Grundlagen der elektrischen Sicherheit bei der Konstruktion elektronischer Geräte

Hallo Habr!

Nach der Welle, die durch meinen vorherigen Beitrag ausgelöst wurde, fragte mich eine ziemlich bemerkenswerte Anzahl von Leuten (auf Facebook, in PM usw.), worauf ich achten sollte, damit Sie anstelle einer intelligenten Steckdose auf einem Arduino keine weitere Schüssel-Sterbehilfe bekommen .


Das Thema ist groß und komplex, aber ich werde versuchen, die wichtigsten Punkte hervorzuheben - nicht zuletzt basierend auf den Fehlern, die ich bei allen Arten von realen Geräten und Projekten gesehen habe, einschließlich der auf Habré veröffentlichten. Ich werde die GOSTs für eine lange und langwierige Zeit nicht auflisten, aber ich werde die grundlegenden Dinge auflisten, die Sie verstehen und beobachten müssen, um sich nicht zumindest umzubringen (wenn Sie nicht auch andere umbringen möchten, sollten Sie nach Abschluss dieses Artikels nicht faul sein, die relevanten GOSTs durchzublättern).

Sie werden also ein Gerät herstellen, bei dem mindestens eines seiner Enden in die Steckdose eingesteckt wird.

Bestimmen Sie den Grad der potenziellen Gefahr.

Nicht alle Geräte sind gleich gefährlich - außerdem können Geräte mit demselben Zweck je nach Verwendungsmodell mehr oder weniger gefährlich sein. Zu den gefährlichen Faktoren können gehören:

1. Einfacher menschlicher Kontakt mit leitfähigen Teilen - ist dieser Kontakt beispielsweise in einer häuslichen Umgebung möglich oder müssen spezielle Maßnahmen ergriffen werden, um dies zu erreichen (z. B. in eine Schalttafel gelangen)?
2. Qualifikation von Personen, für die das Gerät bestimmt ist - es können Kinder, erwachsene Laien oder erwachsene Fachkräfte sein. Das Verständnis der Gefahr eines Stromschlags kann nur von letzterem erwartet werden, von letzterem - dem maximalen Mangel an gezielten Maßnahmen, um das Gerät zu beschädigen.
3. Das Vorhandensein eines ständigen elektrischen Kontakts mit dem menschlichen Körper oder die Möglichkeit eines solchen Kontakts, den die Person nicht loswerden kann - der erste umfasst beispielsweise alle medizinischen Geräte mit tragbaren Elektroden, der zweite - beispielsweise Installationen in einem sehr begrenzten Raum, in dem eine Person versehentlich greift Bei einer unter Spannung stehenden Elektrode kann sie sich nicht selbst befreien.
4. Das Vorhandensein in der Nähe anderer geerdeter Geräte oder im Gegenteil unter Spannung stehender Geräte - zum Beispiel ist das Gehäuse an der Schalttafel geerdet, so dass das Halten der Tür mit einer Hand und das versehentliche Halten des stromführenden Kabels das Gehen zu den Vorfahren besonders einfach macht. Auf der anderen Seite sollten Laien überhaupt nicht in die Abschirmung klettern, und die Erdung des Gehäuses schützt die anderen vor dem Auftreten gefährlicher Spannungen, beispielsweise wenn der Phasendraht im Inneren der Abschirmung bricht und die Abschirmung versehentlich das Abschirmungsgehäuse von innen berührt.
5. Faktoren, die die Durchschlagspannung erheblich reduzieren - erstens hohe Luftfeuchtigkeit, insbesondere bei Kondensation, und zweitens niedriger Luftdruck (bei Geräten, die in Höhen von mehr als 2000-3000 m eingesetzt werden, beginnen die Anforderungen an Luftspalte zwischen den leitenden Teilen schnell zu steigen )

