Bases de la sécurité électrique dans la conception d'appareils électroniques

Bonjour, Habr!

Après la vague soulevée par mon post précédent , un nombre assez important de personnes m'ont demandé (sur Facebook, dans PM, etc.) à quoi faire attention, de sorte qu'au lieu d'une prise intelligente sur un arduino, vous n'obtiendrez pas une autre euthanasie en bol .


Le sujet est vaste et complexe, mais je vais essayer de mettre en évidence les principaux points - en particulier sur la base des erreurs que j'ai vues dans toutes sortes de vrais appareils et projets, y compris ceux publiés sur Habré. Je n'énumérerai pas les GOST pendant longtemps et fastidieux, mais je listerai les choses très fondamentales que vous devez comprendre et observer afin de ne pas vous tuer au moins (si vous prévoyez de ne pas tuer aussi les autres, alors après avoir terminé cet article, ne soyez pas paresseux pour parcourir les GOST pertinents).

Donc, vous allez fabriquer un appareil qui au moins une de ses extrémités se branche sur la prise.

Déterminez le degré de danger potentiel.

Tous les appareils ne sont pas également dangereux - en outre, les appareils ayant le même objectif peuvent être plus ou moins dangereux selon le modèle d'utilisation. Les facteurs dangereux peuvent inclure:

1. Facilité de contact humain avec les parties conductrices - par exemple, ce contact est-il possible dans un environnement domestique ou des mesures spéciales doivent-elles être prises pour y parvenir (par exemple, entrer dans un panneau électrique)
2. Qualification des personnes auxquelles l'appareil est destiné - il peut s'agir d'enfants, d'adultes non professionnels ou d'adultes professionnels. La compréhension du danger de choc électrique ne peut être attendue que de ce dernier, de ce dernier - l'absence maximale d'action ciblée pour briser l'appareil.
3. La présence d'un contact électrique constant avec le corps humain ou la possibilité d'un tel contact dont la personne ne peut se débarrasser - le premier comprend, par exemple, tous les appareils médicaux avec des électrodes portables, le second - par exemple, les installations dans un espace très limité dans lequel une personne attrape accidentellement pour une électrode sous tension, elle ne pourra pas se libérer.
4. La présence à proximité d'autres appareils mis à la terre ou, au contraire, d'appareils sous tension - par exemple, le boîtier est mis à la terre au niveau du panneau électrique, de sorte que le fait de tenir sa porte d'une main et de tenir accidentellement le fil sous tension facilite particulièrement l'accès aux ancêtres. D'un autre côté, les non-professionnels ne doivent pas du tout grimper à l'intérieur du blindage, et la mise à la terre de son boîtier protège les autres de l'apparition d'une tension dangereuse sur celui-ci, par exemple, si le fil de phase se casse à l'intérieur du blindage et que le blindage touche accidentellement le boîtier du blindage de l'intérieur.
5. Facteurs qui réduisent considérablement la tension de claquage - tout d'abord, une humidité élevée, en particulier avec de la condensation, et deuxièmement - une faible pression d'air (pour les appareils utilisés à des altitudes supérieures à 2000-3000 m, les exigences en matière de protection des entrefers entre les parties conductrices commencent à croître rapidement )

Veuillez noter que dans des conditions de vie tout à fait ordinaires, vous pouvez obtenir une combinaison de plusieurs facteurs à la fois - par exemple, des cas connus de tuer des gens en chargeant des smartphones dans la salle de bain. Tout d'abord, une humidité très élevée avec condensation - pénétrant dans le chargeur, l'air humide réduit considérablement la résistance électrique de l'isolation entre les circuits primaire et secondaire, ce qui entraîne une panne de 230 V sur le connecteur de charge USB qui devient plus que probable (et dans les articles chinois entièrement garanti). Deuxièmement, les baignoires métalliques et les tuyaux d'alimentation en eau doivent être mis à la terre pour garantir qu'ils ne présentent pas de potentiel mortel - et en particulier entre eux. Troisièmement, une personne assise dans un bain a non seulement un très bon contact électrique avec elle, mais un contact dont elle ne peut toujours pas se débarrasser rapidement.

