Erfüllung der IEC60335-Stromversorgungsanforderungen für Haushaltsgeräte und IoT-Geräte

Die Veröffentlichung der neuen Sicherheitsnorm IEC 60335 als Reaktion auf die zunehmende Verwendung von intelligenten Geräten und mit dem Internet der Dinge (IoT) verbundenen Geräten im Haushalt hat neue Herausforderungen für die Entwickler von Stromversorgungen mit sich gebracht. Die kürzlich veröffentlichte Norm enthält strenge Anforderungen an Isolationsspannungen, Kriech- und Luftstrecken sowie Leckströme in AC/DC-Netzteilen. Die Entwicklung kompakter und kosteneffizienter AC/DC-Netzteile, die die zahlreichen Anforderungen erfüllen, ist schwierig, und das Durchlaufen der erforderlichen Prüf- und Genehmigungsverfahren verursacht zusätzliche Kosten und verlangsamt die Markteinführung.

Hinzu kommt, dass viele Haushaltsgeräte in Umgebungen verwendet werden, in denen Feuchtigkeit oder Wasser vorhanden ist. AC/DC-Versorgungsschaltungen enthalten interne Hochspannungsschienen, was die Entwicklung von Gehäusen erschwert, die für den Einsatz in feuchten oder nassen Umgebungen geeignet sind.

Um diese Herausforderungen zu meistern und gleichzeitig knappe Fristen und Budgets einzuhalten, können Entwickler gekapselte AC/DC-Netzteile verwenden, die bereits nach IEC/EN/UL 62368-1 zertifiziert sind und die Anforderungen nach IEC/EN/UL 61558/60335 für Haushaltsanwendungen erfüllen.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über die grundlegenden Anforderungen der IEC 60335-1, führt in das Konzept der Prüfung auf mehrere gleichzeitige Ausfälle ein, wie es in der IEC 60335 gefordert wird, und geht kurz auf Teil 2 der IEC 60335 ein. Anschließend werden mehrere AC/DC-Netzteile von CUI vorgestellt, mit denen Entwickler die Entwicklung von nach IEC 60335 qualifizierten intelligenten Geräten und IoT-verbundenen Geräten sowie von kommerziellen IT-Geräten beschleunigen können.

Was sind die grundlegenden Anforderungen der Norm IEC 60335?

Die IEC 60335 behandelt die „Sicherheit elektrischer Geräte für den Hausgebrauch und ähnliche Zwecke“ mit Nennspannungen bis zu 250 Volt für einphasige und bis zu 480 Volt für mehrphasige Geräte. Die IEC 60335-1 enthält die grundlegenden Anforderungen, die an alle Haushaltsgeräte gestellt werden. Eine der Herausforderungen für Entwickler besteht darin, zu verstehen, wie die IEC 60335-1 mit der bereits etablierten Sicherheitsnorm IEC 60950-1 für ITE zu vergleichen ist. Es gibt Unterschiede und Gemeinsamkeiten in Bezug auf maximale Leckströme, Isolationsspannungen und Kriech- und Luftstrecken.

Bei normalem Betrieb fließt bei einer Erdverbindung ein Leckstrom im Gehäuse oder im Schutzleiter. Wenn die Erdverbindung aus irgendeinem Grund unterbrochen wird, kann der Leckstrom durch den Körper einer Person fließen, die das Gerät bedient, was eine potenzielle Gefahr darstellt. Die IEC 60335-1 kennt zwei Kategorien von Geräten: tragbare und stationäre. IEC 60950-1 umfasst drei Gerätekategorien: handgehaltene, bewegliche und stationäre Geräte. Tragbare Geräte nach IEC 60335 sind auf einen Ableitstrom von 0,75 Milliampere (mA) begrenzt, genau wie tragbare Geräte nach IEC 60950-1. Bewegliche und stationäre Geräte sind in der IEC 60950-1 auf einen Ableitstrom von 3,5 mA begrenzt, der gleiche Wert, der in der IEC 60335-1 für stationäre Geräte festgelegt ist.

