Conceptos básicos de seguridad eléctrica en el diseño de dispositivos electrónicos.

Hola Habr!

Después de la ola provocada por mi publicación anterior , un número bastante notable de personas me preguntó (en Facebook, en PM, etc.) a qué prestar atención, para que en lugar de un enchufe inteligente en un arduino, no recibas otra eutanasia de cuenco .


El tema es amplio y complejo, pero trataré de resaltar los puntos principales, sobre todo en función de los errores que vi en todo tipo de dispositivos y proyectos reales, incluidos los publicados en Habré. No enumeraré los GOST durante un tiempo largo y tedioso, pero enumeraré las cosas muy básicas que debes entender y observar para no suicidarte al menos (si planeas no matar a otros también, entonces, después de completar este artículo, no seas flojo para hojear los GOST relevantes).

Entonces, vas a hacer un dispositivo que al menos uno de sus extremos se conecte a la toma de corriente.

Determine el grado de peligro potencial.

No todos los dispositivos son igualmente peligrosos; además, los dispositivos con el mismo propósito pueden ser más o menos peligrosos según el modelo de su uso. Los factores peligrosos pueden incluir:

1. Facilidad del contacto humano con las partes conductoras: por ejemplo, ¿es posible este contacto en un entorno doméstico o se deben tomar medidas especiales para lograrlo (por ejemplo, entrar en un panel eléctrico)
2. Calificación de las personas a las que está destinado el dispositivo: pueden ser niños, adultos no profesionales o profesionales adultos. Comprender el peligro de una descarga eléctrica solo se puede esperar de este último, de este último: la máxima falta de acción específica para romper el dispositivo.
3. La presencia de un contacto eléctrico constante con el cuerpo humano o la posibilidad de hacer un contacto de tal manera que la persona no pueda deshacerse, el primero incluye, por ejemplo, todos los dispositivos médicos con electrodos portátiles, el segundo, por ejemplo, instalaciones en un espacio muy limitado en el que una persona agarra accidentalmente para un electrodo bajo voltaje, no podrá liberarse solo.
4. La presencia cerca de otros dispositivos conectados a tierra o, por el contrario, dispositivos energizados, por ejemplo, la caja está conectada a tierra en el panel eléctrico, de modo que sostener la puerta con una mano y sostener accidentalmente el cable vivo hace que sea especialmente fácil ir a los antepasados. Por otro lado, los no profesionales no deben treparse dentro del escudo, y la conexión a tierra de su carcasa protege a los demás de la aparición de voltaje peligroso, por ejemplo, cuando un cable de fase se rompe dentro del escudo y el escudo toca accidentalmente la carcasa del escudo desde el interior.
5. Los factores que reducen significativamente el voltaje de ruptura, en primer lugar, la alta humedad, especialmente con condensación y, en segundo lugar, la baja presión de aire (para dispositivos que se utilizan en altitudes de más de 2000-3000 m, los requisitos para espacios de aire de protección entre las partes conductoras comienzan a crecer rápidamente )

Tenga en cuenta que, en condiciones de vida completamente normales, puede obtener una combinación de varios factores a la vez, por ejemplo, casos conocidos de asesinato de personas al cargar teléfonos inteligentes en el baño. En primer lugar, humedad muy alta con condensación: al entrar en el cargador, el aire húmedo reduce en gran medida la resistencia eléctrica del aislamiento entre los circuitos primario y secundario, como resultado de lo cual es más probable una falla de 230 V en el conector de carga USB (y en artículos chinos completamente garantizado). En segundo lugar, las bañeras de metal y las tuberías de suministro de agua deben estar conectadas a tierra para garantizar que no existan potenciales potencialmente mortales en ellas, y especialmente entre ellas. En tercer lugar, una persona sentada en un baño no solo tiene muy buen contacto eléctrico con él, sino un contacto del que aún no puede deshacerse rápidamente.

Reste cualquiera de estas circunstancias, y el proceso de cargar su iPhone favorito es nuevamente completamente seguro.

