SamsPcbGuide भाग 9: गैल्वेनिक अलगाव, सुरक्षा और पीसीबी

यह लेख उच्च-वोल्टेज अनुप्रयोगों में सुरक्षा, अर्थात् @olartamonov द्वारा उठाए गए विषय पर विचार जारी रखता है। लेख में डेडलिट्रिक्स के टूटने की भौतिक नींव और साथ ही एक नए सुरक्षा मानक पर चर्चा की जाएगी।

सुरक्षा आवश्यकताएँ किसी भी इलेक्ट्रॉनिक उपकरण पर लागू होती हैं, इस तथ्य के बावजूद कि वे उत्पाद संचालन के मामले में ओवरहेड हैं। उन्हें अतिरिक्त सर्किट समाधान और इलेक्ट्रॉनिक घटकों के उपयोग की आवश्यकता होती है, मुद्रित सर्किट बोर्डों की टोपोलॉजी को जटिल करते हैं, उत्पाद के बड़े पैमाने पर समग्र मापदंडों को बढ़ाते हैं, परीक्षणों की मात्रा और, जिससे, इसकी लागत और बाजार के लिए समय। केवल डिवाइस के प्रोटोटाइप या प्रोटोटाइप विकसित करते समय केवल कार्यक्षमता को सीमित किया जा सकता है। दुर्भाग्य से, वर्तमान में, एक ग्राहक (पिछले प्रमाणन केंद्र) तक पहुंचने की सादगी की स्थितियों में, लागत को कम करना और परीक्षण पर बचत करना, इलेक्ट्रॉनिक उत्पाद न केवल विश्वसनीयता खो रहे हैं, बल्कि सुरक्षा भी।

गैसों और ठोस पदार्थों में विद्युत विखंडन के सिद्धांत के मूल सिद्धांत

किसी भी ढांकता हुआ में विद्युत शक्ति होती है - एक निश्चित विद्युत क्षेत्र की ताकत पर, टूटना होता है। गैसों में, किसी दिए गए तापमान पर गोलाकार इलेक्ट्रोड के टूटने का वोल्टेज और पासचेन विधि द्वारा औसत दबाव मानों का वर्णन किया जाता है:

जहां पी दबाव है, गैस के आधार पर ए और बी प्रयोगात्मक स्थिरांक हैं। अंजीर में। चित्रा 1 20 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर 60% के सापेक्ष आर्द्रता के साथ शुष्क हवा के लिए पसचेन वक्र को दर्शाता है। ध्यान दें कि पसचेन वक्र का न्यूनतम मूल्य है। दबाव में वृद्धि से घनत्व में वृद्धि और टकराव की संभावना में वृद्धि होती है, लेकिन औसत मुक्त मार्ग को कम कर देता है और, परिणामस्वरूप, कण ऊर्जा। यह ग्राफ के दाईं ओर उच्च दबाव क्षेत्र में ब्रेकडाउन वोल्टेज में वृद्धि की ओर जाता है। कम मूल्यों पर, ब्रेकडाउन मैकेनिज्म माध्य मुक्त पथ के अनुपात और इलेक्ट्रोड के बीच की दूरी पर निर्भर करता है। सामान्य वायुमंडलीय दबाव में हवा की विद्युत शक्ति 3.1 kV / मिमी है और यह बढ़ते तापमान और दबाव ड्रॉप के साथ घट जाती है। एक रूढ़िवादी अनुमान के रूप में, विद्युत इन्सुलेशन डिजाइन करते समय, आमतौर पर 1-1.5 केवी / मिमी का मान लिया जाता है।


ठोस उत्तोलन के लिए, आंतरिक विद्युत शक्ति की अवधारणा को पेश किया जाता है - एक सजातीय सामग्री में विद्युत क्षेत्र की ताकत का न्यूनतम मूल्य, जिस पर मुफ्त या वैलेंस इलेक्ट्रॉन पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त करते हैं ताकि जब वे परमाणुओं या सीमा इलेक्ट्रॉन से टकराते हैं, तो नए प्रवाहकत्त्व इलेक्ट्रॉन बनते हैं, जो टूटने की ओर जाता है। यह मान तापमान पर निर्भर करता है, कुछ सामग्रियों के लिए यह कई एमवी / मिमी तक पहुंच सकता है और विद्युत शक्ति की एक सैद्धांतिक सीमा है। व्यवहार में, विद्युत क्षेत्र की ताकत के बहुत कम मूल्यों पर ब्रेकडाउन होता है। इसके मुख्य कारण हैं:

• सामग्री की विषमता (यांत्रिक माइक्रोएडमेज, संदूषण और सामग्री के अंदर गुहाएं, विकिरण के संपर्क में आने पर परमाणु जाली को नुकसान, रासायनिक प्रतिक्रियाओं के परिणामस्वरूप गुणों में परिवर्तन);
• टूटने के बाईपास मार्गों की उपस्थिति, सबसे अधिक बार सामग्री की सीमा के साथ (सतह संदूषण, सतह पर नमी और सीमा परत में), दरारें के साथ;
• समय के साथ सामग्री की उम्र बढ़ने - इन प्रभावों का संचय, ऊंचा तापमान की स्थितियों में शामिल है।

सामग्री के थोक में सूचीबद्ध असमानताएं विद्युत क्षेत्र के सांद्रक के रूप में कार्य करती हैं, जिससे आंशिक विराम (छवि 2) होता है। इस तरह के टूटने के परिणामस्वरूप, ढांकता हुआ सामग्री धीरे-धीरे नष्ट हो जाती है, जिससे एक पूर्ण टूटना हो सकता है।


सतह पर नमी या संदूषक की मौजूदगी प्रवाहकीय चैनलों के गठन का कारण बन सकती है, जो कमजोर चालकता के साथ भी उपस्कर सतहों का निर्माण करती है, जिससे इलेक्ट्रोड के बीच वास्तविक अंतर कम हो जाता है और इस तरह टूटने की ओर जाता है।

संभावित भौतिक घटनाओं का एक पूरा परिसर, जिसमें एक संभाव्य घटक शामिल है और बाहरी कारकों की एक बड़ी संख्या पर निर्भर करता है, ढांकता हुआ सामग्री में बिजली के टूटने की ओर जाता है। इसलिए, विश्लेषणात्मक और गणना मॉडल केवल सबसे सरल मामलों के लिए बनाए जा सकते हैं। व्यवहार में, डिजाइन को मानकों की आवश्यकताओं के अनुसार निर्देशित किया जाना चाहिए, वास्तविक परिचालन स्थितियों के करीब स्थितियों के तहत इन्सुलेशन परीक्षण करना चाहिए, और यदि संभव हो, तो इन्सुलेशन की सुरक्षा का मार्जिन रखना चाहिए। विद्युत ब्रेकडाउन तंत्र की सैद्धांतिक नींव को समझना आपको मानकों की सिफारिशों के साथ समझौता करने की स्थिति में निर्णय लेने की अनुमति देता है।

नया सुरक्षा मानक

इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के प्रत्येक समूह का विद्युत सुरक्षा का अपना मानक है। वर्तमान सुरक्षा मानक 62368-1 है , जो 60950-1 और 60065 पुराने मानकों को प्रतिस्थापित और संयोजित करता है। मानक, अपने पूर्ववर्तियों के विपरीत, बहुत प्रणालीगत और संरचित है और अध्ययन के लिए अनुशंसित है। इसके अलावा, गैल्वेनिक अलगाव के लिए सिफारिशें IPC मानकों में निर्दिष्ट हैं: मुद्रित सर्किट बोर्डों IPC2221 के डिजाइन के लिए सामान्य मानक में और वोल्टेज कन्वर्टर्स IPC9592 के लिए मानक में।

62368-1 में एक सुरक्षित प्रणाली का मूल मॉडल बहुत सरल दिखता है (छवि 3)। सामान्य तौर पर, ऊर्जा (विद्युत, रसायन, गतिज, थर्मल आदि) के हस्तांतरण के खिलाफ सुरक्षा तंत्र जो दर्द या चोट का कारण बन सकते हैं:

• ऊर्जा हस्तांतरण के स्तर या गति का क्षीणन;
• ऊर्जा पुनर्निर्देशन;
• बिजली स्रोत बंद;
• ऊर्जा स्रोत और उपयोगकर्ता के बीच अवरोध पैदा करना।

इसी समय, मानक में सुरक्षा को न केवल तकनीकी (उपयोगकर्ता सुरक्षा के व्यक्तिगत साधनों सहित), बल्कि संगठनात्मक उपायों के रूप में भी समझा जाता है। सुरक्षा के दृष्टिकोण से सर्वोच्च प्राथमिकता तकनीकी साधन है जो उपकरण का हिस्सा हैं, क्योंकि वे उपयोगकर्ता के व्यवहार के लिए आवश्यकताओं को कम करते हैं।