Auch die Anforderungen an die Isolationsspannung sind in den beiden Normen unterschiedlich definiert. Die erforderliche Isolationsstufe hängt von der Position innerhalb der Schaltung ab: Eingang zu Ausgang, Ausgang zu Masse oder Eingang zu Masse. IEC 60950-1 enthält lediglich feste Werte wie 3 Kilovolt (kV) Isolierung zwischen Eingang und Ausgang. Die IEC 60335-1 variiert die Anforderung an die Isolierung zwischen Eingang und Ausgang in Abhängigkeit von der Arbeitsspannung: Sie ist mit 2,4 kV plus dem 2,4-fachen der Arbeitsspannung angegeben. Für die Isolierung zwischen Ausgang und Erde gibt es in der IEC 60335-1 keine Anforderungen, während die IEC 60950-1 eine 500-Volt-Isolierung vorschreibt.

Die Unterschiede zeigen sich auch darin, wie die beiden Normen die Kriech- und Luftstrecken behandeln. Beide Normen stützen sich auf die Betriebsspannung und die Art der Isolierung (Basisisolierung oder verstärkte Isolierung), um die Kriech- und Luftstrecken zu definieren. Beim Vergleich von IEC 60950-1 und IEC 60335-1 können die Anforderungen gleich, strenger oder laxer sein.

Der kürzeste Abstand zwischen zwei leitenden Teilen entlang einer Oberfläche wird als Kriechstrecke definiert (Abbildung 1). Wenn die Betriebsspannung zwischen 250 und 300 Volt liegt, ist die IEC 60335-1 restriktiver und verlangt eine Kriechstrecke von 8,0 Millimetern (mm) für verstärkte Isolierung, während die IEC 60950-1 eine Kriechstrecke von 6,4 mm verlangt. Wenn die Betriebsspannung zwischen 200 und 250 Volt liegt, schreiben beide Normen eine Kriechstrecke von 5,0 mm vor.

Abbildung 1: Die Kriechstrecke wird an der Oberfläche der Isolierung gemessen. (Bildquelle: CUI)

Der Abstand zwischen zwei leitenden Teilen durch Luft ist die Luftstrecke (Abbildung 2). Der in der IEC 60335-1 vorgeschriebene Abstand beträgt nur 3,5 mm, während die IEC 60950-1 mit 4,0 mm bei verstärkter Isolierung und einer Betriebsspannung zwischen 150 und 300 Volt restriktiver ist.

Abbildung 2: Die Luftstrecke wird durch die Luft gemessen. (Bildquelle: CUI)

Gemäß IEC 60335 müssen die Geräte auch die in IEC 60529 definierte Schutzart (IP) erfüllen. Die IP-Schutzart richtet sich nach der Umgebung, in der das Gerät eingesetzt wird. Von vielen Haushaltsgeräten wird erwartet, dass sie in Gegenwart von Feuchtigkeit oder Wasser sicher funktionieren. Die IEC 60529 legt je nach Klassifizierung des Geräts bestimmte Schutzniveaus fest.

Jenseits der Grundlagen

Die intelligenten Geräte und die mit dem Internet der Dinge (IoT) vernetzten Geräte, aus denen sich das intelligente Zuhause von heute zusammensetzt, sind weitaus anspruchsvoller als herkömmliche Geräte. Sie verfügen häufig über Touchscreen-Displays, Software-Schnittstellen, digitale Steuerungen, drahtlose und/oder drahtgebundene Internet-Protokoll(IP)-Vernetzung und andere Funktionen (Abbildung 3). Aufgrund dieser zusätzlichen Komplexität deckt die IEC 60335 die Möglichkeit des gleichzeitigen Auftretens von zwei Fehlern ab, nicht nur von Einpunktfehlern. Dies steht im Gegensatz zur Sicherheitsnorm IEC 60950-1, die einen sicheren Betrieb nur nach einzelnen Fehlern vorsieht.

