EN 60335: Sicherheit von elektrischen Haushaltsgeräten und ähnlichen Elektrogeräten

Autor: Gary Bocock, XP Power

Um den Anforderungen der EN 60335 gerecht zu werden, müssen Ingenieure während der Entwicklung eine andere Denkweise anwenden. Verglichen mit den bekannten IT- und medizinischen Normen unterscheiden sich nicht nur einige Grenzwerte, sondern auch die potenziellen Nutzer und Endprodukte sind vielseitiger. Ungewöhnlich bei der Bewertung der Sicherheit ist, dass mehrere Fehler gleichzeitig in Bezug auf die Auswirkungen der EMV betrachtet werden müssen.

Der Umfang der Norm

Teil 1 der EN 60335 ist eine Sicherheitsnorm für Haushalts- und ähnliche Elektrogeräte. Diese definiert, wie die unterschiedlichen Produktkategorien den allgemeinen Anforderungen der “Low Voltage Directive“ LVD 2006/95 / EG und anderer Normen wie der "Maschinenrichtlinie" 2006 / 42 / EG oder sogar der "Bauprodukte Richtlinie" 89/106 / EEC entsprechen können. Diese Vielfalt an verschiedenen Normen ist darin begründet, dass ein typischer Haushalt alle Arten von elektrischen Geräten besitzt, die für viele verschiedene Einsatzwecke bestimmt sind. Da die Produkte in ihrer Art und Anwendung stark variieren können, enthält die EN 60335 derzeit 114 "Teil 2" -Normen, die sich auf die Anforderungen bestimmter Produkte beziehen, von Spielzeug über Insektenvernichter bis hin zu Gartenscheren. Aus diesem Grund muss auch das entsprechende "Teil 2" -Dokument hinzugezogen werden und hat Vorrang vor den "allgemeinen Anforderungen" von Teil 1 der EN 60664-1, "Isolationskoordination für elektrische Betriebsmittel in Niederspannungsanlagen". Deshalb werden Richtlinien, Anforderungen und Tests oft untereinander referenziert.

Eine moderne Küche könnte "professionelle" Geräte haben, die von der Norm abgedeckt sind. Ebenso können Gewerbebetriebe Geräte für den Hausgebrauch besitzen; Beispiele wären Hotels, Geschäfte, Büros und überall dort, wo "Haushalte" vorhanden sind, wie zum Beispiel in Pflegeheimen. Die Norm deckt auch diese Bereiche ab, wobei die Unterscheidung zwischen Büro, Zuhause und Medizinbereich zunehmend schwieriger wird. Auch landwirtschaftliche Geräte, wie zum Beispiel Weidezaungeräte, werden in der Norm behandelt.

Eine weitere Anwendbarkeitsebene ist der erwartete Benutzer. Die EN 60335 deckt Geräte ab, die von der Allgemeinheit gehandhabt und betrieben werden, schließt jedoch ausdrücklich junge Kinder bis zu drei Jahren, kleine Kinder zwischen drei bis acht Jahre ohne Aufsicht und sehr gefährdete Personen mit umfangreichen und komplexen Behinderungen als Anwender aus. Im Allgemeinen deckt die EN 60335 die einphasige Nenneingangsspannung bis 250 VAC und die 3-phasige Nenneingangsspannung bis 480 VAC sowie batteriebetriebene Geräte ab. Einige spezifische Haushaltsprodukte, wie z. B. Elektrowerkzeuge, fallen jedoch unter eigene separate Normen. Ebenso gilt die Norm nicht für Audio-, Video- und ähnliche elektronische Geräte, Geräte für medizinische Zwecke, handgehaltene motorbetriebene Elektrowerkzeuge, Computer und vergleichbare Geräte oder transportable motorbetriebene Elektrowerkzeuge.

Praktische Auswirkungen auf das Netzteildesign

Die EN 60950, EN 60065 und ihr Nachfolger EN 62368 sind allesamt Normen für Informationstechnologie und audiovisuelle Geräte. Die EN 60601 ist das Pendant für den medizinischen Bereich. Stromversorgungen, die diese Normen einhalten, erfüllen jedoch nicht automatisch die Anforderungen der EN 60335, obwohl diese in einigen Bereichen weniger streng definiert ist.