Bitte beachten Sie, dass unter ganz normalen Lebensbedingungen mehrere Faktoren gleichzeitig kombiniert werden können - beispielsweise bekannte Fälle, in denen Menschen durch Aufladen von Smartphones im Badezimmer getötet werden. Erstens, sehr hohe Luftfeuchtigkeit mit Kondensation - feuchte Luft gelangt in das Ladegerät und verringert die elektrische Festigkeit der Isolierung zwischen Primär- und Sekundärkreis erheblich, wodurch ein Ausfall von 230 V am USB-Ladeanschluss mehr als wahrscheinlich wird (und in chinesischen Artikeln) vollständig garantiert). Zweitens müssen Metallbadewannen und Wasserversorgungsleitungen geerdet werden, um sicherzustellen, dass keine lebensbedrohlichen Potenziale vorhanden sind - insbesondere nicht zwischen ihnen. Drittens hat eine Person, die in einem Bad sitzt, nicht nur einen sehr guten elektrischen Kontakt damit, sondern auch einen Kontakt, den sie immer noch nicht schnell loswerden kann.

Subtrahieren Sie einen dieser Umstände - und das Aufladen Ihres Lieblings-iPhones ist wieder völlig sicher.

Wenn Ihr Gerät zumindest aus irgendeinem Grund zur Risikozone gehört, ist es im Allgemeinen am besten, dies nicht zu tun, da das Verständnis, wie das Gerät unter solchen Bedingungen ordnungsgemäß hergestellt wird, nicht trivial ist und entsprechende Erfahrung erfordert.

Wovon und wovon isolieren wir?

Diese Frage scheint trivial, aber die meisten Handwerke fallen hinein.

Die triviale Antwort: Wir isolieren die Schaltkreise, die der Benutzer berühren kann (die sogenannten Sekundärkreise), von den eingesteckten Schaltkreisen (den sogenannten Primärkreisen).

Etwas weniger trivial ist die Antwort auf die Frage, von welcher Spannung wir isolieren. Einerseits haben wir eine Spannung von 230 V RMS in der Steckdose, die insgesamt 324 V RMS beträgt. Nehmen wir an, selbst wenn wir durch das gleiche Brennen von Null 380 V RMS erhalten, sind es „nur“ 536 V RMS.

Trotzdem reicht es nicht aus , eine Isolierung von 600-800 V auszuhalten.

Das Problem ist, dass es im Netzwerk selten ist, aber genau genommen können Bursts von signifikant größerer Größe auftreten - außerdem können sie in Phase sein (zum Beispiel mit einem engen Blitzschlag), d. H. gleichzeitig in den Neutral- und Phasendrähten induziert. In diesem Fall ändert sich die Spannung "in der Steckdose" im Vergleich zu den normalen 230 V nicht wesentlich, aber die Spannung zwischen der Steckdose und jeder anderen "Masse" kann diese 230 V zeitweise kurz überschreiten.

Sie sollten sich nicht auf die Kurzheit eines solchen Impulses verlassen - wenn er die Isolierung Ihres Geräts durchbricht, kann ein Strom auch mit einer niedrigeren Spannung entlang des Durchbruchspfades fließen. Die Optionen reichen hier von der physischen Zerstörung der Isolierung bis zur Zündung der Entladung - wie bei einer Leuchtstofflampe, bei der eine Glimmentladung durch einen 800-Volt-Impuls vom Anlasser ausgelöst wird und dann unbegrenzt lange bei normaler 230-V-Wechselspannung brennt.

Aus diesem Grund wird die Isolation zwischen Primär- und Sekundärkreis von Haushaltsgeräten mit einer Spannung von 2,5 kV berechnet .

Lyrischer Exkurs: Sie können darüber ausführlich lesen, beispielsweise in GOST IEC 60950-1-2014 oder GOST IEC 60065-2013 , auf die im Basisdokument - Technische Verordnung der Zollunion (TR CU) 004/2011 "Über die Sicherheit von Niederspannungsgeräten" verwiesen wird. . Insbesondere geben beide Dokumente für Stromversorgungsnetze mit einer Betriebsspannung von bis zu 300 V eine mögliche Übergangsspannung von bis zu 2500 V an. Nach ähnlichen Dokumenten lebt die ganze Welt im Prinzip unter den Namen GOST, IEC oder UL 60950.



