對于觸摸式感應開關絕緣材料球壓試驗溫度選擇的探討

楊 帆

（嘉興威凱檢測技術有限公司 嘉興 314000）

引言

隨著我國產品生產技術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，產品的外形設計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尚并且便于設計。然而筆者發現部分檢測人員在檢測過程中將觸摸感應開關的外部絕緣材料作為外部零件來進行75 ℃的球壓試驗。同時有些企業也往往會選用不合適的非金屬材料作為開關從而導致產品不符合國家標準要求。

1 觸摸感應開關介紹

觸摸感應開關是一種用來替代傳統機械開關的設備，按照開關原理又分為電阻式觸摸開關、電容式觸摸開關、壓電式觸摸開關，目前主流的是電容式觸摸開關，廣泛應用在吸油煙機、電吹風、卷發器、洗衣機、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開關進行介紹。

圖1 幾種家電的觸摸感應開關

電容式觸摸開關的實現原理主要是基于當人手指接近平板電容時引發平板電容的值發生微變化，從而通過電路將這一變化轉化為信號來實現開關的功能[1]。而在實際應用中，一些比較普遍的做法是利用觸摸彈簧來協助構建電容感應器。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的位置，并且即便在振動強烈或溫度劇烈變化的工作條件下，也能可靠地提供感應連接。

圖2 是某攪拌機上的觸摸感應開關，實際安裝時，觸摸按鍵板利用卡扣將觸摸彈簧壓緊。操作時只要將手指貼緊按鍵板表面，即可起到開關作用，相對于普通機械開關更為省力。

圖2 觸摸感應開關及安裝后

2 觸摸感應開關的結構分析

如圖3 所示是一種觸摸感應開關的設計。工作時通過設置好預先的定位，利用觸摸彈簧2 將平板感應電極3 緊貼在觸摸面板4 背面，從而形成一個穩定的結構。而這個結構一旦構成，電路板的電容檢測電路就可以檢測到一個初始電容C0。當人手或其他導電體觸及觸摸面板4 時，則觸摸面與感應電極3 會形成一個較大的觸摸電容Cf，從而使電容檢測電路得到反饋進而完成觸摸按鍵工作[2]。

圖3 一種觸摸感應開關設計原理圖

通過以上結構和原理介紹我們可以分析得出，觸摸感應開關是通過觸摸面板4 和電路板1 將觸摸彈簧2 壓緊來保持感應電極3 的在位，而由于是感應電極3 和人手或其他導電體形成電容，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行判定，因此在正常工作過程中，觸摸彈簧2 是有電流經過。

在標準GB 4706.1-2005 中對于帶電部件的定義如下：打算在正常使用時通電的導線或導電性部件。凡是符合8.1.4 要求的易觸及部件或不易觸及部件都認為是非帶電部件[3]。

由此可知，如果不滿足8.1.4 要求，那么開關內的觸摸彈簧是帶電部件。

3 標準條款解析

標準GB 4706.1-2005 第30 章的30.1 條款有下述規定：

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絕緣的熱塑性材料零件，其惡化可導致器具不符合本標準的，應充分耐熱。該試驗在烘箱內進行，烘箱溫度為（40±2）℃加上第11 章試驗期間確定的最大溫升，但該溫度應至少：（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，觸摸感應開關的觸摸表面一般均是外部部件，其材質一般為PP（聚丙烯纖維）、PA66（聚己二酰己二胺）或玻璃等非金屬材料，當該材料因為受熱或其他原因變形時，人手可能穿過該部位觸及內部的危險部件，從而有導致產品不符合本標準，因此需要對該觸摸開關的表面非金屬材料進行耐熱試驗。

但是對于耐熱試驗（即球壓試驗）的球壓溫度選擇有以下一些不同的觀點：

觀點一：該開關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）℃的溫度進行球壓試驗。

觀點二：該開關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）℃的溫度進行球壓試驗。

觀點三：該開關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）℃的溫度進行球壓試驗，而不需要按照（125±2）℃的溫度來進行試驗。