Ein Beispiel hierfür ist, dass die EN 60950 eine feste Isolierung von > 0,4 mm für verstärkte Isolation zu berührbaren Teilen erlaubt, die EN 60335 fordert standardmäßig jedoch > 2 mm, es sei denn, eine spezifische Bewertung des Materials erfolgt zusammen mit einer 48 Stunden Trockenhitzebeaufschlagung und anschließendem Hochspannungstest. Auch danach schreibt die Norm für Geräte der Überspannungsklasse II > 0,6 mm und der Klasse III > 1,2 mm vor. Ein anderes Beispiel sind die Kriech- und Luftstrecken; die EN 60335 bezieht sich hierbei auf die IEC 60664, falls die Arbeitsspannung über der Isolation periodische Wellenformen hat und die Frequenz größer als 30 kHz ist, wie dies normalerweise bei Schaltnetzteilen der Fall ist. Die IT-Norm EN 60950 und die medizinische IEC 60601 sind diesbezüglich weniger verbindlich, sie verwenden nur die "tatsächlichen Effektivwerte", während die neuere Norm EN 62368 ebenfalls auf die IEC 60664 verweist. Dies ergibt bei den Kriechstrecken eine geringfügige Erhöhung, wie das Diagramm für eine Umgebung mit Verschmutzungsgrad (PD) 1 für jede Basis- / verstärke Isolation darstellt. Die Werte werden für Verschmutzungsgrad 2 bzw. 3 mit 1,2 und 1,4 multipliziert.

Abbildung 1: Kriechstrecken hängen von der Frequenz ab, nicht nur von der Spannung.

 

In der Praxis überschreiten die Minima die Standardwerte nur bei höheren Frequenzen und Spannungen nach EN 60335. Zum Beispiel fordert EN 60335 2,4 mm Kriechstrecke bei PD1 und 1 kV Betriebsspannung, Basisisolierung. Ab einer Frequenz oberhalb von 200 kHz gilt der Spitzenwert 3 mm Kriechstrecke.

Ansonsten ist die EN 60335 in einigen Bereichen weniger streng. Im Vergleich zu EN 60950 wird der „Basis“ Hi-Pot-Test mit 1250 Vrms im Vergleich zu 1500 Vrms durchgeführt. Die Luftstrecken sind etwas geringer und der Erdimpedanz-Teststrom beträgt 25 A statt 32 A. SELV ist in der EN 60335 mit bis 50 V ohne Last definiert, verglichen zu 60 V in der IT-Norm. Die EN 62368, der Ersatz der EN 60950, hebt das Konzept ohnehin auf und verweist auf die Grenzwerte der Energiequelle (ES), bei denen die maximale Spannung, die als sicher gilt, von dem potentiellen Strom und der Frequenz abhängt.

Zwei-Fehler-Schutz

In der neuesten Ausgabe sind die Autoren der Norm EN 60335-1 mit den Realitäten der modernen Haushaltsgeräte auf dem neuesten Stand. Haushaltsgeräte sind heutzutage meistens „Smart“, besitzen elektronische Steuerungen und können sogar mit dem Internet verbunden sein. Die Elektronik kann jetzt Teil der eigenen Sicherheitsvorkehrungen der Geräte sein, zum Beispiel sind viele ON / OFF-Steuerungen nun digitale Eingänge zu einem Prozessor, die das Produkt in einen "Standby" -Modus versetzen. Wenn die Elektronik zum Beispiel die Temperatur überwacht und auf diese ON / OFF-Steuerung angewiesen ist, um das Gerät von der Versorgungsspannung zu trennen, ist die Elektronik definitiv ein Teil der Sicherheit. Im Vergleich zu früher betrachtet die Norm daher nun Fehler in der Elektronik in Verbindung mit einem anderen Fehler an einer anderen Stelle. Effektiv werden also zwei Fehler betrachtet.

Ein Elektronikfehler könnte ganz einfach durch eine Knopfzellenbatterie hervorgerufen werden, die einen Prozessor während eines Stromausfalls mit Strom versorgt, jedoch nicht routinemäßig ersetzt wurde - etwas, das wir uns wahrscheinlich alle schon zu Schulden haben kommen lassen. Um dies zu überprüfen, verlangt die Norm, dass Geräte mit Schutzelektronikschaltkreisen (PECs) einer langsam abnehmenden Eingangsspannung ausgesetzt werden, bis zu dem Niveau, bei dem die Funktionalität ohne angeschlossene Pufferbatterie verloren geht. Das Produkt muss dabei stets sicher bleiben. Andere schwerwiegende Fehler in der PEC werden zusammen mit einem "ersten" Fehler, wie zum Beispiel einer Überbrückung der Basisisolierung, auferlegt, und das Gerät wiederum auf eine potentielle Gefahr hin überprüft. Wie man sich vorstellen kann, multipliziert sich die Kombination von möglichen Fehlern, was eine sorgfältige technische Beurteilung und Festlegung der notwendigen Tests erfordert.

Dies steht im Gegensatz zu den IT- und medizinischen Sicherheitsnormen, die nur bei Einzelfehlern auf den sicheren Betrieb achten.