Etikett nach IEC 60950. Im Allgemeinen empfiehlt die Norm bei der Berechnung der Benutzersicherheit, dass alle Netze der Kategorie II zugeordnet werden.

Ein wichtiger Punkt: Das Vorhandensein einer Isolierung bedeutet nicht, dass kein Strom zwischen dem Primär- und dem Sekundärkreis des Geräts fließen kann. In einigen Fällen ist es unmöglich oder unangemessen, einen solchen Strom zu vermeiden. Beispielsweise wird beim Schalten von Stromversorgungen ein kleiner Kondensator zwischen Primär- und Sekundärstrom installiert, um Interferenzen zu reduzieren. In diesem Fall sollte das Gerät so ausgelegt sein, dass der Leckstrom zwischen Primär- und Sekundärgerät unter keinen Umständen die Sicherheitsgrenze überschreitet (3,5 mA für stationäre Haushaltsgeräte, 0,25 bis 0,75 mA für tragbare Geräte; für medizinische Geräte) Normen, sie sind je nach Art der Ausrüstung 10-100-mal härter, hier sehen Sie die Präsentation über die Unterschiede in den Anforderungen).

Unsere Mindestanforderungen sind daher Isolierungen mit einer Stärke von 2,5 kV zwischen Primär- und Sekundärkreis mit einem Leckstrom unter normalen Bedingungen von nicht mehr als 3,5 mA.

Wie isolieren wir das?

1. Alle Komponenten, die den Primär- und Sekundärkreis verbinden, müssen für eine Isolationsspannung von mindestens 2,5 kV ausgelegt sein. In einem Schaltnetzteil ist dies normalerweise ein Transformator, ein Rückkopplungsoptokoppler und ein Rauschunterdrückungskondensator.
2. Es dürfen keine direkten Verbindungen zwischen Primär- und Sekundärstromkreisen bestehen.
3. Rauschunterdrückungskondensatoren, die den Primär- und den Sekundärkreis verbinden, müssen offiziell für eine Klasse von mindestens Y2 ( Y2-Kondensatoren mit Sicherheitsbewertung ) zertifiziert sein. Diese und nur solche Kondensatoren können in Stromkreisen verwendet werden, in denen ein Kondensatorausfall gefährlich ist. Kondensatoren der Klasse Y2 sind in der effektiven Wechselspannung gekennzeichnet, für die sie ausgelegt sind ("250 VAC"), während ihnen ein Widerstand gegen Einzelimpulse mit einer Spannung von bis zu 5 kV garantiert ist. In solchen Schaltkreisen sollten keine anderen Kondensatoren verwendet werden, einschließlich solcher mit 3 kV und höher, die jedoch keine Sicherheitsklasse haben. Ein typisches Beispiel sind Kondensatoren der Serie Murata DE2 . Für eine verstärkte Isolierung (siehe unten) müssen Kondensatoren der Klasse Y1, beispielsweise Murata DE1 , verwendet werden.
4. Bei der Konstruktion einer Leiterplatte müssen die Lücken zwischen den Leitern, Teilen und dem Gerätekörper auf eine Durchbruchspannung von mindestens 2,5 kV ausgelegt sein.

Der interessanteste Teil beginnt natürlich mit dem Design von Leiterplatten. Tatsache ist, dass „sie für eine Spannung ausgelegt sind, die nicht niedriger als ist“ - dies ist ein solcher Satz über nichts; Unter realen Betriebsbedingungen können verschiedene Faktoren eine Rolle spielen, wie z. B. die Dauer der Spannungsbelastung, der Zustand der Plattenoberfläche, die Luftfeuchtigkeit, das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Feuchtigkeitskondensation. Um diese zu bewältigen, führt IEC 60950 verschiedene Methoden zur Klassifizierung dieser Faktoren ein, und die Isolationsfestigkeit wird in nicht angegeben Volt und in Millimetern des erforderlichen Mindestabstands - unter Berücksichtigung der Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls dieser Lücke und der Folgen, zu denen sie führen wird. Infolgedessen sieht der Schutz gegen denselben versehentlichen Anstieg von 2,5 kV in einem Versorgungsnetz der Kategorie II völlig anders aus, je nachdem, ob der Ausfall dieses Schutzes Sie töten kann oder nicht.

