Entwurf von Schutzschaltungen gemäß der neuen AV/ICT-Norm IEC 62368-1

Im Laufe der Zeit haben sich die Grenzen zwischen audiovisueller (AV) und Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT) immer mehr verwischt (Multimedia-Produkte wie Smart-TVs sind ein Beispiel dafür). Darüber hinaus haben sich die Ingenieure bei der Konstruktion von Schutzvorrichtungen für elektrische Produkte auf einen gefahrgeneigten Ansatz (Hazards Based Safety Engineering, HBSE) verlegt. Diese Trends wirkten sich auf die Normen zum Schutz der Personen aus, die solche Geräte installieren, warten und benutzen, und machten sie veraltet - zusammen mit einem Großteil der technischen Hardware, die verwendet wurde, um die Konformität der AV- und IKT-Produkte sicherzustellen.

Im Hinblick auf diese Entwicklung hat die IEC eine einzige neue Norm entwickelt, die IEC 62368-1 (Geräte der Informations- und Kommunikationstechnik - Teil 1: Sicherheitsanforderungen). Diese neue Norm ersetzt zwei ältere Normen (IEC 60950-1 und IEC 60065) durch eine, die sowohl IKT- und AV-Geräte als auch Produkte wie IoT-Geräte (IoT: Internet der Dinge) und batteriebetriebene elektronische Geräte abdeckt, die mit bis zu 600 Volt betrieben werden. Der Standard wurde im Dezember 2020 implementiert und verfolgt einen HBSE-Ansatz.

Dieser Artikel stellt die IEC 62368-1 vor und zeigt, dass sie zwar komplexer erscheinen kann als die vorherigen separaten Normen, aber die Dinge vereinfacht und ein höheres Maß an Sicherheit und Designflexibilität ermöglicht. In diesem Artikel wird auch die Verwendung von kommerziell erhältlichen elektrischen Schutzprodukten von Littelfuse vorgestellt und beschrieben, die die Entwicklung von Produkten und Subsystemen erleichtern, die die Überspannungs- und Stoßspannungsanforderungen für jede in IEC 62368-1 abgedeckte Kategorie erfüllen.

Was ist IEC 62368-1?

Die IEC 62368-1 wurde verabschiedet, um ältere Normen durch eine zu ersetzen, die den Stromkreisschutz für die Sicherheit von elektrischen und elektronischen IKT-, AV- und IoT-Geräten mit einer Nennspannung von maximal 600 Volt definiert (Abbildung 1). Die Norm wurde entwickelt, um Personen zu schützen, die solche Geräte installieren, warten und benutzen. Sie spiegelt auch den HBSE-Ansatz wider, den Ingenieure heute bei der Sicherheitstechnik verfolgen. HBSE ersetzt den früheren präskriptiven technischen Ansatz - der eine Reihe von Regeln festlegte, an die sich Schutzschaltungen halten sollten - durch einen Ansatz, der die Gefahren berücksichtigt, denen ein Produkt wahrscheinlich ausgesetzt sein wird. Das Ergebnis sind Sicherheitsschaltungen, die den Anwender auch dann schützen, wenn das Produkt bei Einwirkung einer der identifizierten Gefahren ausfällt.

Abbildung 1: IEC 62368-1 ersetzt die älteren Sicherheitsstandards IEC 60951-1 und IEC 60065 durch einen Standard, der IKT, AV und andere Produkte wie IoT und batteriebetriebene elektronische Geräte abdeckt. (Bildquelle: Littelfuse)

Die IEC 62368-1 gilt nicht nur für das Endprodukt, sondern auch für Komponenten und Subsysteme (z. B. Netzteile), aus denen es aufgebaut ist. Für einen unbestimmten Zeitraum erlaubt die neue Norm vorübergehend die Wiederverwendung von Designs und Unterbaugruppen, die mit den älteren Normen konform waren. Es wird erwartet, dass die Ingenieure den neuen Standard für Schlüsselmärkte wie Nordamerika, Großbritannien, Japan und Australien/Neuseeland übernehmen werden.

