Effizienzstandards für externe Netzteile

Das globale regulatorische Umfeld rund um die Rechtsvorschriften zur Effizienz externer Netzteile und dem Leerlaufstromverbrauch hat sich in den letzten zehn Jahren, seit die California Energy Commission (CEC) im Jahr 2004 die erste verbindliche Norm umgesetzt hat, rapide entwickelt. Mit der Veröffentlichung einer neuen Reihe von Anforderungen des DOE der Vereinigten Staaten, die im Februar 2016 in Kraft treten, wird sich die Landschaft erneut ändern. Die Regulatoren versuchen hierdurch, die Menge an Energie, die durch externe Netzteile verbraucht wird, weiter zu reduzieren.

Die Vorgabe höherer durchschnittlicher Effizienzen für externe Netzteile hatte zweifellos große Auswirkungen auf den globalen Stromverbrauch. Die Vorteile einer reduzierten Belastung des Stromnetzes bringen jedoch auch Herausforderungen und Unsicherheiten für die Elektronikbranche mit sich, die mit diesem dynamischen regulatorischen Umfeld Schritt halten muss.

Erstausrüster (OEMs), die ihre Produkte mit externen Netzteilen versehen, müssen die Entwicklung der Vorschriften ständig beobachten, um sicherzustellen, dass ihre Produkte überall dort, wo sie verkauft werden, auch die geltenden Vorschriften erfüllen. Dieser Artikel enthält einen Überblick über den aktuellen weltweiten Regulierungsrahmen.

Eine kurze Geschichte

Anfang der 90er Jahre gab es Schätzungen zufolge mehr als eine Milliarde externe Netzteile allein in den USA. Die Effizienz dieser Netzteile, in denen vorwiegend lineare Technologie zum Einsatz kam, lag teilweise gerade bei 50 %. Die Netzteile verbrauchten auch dann Strom, wenn das Gerät abgeschaltet oder nicht einmal an die Stromversorgung angeschlossen war (als "lastfreier" Zustand bezeichnet). Experten berechneten, dass externe Netzteile ohne eine Steigerung der Effizienz und ohne Reduzierung des lastfreien Stromverbrauchs in weniger als 20 Jahren für ca. 30 % des gesamten Stromverbrauchs verantwortlich sein könnten. Die Umweltschutzbehörde der USA setzte bereits 1992 ein freiwilliges Programm zur Förderung der Energieeffizienz und zur Reduzierung der Umweltbelastung ein, das sich schließlich zum Energy Star-Programm entwickelte. Es dauerte jedoch bis 2004, bis die ersten Vorschriften entwickelt wurden, die Mindestvorgaben für die Effizienz und den lastfreien Stromverbrauch enthielten. In der nachfolgenden Abbildung wird der Weg von der Verordnung der CEC aus dem Jahr 2004 bis hin zu den neuen Level VI-Vorschriften, die im Februar 2016 in Kraft treten, dargestellt.

Abbildung 1: Entwicklung der CEC-Normen

Das aktuelle Regulierungsumfeld

Im Zeitstrahl in Abbildung 1 ist zu erkennen, wie dynamisch sich das Regulierungsumfeld in den letzten 10 Jahren entwickelt hat. Da verschiedene Länder und Regionen immer strengere Vorgaben erlassen und von freiwilligen Programmen zu vorgeschriebenen Programmen übergegangen sind, ist es für OEMs unerlässlich geworden, mit den neuesten Entwicklungen Schritt zu halten, um die Einhaltung von Vorschriften sicherzustellen und lange Verzögerungen oder hohe Strafen zu vermeiden. In vielen Ländern werden freiwillige Programme eingeleitet, die sich an dem internationalen Protokoll für Effizienzkennzeichnung orientieren, das mit dem Energy Star-Programm etabliert wurde. In den folgenden Ländern und Regionen gelten allerdings Vorschriften, mit denen die Einhaltung der vorgegebenen Effizienzwerte durch alle externen Netzteile gefordert wird, die über ihre Grenzen vertrieben werden:

Das Energieministerium der USA (US Department of Energy) hat inzwischen zwar die strengere Level VI-Norm erlassen, allerdings tritt sie erst 2016 in Kraft. Mit Level V werden heute alle Anforderungen aller Regulierungsbehörden weltweit erfüllt oder sogar übertroffen. Hersteller externer Netzteile geben dies gemäß dem internationalen Protokoll für Effizienzkennzeichnung externer Netzteile (International Efficiency Marking Protocol for External Power Supplies), Version 3.0 vom September 2013, über die römische Ziffer "V" auf dem Typenschild des Netzteils an. Diese neueste Version des Protokolls bietet eine zusätzliche Flexibilität für die Anbringung der Markierung.

