تستمر هذه المقالة في النظر في
الموضوع الذي أثارته
olartamonov ، وهو الأمن في التطبيقات عالية الجهد. سوف يناقش المقال الأسس المادية لانهيار المواد العازلة ، وكذلك معايير السلامة الجديدة.
تنطبق متطلبات السلامة على أي معدات إلكترونية ، على الرغم من حقيقة أنها تحمل تكاليف تشغيل المنتج. فهي تتطلب استخدام حلول الدوائر الإضافية والمكونات الإلكترونية ، وتعقيد طوبولوجيا لوحات الدوائر المطبوعة ، وزيادة المعلمات الشامل الشامل للمنتج ، وحجم الاختبارات ، وبالتالي تكلفته ووقته في السوق. يمكن أن تكون الوظيفة محدودة فقط عند تطوير نماذج أو نماذج أولية للجهاز. لسوء الحظ ، في الوقت الحالي ، في ظروف بساطة الوصول إلى العميل (مراكز إصدار الشهادات السابقة) ، وخفض التكلفة والادخار في الاختبار ، تفقد المنتجات الإلكترونية ليس فقط الموثوقية ، ولكن أيضًا السلامة.
أساسيات نظرية الانهيار الكهربائي في الغازات والمواد الصلبة
أي عازل لديه قوة كهربائية - عند شدة مجال كهربائي معين ، يحدث الانهيار. في الغازات ، يصف قانون Paschen الجهد الكهربائي للانهيار للأقطاب الكروية عند درجة حرارة معينة ومتوسط قيم الضغط:
حيث p هو الضغط ، a و b هما الثوابت التجريبية اعتمادًا على الغاز. في التين. يوضح الشكل 1 منحنى Paschen للهواء الجاف مع رطوبة نسبية 60 ٪ عند درجة حرارة 20 درجة مئوية. لاحظ أن منحنى Paschen له قيمة الحد الأدنى. تؤدي الزيادة في الضغط إلى زيادة في الكثافة وزيادة في احتمالات الاصطدام ، ولكنها تقلل من متوسط المسار الحر وبالتالي طاقة الجسيمات. هذا يؤدي إلى زيادة في انهيار الجهد في منطقة الضغط العالي ، على الجانب الأيمن من الرسم البياني. عند القيم المنخفضة ، تعتمد آلية الانهيار على نسبة المسار الحر المتوسط والمسافة بين الأقطاب الكهربائية. القوة الكهربائية للهواء عند الضغط الجوي العادي هي 3.1 كيلو فولت / مم وتتناقص مع زيادة درجة الحرارة وانخفاض الضغط. كتقدير متحفظ ، عند تصميم العزل الكهربائي ، يتم عادةً أخذ قيمة 1-1.5 كيلو فولت / مم.
بالنسبة إلى المواد العازلة الصلبة ، يتم تقديم مفهوم القوة الكهربائية الداخلية - القيمة الدنيا لشدة المجال الكهربائي في مادة متجانسة ، حيث تكتسب الإلكترونات الحرة أو التكافؤ طاقة كافية بحيث عندما تتصادم مع الذرات أو الإلكترونات المرتبطة ، تتشكل إلكترونات التوصيل الجديدة ، مما يؤدي إلى الانهيار. تعتمد هذه القيمة على درجة الحرارة ، بالنسبة لبعض المواد ، يمكن أن تصل إلى MV / mm وهي حد نظري للقوة الكهربائية. في الممارسة العملية ، يحدث الانهيار في قيم أقل بكثير من شدة المجال الكهربائي. الأسباب الرئيسية لهذا هي:
- عدم تجانس المادة (التلف الميكانيكي الدقيق ، التلوث والتجويف داخل المادة ، تلف الشبكة شعرية عند تعرضها للإشعاع ، تغيير في الخواص نتيجة للتفاعلات الكيميائية) ؛
- وجود مسارات الالتفافية للانهيار ، في معظم الأحيان على طول حدود المادة (تلوث السطح ، الرطوبة على السطح وفي الطبقة الحدودية) ، على طول الشقوق ؛
- شيخوخة المواد مع مرور الوقت - تراكم هذه الآثار ، بما في ذلك في ظروف ارتفاع درجة الحرارة.
تعمل أوجه عدم التجانس المدرجة في الجزء الأكبر من المادة كمركزات للحقل الكهربائي ، مما يؤدي إلى حدوث أعطال جزئية (الشكل 2). نتيجة لهذه الأعطال ، يتم تدمير المواد العازلة تدريجياً ، مما قد يؤدي إلى انهيار كامل.
