Das richtige Netzteil ist für die Einhaltung der Vorgaben der neuen Norm IEC/UL IEC-62368 zur Sicherheit von Verbraucherprodukten von entscheidender Bedeutung

Entwickler von Verbraucherprodukten müssen neben zahlreichen funktionalen und leistungsbezogenen Zielen sowie Anforderungen in puncto Effizienz und elektromagnetischer Interferenz (EMI) auch eine Reihe von Sicherheitsvorgaben erfüllen. Diese rechtlichen Auflagen sind komplex, aber nun verspricht eine neue Norm – die Sicherheitsnorm IEC 62368-1 für Informations- und Kommunikationstechnik (IKT) und Audio-/Videogeräte (A/V) – Entwicklern hier Hilfe, allerdings nur, wenn diese auch den Zweck und die Anforderungen der Norm verstehen.

Zum Zeitpunkt der Entstehung dieses Artikels gibt es zwei Normen, welche diese Bereiche abdecken und umfassend Anwendung finden: IEC 60950‑1, Einrichtungen der Informationstechnik – Sicherheit und IEC 60065, Audio-, Video- und ähnliche elektronische Geräte – Sicherheitsanforderungen. Am 20. Dezember 2020 nun werden diese Normen zurückgezogen und durch die Einzelnorm IEC 62368-1 ersetzt werden.

Mit der neuen Norm werden dabei mehr als nur Unterschiede und Überschneidungen bei den Produktklassen der alten Normen beseitigt. So verschiebt sich mit der Norm die Sicherheitsperspektive von einer „vorfallbasierten“ zu einer „gefahrenbasierten“ Bewertung, womit entsprechend neue Anforderungen für bestehende Technologien einhergehen, ohne dabei aber neue Entwicklungen zu beschränken.

In dem vorliegenden Artikel geht es um die Funktion und wichtigsten Punkte der Norm IEC 62368-1 und deren Auswirkungen auf die Designs. Anschließend werden die Funktionen und Untersysteme – insbesondere Netzteile – untersucht, die beim Erfüllen der neuen Norm besonders wichtig sind. Zum Schluss werden Netzteillösungen von CUI Inc. vorgestellt, welche den neuen Vorgaben entsprechen, sodass Entwickler rascher eine Zulassung für ihre Produkte erhalten und diese schneller auf den Markt bringen können.

IEC 62368-1: Warum sie erarbeitet wurde und für welche Produkte sie gilt

Noch vor einigen wenigen Jahrzehnten gab es deutliche Unterschiede zwischen A/V-Produkten und Informationstechnik (IT), d.h. Computerprodukten. Aus diesem Grund hatten diese traditionellen Produktklassen auch jeweils ihre eigene entsprechende Sicherheitsnorm. Mit den Fortschritten und Änderungen in der Technik jedoch verschwammen die Grenzen zwischen diesen beiden Gruppen zusehends, und die Überschneidungen zwischen ihnen nahmen deutlich zu. Deshalb wurde eine neue, gemeinsame Sicherheitsnorm erforderlich, welche die einzelnen Normen ersetzen soll.

Die ursprüngliche Version der IEC 62368-1 wurde von der International Electrotechnical Commission (IEC) erarbeitet, eine der ältesten Normungsorganisationen der Welt. Hierfür richtete die IEC das Fachkomitee (Technical Committee, TC) 108 bestehend aus Experten, Wissenschaftlern und Regierungsbeamten ein. Deren Aufgabe lautete, eine neue Norm zu erarbeiten, die dann die Normen IEC 60065 und IEC 60950-1 ersetzen sollte, anstatt einfach die beiden Einzelnormen jeweils zu überarbeiten und zu aktualisieren (Abbildung 1). Die auf diese Weise vom TC 108 erarbeitete Norm wurde dann offiziell von der IEC angenommen und von vielen Ländern und Regionen, darunter die USA, übernommen.