Erstens führt die IEC 60950 vier Isolationsklassen ein, die von ihrem Zweck und dementsprechend der erforderlichen Zuverlässigkeit (genauer gesagt der Ausfallwahrscheinlichkeit multipliziert mit den Folgen dieses Ausfalls) abhängen:

1. Funktionell - notwendig für die Funktion des Geräts selbst, bietet jedoch keinen Benutzerschutz.
2. Grundlegend - bietet ein anfängliches Maß an Benutzerschutz, ist jedoch nicht zuverlässig genug, um auf eine zweite Schutzbarriere zu verzichten.
3. Ergänzend ist die zweite Schutzbarriere. Es hat die gleiche Stärke wie Basic.
4. Verstärkt - Isolierung mit erhöhter Festigkeit, die ohne zweite Schutzbarriere verwendet werden kann. Es hat die doppelte Stärke als Basic.

Darüber hinaus wurde viel über verschiedene Optionen für die Implementierung von Isolierungen geschrieben (IEC-Standards werden bezahlt, aber verstehen wir, dass es in Yandex alles gibt ?) Und über die Anforderungen an Leiterplatten in Haushaltsgeräten.

Um die dielektrischen Eigenschaften verschiedener Materialien zu bewerten, unterteilt IEC 60950 sie gemäß dem CTI-Parameter (Comparative Tracking Index) in Gruppen. Je höher der CTI, desto besser die Isoliereigenschaften des Materials:

• Gruppe IIIb - 100 <CTI <175
• Gruppe IIIa - 175 <CTI <400
• Gruppe II - 400 <CTI <600
• Gruppe I - CTI> 600

Herkömmliches Glasfaser-FR4 hat CTI = 175, dh es gehört zur Gruppe III, zu den Grenzen zwischen den Untergruppen IIIa und IIIb.

Darüber hinaus hängen die dielektrischen Eigenschaften eines Materials, bei denen es zu einer Entladung auf seiner Oberfläche kommen kann (im Fall einer Leiterplatte), vom Verschmutzungsgrad dieser Oberfläche ab. Daher führt die IEC 60950 mehrere allgemeine Verschmutzungsklassen ein (in den standardisierteren, formaleren Definitionen werden sie im Folgenden an die Betriebsbedingungen angehängt ):

• Stufe I - Verschmutzung, die die elektrische Festigkeit der Isolierung nicht beeinträchtigt. Gilt nur für Geräte in Reinräumen oder in versiegelten Gehäusen, die das Eindringen selbst von Haushaltsschadstoffen verhindern.
• Stufe 2 - Büro- oder häusliche Umgebung, mögliche Schadstoffe leiten normalerweise keinen Strom, können jedoch in seltenen Fällen, wenn sie kondensiert werden, leitfähig werden.
• Stufe 3 - Industrieumfeld, landwirtschaftliche Betriebe, insbesondere unbeheizte Räumlichkeiten. Schadstoffe können sowohl bei Kondensation als auch ohne Kondensation Strom leiten.
• Stufe 4 - Verwendung ohne Schutz vor der äußeren Umgebung, regelmäßige Einwirkung von Wasser oder Schnee.

Ich stelle fest, dass das gewünschte Schutzniveau mit geeigneten externen Gehäusen erreicht werden kann - beispielsweise kann ein Gerät mit Stufe 2 bei Verwendung eines versiegelten Gehäuses im Freien betrieben werden.