يمكن أن يؤدي وجود الرطوبة أو التلوث على السطح إلى تكوين قنوات موصلة ، والتي حتى مع التوصيلية الضعيفة تنشئ أسطحًا متساوية الجهد ، مما يقلل الفجوة الفعلية بين الأقطاب الكهربائية وبالتالي يؤدي إلى الانهيار.
مجموعة كاملة من الظواهر الفيزيائية المعقدة ، بما في ذلك عنصر الاحتمالية واعتمادا على عدد كبير من العوامل الخارجية ، يؤدي إلى انهيار كهربائي في المواد العازلة. لذلك ، لا يمكن بناء النماذج التحليلية والحسابية إلا لأبسط الحالات. في الممارسة العملية ، ينبغي أن يسترشد التصميم بمتطلبات المعايير ، وإجراء اختبارات العزل في ظل ظروف قريبة من ظروف التشغيل الفعلية ، وإذا أمكن ، وضع هامش أمان العزل. إن فهم الأسس النظرية لآليات التعطل الكهربائي يسمح لك باتخاذ القرارات في مواجهة حل وسط مع توصيات المعايير.
معيار أمان جديد
كل مجموعة من الأجهزة الإلكترونية لديها معيار السلامة الكهربائية الخاص بها. معيار السلامة الحالي هو
62368-1 ، الذي يحل محل ويجمع بين المعايير القديمة 60950-1 و 60065. المعيار ، على عكس سابقاتها ، منهجي للغاية ومنظم ويوصى بالدراسة. أيضًا ، يتم تحديد توصيات العزل الكلفاني في معايير IPC: في المعيار العام لتصميم لوحات الدوائر المطبوعة IPC2221 وفي المعيار لمحولات الجهد IPC9592.
يبدو النموذج الأساسي لنظام آمن في 62368-1 بسيطًا جدًا (الشكل 3). بشكل عام ، تتضمن آليات الحماية من نقل الطاقة (الكهربائية والكيميائية والحركية والحرارية وغيرها) التي يمكن أن تسبب الألم أو تسبب الإصابة:
- توهين من مستوى أو سرعة نقل الطاقة ؛
- إعادة توجيه الطاقة ؛
- مصدر الطاقة الاغلاق.
- خلق حاجز بين مصدر الطاقة والمستخدم.
في الوقت نفسه ، لا تُفهم الحماية في المعيار على أنها تقنية (بما في ذلك الوسائل الفردية لحماية المستخدم) ، ولكن أيضًا التدابير التنظيمية. الأولوية القصوى من وجهة نظر السلامة هي الوسائل التقنية التي تعد جزءًا من الجهاز ، حيث إنها تقلل من متطلبات سلوك المستخدم.
وفقًا للخطر ، يتم تقسيم مصادر الطاقة إلى ثلاث فئات (القسم 4.2) ، ولكل منها مستوى أدنى من الحماية ، اعتمادًا على نوع مستخدم الجهاز. بالنسبة للمستخدم العادي ، هذا هو:
- الحماية الأساسية (لفئة الخطر 2) - تضمن السلامة في ظروف التشغيل العادية وغير الطبيعية ،
- حماية إضافية (للفئة 3) - تستخدم بالإضافة إلى الحماية الرئيسية ، وتوفر الحماية في حالة حدوث خلل فيها ،
- حماية معززة (للفئة 3) - توفر السلامة في ظروف التشغيل العادية وغير الطبيعية (على سبيل المثال ، القطبية العكسية لمزود الطاقة) ، وكذلك في حالة حدوث خطأ واحد (على سبيل المثال ، انهيار العزل).
لمصادر الفئة 1 ، لا يسمح بأي حماية. يتطلب المعيار عزلًا واقعيًا ليس فقط بين مصدر الطاقة والمستخدم ، ولكن أيضًا بين مصادر الطاقة الكهربائية لمختلف فئات الخطر (الجدول 12 من المعيار).
تمت مناقشة تصنيف المصادر في القسم 5.2 من المعيار. تُعرَّف مصادر التيار المستمر بجهد خرج أكثر من 60 فولت بأنها خطرة وتتطلب عزلًا (الشكل 4). تُعد مستويات الجهد نفسها خطرة بالنسبة للنبضات الفردية وللتكثيفات التي تزيد سرعتها عن 300 نيوتن متر ، وعندما تنخفض السعة ، تقل المتطلبات (بالنسبة إلى 4 نانومتر هذا بالفعل 1 كيلو فولت ، انظر الجدول 7 من المعيار). بالنسبة لمصادر التيار المتردد ، يكون الحد الفاصل هو 30 فولت rms.