EMV-induzierte Fehler

Geräte, die beispielsweise IT- und medizinische Normen erfüllen, müssen die Bestimmungen der EMV-Richtlinie 2014/30 / EU einhalten, welche die entsprechenden EMV-Normen und deren Schweregrad in der EN 61000-4-Reihe vorschreiben. Das Produkt wird dabei in 3 verschiedene Kategorien eingeteilt: Funktion unbeeinträchtigt, kurzzeitige Beeinträchtigung oder Komplettausfall. Ein Ausfall in einer Weise, die andere Sicherheitsschutzfunktionen in der Anwendung beeinträchtigt, wird dabei nicht bewertet. In der EN 60335 wird in Anbetracht der Tatsache jedoch betrachtet, dass die Anwendung nicht gut überprüft und möglicherweise nicht routinemäßig gewartet wird. Wird also in den PECs ein Fehler festgestellt, werden anschließend die EMV-Tests durchgeführt, um die Anwendungen auf Sicherheitsrisiken zu überprüfen.

Die Schweregrade der EMV nach EN 61000 sind typischerweise streng definiert (siehe Tabelle 1). Wichtig ist, dass Überspannungsableiter an den Netzspannungseingängen während der Tests nicht verbunden sind. Der Grund dafür ist, dass diese Komponenten Verschleißerscheinungen haben können und nicht davon ausgegangen werden kann, dass sie nach einigen Betriebsstunden noch wirksam sind. Wir haben nun also drei "abnormale" Bedingungen, einen fehlerhaften PEC, einen verschlissenen Überspannungsableiter und einen EMV-Surge oder -Transient.

Tabelle 1: Schweregrade typischer EMV-Tests sind hoch.
Test Standard Values
ESD IEC 61000-4-2
Severity level 4
+/-15 kV (air)
+/- 8 kV (contact)
Radiated susceptibility IEC 61000-4-3
Severity level 3
10 V/m
Electrical Fast transients
and bursts
IEC 61000-4-4
Severity level 4
+/- 4 kV (AC)
+/- 4 kV (DC)
+/- 2 kV (I/Os)
Surge IEC 61000-4-5
Severity level 3/4
+/- 2 kV (line to line)
+/- 4 kV (line to ground)
Conducted RF IEC 61000-4-6
Severity level 3
10Vrms
Voltage Dips/Interrupts IEC 61000-4-34
Severity Class 3
20% Dip, 5 secs
30% Dip 500 ms
60% Dip 200 ms
95% Interrupt 10 ms
95% Interrupt 10 ms

Integrierte Stromversorgungsprodukte müssen daher so ausgelegt sein, dass sie diesen Belastungswerten ohne Überspannungsableiter standhalten und dürfen nicht versagen oder gefährliche Fehlerzustände verursachen. Ebenso dürfen sie nicht auf den EMV-Impuls und den PEC-Fehler reagieren, indem sie aus einem sicheren Standby- oder ausgeschalteten Zustand in einen Betriebszustand wechseln, der durch den ersten PEC-Fehler herbeigeführt wurde. Software und Sicherheit Eine spezifische Anforderung an Haushaltsgeräte, die der EN 60335 entsprechen, ist, dass jede Software- oder Firmware-Steuerung des Produkts unter Einzelfehlerbedingungen und unter Betrachtung der EMV robust sein sollte. Die Software sollte keine systematischen Fehler aufweisen und während der Entwicklung einem Programm zur Verifizierung und Validierung unterzogen werden, um sicherzustellen, dass die Sicherheit nicht beeinträchtigt wird. Die Hardware der Programmelektronik muss mithilfe einer Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) ausgewertet werden. Diese Analyse wird mit einem bestehenden ersten Fehler sowie EMV und an jedem identifizierten kritischen Punkt in der Programmausführung durchgeführt.

 

Für einen umfassenden Schutz müssen möglicherweise redundante Hardware oder effektive Selbsttests und Auswertungsroutinen hinzugefügt werden.

 

Die neuesten Technologien in Stromversorgungsprodukten wird oft digitale Verarbeitung und Steuerung mit vor Ort aktualisierbarer Firmware umfassen. Diese sind natürlich auch betroffen. Die EN 60335 spricht natürlich immer die Realitäten der modernen Haushaltsgeräte an – somit müssen wahrscheinlich zukünftige Editionen auch die Sicherheitsauswirkungen ihrer drahtlosen Konnektivität berücksichtigen.

Abbildung 2: Die 3 Watt VCE03 Serie von XP Power entspricht EN 62368 und EN 60335.

Die Zusammenarbeit mit einem Stromversorgungsentwickler und -hersteller, der Erfahrung in der Integration von Stromversorgungen in EN 60335-Anwendungen hat, erleichtert die EMV- und Sicherheitszulassungsverfahren für Endgeräte erheblich, was sich positiv auf die Markteinführungszeit und die Kosten für neue Haushaltsgeräte auswirkt. XP-Produkte werden bereits erfolgreich in Heizungsanwendungen, Pumpen, Händetrocknern, Wärmetauschern und vielen anderen Produkten mit Nennleistungen von drei bis mehreren hundert Watt eingesetzt, welche die EN 60335-Zulassung erfordern.

 


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