Schaltungsschutz für Personen

Die Einhaltung der IEC 62383-1 erfordert vom Ingenieur die Anwendung einer HBSE-Methodik. Dies bedeutet:

• Identifizierung der vom Produkt verwendeten Energiequellen (ES)
• Messung der von diesen Quellen erzeugten Energieniveaus
• Feststellen, ob die Energie aus den Quellen gefährlich ist
• Einstufung des Gefährdungsgrades
• Identifizieren, ob die Gefahr Verletzungen oder Feuer verursachen kann
• Festlegen geeigneter Schutzmaßnahmen für:
  • Schutz von Personen vor Schmerzen und Verletzungen durch die klassifizierten Gefährdungen
  • Verringerung der Wahrscheinlichkeit von Verletzungen oder Sachschäden aufgrund eines Brandes, der durch einen Fehler im Gerät entsteht
• Messung der Wirksamkeit der gewählten Schutzvorrichtungen

Die Norm beschreibt drei Klassen von ES. Eine Energie der Klasse 1 (ES1) bleibt unter den Grenzwerten der Klasse 1 während normaler Betriebsbedingungen, abnormaler Bedingungen oder beim Auftreten eines einzelnen Fehlers. Die vorhandene Energie kann von einer Person erkannt werden, ist aber nicht schmerzhaft und reicht nicht aus, um eine Zündung zu verursachen. Es sind keine Schutzmaßnahmen erforderlich, um normale Benutzer vor ES der Klasse 1 zu schützen.

Die Energiewerte der Klasse 2 (ES2) überschreiten die Grenzwerte der Klasse 1, bleiben aber unter den Grenzwerten der Klasse 2 bei normalen, anormalen oder Ein-Fehler-Betriebsbedingungen des Produkts. Die vorhandene Energie kann ausreichen, um Schmerzen zu verursachen, es ist jedoch unwahrscheinlich, dass sie zu Verletzungen führt. Die vorhandene Energie könnte unter bestimmten Bedingungen ausreichen, um eine Zündung zu verursachen. Mindestens eine Schutzvorrichtung ist erforderlich, um normale Benutzer vor Energiequellen der Klasse 2 zu schützen.

Eine ES der Klasse 3 (ES3) ist die gefährlichste. Seine Energie übersteigt den Höchstwert der Klasse 2 unter normalen, anormalen oder Ein-Fehler-Bedingungen und kann zu Verletzungen oder zur Entzündung und Ausbreitung von Feuer führen. Die Art der durch eine ES3 verursachte Verletzungen kann bis zu Herzflimmern, Herz-/Atemstillstand oder Verbrennungen der Haut und/oder innerer Organe reichen. Eine doppelte oder verstärkte Sicherung ist erforderlich, um normale Benutzer vor einer ES3 zu schützen.

Insbesondere legt die neue Norm die Überspannungsfestigkeit und die Anforderungen an den Überspannungsschutz für die verschiedenen Kategorien fest, die unterschiedliche Produkttypen und Einsatzorte abdecken.

Zu beachten ist, dass die jeweiligen Strom- und Spannungsgrenzwerte für ES1, ES2 und ES3 variieren und auch von der Frequenz bestimmt werden können. Die Anforderungen an die Spannungsgrenze werden z. B. durch die Betriebsfrequenz des Netzteils beeinflusst. Für Spannungen aus einer Versorgung, die unter 1 Kilohertz (kHz) arbeitet, liegt der ES1-Grenzwert bei 30 Volt_eff, 42,4 Volt_Spitze und 60 Volt Gleichstrom. Der ES2-Grenzwert liegt bei 50 Volt_eff, 70,7 Volt_Spitze und 120 Volt DC.

Betriebsmittel müssen entweder den in der jeweiligen Energieklasse angegebenen Spannungsgrenzwert oder den Stromgrenzwert einhalten, aber nicht beides. Die Grenzwerte variieren auch je nach normalem oder anormalem Betrieb oder einer einzelnen Fehlerbedingung. Diese Grenzwerte sind in Abschnitt 5 der Norm aufgeführt. Es gibt auch Unterklauseln, die z. B. Grenzwerte für Impulswellenformen in Abhängigkeit von der Ausschaltzeit festlegen.

Schaltungsschutz für Geräte

Der Schutz von Menschen ist das Hauptanliegen eines jeden Geräteherstellers, aber auch der Schutz des Endprodukts vor Schäden durch Spannungs- und Stromspitzen ist ein wichtiges Anliegen. IEC 62368-1 baut auf den beiden älteren Normen auf und spezifiziert die Mindestwiderstandswerte für Geräte, um die Immunität gegen transiente Überspannungen und Überströme zu gewährleisten.