खतरे के अनुसार, ऊर्जा स्रोतों को तीन वर्गों (खंड 4.2) में विभाजित किया गया है, जिनमें से प्रत्येक के पास उपकरण उपयोगकर्ता के प्रकार के आधार पर सुरक्षा का अपना न्यूनतम स्तर है। औसत उपयोगकर्ता के लिए, यह है:

• बुनियादी सुरक्षा (खतरा वर्ग 2 के लिए) - सामान्य और असामान्य परिचालन स्थितियों में सुरक्षा सुनिश्चित करता है,
• अतिरिक्त सुरक्षा (कक्षा 3 के लिए) - इसका उपयोग मुख्य के अलावा किया जाता है, इसकी खराबी के मामले में सुरक्षा प्रदान करता है,
• प्रबलित संरक्षण (कक्षा 3 के लिए) - सामान्य और असामान्य ऑपरेटिंग परिस्थितियों (उदाहरण के लिए, बिजली आपूर्ति की रिवर्स ध्रुवीयता) में सुरक्षा प्रदान करता है, साथ ही एक भी गलती के मामले में (उदाहरण के लिए, इन्सुलेशन का टूटना)।

कक्षा 1 स्रोतों के लिए, कोई सुरक्षा की अनुमति नहीं है। मानक को न केवल शक्ति स्रोत और उपयोगकर्ता के बीच, बल्कि विभिन्न खतरे वर्गों (मानक के तालिका 12) की विद्युत ऊर्जा के स्रोतों के बीच सुरक्षात्मक इन्सुलेशन की आवश्यकता होती है।

मानक के खंड 5.2 में स्रोतों के वर्गीकरण पर चर्चा की गई है। 60 वी से अधिक के आउटपुट वोल्टेज वाले डीसी स्रोतों को खतरनाक के रूप में परिभाषित किया गया है और इन्सुलेशन (छवि 4) की आवश्यकता होती है। एकल दालों के लिए और 300 एनएफ से अधिक क्षमता वाले कैपेसिटर के लिए समान वोल्टेज का स्तर खतरनाक माना जाता है, जब कैपेसिटेंस कम हो जाता है, तो आवश्यकताएं कम हो जाती हैं (4 एनएफ के लिए यह पहले से ही 1 केवी है, मानक के टेबल 7 देखें)। एसी स्रोतों के लिए, दहलीज 30 वी आरएमएस वोल्टेज है।


यदि इलेक्ट्रॉनिक डिवाइस के संचालन में विद्युत ऊर्जा के वर्ग 2 और 3 स्रोतों का उपयोग किया जाता है, तो इसकी संरचना में शामिल मुद्रित सर्किट बोर्डों के डिजाइन को न्यूनतम निकासी (क्रीपेज) और क्रीप दूरी, सामग्री और उपयोग किए गए घटकों का पालन करना होगा। मुद्रित सर्किट बोर्ड परिशिष्ट G "अवयव" के एक अलग खंड G.18 के लिए समर्पित हैं, जिसमें सामान्य खंड 5.4.2 "निकासी" और 5.4.3 "क्रीप दूरी" के लिंक शामिल हैं।

न्यूनतम मंजूरी और रेंगने वाली दूरी का चयन करते समय, किसी को न केवल वोल्टेज मूल्यों से आगे बढ़ना चाहिए, बल्कि ऑपरेटिंग परिस्थितियों और मरने वाली सामग्री (छवि 5) से भी आगे बढ़ना चाहिए। वायु अंतर का टूटना दबाव से प्रभावित होता है, इसलिए, मानक समुद्र तल से 2000 मीटर (मानक के तालिका 22) से ऊपर के ऊंचाई के लिए बढ़ते कारकों का परिचय देता है। इसके अलावा, कामकाजी वातावरण के संदूषण के तीन डिग्री निर्धारित किए जाते हैं। संदूषण की डिग्री जितनी अधिक होगी, कंडक्टरों के बीच की दूरी उतनी अधिक होनी चाहिए।

