎn)是錯誤的，可以根據(jù)受力情況來分析：根據(jù)有外殼和無外殼（圖2 和圖3）對比，彈簧有形變。按照胡可定律：F=-k·x，固體材料在受力之后，應(yīng)力與應(yīng)變（單位變形量）之間成線性比例關(guān)系，因此彈力不為0。同時(shí)根據(jù)牛頓第三定律，相互作用的兩個(gè)物體之間的作用力和反作用力F=-F′，彈簧有彈力作用在外殼上，反過來說外殼也有力作用在彈簧上，換句話說即外殼“支撐”彈簧。因此外殼支撐著彈簧，需要按照支撐帶電部件的絕緣材料來考核

另外，對于彈簧是否屬于帶電部件，需要依照實(shí)際產(chǎn)品的降壓電路來進(jìn)行判斷，如圖2 和圖3 的產(chǎn)品實(shí)例，是使用阻容降壓電路來進(jìn)行降壓（圖6），因此該電路工作電壓220 V 部分與電容檢測電路5 V 部分未安全隔離，按GB 4706.1-2005 標(biāo)準(zhǔn)29 章規(guī)定，它的工作電壓等于供電電壓，從而5 V 部分也應(yīng)當(dāng)按照220 V 的工作電壓的帶電件進(jìn)行考慮，所以案例產(chǎn)品的觸摸式感應(yīng)開關(guān)表面非金屬材料應(yīng)按照至少（125±2）℃的溫度進(jìn)行球壓試驗(yàn)。

圖6 阻容降壓電路

但是對于例如洗衣機(jī)等家電產(chǎn)品，它們的觸摸式感應(yīng)開關(guān)部分是通過安全隔離變壓器供電的安全特低電壓（圖7），因此對于這些產(chǎn)品的開關(guān)表面非金屬材料可以依照觀點(diǎn)三僅進(jìn)行至少（75±2）℃溫度的球壓試驗(yàn)。

圖7 一種安全隔離變壓器供電的電路

而對于部分吸油煙機(jī)或電磁灶等產(chǎn)品，它們的操作面板是采用玻璃等材料作為觸摸感應(yīng)開關(guān)的外殼部分，無需進(jìn)行30 章的測試。

6 結(jié)論

綜合以上分析，案例中開關(guān)內(nèi)觸摸彈簧未與電網(wǎng)進(jìn)行安全隔離，是帶電部件。同時(shí)開關(guān)表面材料和PCB 材料同時(shí)夾緊彈簧，起到了支撐彈簧的作用，因此開關(guān)表面材料既是“外殼”也是“支撐帶電部件材料”，其30.1 條球壓試驗(yàn)應(yīng)是125 ℃而不是75 ℃，并且要考慮11 章和19 章的溫升。IEC/TC61 會議的結(jié)論也肯定了這一結(jié)果。

同時(shí)，檢測人員在進(jìn)行30.1 條款的判定時(shí)也應(yīng)當(dāng)注意，在對帶有觸摸感應(yīng)開關(guān)的電器進(jìn)行測試時(shí)，當(dāng)開關(guān)部分的供電部分不是安全隔離變壓器時(shí)，它的外殼絕緣材料在標(biāo)準(zhǔn)30.1 條款中應(yīng)當(dāng)作為支撐帶電部件的絕緣材料零件考核，而當(dāng)開關(guān)部分是由安全隔離變壓器供電，并且工作電壓滿足安全特低電壓時(shí)，它的外殼絕緣材料可以僅作為外部零件考核。

企業(yè)也應(yīng)當(dāng)根據(jù)自身產(chǎn)品的情況選擇適當(dāng)?shù)牟牧献鳛橛|摸感應(yīng)開關(guān)的支撐件，提高產(chǎn)品質(zhì)量，避免不合格產(chǎn)品流入市場。