Artikel ini melanjutkan pertimbangan
topik yang diangkat oleh
@olartamonov , yaitu keamanan dalam aplikasi tegangan tinggi. Artikel ini akan membahas dasar fisik dari kerusakan dielektrik, serta standar keamanan baru.
Persyaratan keamanan berlaku untuk peralatan elektronik apa pun, meskipun faktanya itu overhead dalam hal operasi produk. Mereka memerlukan penggunaan solusi sirkuit tambahan dan komponen elektronik, memperumit topologi papan sirkuit cetak, meningkatkan parameter massa-keseluruhan produk, volume pengujian dan, dengan demikian, biaya dan waktu untuk memasarkan. Hanya fungsionalitas yang dapat dibatasi hanya ketika mengembangkan prototipe atau prototipe perangkat. Sayangnya, saat ini, dalam kondisi kesederhanaan menjangkau pelanggan (pusat sertifikasi masa lalu), mengurangi biaya dan menghemat pengujian, produk elektronik kehilangan tidak hanya keandalan, tetapi juga keamanan.
Dasar-dasar teori gangguan listrik pada gas dan padatan
Setiap dielektrik memiliki kekuatan listrik - pada kekuatan medan listrik tertentu, kerusakan terjadi. Dalam gas, tegangan tembus elektroda bola pada temperatur dan nilai tekanan rata-rata dijelaskan oleh hukum Paschen:
di mana p adalah tekanan, a dan b adalah konstanta eksperimental tergantung pada gas. Dalam gbr. Gambar 1 menunjukkan kurva Paschen untuk udara kering dengan kelembaban relatif 60% pada suhu 20 ° C. Perhatikan bahwa kurva Paschen memiliki nilai minimum. Peningkatan tekanan mengarah pada peningkatan kepadatan dan peningkatan kemungkinan tabrakan, tetapi mengurangi jalur bebas rata-rata dan, akibatnya, energi partikel. Hal ini menyebabkan peningkatan tegangan tembus pada daerah tekanan tinggi, di sisi kanan grafik. Pada nilai rendah, mekanisme kerusakan tergantung pada rasio jalur bebas rata-rata dan jarak antara elektroda. Kekuatan listrik udara pada tekanan atmosfer normal adalah 3,1 kV / mm dan berkurang dengan meningkatnya suhu dan penurunan tekanan. Sebagai perkiraan konservatif, ketika merancang isolasi listrik, nilai 1-1,5 kV / mm biasanya diambil.
Untuk dielektrik padat, konsep kekuatan listrik intrinsik diperkenalkan - nilai minimum dari kekuatan medan listrik dalam bahan homogen di mana elektron bebas atau valensi memperoleh energi yang cukup sehingga ketika mereka bertabrakan dengan atom atau elektron terikat, elektron konduksi baru terbentuk, yang mengarah pada kehancuran. Nilai ini tergantung pada suhu, untuk beberapa bahan dapat mencapai beberapa MV / mm dan merupakan batas teoritis kekuatan listrik. Dalam praktiknya, kerusakan terjadi pada nilai yang jauh lebih rendah dari kekuatan medan listrik. Alasan utama untuk ini adalah:
- heterogenitas material (kerusakan mikro mekanis, kontaminasi dan rongga di dalam material, kerusakan pada kisi atom ketika terpapar radiasi, perubahan sifat sebagai akibat dari reaksi kimia);
- adanya jalur bypass kerusakan, paling sering di sepanjang batas material (kontaminasi permukaan, kelembaban di permukaan dan di lapisan batas), di sepanjang retakan;
- penuaan material dari waktu ke waktu - akumulasi efek ini, termasuk dalam kondisi suhu tinggi.
Ketidakhomogenan terdaftar dalam sebagian besar bahan bertindak sebagai konsentrator dari medan listrik, yang menyebabkan kerusakan sebagian (Gbr. 2). Sebagai hasil dari gangguan tersebut, bahan dielektrik secara bertahap dihancurkan, yang dapat menyebabkan kerusakan total.
Kehadiran kelembaban atau kontaminasi pada permukaan dapat menyebabkan pembentukan saluran konduktif, yang bahkan dengan konduktivitas yang lemah membuat permukaan ekuipotensial, mengurangi kesenjangan aktual antara elektroda dan dengan demikian menyebabkan kerusakan.
Seluruh fenomena fisik kompleks yang kompleks, termasuk komponen probabilistik dan tergantung pada sejumlah besar faktor eksternal, menyebabkan kerusakan listrik pada bahan dielektrik. Oleh karena itu, model analitik dan perhitungan hanya dapat dibangun untuk kasus yang paling sederhana. Dalam praktiknya, desain harus dipandu oleh persyaratan standar, melakukan pengujian isolasi di bawah kondisi yang dekat dengan kondisi operasi aktual, dan jika mungkin, meletakkan margin keselamatan isolasi. Memahami dasar teoretis dari mekanisme gangguan listrik memungkinkan Anda membuat keputusan dalam menghadapi kompromi dengan rekomendasi standar.