Abbildung 1: Die IEC 62368-1 ist eine gänzlich neue Sicherheitsnorm mit einem neuen Ansatz, die eine breite Palette an Verbraucher- und Officeprodukten abdeckt, aber gleichzeitig auf Vorgängernormen aufbaut. (Bildquelle: Power Systems Design)

Zu den zahlreichen Produktklassen, die von der IEC 62368-1 erfasst werden, gehören unter anderem die folgenden:

• Computer- und Netzwerkprodukte (Server, PCs, Router, Notebooks/Laptops, Tablets sowie deren Netzteile)
• Unterhaltungselektronik (Verstärker, Heimkinosysteme, Digitalkameras und MP3-Player)
• Displays und Displayeinheiten (Monitore, Fernseher und digitale Projektoren)
• Telekommunikationsprodukte (Netzwerkinfrastruktur-Ausrüstung, Schnurlos- und Mobiltelefone und ähnliche Kommunikationsgeräte, darunter batteriebetriebene Geräte)
• Bürotechnik (Kopierer und Aktenvernichter)
• Verschiedene andere Arten von Audio-/Video-, Informations- und Kommunikationstechnik in Wohnungen, Schulen und ähnlichen Einrichtungen und Umgebungen

Bei der IEC 62368-1 handelt es sich nicht einfach um eine direkte Überarbeitung, bei der die beiden Vorgänger aktualisiert und zusammengeführt wurden. Vielmehr kommt hier nun ein gefahrenbasierter Ansatz zum Tragen, offiziell „Hazard-Based Safety Engineering“ (HBSE) genannt, mit dem Sicherheitsfragen berücksichtigt werden, die sowohl die elektronischen Komponenten als auch die IT-/Kommunikationstechnik betreffen. Anstatt detaillierte Beschreibungen von Sicherheitsanforderungen herauszugeben, konzentriert sich der neue Ansatz auf die möglichen Gefahren und räumt den Herstellern gleichzeitig Entscheidungsspielraum bei der Gestaltung der entsprechenden Schutzvorrichtungen ein. Die Norm legt den Schwerpunkt also auf die sicherheitsbezogene Analyse eines Produkts während der Designphase. Unter Anwendung der HBSE-Grundsätze weist die IEC 62368-1 die folgenden Merkmale auf:

• Die Norm ist stärker auf die Leistung ausgerichtet, erlaubt aber (bisher) auch akzeptierte Konstruktionen, wenn diese sich in der Vergangenheit als sicher bewährt haben (zum Beispiel in IEC 60065 und/oder IEC 60950-1).
• Die Norm ist technologieunabhängig (innerhalb festgelegter Grenzen) und erlaubt mehr Entwicklungsfreiheit.
• Die Norm gilt für eine größere Palette an bestehenden Elektronikprodukten, unterstützt aber auch die Einführung neuer Technik in den globalen Markt.

Am 20. Dezember 2020 werden die Normen IEC/UL/CSA 60950‐1 und IEC/UL/CSA 60065 offiziell zurückgezogen. Nach diesem Datum müssen die Hersteller die Norm IEC/UL 62368 erfüllen, um so die Konformität ihrer Produkte zu gewährleisten, wenn diese auf dem Markt angeboten werden sollen.

Beachten Sie, dass es eine wichtige, aber vorübergehende Regelung gibt, die es Unternehmen gestattet, ihren Bestand an Bauteilen nach 60950-1 oder 60065 in nach 62368-1 zertifizierten Produkten zu verwenden. Damit wurde tatsächlich unter gewissen Bedingungen und in bestimmten Regionen ein „Bestandsschutz“ in Kraft gesetzt. Insbesondere wird in Unterabschnitt 4.1.1 festgestellt: „Komponenten und Unterbaugruppen, die IEC 60950-1 oder IEC 60065 erfüllen, sind als Equipment nach dieser Norm ohne weitere Überprüfung bis auf Beachtung der richtigen Verwendung der Komponente oder der Unterbaugruppe im Endprodukt zulässig.“ Für ein aufgeführtes Netzteil kann diese „Beachtung“ z. B. einfach darin bestehen, dass die ausschließliche Verwendung des Produkts innerhalb der angegebenen elektrischen Kennwerte sichergestellt wird.