إذا تم استخدام مصادر الطاقة الكهربائية من الفئتين 2 و 3 في تشغيل جهاز إلكتروني ، فيجب أن يتوافق تصميم لوحات الدوائر المطبوعة المضمنة في تركيبها مع الحد الأدنى للإزالة (الزحف) ومسافات الزحف والمواد والمكونات المستخدمة. تُكرس لوحات الدوائر المطبوعة لقسم منفصل G.18 من الملحق "مكونات" ، والذي يحتوي على روابط إلى الأقسام العامة 5.4.2 "الموافقات" و 5.4.3 "مسافات الزحف".
عند اختيار الحد الأدنى للخلوص والمسافات الزاحفة ، ينبغي ألا ينتقل المرء فقط من قيم الجهد ، ولكن أيضًا من ظروف التشغيل والمواد العازلة (الشكل 5). يتأثر انهيار فجوة الهواء بالضغط ، وبالتالي فإن المعيار يقدم عوامل متزايدة للارتفاعات التي تزيد عن 2000 متر فوق مستوى سطح البحر (الجدول 22 من المعيار). بالإضافة إلى ذلك ، يتم تحديد ثلاث درجات من تلوث بيئة العمل. كلما زادت درجة التلوث ، زادت المسافة بين الموصلات.
المعلمة الأخرى التي تؤثر على قيمة الحد الأدنى لمسار التسرب هي مجموعة المواد من حيث مقاومة الانهيار على السطح. يقسم معيار IEC 60112 المواد العازلة إلى 4 مجموعات حسب قيمة مؤشر CTI الشرطي (مؤشر التتبع المقارن باللغة الإنجليزية). كلما زادت قيمة CTI ، ارتفعت مقاومة الانهيار وأدنى قيم الحد الأدنى لمسار التسرب. توجد الألياف الزجاجية القياسية FR4 مع CTI ~ 175 ... 200 على حدود المجموعة IIIb ، التي لا ينصح باستخدامها مع درجة التلوث 3 وفي قيم جهد rms لأكثر من 630 فولت.
بعد تحديد المعلمات التي تؤثر على اختيار الحد الأدنى للخلوص ومسافات الزحف ، يتم تحديد القيم نفسها باستخدام الجداول 17-19 ، 23 ، G.12 من المعيار. يجب الحفاظ على هذه المسافات الدنيا لجميع الموصلات إذا كان هناك جهد مناسب بينها: في الدائرة الأولية ، بين الدائرة الأولية والثانوية ، وكذلك في الدوائر الثانوية. يوضح الجدول 1 الحد الأدنى من الخلوص والمسافات الزاحفة لألواح الدارات المطبوعة التي تشكل جزءًا من الأجهزة التي تعمل بجهد كهربائي 220 فولت من الفئة II في ظروف درجة التلوث 2.
بالنسبة للطبقات الخارجية ، تعتمد القيم على وجود الطلاء ، ومع ذلك ، يجب ألا يغيب عن البال أن القناع القياسي ليس طبقة عازلة متخصصة ولا يوفر إمكانية تطبيق متطلبات مخفضة للفجوات. يتميز القناع بسماكة غير متساوية وقد يحتوي على تجاويف وشقوق تقلل من موثوقية هذا العزل.
بالنسبة للطبقات الداخلية ، يبلغ الحد الأدنى للفجوة للموصلات في الطبقات المجاورة 0.4 مم للعزل الأحادي الطبقة الصلبة (العزل الصلب الإنكليزي) ، وبالنسبة للموصلات على طبقة واحدة ، يعتبر العزل هو المفصل الترابطي (المفصل الأسمنتي الإنجليزي). وفقًا للمعيار ، في مثل هذا العزل ، يمكن استخدام قيم الحد الأدنى للخلوص والمسافات الزاحفة للحصول على درجة التلوث 2 ، ودرجة التلوث 1 أو وجود فجوة للعزل المستمر البالغ 0.4 مم. علاوة على ذلك ، في الحالتين الأخيرتين ، يتطلب المعيار الاختبار ، بما في ذلك اختبار التدوير الحراري واختبار القوة الكهربائية. والحقيقة هي أن هناك احتمال (وللتطبيقات الموثوقة يجب أن تؤخذ في الاعتبار) أن تنشأ فجوة نتيجة الحمل الحراري والميكانيكي أو بمرور الوقت على طول الفصل بين الطبقات المجاورة للوحة الدوائر المطبوعة. ثم قد لا تكون المسافة 0.4 مم كافية لتوفير عزل عالي الجهد.