En general, si su dispositivo pertenece, al menos por alguna razón, a la zona de riesgo, es mejor no hacerlo, porque comprender cómo hacer que el dispositivo sea adecuado para tales condiciones no es nada trivial y requiere la experiencia adecuada.

¿De qué y de qué nos estamos aislando?

Esta pregunta parece trivial, pero la mayoría de las artesanías caen en ella.

La respuesta trivial: aislamos los circuitos que el usuario puede tocar (los llamados circuitos secundarios), de los circuitos que están conectados (los llamados circuitos primarios).

Un poco menos trivial es la respuesta a la pregunta de qué voltaje estamos aislando. Por un lado, tenemos un voltaje de 230 V rms en la salida, totalizando 324 V rms, bueno, digamos, incluso si obtenemos 380 V rms como resultado de la misma quema de cero, será "solo" 536 V rms.

Sin embargo, hacer un aislamiento resistente a 600-800 V no es suficiente .

El problema es que en la red es raro, pero con precisión, pueden ocurrir ráfagas de un tamaño significativamente mayor; además, pueden estar en fase (por ejemplo, con un rayo cercano), es decir. inducido simultáneamente en los cables neutro y de fase. En este caso, el voltaje "en el enchufe" no cambia significativamente en relación con los 230 V normales, pero el voltaje entre el enchufe y cualquier otra "tierra" puede exceder brevemente estos 230 V a veces.

No debe confiar en la brevedad de tal impulso: si rompe el aislamiento de su dispositivo, una corriente también puede fluir a lo largo de la ruta de ruptura a un voltaje más bajo. Las opciones aquí son desde la destrucción física del aislamiento hasta el encendido de la descarga, como en una lámpara fluorescente, en la que se dispara una descarga luminosa por un pulso de 800 voltios desde el arrancador, y luego se quema desde 230 V CA ordinarios por un tiempo ilimitado.

Por esta razón, el aislamiento entre los circuitos primario y secundario de los dispositivos domésticos se calcula con un voltaje de 2.5 kV .

Digresión de letras : puede leer sobre ello con gran detalle, por ejemplo, en GOST IEC 60950-1-2014 o GOST IEC 60065-2013 , a los que se hace referencia en el documento fundamental - Reglamento Técnico de la Unión Aduanera (TR CU) 004/2011 "Sobre la seguridad de los equipos de baja tensión" . En particular, ambos documentos indican, para redes de suministro de energía con un voltaje operativo de hasta 300 V, un posible voltaje transitorio de hasta 2500 V. De acuerdo con documentos similares, en principio, el mundo entero vive bajo los nombres GOST, IEC o UL 60950.



Etiqueta de IEC 60950. En general, al calcular la seguridad del usuario, la norma recomienda que todas las redes principales se asignen a la categoría II.

Un punto importante: la presencia de aislamiento no significa que no pueda fluir corriente entre los circuitos primario y secundario del dispositivo. En algunos casos, es imposible o irrazonable evitar dicha corriente; por ejemplo, al cambiar las fuentes de alimentación, se instala un pequeño condensador entre el primario y el secundario para reducir la interferencia. En este caso, el dispositivo debe diseñarse de modo que la corriente de fuga entre el primario y el secundario no exceda en ningún caso el límite de seguridad (3.5 mA para equipos fijos domésticos, 0.25-0.75 mA para equipos portátiles; para equipos médicos normas, son 10-100 veces más duras dependiendo del tipo de equipo, aquí puede ver la presentación sobre las diferencias en los requisitos).

Por lo tanto, nuestros requisitos mínimos son aislamiento con una fuerza de 2.5 kV entre los circuitos primario y secundario con una corriente de fuga en condiciones normales de no más de 3.5 mA.

¿Cómo aislamos esto?