HBSE: Das bedeutet es

Mit dem HBSE-Ansatz wird von den Produktherstellern der Nachweis darüber verlangt, dass bekannte Gefahren berücksichtigt wurden und dass das Produkt so entwickelt wurde, dass es in dem erwarteten Kontext sicher verwendet werden kann. Anders formuliert: Anstatt einfach zu sagen „Ihr müsst den Nutzer vor dieser speziellen Situation schützen, beispielsweise vor einem bekannten Hochspannungspunkt“, wird gesagt „Ihr müsst die verschiedenen Gefahren bewerten und diesen angemessen begegnen, auf der Grundlage des jeweiligen Gefahrentyps und -niveaus“.

Damit verschiebt sich der Schwerpunkt weg davon, dass die Hersteller einfach zeigen, dass die vorgeschriebenen Spezifikationen erfüllt wurden. Hierbei ist anzumerken, dass die Norm keine Risikoanalyse verlangt, wie andere Normen es weiterhin tun, beispielsweise Norm IEC 60601-1 – Medizinische elektrische Geräte – Teil 1-2: Allgemeine Festlegungen für die Sicherheit einschließlich der wesentlichen Leistungsmerkmale – Ergänzungsnorm: Elektromagnetische Störgrößen – Anforderungen und Prüfungen.

Mit dem HBSE-Ansatz wird das Ziel vorgegeben, die Gerätenutzer zu schützen; hierfür werden die Hersteller dazu verpflichtet, potenziell gefährliche Energiequellen zusammen mit den Mechanismen zu identifizieren, mit denen die Energie auf einen Nutzer übertragen werden könnte. Anschließend müssen die Hersteller geeignete Mittel vorschlagen und umsetzen, mit denen eine solche Übertragung verhindert werden kann – sowohl unter normalen als auch unter fehlerhaften Betriebsbedingungen. Die eingesetzten Schutzvorrichtungen dienen zum Schutz vor Schmerzen oder Verletzungen, die unmittelbar durch elektrische Energie hervorgerufen werden (elektrischer Schlag) oder vor Brandverletzungen und/oder zur Verhinderung elektrisch verursachter Brände, die zu Schmerzen, Verletzungen, Todesfällen oder Sachschäden führen können. Schließlich wird mit dem HBSE-Konzept auch die Wirksamkeit der Schutzvorrichtungen bewertet.

Das HBSE-Modell umfasst drei Blöcke: Energiequelle, Übertragungsmechanismus und Körper (Abbildung 2). Die „Lösung“ der durch die Energiequelle dargestellten Gefahrensituation wird als ähnliches Drei-Block-Modell ausgedrückt, weist aber eine Schutzvorrichtung anstelle des Energieübertragungsmechanismus auf.

Abbildung 2: Die Strategie der IEC 62368-1 besteht in der Ermittlung gefährlicher Energiequellen und ihrer möglichen Wege hin zum Nutzer sowie in der Bereitstellung entsprechender Schutzvorrichtungen, die vor dem Energieweg und -fluss schützen. (Bildquelle: InComplianceMag.com)

Zudem sind die Hersteller gemäß IEC 62368-1 dazu angehalten, die erforderlichen Schutzstufen für die verschiedenen Arten von Nutzern und Energiequellen zu berücksichtigen, wobei es jeweils drei Kategorien gibt. Bei den Nutzern lauten die drei Kategorien „Qualifizierte Person“, „Unterwiesene Person“ und „Gewöhnliche Person“. Die Energiequellen werden anhand einer Tabelle klassifiziert, die in Abbildung 3 als vereinfachte Version zu sehen ist.