تجدر الإشارة إلى أنه في معظم الحالات يكون الحد الأدنى لمتطلبات المسافة عبر العزل بين الطبقات هو الحد الأدنى ، وبالتالي فإن إحدى الاستراتيجيات لتصميم لوحات الدوائر المطبوعة ذات الحجم المحدود هي فصل الموصلات والمكونات المعزولة في طبقات مختلفة.
قد لا تكون مراقبة المسافات المطلوبة من قبل المعيار عند تصميم هيكل لوحة الدوائر المطبوعة كافية ، لأن وجود المكونات والعناصر الهيكلية للمنتج يجعل المهمة ثلاثية الأبعاد. لذلك ، يعد استخدام النماذج ثلاثية الأبعاد للمكونات والتركيب العام للمنتج شرطًا أساسيًا لتصميم المنتجات ذات مستويات الجهد الخطيرة.
يجب الحفاظ على الحد الأدنى للمسافات التي يتطلبها المعيار في جميع الاتجاهات ، مع مراعاة وجود المكونات على لوحة الدوائر المطبوعة ، وكذلك العناصر الهيكلية للمنتج.
بالإضافة إلى تلبية متطلبات المسافات الدنيا ، عند تطوير لوحات الدوائر المطبوعة للتطبيقات ذات الجهد العالي ، يوصى بتجنب الزوايا الحادة في هندسة الطبقات الموصلة (الشكل 6) ، نظرًا لأنها مركزة لشدة المجال الكهربائي.
من وجهة نظر EMC ، يمثل حاجز العزل فجوة في مسار تيار العودة ، مما يؤدي ، دون اتخاذ تدابير خاصة ، إلى زيادة مستوى الإشعاع ، وخاصة في حالة مصادر الطاقة المعزولة. كما هو الحال في حالات التوقف في طبقة الدعم ، يتم استخدام المكثفات لضمان مسار تيارات العودة عبر حاجز العزل. يتم وصف متطلبات المكثفات المنفصلة وأمثلة تطبيقها في القسم G.15 من الملحق "مكونات" المعيار. بمعزل عن مستويات الجهد الخطرة ، يتم استخدام المكثفات من الفئة Y فقط ، والتي يؤدي فشلها إلى دائرة مفتوحة: بالنسبة إلى 220 فولت تيار متردد من الفئة II ، هذا هو مكثف واحد من الفئة الفرعية Y1 أو مكثفان متصلان بالسلسلة من الفئة الفرعية Y2. يتم ضمان سلامة هذه المكثفات من قبل الشركة المصنعة ، ومع ذلك ، فإن الحث الطفيلي للاتصال والموقع المحلي يحد من فعاليتها على ترددات أعلى من 100 ميغاهيرتز. السعة المدمجة في لوحة الدائرة ، موزعة بين مضلعين متداخلين على الطبقات الداخلية ، محرومة من هذا العيب (الشكل 7).
من المهم أن نفهم أنه حتى الامتثال الكامل لتوصيات المعيار من حيث الحد الأدنى للمسافات بين الموصلات لا يضمن السلامة الكهربائية. يمكن فقط لنتائج اختبارات العزل للقوة الكهربائية (القسم 5.4.11 من المعيار) أن تؤكد توافق طوبولوجيا لوحة الدوائر المطبوعة ، والمواد والمكونات المستخدمة ، وتصميم المنتج وتكنولوجيا التصنيع الخاصة به لمتطلبات السلامة لشروط التطبيق المحددة.
يتم تضمين إصدارات موسعة وأكثر تفصيلاً من هذا ومنشور سابق في الإصدار الجديد من النسخة الكاملة من الكتاب . مشروع #SamsPcbGuide قيد التطوير ، بما في ذلك من خلال التعليقات (الإيجابية والسلبية على حد سواء) ، لذلك سأكون ممتنًا للنقد البناء. حظا سعيدا للجميع ، والناس (دع السلامة لا تعتمد على الحظ الجيد ، كل شيء صارم بالمعايير)!