1. Todos los componentes que conectan los circuitos primario y secundario deben estar clasificados para un voltaje de aislamiento de al menos 2.5 kV. En una fuente de alimentación conmutada, generalmente se trata de un transformador, un optoacoplador de retroalimentación y un condensador de supresión de ruido.
2. No debe haber conexiones directas de circuitos primarios y secundarios.
3. Los condensadores de supresión de ruido que conectan los circuitos primario y secundario deben estar certificados oficialmente con una clase de al menos Y2 ( condensadores Y2 con clasificación de seguridad ); estos y solo dichos condensadores se pueden usar en circuitos donde la falla de un condensador es peligrosa. Los condensadores de la clase Y2 están marcados en el voltaje de CA efectivo para el que están diseñados ("250 VCA"), mientras que tienen garantizada la resistencia a pulsos individuales con un voltaje de hasta 5 kV. No se deben usar otros condensadores, incluidos los etiquetados de 3 kV y superiores, pero que no tengan una clase de seguridad, en dichos circuitos. Un ejemplo típico son los condensadores de la serie Murata DE2 . Para aislamiento reforzado (ver más abajo), se deben usar condensadores de clase Y1, por ejemplo, Murata DE1 .
4. Al diseñar una placa de circuito impreso, los espacios entre los conductores, las partes y el cuerpo del dispositivo deben diseñarse para una tensión de ruptura de al menos 2.5 kV.

Por supuesto, la parte más interesante comienza con el diseño de placas de circuito impreso. El hecho es que "están clasificados para un voltaje no inferior a", esta es una frase sobre nada; En condiciones de funcionamiento reales, varios factores pueden desempeñar un papel, como la duración de la exposición al voltaje, el estado de la superficie de la placa, la humedad del aire, la presencia o ausencia de condensación de humedad ... Para tratarlos, IEC 60950 introduce varios métodos para clasificar estos factores, y la resistencia del aislamiento no se indica en voltios y en milímetros del espacio libre mínimo necesario, teniendo en cuenta la probabilidad de una ruptura de esta brecha y las consecuencias a las que conducirá. Como resultado, la protección contra la misma sobretensión accidental de 2.5 kV en una red de suministro de Categoría II se verá completamente diferente dependiendo de si la falla de esta protección puede matarlo o no.

En primer lugar, IEC 60950 introduce cuatro clases de aislamiento según su propósito y, en consecuencia, la confiabilidad requerida (más precisamente, la probabilidad de falla multiplicada por las consecuencias de esta falla):

1. Funcional: necesario para el funcionamiento del dispositivo en sí, pero no brinda protección al usuario.
2. Básico: proporciona un nivel inicial de protección del usuario, pero no lo suficientemente confiable como para prescindir de una segunda barrera protectora.
3. Complementaria es la segunda barrera protectora. Tiene la misma fuerza que Basic.
4. Reforzado: aislamiento de mayor resistencia, que se puede usar sin una segunda barrera protectora. Tiene el doble de fuerza que Basic.

Además, se ha escrito mucho sobre varias opciones para implementar el aislamiento (los estándares IEC son pagados, pero ¿entendemos que hay todo en Yandex ?), Y nos detenemos en los requisitos para placas de circuito impreso en dispositivos domésticos.

Para evaluar las capacidades dieléctricas de varios materiales, IEC 60950 los divide en grupos de acuerdo con el parámetro CTI (Índice de seguimiento comparativo): cuanto mayor sea el CTI, mejores serán las propiedades aislantes del material:

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

La fibra de vidrio convencional FR4 tiene CTI = 175, es decir, pertenece al grupo III, a los límites entre los subgrupos IIIa y IIIb.

Además, las propiedades dieléctricas del material, una descarga que puede ocurrir en su superficie (el caso de una placa de circuito impreso), dependen del nivel de contaminación de esta superficie, por lo tanto, IEC 60950 introduce varias clases generalizadas de contaminación (en las definiciones más formalizadas estándar, a continuación las adjuntaré a las condiciones de operación ):

• Nivel I: contaminación que no afecta la resistencia eléctrica del aislamiento. Se aplica solo a equipos en salas limpias o en recintos sellados que evitan la entrada incluso de contaminantes domésticos.
• Nivel 2: oficina o ambiente doméstico, los posibles contaminantes generalmente no conducen la corriente, pero en casos raros, cuando se condensan, pueden volverse conductores.
• Nivel 3: entorno industrial, empresas agrícolas, especialmente locales sin calefacción. Los contaminantes pueden conducir la corriente, tanto en el caso de condensación, como sin ella.
• Nivel 4: uso sin protección del ambiente externo, exposición regular al agua o la nieve.