एक अन्य पैरामीटर जो न्यूनतम रिसाव पथ के मूल्य को प्रभावित करता है वह सतह पर टूटने के प्रतिरोध के संदर्भ में सामग्री का समूह है। आईईसी 60112 मानक सशर्त सीटीआई सूचकांक (अंग्रेजी तुलनात्मक ट्रैकिंग सूचकांक) के मूल्य के आधार पर ढांकता हुआ सामग्री को 4 समूहों में विभाजित करता है। CTI का मान जितना अधिक होगा, टूटने का प्रतिरोध उतना ही अधिक होगा और न्यूनतम रिसाव पथ के मान स्वीकार्य होंगे, ceteris paribus। सीटीआई ~ 175 ... 200 के साथ मानक फाइबरग्लास FR4 समूह IIIb की सीमा पर स्थित है, जो कि प्रदूषण डिग्री 3 और 630 V से अधिक के आरएमएस वोल्टेज मूल्यों के साथ उपयोग करने के लिए अनुशंसित नहीं है।


न्यूनतम मंजूरी और रेंगने वाली दूरी की पसंद को प्रभावित करने वाले पैरामीटर निर्धारित किए जाने के बाद, मान स्वयं मानक के 17-19, 23, G.12 का उपयोग करके निर्धारित किए जाते हैं। सभी कंडक्टरों के लिए इन न्यूनतम दूरी को बनाए रखा जाना चाहिए यदि उनके बीच एक उपयुक्त वोल्टेज है: प्राथमिक सर्किट में, प्राथमिक और माध्यमिक सर्किट के बीच, साथ ही साथ माध्यमिक सर्किट में। तालिका 1 मुद्रित सर्किट बोर्डों के लिए न्यूनतम मंजूरी और रेंगने की दूरी को दर्शाता है जो प्रदूषण डिग्री 2 की स्थितियों में 220 वी मेन वोल्टेज श्रेणी II द्वारा संचालित उपकरणों का हिस्सा हैं।


बाहरी परतों के लिए, मान कोटिंग की उपस्थिति पर निर्भर करते हैं, हालांकि, यह ध्यान में रखना चाहिए कि मानक मुखौटा एक विशेष इन्सुलेट कोटिंग नहीं है और अंतराल के लिए कम आवश्यकताओं को लागू करने की संभावना प्रदान नहीं करता है। मास्क में एक असमान मोटाई होती है और इसमें गुहा और दरारें हो सकती हैं जो इस तरह के इन्सुलेशन की विश्वसनीयता को कम करती हैं।

भीतरी परतों के लिए, आसन्न परतों पर कंडक्टरों के लिए न्यूनतम अंतर ठोस (अंग्रेजी ठोस इन्सुलेशन) एकल-परत इन्सुलेशन के लिए 0.4 मिमी है, और एक परत पर कंडक्टरों के लिए इन्सुलेशन को एक बंधित संयुक्त (अंग्रेजी सीमेंटेड संयुक्त) माना जाता है। मानक के अनुसार, इस तरह के इन्सुलेशन के लिए प्रदूषण की डिग्री 2 के लिए न्यूनतम मंजूरी और रेंगने वाली दूरी के मान, प्रदूषण के लिए डिग्री 1 या 0.4 मिमी के निरंतर इन्सुलेशन के लिए एक अंतर का उपयोग किया जा सकता है। इसके अलावा, पिछले दो मामलों में, मानक को थर्मल साइकलिंग और इलेक्ट्रिक शक्ति परीक्षण सहित परीक्षण की आवश्यकता होती है। तथ्य यह है कि एक संभावना है (और विश्वसनीय अनुप्रयोगों के लिए इसे ध्यान में रखा जाना चाहिए) कि एक अंतर थर्मल, यांत्रिक भार या समय के साथ-साथ मुद्रित सर्किट बोर्ड के आसन्न परतों के अलगाव के परिणामस्वरूप उत्पन्न होगा। और फिर उच्च वोल्टेज इन्सुलेशन प्रदान करने के लिए 0.4 मिमी की दूरी पर्याप्त नहीं हो सकती है।

यह ध्यान देने योग्य है कि ज्यादातर मामलों में परतों के बीच इन्सुलेशन के माध्यम से दूरी के लिए आवश्यकता न्यूनतम होती है, इसलिए मुद्रित सर्किट बोर्डों को सीमित आकार के साथ डिजाइन करने के लिए रणनीतियों में से एक अछूता कंडक्टर और घटकों को अलग-अलग परतों में अलग करना है।