Die Norm definiert drei „Überspannungskategorien“ (I, II und III) für Geräte auf der Haushaltsseite des Stromzählers. Geräte auf der Verteilerseite des Zählers gehören zur Überspannungskategorie IV.

Im Einzelnen ist Kategorie I für Geräte vorgesehen, die nicht an das Stromnetz angeschlossen sind (z. B. batteriebetriebene tragbare Geräte), während Kategorie II für steckbare IKT- und AV-Geräte gilt, die an die Gebäudeverkabelung angeschlossen sind. Kategorie III gilt für Systeme, die Teil der Gebäudeinfrastruktur sind, wie z. B. Verteilertafeln, Leistungsschalter, Verkabelung, Verteilerkästen, Schalter, Steckdosen und Geräte für die Industrie.

Die Kategorie II umfasst im Allgemeinen Gerätekonstruktionen, die auf einem 120- oder 230-Volt-Wechselstromnetz basieren, oder für einen Bereich wie 100- bis 250-Volt-Wechselstromversorgungen. Die Norm legt fest, dass solche Geräte einer transienten Spitzenspannung von mindestens 1,5 Kilovolt (kV) bei einer 120-Volt-Wechselstromversorgung und 2,5 kV bei einer 230-Volt-Wechselstromversorgung standhalten müssen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die IEC 62368-1 spezifiziert verschiedene Überspannungskategorien, je nachdem, wo das Endprodukt eingesetzt wird. Die Kategorien I, II und III gelten für Produkte, die auf der Haushaltsseite des Stromzählers verwendet werden, während Kategorie IV Produkte abdeckt, die auf der Verteilerseite verwendet werden. (Bildquelle: Littelfuse)

Schaltungsdesign für Überspannungsschutzanforderungen gemäß IEC 62368-1

Der Entwurf von Schaltungen, die die Anforderungen der Norm für den Schutz gegen transiente Überspannungs- und Überstromereignisse erfüllen, ist nicht übermäßig schwierig. Der Schlüssel liegt darin, die transiente Spitze von den empfindlichen Geräten wegzuleiten, indem ein alternativer Leitungspfad bereitgestellt wird. Es gibt zwei empfohlene Techniken, je nachdem, ob die Stromversorgung einen Differenzkreis oder einen Differenz- und Gleichtaktkreis verwendet (Abbildung 3A und 3B).

Abbildung 3: Ein transienter Spannungs- und Stromschutz für IEC 62368-1 Kategorie II umfasst den Differenzkreis (A, oben) oder den Differenz- und Gleichtaktkreis (B, unten). (Bildquelle: Littelfuse)

Im Differenzkreis (3A) wird der Schutz durch eine Sicherung (I) zum Schutz vor Überstromereignissen zusammen mit einem thermisch geschützten Metalloxidvaristor (TMOV) (II) erreicht. Der TMOV besteht aus zwei Elementen, einer thermisch aktivierten Vorrichtung, die sich im Falle einer Überhitzung aufgrund der anormalen Überspannung öffnet, und einem MOV. Im Normalbetrieb hat der MOV einen sehr hohen Widerstand, so dass normale Betriebsspannungen durch den Stromkreis fließen können. Bei höheren Spannungen, wie z. B. einer transienten Spannungsspitze, weist der MOV einen geringen Widerstand auf, so dass der Strom nicht zum Endprodukt fließen kann.

Der Differenz- und Gleichtaktkreis nutzt ebenfalls die Sicherung und den TMOV über die stromführenden und neutralen Leitungen, fügt jedoch zwei weitere MOVs und eine Gasentladungsröhre (GDT) hinzu. Wie in Abbildung 3B dargestellt, werden die MOVs über die stromführende und geerdete Leitung sowie die neutrale und geerdete Leitung in Reihe mit dem GDT geschaltet. Im Normalbetrieb weisen GDTs einen hohen Isolationswiderstand sowie eine geringe Kapazität und Leckage auf. Wenn sie jedoch hohen Spannungstransienten ausgesetzt werden, verwandelt sich das eingeschlossene Gas in ein Plasma und leitet die Spannung vom Endprodukt weg.