Observo que el nivel de protección deseado se puede implementar usando recintos externos adecuados; por ejemplo, un dispositivo con nivel 2 se puede operar al aire libre cuando se usa un recinto sellado.

Finalmente, IEC 60950 usa dos métodos para medir la distancia que forma un espacio aislante: espacio libre y fuga.

• Espacio libre : la distancia más corta entre conductores.
• Fugas : la distancia entre los conductores en la superficie de la placa de circuito impreso.

En nuestro caso, para un voltaje nominal de 230 V ± 10% en el zócalo, es necesario centrarse en los requisitos de aislamiento en redes de hasta 300 V rms de voltaje, hasta 420 V de amplitud y hasta 2500 V de sobretensión durante transitorios.

Dependiendo del tipo de aislamiento (no consideramos el aislamiento funcional, ya que estamos hablando de la seguridad del usuario), la distancia mínima requerida en la placa de circuito impreso será:

• Básico: 3,0 mm si el dispositivo tiene aislamiento adicional
• Reforzado: 6.0 mm si el dispositivo no tiene aislamiento adicional

Sin embargo, si volvemos al condensador Y mencionado anteriormente, podemos notar fácilmente que la distancia máxima entre sus patas en la hoja de datos es de 7,5 mm.



Como puede ver, teniendo en cuenta las almohadillas de contacto, será problemático para nosotros obtener la distancia entre los conductores de 6.0 mm, si no comenzamos a separar las patas manualmente.

Afortunadamente, hay una salida simple: como puede ver en la imagen de arriba, la fuga se puede aumentar haciendo un corte en la textolita. El aire tiene una resistencia dieléctrica más alta que FR4; para ello, el voltaje de ruptura se aproxima a 3 kV / mm, y por razones de seguridad generalmente se supone que es 1-1.5 kV / mm. IEC 60950 requiere un espacio de aire para circuitos de hasta 300 V un ancho de 2.0 mm para aislamiento básico y 4.0 mm para refuerzo (si la producción tiene un programa de control de calidad que cumpla con los requisitos de la norma, el ancho se puede reducir a 1.5 mm y 3,0 mm, pero ahora este no es nuestro caso).

Es decir, podemos proporcionar el aislamiento necesario con 4 mm de aire o 6 mm de placa de circuito impreso.

Debido a la complejidad del problema, el estándar no considera una combinación de aire y una placa de circuito impreso, pero en la práctica es una combinación que se usa en la mayoría de los casos: se hace un corte entre los circuitos primario y secundario:



En este caso, al hacer un corte de 2 mm de ancho y un poco más largo que el ancho de los campos de tierra, obtuvimos una deformación mínima de 6,48 mm, que cumple con el requisito de aislamiento reforzado, y a través del corte, si se cuenta "en la frente" - 3,7 mm de PCB y 2.0 mm de aire, cada uno de los valores corresponde al requisito de una capa de aislamiento básica, de modo que en total también pueden considerarse suficientes.

Ahora puedes vivir con eso.

Observo que el diseño correcto de la placa no está exento de problemas con la ubicación de los componentes: entre las partes conductoras de la primaria y secundaria, debe haber al menos los mismos 2 mm de aire, y en el caso de una carcasa sin conexión a tierra, la norma requiere 10 mm de aire entre el aislamiento reforzado y la primaria.

PD: Para ser justos, agrego que para el aislamiento reforzado hay condensadores de clase Y1, que generalmente tienen una distancia entre las patas de 10 mm. Sin embargo, esto no elimina la necesidad de ranuras en la PCB donde no es posible mantener un espacio de al menos 6 mm por varias razones, debido a la instalación apretada, otros componentes con espacio libre insuficiente entre los terminales, etc. Además, incluso si usa condensadores Y2 y garantiza solo un aislamiento básico, colocar todos los demás componentes, incluido el diseño de la PCB, definitivamente no será superfluo con un margen de seguridad.