Abbildung 2: Beispiel eines Typenschilds von CUI

Die Einhaltung der Level V-Norm wird derzeit nur in der Europäische Union durchgesetzt. Allerdings haben die meisten Hersteller externer Netzteile ihre Produktportfolios bereits an diese Anforderungen angepasst. Mit diesen Anpassungen wird auch der Forderung von OEMs nach einer universellen Netzteilplattform für ihre Produkte im globalen Vertrieb nachgekommen.

Leistungsgrenzwerte

In der nachfolgenden Tabelle werden die früheren und aktuellen Leistungsgrenzwerte zusammengefasst, die jeweils verabschiedet wurden

Die international bestätigte Prüfmethode für die Bestimmung der Effizienz wurde von der IEC als AS/NZS 4665 Part 1 und Part 2 herausgegeben. Für die Bestimmung der Effizienz werden die Eingangs- und Ausgangsleistung an 4 definierten Punkten gemessen: bei 25 %, 50 %, 75 % und 100 % der Ausgangsnennleistung. An diesen 4 Punkten werden separate Messungen durchgeführt und erfasst und auch der Durchschnittswert der aktiven Effizienz an allen 4 Punkten berechnet.

Aktuelle Ausnahmen

Nicht alle externen Netzteile werden gleich behandelt. Ausnahmen bestehen in den Vereinigten Staaten und in der Europäischen Union. In den USA hat der Kongress Bestimmungen in Abschnitt 301 der EISA 2007 aufgenommen, die sich auf bestimmte Typen von externen Netzteilen beziehen. Dabei handelt es sich um Geräte, die:

• eine Registrierung und Zulassung der US-amerikanischen Lebensmittel- und Arzneimittelbehörde (Federal Food and Drug Administration) als medizinische Geräte gemäß Abschnitt 513 des Gesetzes über Lebensmittel, Arzneimittel und Kosmetika (Federal Food, Drug, and Cosmetic Act, 21 U.S.C. 360c) erfordern
• das Ladegerät eines abnehmbaren Batteriesatzes mit Strom versorgen oder die Batterie eines Produktes laden, das vollständig oder teilweise mit einem Motor angetrieben wird
• vom Hersteller eines Endprodukts, das vor dem 1. Juli 2008 hergestellt wurde und in dem das externe Netzteil der primäre Verbraucher ist, als Wartungs- oder Ersatzteile geliefert werden. Netzteile, die für diesen Zweck eingesetzt werden, können nach dem 1. Juli 2008 hergestellt worden sein.

In der Europäischen Union wurden ähnliche Ausnahmen wie in den Vereinigten Staaten verabschiedet. Externe Netzteile für medizinische Geräte, Batterieladegeräte und Wartungsprodukte sind ausgenommen. Eine weitere Ausnahme gilt für externe Niederspannungsnetzteile. Externe Niederspannungsnetzteile sind Einheiten mit einer im Typenschild festgehaltenen Ausgangsspannung von weniger als 6 Volt und einer Ausgangsleistung von mindestens 550 mA.

Übergang zu Level VI

Hersteller von Netzteilen, u. a. auch CUI, bereiten sich bereits auf den Übergang zur strengeren Level VI-Norm vor. Diese neue Norm enthält nicht nur strengere Vorschriften für bestehende Adapter, sondern erweitert auch die Produktpalette, die von dieser Norm abgedeckt wird. Die von der Regulierung betroffenen Produkte beinhalten jetzt:

• externe Netzteile für Mehrfachspannung
• Produkte mit Leistungen von > 250 Watt

Die neuen Leistungsgrenzwerte werden in der folgenden Tabelle zusammengefasst:

Definitionen

Externe AC-DC-Netzteile mit Einfachspannung sind externe Netzteile, die die eingehende Wechselspannung vom Netz in eine geringere Gleichspannung umwandeln - allerdings jeweils nur in eine Ausgangsspannung.

Externe AC-AC-Netzteile mit Einfachspannung sind externe Netzteile, die die eingehende Wechselspannung vom Netz in eine geringere Wechselspannung umwandeln - allerdings jeweils nur in eine Ausgangsspannung.

Externe Netzteile für Mehrfachspannung sind externe Netzteile, die die eingehende Wechselspannung vom Netz in mehr als eine geringere Ausgangsspannung umwandeln können.

Externe Niederspannungsnetzteile sind externe Netzteile mit einer im Typenschild festgehaltenen Ausgangsspannung von weniger als 6 Volt und einer Ausgangsleistung von mindestens 550 mA. Externe Basisspannungsnetzteile sind externe Netzteile, die keine Niederspannungsnetzteile sind.