Während die TMOV-Option empfohlen wird (weil sie über einen thermischen Schutz und eine niedrige Durchlass- und Klemmspannung verfügt), können auch andere Formen des Differenzkreisschutzes in Betracht gezogen werden, während sie mit der Norm konform bleiben. Beispiele sind ein MOV, ein Schutzthyristor plus MOV (insbesondere für Produkte wie Modems) oder eine TVS-Diode. Für den Gleichtaktschutz sind die MOVs plus GDT-Schutz die einzig zulässige Lösung.

Wo es für den Ingenieur ein wenig kniffliger wird, ist bei der Komponentenauswahl. Geräte müssen die in der IEC 62368-1 definierten Schutzkriterien erfüllen, damit das Endprodukt der Norm entspricht.

Die Sicherung (I) wird verwendet, um Schäden an empfindlichen Schaltkreisen bei Überstromereignissen zu verhindern (und damit das Endprodukt die Fehlerprüfung besteht). Bei der Betrachtung der Sicherung muss der Entwickler eine Komponente berücksichtigen, die:

• Fehlauslösungen vermeidet
  • Sie darf z. B. im Normalbetrieb nicht öffnen und auch nicht während der Stoßimpulsprüfung
• eine Nennspannung bietet, die über der normalen Betriebsspannung des Systems liegt
• den maximalen Fehlerstrom sicher unterbricht
• in den verfügbaren Raum passt
• für die erforderlichen Zertifizierungen von Dritten (z. B. IEC und UL) ausgelegt ist

Gute Optionen für ein 240-Volt-AC-Kategorie-II-Produkt sind die 0215008.MRET1SPP, eine 8A-Komponente (A), oder die 0215012.MRET1P, ein 12A-Modell, beide aus der 215-Serie von Littelfuse. Die Serie 215 ist eine 20 x 5 Millimeter (mm) große, träge, überspannungsfeste Patronensicherung mit Keramikkörper, die die IEC-Spezifikationen erfüllt und gleichzeitig einen individuellen Schutz für Komponenten oder interne Schaltungen bietet.

Eine wichtige Anforderung an eine Sicherung in dieser Anwendung ist, dass ihre Unterbrechungsleistung dem maximalen Fehlerstrom des Stromkreises entsprechen oder diesen übersteigen muss. Andernfalls funktioniert das Gerät nicht ordnungsgemäß, und es besteht die Gefahr, dass schädlicher Strom im Stromkreis weiterfließt, wenn die Sicherung hätte auslösen müssen. Die Sicherungen der Serie 215 haben eine hohe Unterbrechungsleistung von 1,5 kV bei 250 Volt AC.

Bei der Auswahl des TMOV (II) (in den Schaltungen in den Abbildungen 3A und 3B) sollte der Entwickler die folgenden Richtlinien berücksichtigen:

• Der TMOV sollte einer Varistor-Bauteilnorm wie IEC 61051-1 oder IEC 61643-331 entsprechen
• Die maximale Dauerbetriebsspannung (MCOV) ist ≥ 1,25 x Gerätenennspannung
  • Für eine 240-Volt-AC-Spannungsversorgung muss der MCOV der Komponente beispielsweise mindestens 300 Volt betragen
• Der TMOV sollte mehreren Ereignissen standhalten können (gemäß 2.3.6 der IEC 61051-2 oder 8.1.1 der IEC 61643-331)
  • Bei einer 240-Volt-Wechselstromversorgung sollte der TMOV beispielsweise 10 Impulsen einer Kombinationswelle von 2,5 kV/1,25 Kiloampere (kA) mit einer Spannung von 1,2/50 Mikrosekunden (μs) und einem Strom von 8/20 μs standhalten
• Die Komponente muss den Varistor-Überlasttest der Norm bestehen
  • Zum Beispiel sollte bei einer 240-Volt-Wechselstromversorgung bei der Prüfung die 2fache Nennspannung (480 Volt) mit einem Vorwiderstand (R) von 3,84 Kiloohm (kΩ) angelegt werden (bei nachfolgenden Prüfungen wird der R-Wert halbiert, bis der Stromkreis öffnet) (Abbildung 4)).