Abbildung 3: Beispiele für intelligente Geräte sind Kühlschränke mit hochauflösenden Displays und IP-Vernetzung (links) und Toaster mit LCD-Touchscreen-Bedienung (rechts). (Bildquelle: CUI)

IEC 60335-1 berücksichtigt Kombinationen von zwei Hardware-Fehlern oder eine Kombination von Hardware- und Software-Fehlern. Diese Tests sind besonders wichtig für Geräte der Leistungselektronik, die oft eine Form der digitalen Steuerung oder Überwachung beinhalten. Viele Entwürfe enthalten das, was in der IEC 60335-1 als „elektronische Schutzschaltungen“ (PECs) bezeichnet wird. Das Konzept eines PEC in der IEC 60335 geht über die Hardware hinaus und umfasst verschiedene Softwarefunktionen wie z. B. eine Software zur Fehlererkennung. Die Norm verlangt, dass die Geräte einen sicheren Betrieb aufrechterhalten, wenn ein PEC-Fehler nach einem anderen Fehler, wie z. B. einem Ausfall der Basisisolierung, auftritt, sowie wenn ein PEC-Fehler vor einem anderen Fehler auftritt. Das System muss sicher bleiben.

Die Anforderung in Bezug auf Mehrfachausfälle umfasst auch Spezifikationen zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). Die IEC 60335 verlangt, dass die EMV-Prüfung nach dem Ausfall des PEC durchgeführt wird. Zum Beispiel werden Überspannungsableiter am AC-Eingang unterbrochen. Diese Prüfung schließt die interne Stromversorgung ein, um sicherzustellen, dass sie nach dem Ausfall der PEC nicht in einen unsicheren Betriebszustand aufgrund elektromagnetischer Störungen (EMI) gerät.

Die IEC 60355 verlangt, dass Firmware- oder Softwaresteuerungen unter EMI-Bedingungen bei einem einzelnen Fehler, wie z. B. einem PEC-Ausfall, sicher funktionieren. Diese Anforderung gilt nicht nur für die Systemsteuerung, sondern auch für einzelne AC/DC-Netzteile, DC/DC-Wandler und Motortreiber mit digitalen Steuerungen. Diese Geräte müssen im System getestet werden, um diese Anforderung zu erfüllen.

Der zweite Teil der IEC 60355

Im Gegensatz zur IEC 60950 besteht die IEC 60335 aus zwei Teilen. Teil 2 (IEC 60335-2) enthält gerätespezifische Anforderungen, die über 100 verschiedene Gerätetypen abdecken, vom Toaster bis zur Klimaanlage. Entwickler sollten sich mit Teil 2 vertraut machen, da er sich auf die Konstruktion bestimmter Geräte bezieht. Wenn angegeben, haben die Anforderungen von Teil 2 Vorrang vor den grundlegenden Anforderungen von Teil 1.

Die Teile 1 und 2 werden in den USA und Europa unterschiedlich behandelt. UL 60335-1 in den USA ist mit IEC 60335-1 harmonisiert, aber die UL-Norm erkennt nicht alle Normen von Teil 2 an. In Europa wurde die EN 60335-1 auch mit der IEC 60335-1 harmonisiert, und im Gegensatz zur UL-Norm erkennt die EN-Norm fast alle Normen des Teils 2 für bestimmte Produkte an.

Entwickeln für 60335

Zur Vereinfachung des Designs des Stromversorgungsbereichs bei gleichzeitiger Erfüllung der 60335-Anforderungen können Entwickler von intelligenten Geräten, IoT-vernetzten Geräten und kommerziellen ITE vorgefertigte Module verwenden. Die gekapselten AC/DC-Netzteile der PSK-Serie von CUI sind beispielsweise nach IEC/EN/UL 62368-1 zertifiziert und erfüllen die Anforderungen der IEC/EN/UL 61558/60335 für Haushaltsanwendungen. Diese Netzteile werden in Leistungsstufen von 2 bis 60 Watt mit einem Wirkungsgrad von bis zu 90 % angeboten und sind in einer Vielzahl von Montagearten erhältlich, einschließlich Platinenmontage, Gehäusemontage oder Hutschiene (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die gekapselten AC/DC-Netzteile der PSK-Serie von CUI sind für Platinen- (unten rechts), Gehäuse- (unten links) und Hutschienenmontage (oben) erhältlich. (Bildquelle: CUI)