Además, las ranuras en la placa de circuito impreso tienen algunos lados positivos más: por ejemplo, la suciedad no se acumula en su superficie debido a la ausencia de esta superficie, y con higroscopicidad están bien. Sin embargo, la presencia de ranuras en sí misma no dice nada sobre la seguridad del diseño, así como su ausencia, sobre su inseguridad.

Errores clásicos

Un error fatal obvio es, por supuesto, un total desprecio por los requisitos de seguridad y el mantenimiento de espacios entre los circuitos primario y secundario de escala de 0.5-1 mm, de acuerdo con el principio "cuando enciende por primera vez a nadie muerto, eso significa que todo está en orden". Aquí, por ejemplo, se trata de una típica película documental alemana de aficionados en la que se fresan hermosas ranuras de aislamiento funcional entre los conductores de la red, pero al mismo tiempo, un espacio de un milímetro entre la entrada de 230 V y la tierra secundaria, en la que el usuario puede acceder libremente al conector USB, incluye este diseño en 230 V es simplemente mortal.

Además de los errores fatales garantizados, regularmente ocurren errores potencialmente fatales.

En primer lugar, los desarrolladores inexpertos perciben intuitivamente un alto voltaje entre los dos cables de la red de 230 V, pero no entre el primario y el secundario, y colocan las ranuras entre ellos. Esto no deja de tener sentido si las pistas de red se acercan en la placa entre sí, y esto se relacionará con proporcionar aislamiento funcional , pero no directamente relacionado con la seguridad; al final, en los circuitos estándar entre estos cables debe tener un varistor encendido el voltaje de funcionamiento es de aproximadamente 430 V, por lo que no habrá mucho más allí. Además, si llega a usted un pulso de modo común de alto voltaje, no pasará nada particularmente interesante entre los cables de la red.

Pero entre lo primario y lo secundario, sigue siendo cómo sucederá.

En segundo lugar, el espacio en el tablero de los desarrolladores sin experiencia se percibe como algo decorativo, o como una bala de plata y una cura para todas las enfermedades a la vez. , 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 .

Es fácil notar que los parámetros reales apenas superan los requisitos de IEC 60950 para una red de 300 V con emisiones de hasta 2500 V para el caso de aislamiento reforzado, y dado que en el caso de Bitronics Lab estamos hablando esencialmente de equipos médicos con contacto directo con el cuerpo humano, es extremadamente Es aconsejable diseñarlo para el nivel de protección más alto posible.

La resistencia de aislamiento real garantizada de toda la estructura no será superior a 3 kV. Las declaraciones acerca de 5 kV con esta placa no son apropiadas bajo ninguna salsa; no está diseñado para este nivel de protección. En este caso, era posible, incluso sin aumentar las dimensiones de la placa de circuito impreso, mover el aislador y DC / DC más cerca uno del otro y hacer una sola ranura debajo de ellos, extendiéndose al menos un milímetro desde la parte superior e inferior de los componentes.

Observo que a altos voltajes, desde 5 kV y superiores, la forma de los conductores también comienza a desempeñar un papel: la intensidad del campo y, en consecuencia, la probabilidad de ruptura es mayor en las partes puntiagudas.

¿Cómo verificar un dispositivo existente?

, , , — .

, ( 10-20 ), — 1000 2500 , .

— , , - UT-502A ( -- , ).

Si su dispositivo soportó 10 segundos bajo el voltaje de 2500 V suministrado por él, entonces no todo es completamente inútil. Dichas pruebas no son motivos para considerar que el dispositivo cumple con los estándares, ya que es fácil de ver, en general, incluso se requiere una capa de aislamiento funcional para soportar tales tensiones, aunque la probabilidad de que se rompa se considera demasiado alta para proteger al usuario.

Probar el equipo con un pulso de 5 kV sería más indicativo, pero, por desgracia, esos dispositivos ya valen otro dinero.

Por otro lado, si incluso a 2.5 kV su dispositivo mostró algo diferente del límite superior del gigaohmímetro, ahora sabe qué hacer con él .