对于触摸式感应开关绝缘材料球压试验温度选择的探讨

杨 帆

（嘉兴威凯检测技术有限公司 嘉兴 314000）

引言

随着我国产品生产技术和人民生活水平的提高，对于家用电器的要求也不仅仅是安全耐用，产品的外形设计也逐渐列入了选购的条件中，越来越多的家用电器开始使用触摸式控制使得电器表面更美观时尚并且便于设计。然而笔者发现部分检测人员在检测过程中将触摸感应开关的外部绝缘材料作为外部零件来进行75 ℃的球压试验。同时有些企业也往往会选用不合适的非金属材料作为开关从而导致产品不符合国家标准要求。

1 触摸感应开关介绍

触摸感应开关是一种用来替代传统机械开关的设备，按照开关原理又分为电阻式触摸开关、电容式触摸开关、压电式触摸开关，目前主流的是电容式触摸开关，广泛应用在吸油烟机、电吹风、卷发器、洗衣机、电饭锅等常见的家用电器中，见图1。本文也主要选择此种触摸感应开关进行介绍。

图1 几种家电的触摸感应开关

电容式触摸开关的实现原理主要是基于当人手指接近平板电容时引发平板电容的值发生微变化，从而通过电路将这一变化转化为信号来实现开关的功能[1]。而在实际应用中，一些比较普遍的做法是利用触摸弹簧来协助构建电容感应器。而且由于触摸弹簧的存在，PCB 就可以安装在离外壳或操作面板较远的位置，并且即便在振动强烈或温度剧烈变化的工作条件下，也能可靠地提供感应连接。

图2 是某搅拌机上的触摸感应开关，实际安装时，触摸按键板利用卡扣将触摸弹簧压紧。操作时只要将手指贴紧按键板表面，即可起到开关作用，相对于普通机械开关更为省力。

图2 触摸感应开关及安装后

2 触摸感应开关的结构分析

如图3 所示是一种触摸感应开关的设计。工作时通过设置好预先的定位，利用触摸弹簧2 将平板感应电极3 紧贴在触摸面板4 背面，从而形成一个稳定的结构。而这个结构一旦构成，电路板的电容检测电路就可以检测到一个初始电容C0。当人手或其他导电体触及触摸面板4 时，则触摸面与感应电极3 会形成一个较大的触摸电容Cf，从而使电容检测电路得到反馈进而完成触摸按键工作[2]。

图3 一种触摸感应开关设计原理图

通过以上结构和原理介绍我们可以分析得出，触摸感应开关是通过触摸面板4 和电路板1 将触摸弹簧2 压紧来保持感应电极3 的在位，而由于是感应电极3 和人手或其他导电体形成电容，并且通过电路板1 上的电容检测电路来对形成的电容值检测进行判定，因此在正常工作过程中，触摸弹簧2 是有电流经过。

在标准GB 4706.1-2005 中对于带电部件的定义如下：打算在正常使用时通电的导线或导电性部件。凡是符合8.1.4 要求的易触及部件或不易触及部件都认为是非带电部件[3]。

由此可知，如果不满足8.1.4 要求，那么开关内的触摸弹簧是带电部件。

3 标准条款解析

标准GB 4706.1-2005 第30 章的30.1 条款有下述规定：

对于非金属材料制成的外部零件、用来支撑带电部件（包括连接）的绝缘材料零件以及提供附加绝缘或加强绝缘的热塑性材料零件，其恶化可导致器具不符合本标准的，应充分耐热。该试验在烘箱内进行，烘箱温度为（40±2）℃加上第11 章试验期间确定的最大温升，但该温度应至少：（75±2）℃（对于外部零件）或（125±2）℃（对于支撑带电部件的零件）[3]。

首先，触摸感应开关的触摸表面一般均是外部部件，其材质一般为PP（聚丙烯纤维）、PA66（聚己二酰己二胺）或玻璃等非金属材料，当该材料因为受热或其他原因变形时，人手可能穿过该部位触及内部的危险部件，从而有导致产品不符合本标准，因此需要对该触摸开关的表面非金属材料进行耐热试验。

但是对于耐热试验（即球压试验）的球压温度选择有以下一些不同的观点：

观点一：该开关表面非金属材料仅仅是器具的外部零件，因此至少要依照（75±2）℃的温度进行球压试验。

观点二：该开关表面非金属材料是用来支撑带电部件的绝缘材料零件，因此至少要依照（125±2）℃的温度进行球压试验。

观点三：该开关表面非金属材料虽然是用来支撑带电部件的绝缘材料零件，但是由于该电容检测电路一般仅为5 V 或类似的低压电路，由于同时该材料是器具的外部零件，因此仅要依照至少（75±2）℃的温度进行球压试验，而不需要按照（125±2）℃的温度来进行试验。

4 IEC/TC 61 国际电工委员会第61 家用电器技术委员会网络全体会议讨论内容

2020年10月IEC/TC61 国际电工委员会第61 家用电器技术委员会网络全体会议对本文图2 中的实际案例问题进行了讨论并做出相应的回答。

案例问题翻译如下：

一款触摸感应开关，弹簧电极未与220 V 电源隔离，安装后从原始长度15 mm 减小到10 mm，根据IEC 60335-1 的30.1 条款的触摸面板/外壳的球压试验而言，触摸面板/外壳是“支撑”电极（带电部件）还是只是“接触”电极？