Abbildung 4: Schema des Überlasttests. Das Schutzbauteil muss mit 2 x Nennspannung überlastet werden und die Prüfung mit schrittweise halbierten Werten von R1 wiederholt werden, bis der Stromkreis öffnet. (Bildquelle: Littelfuse)

Die Komponente TMOV14RP300EL2T7 von Littelfuse ist ein guter Kandidat für diese Anwendung. Die Komponente hat einen MCOV von 300 Volt (erfüllt die Bauteilnorm-Anforderung für eine 240-Volt-Wechselstromversorgung) mit einem Durchmesser von 14 Millimetern (mm), eine ausreichende Gehäusegröße, um die Anforderung für Mehrfachschläge zu erfüllen. Da der TMOV14RP300EL2T7 zudem thermisch geschützt ist, reicht sein MCOV von 300 Volt aus, um den Varistor-Überlasttest zu bestehen. Für einen zusätzlichen Sicherheitsfaktor sollte ein nicht thermisch geschützter MOV einen MCOV von 420 Volt oder höher haben. Der TMOV kann einem einmaligen Spitzenstoßstrom (<20 µs) von bis zu 6 kA standhalten. Abbildung 5 zeigt die Überspannungsfestigkeit für wiederholte Überspannungen und die Überspannungsdauer.

Abbildung 5: Wiederholte Überspannungen am 14mm-MOV von Littelfuse. Die Komponente kann einem einmaligen Spitzenstoßstrom (<20 µs) von bis zu 6 kA standhalten. (Bildquelle: Littelfuse)

Die Anforderungen an die für den Gleichtaktschutz verwendeten MOVs und GDTs werden ebenfalls durch die Bauteilnorm IEC 61051-1 bzw. IEC 61643-331 vorgegeben. Die Einhaltung dieser Norm ermöglicht es, dass Unterbaugruppen, die aus konformen Komponenten gebaut werden, ihrerseits konform mit der IEC 62368-1 sind. In diesem Fall muss der MOV dieselben MCOV- und Stoßspannungsanforderungen erfüllen, wie oben für den TMOV angegeben. Da die beiden Komponenten jedoch in Verbindung mit einem GDT verwendet werden, werden die Überlasttests an der kombinierten Schutzschaltung und nicht am MOV allein durchgeführt.

Der MOV V10E300P von Littelfuse ist dafür geeignet. Dieses Bauteil hat einen MCOV von 300 Volt und einen Durchmesser von 10 mm. Damit ist es robust genug, um die Anforderung der Norm nach Mehrfachschlägen zu erfüllen. Er kann einem Spitzenstoßstrom von bis zu 3,5 kA standhalten. Um die Anforderungen der Norm zu erfüllen, muss der GDT eine Spannungsfestigkeitsprüfung mit einer Stehspannung von 2,5 kV bestehen und die Luft- und Kriechstrecken einhalten.

Der GDT CG33.0LTR von Littelfuse ist eine Option für diese Anwendung. Es handelt sich um eine Zweielektroden-Hochspannungskomponente, die für Überspannungsschutz- und Hochisolationsanwendungen entwickelt wurde. Der GDT hat einen Isolationswiderstand von 10 Gigaohm (GΩ) bei 100 Volt, und eine Kapazität von <1,5 Picofarad (pf). Er hat eine Durchbruchspannung von 4,6 kV und hält einem maximalen Stoßstrom von 10 kA stand.

Die Kombination aus zwei V10E300P-MOVs und einem einzelnen CG33.0LTR-GDT ist in der Lage, den Überlasttest zu erfüllen, der bei der Beschreibung der TMOV-Schutzschaltung oben beschrieben wurde.

Fazit

IEC 62368-1 führt eine einzige Norm für den Stromkreisschutz von Produkten ein, die mit einer Versorgungsspannung von bis zu 600 Volt betrieben werden, wo bisher getrennte Normen für ICT und AV galten. Sie formalisiert auch den Stromkreisschutz für Produkte, die nicht von der alten Norm abgedeckt werden, wie IoT- und batteriebetriebene Geräte. Obwohl Ingenieure, die mit den alten Standards vertraut sind, ihren Designansatz ändern müssen, vereinfacht IEEE 62368-1 die Entwicklung von Schutzschaltungen und ermöglicht ein höheres Maß an Sicherheit und Designflexibilität. Darüber hinaus bieten Hersteller von Schutzkomponenten, wie z. B. Littelfuse, Komponenten und Beratung an, die es einfacher machen, Schaltungen zu entwerfen, die der neuen Norm entsprechen.