Schließlich verwendet die IEC 60950 zwei Methoden zur Messung des Abstands, der einen isolierenden Spalt bildet - Spiel und Kriechen.

• Abstand - der kürzeste Abstand zwischen den Leitern.
• Kriechgang - der Abstand zwischen den Leitern auf der Oberfläche der Leiterplatte.

In unserem Fall ist es bei einer Nennspannung von 230 V ± 10% in der Steckdose erforderlich, sich auf die Isolationsanforderungen in Netzen mit einer Effektivspannung von bis zu 300 V, einer Amplitude von bis zu 420 V und einem Stoß von bis zu 2500 V während Transienten zu konzentrieren.

Abhängig von der Art der Isolierung (wir berücksichtigen keine funktionale Isolierung, da es sich um die Sicherheit des Benutzers handelt) beträgt der erforderliche Mindestabstand auf der Leiterplatte:

• Grundlegend: 3,0 mm, wenn das Gerät zusätzlich isoliert ist
• Verstärkt: 6,0 mm, wenn das Gerät keine zusätzliche Isolierung hat

Wenn wir jedoch zu dem oben erwähnten Y-Kondensator zurückkehren, können wir leicht feststellen, dass der maximale Abstand zwischen seinen Beinen im Datenblatt 7,5 mm beträgt.



Wie Sie sehen, ist es für uns unter Berücksichtigung der Kontaktflächen problematisch, den Abstand zwischen den Leitern von 6,0 mm zu ermitteln, wenn wir die Beine nicht manuell auseinander ziehen.

Glücklicherweise gibt es einen einfachen Ausweg - wie Sie im Bild oben sehen können, kann das Kriechen durch einen Schnitt in den Textolithen erhöht werden. Luft hat eine höhere Durchschlagfestigkeit als FR4 - für sie nähert sich die Durchbruchspannung 3 kV / mm und aus Sicherheitsgründen wird sie normalerweise mit 1-1,5 kV / mm angenommen. Die IEC 60950 erfordert einen Luftspalt für Stromkreise bis 300 V, eine Breite von 2,0 mm für die Grundisolierung und 4,0 mm für die verstärkte Isolierung (wenn die Produktion über ein Qualitätskontrollprogramm verfügt, das den Anforderungen der Norm entspricht, kann die Breite auf 1,5 mm und 1,5 mm reduziert werden 3,0 mm, aber jetzt ist dies nicht unser Fall).

Das heißt, wir können die erforderliche Isolierung mit 4 mm Luft oder 6 mm Leiterplatte versehen.

Aufgrund der Komplexität des Problems berücksichtigt der Standard keine Kombination aus Luft und einer Leiterplatte, aber in der Praxis wird in den meisten Fällen eine solche Kombination verwendet - es wird ein Schnitt zwischen dem Primär- und dem Sekundärkreis gemacht:



In diesem Fall haben wir einen Ausschnitt von 2 mm Breite und etwas länger als die Breite der Erdfelder erhalten, der ein Mindestkriechen von 6,48 mm aufweist, was die Anforderung einer verstärkten Isolierung erfüllt, und über den Schnitt, wenn er „in der Stirn“ gezählt wird - 3,7 mm PCB und 2,0 mm Luft entspricht jeder der Werte der Anforderung einer Basisisolationsschicht, so dass sie insgesamt auch als ausreichend angesehen werden können.

Jetzt kannst du damit leben.

Ich stelle fest, dass das korrekte Design der Platine keine Probleme mit der Position der Komponenten ausschließt: Zwischen leitenden Teilen des Primär- und Sekundärteils müssen mindestens die gleichen 2 mm Luft vorhanden sein, und im Fall eines nicht geerdeten Gehäuses erfordert die Norm 10 mm Luft zwischen der verstärkten Isolierung und dem Primärteil.