Abbildung 3: Die IEC 62368-1 benennt drei Gefahrenklassen für Energiequellen und definiert, in welchem Umfang jeweils Schutzvorrichtungen erforderlich sind. (Bildquelle: CUI)

Die zwei Einstufungen von Nutzer und Energiequelle ergeben dann zusammen eine Matrix (Abbildung 4).

Abbildung 4: Um Stufe und Art der für die jeweilige Energiequelle notwendigen Schutzvorrichtung zu bestimmen, verbindet die Norm IEC 62368-1 die Gefahr einer Energiequelle mit dem Kenntnisstand und Wissen eines Nutzers. (Bildquelle: SGS SA)

Der Nutzer ist weniger gefährdet, je weiter er die Zeilen von „gewöhnlicher Person“ zu „qualifizierter Person“ hochsteigt; die Energiequelle hingegen wird mit steigender Energieklasse gefährlicher, also wenn sie in den Zeilen von links nach rechts wandert. Wenn im Rahmen der Norm beispielsweise eine gewöhnliche Person ein Produkt der Klasse 3 benutzt (Energiequelle 3 bzw. ES3), ist eine zusätzliche oder verstärkte Schutzvorrichtung erforderlich, wie eine doppelte Isolierung oder eine spezielle Abschirmung. Verwendet hingegen eine qualifizierte Person ein ES3-Produkt, so ist nicht der gleiche Schutzumfang vonnöten.

In der Norm IEC 62368-1 kommt ein vierstufiger Prozess zum Einsatz:

• Erstens, Ermittlung der Energiequellen.
• Zweitens, deren Einstufung als Klasse 1, 2 oder 3.
• Drittens, Bestimmung geeigneter Schutzvorrichtungen.
• Und viertens, Messung der Wirksamkeit der gewählten Schutzvorrichtungen.

Die Schutzvorrichtungen werden in zwei Gruppen – Konzepte und Stufen – unterteilt, wobei „Konzepte“ die Methode(n) angibt, nach der/denen die Schutzvorrichtung arbeitet, und „Stufen“ die Stärke der Schutzvorrichtung benennt (Abbildung 5).

Abbildung 5: Die IEC 62368-1 ermittelt den passenden Umfang an erforderlichen Schutzvorrichtungen und analysiert dann die Ansätze für die Umsetzung. (Bildquelle: SGS SA)

Zuerst die Energie

Die Energiepegel spielen zusammen mit Spannung und Strom eine zentrale Rolle bei der Einhaltung der Norm. Wenn der Energiepegel niedrig ist (ES1), so gibt es nur wenig oder gar nichts zu bedenken. Zu beachten ist, dass die jeweiligen Strom- und Spannungsgrenzwerte für ES1, ES2 und ES3 variieren und auch von der Frequenz bestimmt werden können. Unter 1 Kilohertz (kHz) beispielsweise beträgt der Grenzwert für ES1 30 Volt RMS, 42,4 Volt Spitze und 60 Volt DC, wohingegen der ES2-Grenzwert bei 50 Volt RMS, 70,7 Volt Spitze und 120 Volt DC liegt.

Verkompliziert wird die Situation dadurch, dass das Gerät entweder den Spannungsgrenzwert oder den Stromgrenzwert einhalten muss, der für die jeweilige Energieklasse vorgegeben ist, aber nicht beiden Werten entsprechen muss. Zudem unterscheiden sich die in den Normen festgelegten Grenzwerte auch je nachdem, ob es sich um normale, auffällige oder Einzelfehlerbedingungen handelt; darüber hinaus gibt es Unterabschnitte, in denen die Grenzwerte für gepulste Wellenformen und ihre Ausschaltzeiten angegeben werden (Abbildung 6 und Abbildung 7).

Abbildung 6: Da Elektrobrände durch eine Kombination von Leistung und Zeit verursacht werden, betrachtet die Norm IEC 62368-1 die Beziehung zwischen diesen beiden zentralen Parametern. (Bildquelle: CUI)

Abbildung 7: In der Norm werden auch die Energiepegel benannt, bei denen mit einem Elektrobrand zu rechnen ist. (Bildquelle: CUI)

Was sollte ein Entwickler tun?