4 IEC/TC 61 國際電工委員會第61 家用電器技術委員會網絡全體會議討論內容

2020年10月IEC/TC61 國際電工委員會第61 家用電器技術委員會網絡全體會議對本文圖2 中的實際案例問題進行了討論并做出相應的回答。

案例問題翻譯如下：

一款觸摸感應開關，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IEC 60335-1 的30.1 條款的觸摸面板/外殼的球壓試驗而言，觸摸面板/外殼是“支撐”電極（帶電部件）還是只是“接觸”電極？

關鍵的爭論點是：開關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）℃的球壓試驗不適用。

觀點二：是，很難理解一個部件如何從上往下“支撐” 另一個部件，但是，只需將攪拌機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）℃的球壓試驗適用。

圖4 觸摸感應開關受力分析

對于回答的翻譯如下：

觸摸面板/外殼應該被認為是支撐帶電部件。

值得注意的是在這個案例中“支撐”不應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。在決定球壓試驗被要求的三個選項中（外部部件，支撐帶電部件，附加/加強絕緣），基于這次的案例情況這是唯一的選項。

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，同時按照標準GB 4706.1-2005 內條款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）℃的溫度進行球壓試驗，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）℃的溫度進行球壓試驗，還要考慮11 章+40 ℃和19 章的溫升+25 ℃取其中的較高值。

圖5 標準GB 4706.1-2005 附錄O

其次，兩種觀點的區別在于是否是支撐帶電部件的絕緣材料，以圖2 和圖3 的產品為例，觸摸按鍵板利用卡扣將觸摸彈簧壓緊，使得感應電極與該材料緊貼，從而人手觸摸開關時候才能和感應電極產生感應電容，如果未能將彈簧壓緊，那么人手觸摸開關表面時也可能會因為接觸不良而導致開關不起作用，因此這種結構能起到了一個保持連接在位的作用。

而為什么“PCB 支撐彈簧，外殼不支撐”的觀點是錯誤的，可以根據受力情況來分析：根據有外殼和無外殼（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，應力與應變（單位變形量）之間成線性比例關系，因此彈力不為0。同時根據牛頓第三定律，相互作用的兩個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，需要依照實際產品的降壓電路來進行判斷，如圖2 和圖3 的產品實例，是使用阻容降壓電路來進行降壓（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 標準29 章規定，它的工作電壓等于供電電壓，從而5 V 部分也應當按照220 V 的工作電壓的帶電件進行考慮，所以案例產品的觸摸式感應開關表面非金屬材料應按照至少（125±2）℃的溫度進行球壓試驗。

圖6 阻容降壓電路

但是對于例如洗衣機等家電產品，它們的觸摸式感應開關部分是通過安全隔離變壓器供電的安全特低電壓（圖7），因此對于這些產品的開關表面非金屬材料可以依照觀點三僅進行至少（75±2）℃溫度的球壓試驗。

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或電磁灶等產品，它們的操作面板是采用玻璃等材料作為觸摸感應開關的外殼部分，無需進行30 章的測試。

6 結論

綜合以上分析，案例中開關內觸摸彈簧未與電網進行安全隔離，是帶電部件。同時開關表面材料和PCB 材料同時夾緊彈簧，起到了支撐彈簧的作用，因此開關表面材料既是“外殼”也是“支撐帶電部件材料”，其30.1 條球壓試驗應是125 ℃而不是75 ℃，并且要考慮11 章和19 章的溫升。IEC/TC61 會議的結論也肯定了這一結果。

同時，檢測人員在進行30.1 條款的判定時也應當注意，在對帶有觸摸感應開關的電器進行測試時，當開關部分的供電部分不是安全隔離變壓器時，它的外殼絕緣材料在標準30.1 條款中應當作為支撐帶電部件的絕緣材料零件考核，而當開關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，它的外殼絕緣材料可以僅作為外部零件考核。

企業也應當根據自身產品的情況選擇適當的材料作為觸摸感應開關的支撐件，提高產品質量，避免不合格產品流入市場。