Beispiele für Stromversorgungen der PSK-Serie:

• Das gehäusemontierbare PSK-10D-12-T arbeitet über einen weiten Eingangsbereich von 85 bis 305 Volt AC oder 100 bis 430 Volt DC und liefert 12 Volt DC bei bis zu 10 Watt.
• Das PSK-S2C-24 bietet einen Eingangsbereich von 85 bis 305 Volt AC oder 120 bis 430 Volt DC und liefert bis zu 2 Watt bei 24 Volt DC in einem Gehäuse für die Platinenmontage.
• Das PSK-20D-12-DIN liefert 20 Watt bei 12 Volt DC und hat einen Eingangsbereich von 85 bis 305 Volt AC oder 100 bis 430 Volt DC in einem Hutschienengehäuse.

Die AC/DC-Stromversorgungen der PSK-Serie verfügen über eine 4kV-AC-Isolierung zwischen Eingang und Ausgang, einen großen Eingangsspannungsbereich und einen weiten Betriebstemperaturbereich von -40 bis +70°C, wobei einige Modelle für bis zu 85°C ausgelegt sind. Die Serie bietet außerdem Einzelausgangsspannungen von 3,3, 5, 9, 12, 15 und 24 Volt DC sowie einen Überstrom-, Überspannungs- und Dauerkurzschlussschutz.

Bei der Verwendung der Module gibt es einige Dinge zu beachten. Einige externe Komponenten werden zum Schutz und zur Filterung sowie zur Erfüllung der Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) benötigt. Viele dieser Informationen sind in den beiliegenden Datenblättern enthalten.

Bei der Anwendungsdesign-Referenz PSK-10D-12-T von CUI ist beispielsweise eine träge 2A/300V-Sicherung zusammen mit einem Metalloxid-Varistor (MOV) vorinstalliert (Abbildung 5).

Abbildung 5: Ein Referenzdesign für das PSK-10D-12-T zeigt die Platzierung der Komponenten für den Eingangsschutz und die Ausgangsfilterung (oben) und ihre jeweiligen Werte (unten). (Bildquelle: CUI)

Die Ausgangsfilterung erfolgt über einen Hochfrequenz-Elektrolytkondensator (C2) und einen Keramikkondensator (C1). Es ist wichtig, dass C2 einen niedrigen äquivalenten Serienwiderstand (ESR) und eine Marge von mindestens 20 % auf die Nennausgangsspannung hat. Eine Diode zur Unterdrückung transienter Spannungen (TVS) kurz vor der Last schützt die nachgeschaltete Elektronik im (unwahrscheinlichen) Fall eines Stromrichterausfalls.

Um die EMV-Konformität zu gewährleisten, empfiehlt CUI, direkt vor dem AC-Eingang des Moduls einen 3-Watt-Widerstand (R1) mit 6,8 Ω hinzuzufügen (Abbildung 6).

Abbildung 6: Für den EMV-Schutz sollte R1 an der AC-Eingangsleitung wie gezeigt hinzugefügt werden. (Bildquelle: CUI)

Fazit

Da die Zahl der Smart-Home-Geräte und der mit dem Internet der Dinge vernetzten Geräte weiter zunimmt, müssen Entwickler die Auswirkungen der Sicherheitsnorm IEC 60335 sowie ihre Beziehung zu IEC 60950 verstehen. Die Norm wirkt sich direkt darauf aus, wie Stromversorgungen für diese Anwendungen entworfen und qualifiziert werden, und führt zu bestimmten Designeinschränkungen und einer höheren Komplexität.

Um diese Komplexität zu bewältigen, können Entwickler auf gekapselte AC/DC-Netzteile zurückgreifen, die IEC60335-konforme Lösungen unterstützen. Diese hocheffizienten Geräte mit hoher Leistungsdichte sind in einer Vielzahl von Gehäuseformen für die Chassismontage, Platinenmontage und Hutschienenmontage erhältlich. Wie gezeigt, können diese Geräte durch die Einhaltung einiger grundlegender, bewährter Entwurfspraktiken die Entwicklungskosten und die Zeit bis zur Markteinführung erheblich reduzieren.

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