PS Fairerweise füge ich hinzu, dass es sich bei der verstärkten Isolierung um Kondensatoren der Klasse Y1 handelt, die normalerweise einen Abstand zwischen den Beinen von 10 mm haben. Dies beseitigt jedoch nicht die Notwendigkeit von Schlitzen in der Leiterplatte, in denen es aus verschiedenen Gründen nicht möglich ist, einen Spalt von mindestens 6 mm einzuhalten - aufgrund der engen Installation, anderer Komponenten mit unzureichendem Abstand zwischen den Klemmen usw. Selbst wenn Sie Y2-Kondensatoren verwenden und nur eine Grundisolierung garantieren, ist das Verlegen aller anderen Komponenten, einschließlich des Designs der Leiterplatte, mit Sicherheitsabständen definitiv nicht überflüssig.

Darüber hinaus haben die Schlitze in der Leiterplatte mehrere positive Seiten - zum Beispiel sammelt sich aufgrund des Fehlens dieser Oberfläche kein Schmutz auf ihrer Oberfläche an, und bei Hygroskopizität sind sie in Ordnung. Das Vorhandensein von Steckplätzen an sich sagt jedoch nichts über die Sicherheit des Designs sowie über dessen Abwesenheit aus - über seine Unsicherheit.

Klassische Fehler

Ein offensichtlicher schwerwiegender Fehler ist natürlich die völlige Missachtung der Sicherheitsanforderungen und die Aufrechterhaltung von Lücken zwischen Primär- und Sekundärkreisen im Maßstab 0,5 bis 1 mm gemäß dem Prinzip "Als Sie zum ersten Mal niemanden eingeschaltet haben - das bedeutet, dass alles in Ordnung ist". Hier ist zum Beispiel ein typischer deutscher Amateur-Dokumentarfilm, in dem schöne Schlitze funktionaler Isolation zwischen den Netzleitern gefräst sind, aber gleichzeitig ein Millimeterabstand zwischen dem 230-V-Eingang und der Sekundärmasse, auf der der USB-Anschluss für den Benutzer frei zugänglich ist, dieses Design in 230 V enthält Es ist einfach lebensbedrohlich.

Zusätzlich zu garantierten schwerwiegenden Fehlern treten regelmäßig potenziell schwerwiegende Fehler auf.

Erstens nehmen unerfahrene Entwickler intuitiv eine Hochspannung zwischen den beiden Drähten des 230-V-Netzwerks wahr, jedoch nicht zwischen der Primär- und der Sekundärleitung - und legen die Steckplätze zwischen sich. Dies ist nicht ohne Bedeutung, wenn die Netzwerkspuren nahe beieinander auf der Platine liegen, und dies bezieht sich auf die Bereitstellung einer funktionalen Isolation, jedoch nicht direkt auf die Sicherheit. Letztendlich muss in Standardschaltungen zwischen diesen Drähten ein Varistor eingeschaltet sein Die Betriebsspannung beträgt ca. 430 V, daher wird dort nicht viel mehr vorhanden sein. Wenn außerdem ein Hochspannungs-Gleichtaktimpuls bei Ihnen ankommt, passiert zwischen den Netzwerkkabeln nichts besonders Interessantes.

Aber zwischen Primär und Sekundär - immer noch, wie es passieren wird.

Zweitens wird der Slot im Board von unerfahrenen Entwicklern entweder als dekorativ oder als Silberkugel und Heilmittel für alle Krankheiten gleichzeitig wahrgenommen. , USB-, , , — 5 :



DipTrace, , — 2 , . , , , .



: ADuM4160 — clearance 5,4 + 2 , creepage 2,73*2 + 2 = 7,46 ; AM2D — clearance 4,12 + 2 , creepage 6,75 . , , ±0,1 .

, - IEC 60950 300 2500 reinforced insulation — , .

3 . 5 — . , , DC/DC , .

, — 5 — : , , .

?

, , , — .

, ( 10-20 ), — 1000 2500 , .

— , , - UT-502A ( -- , ).

10 2500 — , . — , , , .

5 , , , .

, 2,5 -, , , .