关键的争论点是：开关表面材料从上往下压住电极是否可以被“视为”支撑电极部件？

观点一：不，是“接触”而不是“支撑”，是PCB 板“支撑”了弹簧和电极带电部件，而不是外壳。对支撑带电部件（125±2）℃的球压试验不适用。

观点二：是，很难理解一个部件如何从上往下“支撑” 另一个部件，但是，只需将搅拌机器具上下颠倒即可想象，如图4 所示。很明显弹簧-电极-带电部件同时被PCB板和触摸面板/外壳支撑。 如果外壳被拆除，弹簧和电极将不能保持在原来位置，将会移动5 mm，所以对支撑带电部件（125±2）℃的球压试验适用。

图4 触摸感应开关受力分析

对于回答的翻译如下：

触摸面板/外壳应该被认为是支撑带电部件。

值得注意的是在这个案例中“支撑”不应只局限于考虑重力的影响，也适用于器具中保持带电部件永久可靠安置在位的情况。在决定球压试验被要求的三个选项中（外部部件，支撑带电部件，附加/加强绝缘），基于这次的案例情况这是唯一的选项。

5 分析讨论

IEC/TC 61 大会的回答也是基于以下原因：

首先，按照一般检测过程中“就高不就低”的原则，同时按照标准GB 4706.1-2005 内条款30.1 的注3 以及附录O（见图5），如果一种材料是外壳，那就要依照（75±2）℃的温度进行球压试验，如果它也是用来支撑带电部件的绝缘材料零件，那就要依照（125±2）℃的温度进行球压试验，还要考虑11 章+40 ℃和19 章的温升+25 ℃取其中的较高值。

图5 标准GB 4706.1-2005 附录O

其次，两种观点的区别在于是否是支撑带电部件的绝缘材料，以图2 和图3 的产品为例，触摸按键板利用卡扣将触摸弹簧压紧，使得感应电极与该材料紧贴，从而人手触摸开关时候才能和感应电极产生感应电容，如果未能将弹簧压紧，那么人手触摸开关表面时也可能会因为接触不良而导致开关不起作用，因此这种结构能起到了一个保持连接在位的作用。

而为什么“PCB 支撑弹簧，外壳不支撑”的观点是错误的，可以根据受力情况来分析：根据有外壳和无外壳（图2 和图3）对比，弹簧有形变。按照胡可定律：F=-k·x，固体材料在受力之后，应力与应变（单位变形量）之间成线性比例关系，因此弹力不为0。同时根据牛顿第三定律，相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力F=-F′，弹簧有弹力作用在外壳上，反过来说外壳也有力作用在弹簧上，换句话说即外壳“支撑”弹簧。因此外壳支撑着弹簧，需要按照支撑带电部件的绝缘材料来考核

另外，对于弹簧是否属于带电部件，需要依照实际产品的降压电路来进行判断，如图2 和图3 的产品实例，是使用阻容降压电路来进行降压（图6），因此该电路工作电压220 V 部分与电容检测电路5 V 部分未安全隔离，按GB 4706.1-2005 标准29 章规定，它的工作电压等于供电电压，从而5 V 部分也应当按照220 V 的工作电压的带电件进行考虑，所以案例产品的触摸式感应开关表面非金属材料应按照至少（125±2）℃的温度进行球压试验。

图6 阻容降压电路

但是对于例如洗衣机等家电产品，它们的触摸式感应开关部分是通过安全隔离变压器供电的安全特低电压（图7），因此对于这些产品的开关表面非金属材料可以依照观点三仅进行至少（75±2）℃温度的球压试验。

图7 一种安全隔离变压器供电的电路

而对于部分吸油烟机或电磁灶等产品，它们的操作面板是采用玻璃等材料作为触摸感应开关的外壳部分，无需进行30 章的测试。

6 结论

综合以上分析，案例中开关内触摸弹簧未与电网进行安全隔离，是带电部件。同时开关表面材料和PCB 材料同时夹紧弹簧，起到了支撑弹簧的作用，因此开关表面材料既是“外壳”也是“支撑带电部件材料”，其30.1 条球压试验应是125 ℃而不是75 ℃，并且要考虑11 章和19 章的温升。IEC/TC61 会议的结论也肯定了这一结果。

同时，检测人员在进行30.1 条款的判定时也应当注意，在对带有触摸感应开关的电器进行测试时，当开关部分的供电部分不是安全隔离变压器时，它的外壳绝缘材料在标准30.1 条款中应当作为支撑带电部件的绝缘材料零件考核，而当开关部分是由安全隔离变压器供电，并且工作电压满足安全特低电压时，它的外壳绝缘材料可以仅作为外部零件考核。

企业也应当根据自身产品的情况选择适当的材料作为触摸感应开关的支撑件，提高产品质量，避免不合格产品流入市场。