Soustrayez l'une de ces circonstances - et le processus de chargement de votre iPhone préféré est à nouveau complètement sûr.

En général, si votre appareil appartient au moins pour une raison quelconque à la zone à risque - il est préférable de ne pas le faire, car comprendre comment fabriquer correctement l'appareil dans de telles conditions n'est pas anodin et nécessite une expérience appropriée.

De quoi et de quoi isolons-nous?

Cette question semble anodine, mais la plupart des métiers y tombent.

La réponse banale: nous isolons les circuits que l'utilisateur peut toucher (les circuits dits secondaires), des circuits qui sont branchés (les circuits dits primaires).

Un peu moins triviale est la réponse à la question de quelle tension nous isolons. D'une part, nous avons une tension de 230 V rms à la sortie, totalisant 324 V rms - eh bien, disons, même si nous obtenons 380 V rms à la suite de la même combustion de zéro, ce sera «seulement» 536 V rms.

Néanmoins, la réalisation d'une isolation résistant à 600-800 V n'est pas suffisante .

Le problème est que sur le réseau, il est rare, mais avec précision, des rafales d'une taille considérablement plus grande peuvent se produire - en outre, elles peuvent être en phase (par exemple, avec un éclair proche), c'est-à-dire induit simultanément dans les fils neutre et de phase. Dans ce cas, la tension "dans la prise" ne change pas de manière significative par rapport au 230 V normal, mais la tension entre la prise et tout autre "masse" peut parfois dépasser brièvement ces 230 V.

Vous ne devez pas vous fier à la brièveté d'une telle impulsion - si elle traverse l'isolation de votre appareil, un courant peut également circuler le long du chemin de panne à une tension inférieure. Les options ici vont de la simple destruction physique de l'isolation à l'allumage de la décharge - comme dans une lampe fluorescente, dans laquelle une décharge luminescente est déclenchée par une impulsion de 800 volts du démarreur, puis elle brûle du 230 V CA ordinaire pendant une durée illimitée.

Pour cette raison, l' isolation entre les circuits primaire et secondaire des appareils ménagers est calculée sur une tension de 2,5 kV .

Digression lyrique: vous pouvez en lire plus en détail, par exemple, dans GOST IEC 60950-1-2014 ou GOST IEC 60065-2013 , qui sont référencés par le document fondamental - Règlement technique de l'union douanière (TR CU) 004/2011 "Sur la sécurité des équipements basse tension" . En particulier, les deux documents indiquent, pour les réseaux d'alimentation avec une tension de fonctionnement jusqu'à 300 V, une tension transitoire possible jusqu'à 2500 V.Selon des documents similaires, le monde entier vit en principe sous les noms GOST, IEC ou UL 60950.



Étiquette de la CEI 60950. En général, lors du calcul de la sécurité de l'utilisateur, la norme recommande que tous les réseaux soient affectés à la catégorie II.

Un point important: la présence d'isolant ne signifie pas qu'aucun courant ne peut circuler entre les circuits primaire et secondaire de l'appareil. Dans certains cas, il est impossible ou déraisonnable d'éviter un tel courant - par exemple, lors de la commutation d'alimentations, un petit condensateur est installé entre le primaire et le secondaire pour réduire les interférences. Dans ce cas, l'appareil doit être conçu de telle sorte que le courant de fuite entre le primaire et le secondaire ne dépasse en aucun cas la limite de sécurité (3,5 mA pour les équipements fixes domestiques, 0,25-0,75 mA pour les équipements portables; pour les équipements médicaux normes, elles sont 10 à 100 fois plus sévères selon le type d'équipement, ici vous pouvez voir la présentation des différences d'exigences).