मुद्रित सर्किट बोर्ड की टोपोलॉजी डिजाइन करते समय मानक द्वारा आवश्यक दूरी का अवलोकन अपर्याप्त हो सकता है, क्योंकि उत्पाद के घटकों और संरचनात्मक तत्वों की उपस्थिति कार्य को तीन आयामी बनाती है। इसलिए, घटकों के 3 डी-मॉडल और उत्पाद की सामान्य विधानसभा का उपयोग खतरनाक वोल्टेज स्तरों वाले उत्पादों के डिजाइन के लिए एक शर्त है।

मानक द्वारा आवश्यक न्यूनतम दूरी को सभी दिशाओं में बनाए रखना चाहिए, मुद्रित सर्किट बोर्ड पर घटकों की उपस्थिति, साथ ही उत्पाद के संरचनात्मक तत्वों को ध्यान में रखना चाहिए।

न्यूनतम दूरी के लिए आवश्यकताओं को पूरा करने के अलावा, उच्च-वोल्टेज अनुप्रयोगों के लिए मुद्रित सर्किट बोर्ड विकसित करते समय, प्रवाहकीय परतों (छवि 6) की ज्यामिति में तेज कोनों से बचने की सिफारिश की जाती है, क्योंकि वे विद्युत क्षेत्र की ताकत के सांद्रक होते हैं।


EMC के दृष्टिकोण से, अलगाव अवरोध रिटर्न करंट के मार्ग में एक अंतर है, जो विशेष उपायों के बिना विकिरण के बढ़े हुए स्तर की ओर जाता है, विशेषकर पृथक विद्युत स्रोतों के मामले में। समर्थन परत में असंतोष के मामले में, कैपेसिटर का उपयोग इन्सुलेशन बाधा के माध्यम से वापसी धाराओं के मार्ग को सुनिश्चित करने के लिए किया जाता है। असतत कैपेसिटर की आवश्यकताएं और उनके आवेदन के उदाहरण मानक के "घटक" परिशिष्ट जी "खंड" में वर्णित हैं। खतरनाक वोल्टेज स्तरों के अलगाव में, केवल क्लास Y कैपेसिटर का उपयोग किया जाता है, जिसमें से विफलता एक खुले सर्किट की ओर जाती है: 220 V AC वोल्टेज क्लास II के लिए, यह सबक्लास Y1 का एक कैपेसिटर है और सबक्लाइड Y2 के दो श्रृंखला-जुड़े कैपेसिटर। ऐसे कैपेसिटर की सुरक्षा की गारंटी निर्माता द्वारा दी जाती है, हालांकि, कनेक्शन के परजीवी इंडक्शन और स्थानीयकृत स्थान 100 मेगाहर्टज से ऊपर की आवृत्तियों पर उनकी प्रभावशीलता को सीमित करते हैं। सर्किट बोर्ड में निर्मित क्षमता, आंतरिक परतों पर दो अतिव्यापी पॉलीगनों के बीच वितरित की जाती है, इसबैक (चित्र 7) से वंचित है।


यह समझना महत्वपूर्ण है कि कंडक्टरों के बीच न्यूनतम दूरी के संदर्भ में मानक की सिफारिशों का पूर्ण अनुपालन विद्युत सुरक्षा की गारंटी नहीं देता है। केवल विद्युत शक्ति के लिए इन्सुलेशन परीक्षणों के परिणाम (मानक का खंड 5.4.11) मुद्रित सर्किट बोर्ड टोपोलॉजी, सामग्री और उपयोग किए गए घटकों, उत्पाद डिजाइन और विशिष्ट अनुप्रयोग स्थितियों के लिए सुरक्षा आवश्यकताओं के लिए इसकी विनिर्माण प्रौद्योगिकी की अनुरूपता की पुष्टि कर सकते हैं।

इस और पिछले प्रकाशन के विस्तारित और अधिक विस्तृत संस्करणों को पुस्तक के पूर्ण संस्करण की नई रिलीज में शामिल किया गया है। फीडबैक (सकारात्मक और नकारात्मक दोनों) सहित #SamsPcbGuide परियोजना विकसित हो रही है, इसलिए मैं रचनात्मक आलोचना के लिए आभारी रहूंगा। सभी को शुभकामनाएँ, लोग (सुरक्षा अच्छे भाग्य पर निर्भर नहीं करते हैं, सब कुछ मानकों द्वारा सख्ती से है)!