Externe Netzteile mit direktem oder indirektem Betrieb

Die neue Norm definiert Netzteile zudem als Produkte im direkten und indirekten Betrieb. Bei einem Produkt im direkten Betrieb handelt es sich um ein Netzteil, das im Endprodukt ohne zusätzliche Batterie funktioniert. Externe Netzteile im indirekten Betrieb sind keine Batterieladegeräte, können das Endprodukt jedoch nicht ohne Batterie betreiben. Die neue Norm gilt nur für externe Netzteile im direkten Betrieb. Modelle im indirekten Betrieb unterliegen immer noch den Grenzwerten, die von der EISA2007 vorgegeben werden. Das DOE hat die folgenden Hinweise herausgegeben (Abbildung 3), die bei der Unterscheidung von Netzteilen im direkten und indirekten Betrieb behilflich sein sollen:

Abbildung 3: Schritte zur Definition von Netzteilen im direkten und indirekten Betrieb

Ausnahmen von Level VI

In den Vorschriften für Level VI werden zudem Ausnahmen für externe Netzteile definiert. Die Vorschriften für externe Netzteile im direkten Betrieb gelten nicht, wenn:

• das Gerät eine Registrierung und Zulassung der Federal Food and Drug Administration als medizinisches Gerät gemäß Abschnitt 360c in Titel 21 erfordert oder
• es sich um ein externes AC-DC-Netzteil im direkten Betrieb mit einer Ausgangsspannung unter 3 Volt und einer Ausgangsleistung von mindestens 1.000 mA laut Typenschild handelt, mit dem die Batterie eines Produkts geladen wird, das vollständig oder teilweise mit einem Motor angetrieben wird.

Ein Blick in die Zukunft

Der Stichtag für die neuen Anforderungen wurde auf den 10. Februar 2016 festgelegt, d. h. zwei Jahre nach Veröffentlichung der Vorschriften im Federal Register. Die Einhaltung dieser neuen Vorschriften wird auf das Herstellungsdatum oder das Datum des Imports in die U.S.A. bezogen, d. h. Produkte, die vor dem 10. Februar 2016 hergestellt oder in die U.S.A. importiert wurden, können immer noch vertrieben werden. Die Kennzeichnungsanforderungen müssen dem internationalen Protokoll für Effizienzkennzeichnung externer Netzteile, Version 3.0, entsprechen, das bereits für die aktuelle Level V-Norm gilt.

Andere Länder werden ihre Vorschriften bald an diese neue Norm anpassen. In der EU wird die Ökodesign-Richtlinie für externe Netzteile derzeit überarbeitet. Es wird davon ausgegangen, dass die darin enthaltenen Vorgaben an die meisten oder sogar alle Vorschriften der US-Normen angepasst werden. Es ist davon auszugehen, dass Länder mit bestehenden effizienzbezogenen Vorschriften, die mit den in der USA geltenden vergleichbar sind (u. a. Kanada und Australien), auch bald eine Anpassung an diese neue Norm vornehmen werden.

Zusammenfassung

Schätzungen der US-amerikanischen Umweltschutzbehörde (EPA) zufolge konnte der Energieverbrauch durch die Umsetzung von Effizienzvorschriften in den letzten 10 Jahren um 32 Milliarden Kilowatt reduziert werden. Dies entspricht Einsparungen von jährlich 2,5 Milliarden US-Dollar und einer Reduzierung der CO₂-Emissionen um mehr als 24 Millionen Tonnen pro Jahr. Viele Erstausrüster gehen inzwischen über die staatlich vorgegebenen Vorschriften hinaus und fordern umweltfreundlichere Netzteile, um ihre Endprodukte hervorzuheben. Dies fördert einen weiteren Anstieg der Effizienz und sogar die Umsetzung von Steuertechnologien, mit denen der lastfreie Stromverbrauch in manchen Fällen sogar komplett eliminiert werden kann. CUI Inc. führte Ende 2014 Level VI-kompatible Adapter ein, damit ihre Kunden künftigen Vorschriften immer einen Schritt voraus sein konnten. CUI wird auch künftig nach Möglichkeiten suchen, wie neueste Technologien zur Einsparung von Energie in externe Netzteile integriert werden können, um damit künftigen Anforderungen des Marktes entgegenzukommen und aktuelle und künftige Vorschriften zu erfüllen. DigiKey bietet eine Vielzahl von Level V- und Level VI-kompatiblen Netzteilen und auch verschiedene Level VI-kompatible Geräte auf ihrer Website.