Ainsi, nos exigences minimales sont une isolation d'une force de 2,5 kV entre les circuits primaire et secondaire avec un courant de fuite dans des conditions normales ne dépassant pas 3,5 mA.

Comment isolons-nous cela?

1. Tous les composants connectant les circuits primaire et secondaire doivent être conçus pour une tension d'isolation d'au moins 2,5 kV. Dans une alimentation à découpage, il s'agit généralement d'un transformateur, d'un optocoupleur à rétroaction et d'un condensateur de suppression de bruit.
2. Il ne doit pas y avoir de connexion directe des circuits primaire et secondaire.
3. Les condensateurs de suppression de bruit connectant les circuits primaire et secondaire doivent être officiellement certifiés pour une classe d'au moins Y2 ( condensateurs Y2 de sécurité ) - ces condensateurs et seulement ces condensateurs peuvent être utilisés dans des circuits où une défaillance de condensateur est dangereuse. Les condensateurs de classe Y2 sont marqués par la tension alternative effective pour laquelle ils sont conçus ("250VAC"), tout en étant garantis d'une résistance aux impulsions uniques avec une tension jusqu'à 5 kV. Aucun autre condensateur, y compris ceux étiquetés 3 kV et plus, mais n'ayant pas de classe de sécurité, ne doit être utilisé dans de tels circuits. Un exemple typique est celui des condensateurs de la série Murata DE2 . Pour une isolation renforcée (voir ci-dessous), des condensateurs de classe Y1, par exemple Murata DE1 , doivent être utilisés.
4. Lors de la conception d'une carte de circuit imprimé, les espaces entre les conducteurs, les pièces et le corps de l'appareil doivent être conçus pour une tension de claquage d'au moins 2,5 kV.

Bien sûr, la partie la plus intéressante commence par la conception de cartes de circuits imprimés. Le fait est qu '«ils sont conçus pour une tension non inférieure à» - c'est une telle phrase pour rien; dans des conditions de fonctionnement réelles, divers facteurs peuvent jouer un rôle, tels que la durée d'exposition à la tension, l'état de la surface de la carte, l'humidité de l'air, la présence ou l'absence de condensation d'humidité ... Pour y faire face, la CEI 60950 introduit différentes méthodes pour classer ces facteurs, et la force d'isolation n'est pas indiquée dans volts, et en millimètres du jeu minimal nécessaire - en tenant compte de la probabilité d'une rupture de cet écart et des conséquences auxquelles il entraînera. Par conséquent, la protection contre la même surtension accidentelle de 2,5 kV dans un réseau d'alimentation de catégorie II sera complètement différente selon que la défaillance de cette protection peut vous tuer ou non.

Premièrement, la CEI 60950 introduit quatre classes d'isolation en fonction de sa fonction et, par conséquent, de la fiabilité requise (plus précisément, la probabilité de défaillance multipliée par les conséquences de cette défaillance):

1. Fonctionnel - nécessaire au fonctionnement de l'appareil lui-même, mais n'assurant pas la protection de l'utilisateur.
2. De base - offrant un niveau initial de protection de l'utilisateur, mais pas suffisamment fiable pour se passer d'une deuxième barrière de protection.
3. Supplémentaire est la deuxième barrière protectrice. Il a la même force que Basic.
4. Renforcé - isolation de résistance accrue, qui peut être utilisée sans deuxième barrière de protection. Il a deux fois plus de force que Basic.

En outre, beaucoup de choses ont été écrites sur les différentes options de mise en œuvre de l'isolation (les normes CEI sont payantes, mais comprenons-nous qu'il y a tout dans Yandex ?), Et insistons sur les exigences relatives aux cartes de circuits imprimés dans les appareils ménagers.

Pour évaluer les capacités diélectriques de divers matériaux, la CEI 60950 les divise en groupes selon le paramètre CTI (Comparative Tracking Index) - plus le CTI est élevé, meilleures sont les propriétés isolantes du matériau:

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

La fibre de verre conventionnelle FR4 a CTI = 175, c'est-à-dire qu'elle appartient au groupe III, aux limites entre les sous-groupes IIIa et IIIb.