Entwickler, die glauben, dass sie die neue Norm verstehen und diese deshalb problemlos erfüllen können, fallen in eine der folgenden zwei Gruppen:

1. Jemand, der Kurse zum Thema Normen belegt, Schulungen besucht, bereits mit bestehenden IEC-Normen gearbeitet und schon persönlich den Zulassungsprozess durchlaufen hat.
2. Jemand, der naiv und/oder töricht ist. Dies ist so, weil die Norm mit einem komplizierten Set von manchmal verwirrenden Anforderungen aufwartet. Zudem sind für die Bestimmung der möglichen Schutzvorrichtungen Entscheidungen anhand einer langen Liste zu treffen. Hier zu wissen, welche Option wo verwendet werden kann, ist weder offensichtlich noch trivial.

Zu den zu betrachtenden möglichen Schutzvorrichtungen gehören unter anderem Schutzerdungen (echte Erdung), Elektronikgehäuse, feuerbeständige Gehäuse und Isolierungen. Zudem gibt es installierte Schutzvorrichtungen wie der Anschluss an eine externe Erdung sowie Schutzvorrichtungen mit Hinweischarakter, zum Beispiel Sicherheitskennzeichnungen. Schließlich gibt es noch vorbeugende Schutzvorrichtungen, die für die Fälle vorzusehen sind, bei denen gewöhnliche Nutzer von qualifizierten Personen unterwiesen werden, sowie darüber hinaus auch „kompetenzbasierte“ Schutzvorrichtungen, bei denen auf die Fähigkeit eines qualifizierten Praktikers vertraut wird, sich selbst vor den Gefahren schützen zu können, die von Energiequellen der Klasse 2 und Klasse 3 ausgehen.

Erster Punkt: Konzentration auf die Versorgung

Die erste Frage, die sich ein Entwickler stellen muss, heißt: Wie lautet die primäre Quelle der Energie, die das vorliegende Design in die jeweilige Gefahrenzone bringt? Bei vielen der Produkte, die von dieser Norm erfasst werden, ist die Antwort klar: Es ist das AC-Netzteil. Wenn also ein normengerechtes Netzteil ausgewählt und dann ordnungsgemäß verwendet wird, verschwindet ein Großteil des Konformitätsproblems und die Herausforderung bei der Entwicklung reduziert sich deutlich.

Glücklicherweise haben Netzteilanbieter wie CUI in Vorbereitung auf den Stichtag im Dezember 2020 bereits die neue Norm untersucht und analysiert und bieten schon jetzt eine Reihe von AC-Netzteilen an, welche die Anforderungen sogar übertreffen. Diese Netzteile reichen von relativ schwachen Netzteilen (unter 10 Watt) über mittelstarke Netzteile bis hin zu größeren Netzteilen im dreistelligen Wattbereich. Die folgenden drei Beispiele veranschaulichen die Bandbreite und Leistungsfähigkeit der Netzteile.

Bei dem SWI6-9-N-P5 von CUI handelt es sich um ein wandmontierbares AC/DC-Netzteil mit 9 Volt und 6 Watt, das zur Netzteilfamilie mit einem Ausgang von 3,3 Volt bis 15 Volt gehört (Abbildung 8). Es arbeitet in einem Bereich von 90 bis 264 Volt AC und erfüllt den vom US-amerikanischen Energieministerium (Department of Energy, DoE) vorgegebenen Effizienzstandard Level VI, d.h., es verbraucht im Leerlauf weniger als 0,1 Watt. Das Netzteil besitzt einen Überstromschutz, Überspannungsschutz und Kurzschlussschutz und weist ein kompaktes Gehäuse mit einem Gewicht von 78 Gramm (2,75 oz) und den Maßen 56 Millimeter (mm) × 28 mm × 42 mm (2,2 × 1,1 × 1,65 Zoll) auf.