De plus, les propriétés diélectriques d'un matériau, dont une décharge peut se produire à sa surface (cas d'une carte de circuit imprimé), dépendent du niveau de contamination de cette surface, donc la CEI 60950 introduit plusieurs classes de pollution généralisées (dans la norme, définitions plus formalisées, ci-dessous je les attacherai aux conditions de fonctionnement ):

• Niveau I - pollution qui n'altère pas la résistance électrique de l'isolation. S'applique uniquement à l'équipement dans des salles blanches ou dans des enceintes scellées qui empêchent la pénétration de polluants domestiques même.
• Niveau 2 - environnement de bureau ou domestique, les polluants possibles ne conduisent généralement pas le courant, mais dans de rares cas, lorsqu'ils sont condensés, ils peuvent devenir conducteurs.
• Niveau 3 - environnement industriel, entreprises agricoles, en particulier locaux non chauffés. Les polluants peuvent conduire du courant, à la fois en cas de condensation et sans celui-ci.
• Niveau 4 - utilisation sans protection de l'environnement extérieur, exposition régulière à l'eau ou à la neige.

Je note que le niveau de protection souhaité peut être mis en œuvre à l'aide d'enceintes externes adéquates - par exemple, un appareil de niveau 2 peut être utilisé à l'extérieur lors de l'utilisation d'une enceinte étanche.

Enfin, la CEI 60950 utilise deux méthodes de mesure de la distance formant un espace isolant - le jeu et la ligne de fuite.

• Dégagement - la distance la plus courte entre les conducteurs.
• Ligne de fuite - la distance entre les conducteurs sur la surface de la carte de circuit imprimé.

Dans notre cas, pour une tension nominale de 230 V ± 10% dans la prise, il est nécessaire de se concentrer sur les exigences d'isolation dans les réseaux jusqu'à 300 V de tension efficace, jusqu'à 420 V d'amplitude et jusqu'à 2500 V de surtension pendant les transitoires.

Selon le type d'isolation (nous ne considérons pas l'isolation fonctionnelle, car nous parlons de sécurité de l'utilisateur), la distance minimale requise sur la carte de circuit imprimé sera:

• De base: 3,0 mm si l'appareil dispose d'une isolation supplémentaire
• Renforcé: 6,0 mm si l'appareil n'a pas d'isolation supplémentaire

Cependant, si nous revenons au condensateur Y mentionné ci-dessus, nous pouvons facilement remarquer que la distance maximale entre ses jambes sur la fiche technique est de 7,5 mm.



Comme vous pouvez le voir, compte tenu des plots de contact, il sera problématique pour nous d'obtenir la distance entre les conducteurs de 6,0 mm, si nous ne commençons pas à séparer les jambes manuellement.

Heureusement, il existe un moyen simple de sortir - comme vous pouvez le voir sur l'image ci-dessus, la ligne de fuite peut être augmentée en effectuant une coupe dans le textolite. L'air a une rigidité diélectrique plus élevée que FR4 - pour cela, la tension de claquage approche 3 kV / mm, et pour des raisons de sécurité, elle est généralement supposée être de 1-1,5 kV / mm. La CEI 60950 requiert pour l'entrefer pour les circuits jusqu'à 300 V une largeur de 2,0 mm pour l'isolation de base et 4,0 mm pour le renforcé (si la production a un programme de contrôle qualité qui répond aux exigences de la norme, la largeur peut être réduite à 1,5 mm et 3,0 mm, mais maintenant ce n'est pas notre cas).

Autrement dit, nous pouvons fournir l'isolation nécessaire avec une carte de circuit imprimé de 4 mm d'air ou de 6 mm.

En raison de la complexité du problème, la norme ne considère pas une combinaison d'air et d'une carte de circuit imprimé, mais dans la pratique, c'est une telle combinaison qui est utilisée dans la plupart des cas - une coupure est effectuée entre les circuits primaire et secondaire:



Dans ce cas, en faisant une découpe de 2 mm de large et légèrement plus longue que la largeur des champs de terre, nous avons obtenu une ligne de fuite minimale de 6,48 mm, qui répond à l'exigence d'une isolation renforcée, et à travers la coupe, si compté «dans le front» - 3,7 mm de PCB et 2,0 mm d'air, chacune des valeurs correspond à l'exigence d'une couche isolante de base, de sorte qu'au total, elles peuvent également être considérées comme suffisantes.

Vous pouvez maintenant vivre avec.

Je note que la conception correcte de la carte ne dispense pas de problèmes avec l'emplacement des composants: entre toutes les parties conductrices du primaire et du secondaire, il doit y avoir au moins les mêmes 2 mm d'air, et dans le cas d'un boîtier non mis à la terre, la norme nécessite 10 mm d'air entre l'isolation renforcée et le primaire.

PS Pour être honnête, j'ajoute que pour l'isolation renforcée se trouvent des condensateurs de classe Y1, qui ont généralement une distance entre les jambes de 10 mm. Cependant, cela n'élimine pas le besoin de fentes dans le PCB où il n'est pas possible de maintenir un écart d'au moins 6 mm pour diverses raisons - en raison d'une installation étanche, d'autres composants avec un jeu insuffisant entre les bornes, etc. De plus, même si vous utilisez des condensateurs Y2 et ne garantissez qu'une isolation de base, la fixation de tous les autres composants, y compris la conception du PCB, ne sera certainement pas superflue avec une marge de sécurité.

De plus, les fentes de la carte de circuit imprimé ont quelques côtés plus positifs - par exemple, la saleté ne s'accumule pas sur leur surface en raison de l'absence de cette surface, et avec l'hygroscopicité, elles sont fines. Néanmoins, la présence de fentes en soi ne dit rien sur la sécurité du design, ainsi que leur absence - sur son insécurité.

Erreurs classiques

Une erreur fatale évidente est, bien sûr, un mépris total des exigences de sécurité et du maintien des écarts entre les circuits primaires et secondaires à l'échelle 0,5-1 mm, selon le principe "lorsque vous avez allumé pour la première fois personne tué - cela signifie que tout est en ordre". Voici, par exemple, un film documentaire amateur allemand typique dans lequel de belles fentes d'isolement fonctionnel sont fraisées entre les conducteurs du secteur, mais en même temps un écart millimétrique entre l'entrée 230 V et la masse secondaire, sur lequel le connecteur USB est librement accessible à l'utilisateur, comprend cette conception en 230 V c'est simplement mortel.

En plus des erreurs fatales garanties, des erreurs potentiellement fatales se produisent régulièrement.

Premièrement, les développeurs inexpérimentés perçoivent intuitivement comme une haute tension entre les deux fils du réseau 230 V, mais pas entre le primaire et le secondaire - et placent les fentes entre eux. Ce n'est pas sans signification si les pistes du réseau se rapprochent de la carte, et cela se rapportera à la fourniture d' une isolation fonctionnelle , mais pas directement liée à la sécurité - au final, dans les circuits standard entre ces fils, vous devez avoir une varistance allumée la tension de fonctionnement est d'environ 430 V, il n'y en aura donc pas beaucoup plus. De plus, si une impulsion haute tension en mode commun vous parvient, rien de particulièrement intéressant ne se produira entre les fils du réseau.

Mais entre le primaire et le secondaire - toujours comment cela se produira.

Deuxièmement, la fente dans la carte par les développeurs inexpérimentés est perçue soit comme quelque chose de décoratif, soit comme une solution miracle et un remède à toutes les maladies à la fois. , 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 — : , , .

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, , , — .

, ( 10-20 ), — 1000 2500 , .

— , , - UT-502A ( -- , ).

10 2500 — , . — , , , .

5 , , , .

, 2,5 -, , , .