Abbildung 8: Bei dem SWI6-9-N-P5 von CUI Inc. handelt es sich um ein wandmontierbares AC/DC-Netzteil mit 9 Volt und 6 Watt, das vollständig die Norm IEC 62368-1 für die externe Verwendung erfüllt. (Bildquelle: CUI)

Für höhere Spannungen und Nennleistungen bietet sich das SMI18-24-V-P5 von CUI an, ein wandmontierbares Netzteil mit 24 Volt und18 Watt sowie verschiedenen Steckeraufsätzen, das zur Familie mit Geräten von 5 Volt bis 24 Volt gehört (Abbildung 9). Das Gerät entspricht dem Effizienzstandard Level VI des DoE sowie dem Standard CoC Tier 2, verbraucht im Leerlauf weniger als 0,075 Watt und weist einen Schutz ähnlich dem des 6-Watt-Geräts auf. Ein einzigartiges Merkmal dieses 170 Gramm (6 oz) schweren und 75 × 35,8 × 65,6 mm (3 × 1,4 × 2,6 Zoll) großen Netzteils mit Universaleingang sind seine austauschbaren AC-Aufsätze für den weltweiten Einsatz (Nordamerika, Europa, GB, Australien und China).

Abbildung 9: Bei dem SMI18-24-V-P5 handelt es sich um ein IEC 62368-1-konformes Netzteil mit 24 Volt und 18 Watt für die Wandmontage, das über eine Reihe von Steckeraufsätzen verfügt, damit das Netzteil auf der ganzen Welt verwendet werden kann. (Bildquelle: CUI)

Natürlich werden bei vielen Anwendungen noch höhere Nennleistungen benötigt. Hier empfiehlt sich das von CUI angebotene AC/DC-Tischnetzteil SDI120-12-U-P51. Es bietet 12 Volt und 120 Watt und gehört zu einer Familie mit einer Spannung von 12 Volt bis 48 Volt bei der genannten Nennleistung (Abbildung 10). Das IEC 62368-1-konforme Netzteil erfüllt den Effizienzstandard Level VI des DoE (sein Stromverbrauch im Leerlauf bei 230 Volt beträgt 0,21 Watt) und hat einen Leistungsfaktor von über 0,9. Es hat ein Gewicht von 580 Gramm (20,4 oz), misst 168,1 × 65,9 × 39 mm (6,6 × 2,6 × 1,5 Zoll) und wird ohne AC-Kabel ausgeliefert. Optional kann das Netzteil aber mit einem Kabel mit Steckeraufsätzen und einer an die lokale Netzsteckdose angepassten Konfiguration bestellt werden.

Abbildung 10: Bei Anwendungen mit höherer Leistung, bei denen ein wandmontierbares Netzteil nicht angebracht oder nicht gewünscht ist, steht das externe AC/DC-Tischnetzteil SDI120-12-U-P51 zur Verfügung; das entsprechende AC-Netzkabel wird separat gewählt. (Bildquelle: CUI)

Fazit

Die Norm IEC/UL IEC-62368-1 für Verbraucherprodukte und verwandte Produkte wird an einem konkreten Datum im Dezember 2020 in Kraft treten. Es handelt sich um eine komplizierte Norm mit einem gefahrenbasierten Ansatz, in dessen Rahmen potenzielle Sicherheitsprobleme und die entsprechenden Schutzvorrichtungen bewertet werden – ein Konzept, das sich stark von dem früherer Normen unterscheidet. Mit der Auswahl eines AC/DC-Netzteils, das die Vorgaben dieser Norm übertrifft, wird die Aufgabe des Entwicklungsteams deutlich vereinfacht und das Risiko bei der Zulassung des fertigen Produkts verringert.

Referenzen CUI

1. „IEC 62368-1: An Introduction to the New Safety Standard for ICT and AV Equipment“
2. „The Latest on IEC 62368-1: More Time to Comply, But a Harder Deadline“