Standar keamanan baru
Setiap kelompok perangkat elektronik memiliki standar keamanan listriknya sendiri. Standar keselamatan saat ini adalah
62368-1 , yang menggantikan dan menggabungkan standar usang 60950-1 dan 60065. Standar, tidak seperti pendahulunya, sangat sistemik dan terstruktur dan direkomendasikan untuk studi. Juga, rekomendasi untuk isolasi galvanik ditentukan dalam standar IPC: dalam standar umum untuk desain papan sirkuit cetak IPC2221 dan dalam standar untuk konverter tegangan IPC9592.
Model dasar sistem aman di 62368-1 terlihat sangat sederhana (Gbr. 3). Secara umum, mekanisme perlindungan terhadap transfer energi (listrik, kimia, kinetik, termal, dll.) Yang dapat menyebabkan rasa sakit atau menyebabkan cedera termasuk:
- pelemahan tingkat atau kecepatan transfer energi;
- redirection energi;
- shutdown sumber daya;
- menciptakan penghalang antara sumber energi dan pengguna.
Pada saat yang sama, perlindungan dalam standar dipahami tidak hanya sebagai teknis (termasuk cara perlindungan pengguna perorangan), tetapi juga tindakan organisasi. Prioritas tertinggi dari sudut pandang keselamatan adalah cara teknis yang merupakan bagian dari peralatan, karena mereka meminimalkan persyaratan untuk perilaku pengguna.
Menurut bahayanya, sumber energi dibagi menjadi tiga kelas (bagian 4.2), yang masing-masing memiliki tingkat perlindungan minimum sendiri, tergantung pada jenis pengguna peralatan. Untuk pengguna biasa, ini adalah:
- perlindungan dasar (untuk kelas bahaya 2) - memastikan keamanan dalam kondisi operasi normal dan abnormal,
- perlindungan tambahan (untuk kelas 3) - digunakan selain yang utama, memberikan perlindungan jika terjadi kerusakan,
- peningkatan perlindungan (untuk kelas 3) - memastikan keamanan dalam kondisi operasi normal dan abnormal (misalnya, polaritas terbalik catu daya), serta dalam hal terjadi kesalahan tunggal (misalnya, kerusakan isolasi).
Untuk sumber-sumber Kelas 1, tidak ada perlindungan yang diizinkan. Standar ini membutuhkan isolasi pelindung tidak hanya antara sumber daya dan pengguna, tetapi juga antara sumber energi listrik dari berbagai kelas bahaya (tabel 12 dari standar).
Klasifikasi sumber dibahas dalam bagian 5.2 dari standar. Sumber DC dengan tegangan keluaran lebih dari 60 V didefinisikan sebagai berbahaya dan memerlukan isolasi (Gbr. 4). Level tegangan yang sama dianggap berbahaya untuk pulsa tunggal dan untuk kapasitor dengan kapasitas lebih dari 300 nF, ketika kapasitansi menurun, persyaratan berkurang (untuk 4 nF ini sudah 1 kV, lihat tabel 7 dari standar). Untuk sumber AC, ambangnya adalah tegangan 30 V rms.
Jika sumber energi listrik kelas 2 dan 3 digunakan dalam pengoperasian perangkat elektronik, maka desain papan sirkuit tercetak yang termasuk dalam komposisinya harus mematuhi jarak minimum (rambat) dan jarak rambat, bahan dan komponen yang digunakan. Papan sirkuit tercetak didedikasikan untuk bagian terpisah G.18 dari Lampiran G "Komponen", yang berisi tautan ke bagian umum 5.4.2 "Jarak bebas" dan 5.4.3 "Jarak rambat".
Saat memilih jarak minimum dan jarak rambat, seseorang harus memproses tidak hanya dari nilai voltase, tetapi juga dari kondisi pengoperasian dan bahan dielektrik (Gbr. 5). Kerusakan celah udara dipengaruhi oleh tekanan, oleh karena itu, standar tersebut memperkenalkan faktor-faktor yang meningkat untuk ketinggian di atas 2000 m di atas permukaan laut (tabel 22 dari standar). Selain itu, tiga derajat kontaminasi pada lingkungan kerja ditentukan. Semakin tinggi tingkat kontaminasi, semakin besar jarak antara konduktor harus dipastikan.
Parameter lain yang mempengaruhi nilai jalur kebocoran minimum adalah kelompok material dalam hal ketahanan terhadap kerusakan di permukaan. Standar IEC 60112 membagi bahan dielektrik menjadi 4 kelompok tergantung pada nilai indeks CTI bersyarat (Indeks Pelacakan Komparatif Bahasa Inggris). Semakin tinggi nilai CTI, semakin tinggi resistensi breakdown dan semakin rendah nilai jalur kebocoran minimum dapat diterima, ceteris paribus. Fiberglass standar FR4 dengan CTI ~ 175 ... 200 terletak di perbatasan kelompok IIIb, yang tidak direkomendasikan untuk digunakan dengan tingkat polusi 3 dan pada nilai tegangan rms lebih dari 630 V.
Setelah parameter yang mempengaruhi pilihan jarak minimum dan jarak rambat ditentukan, nilai-nilai itu sendiri ditentukan menggunakan tabel 17-19, 23, G.12 dari standar. Jarak minimum ini harus dipertahankan untuk semua konduktor jika ada tegangan yang sesuai di antara mereka: di sirkuit primer, antara sirkuit primer dan sekunder, serta di sirkuit sekunder. Tabel 1 menunjukkan nilai jarak minimum dan jarak rambat untuk papan sirkuit tercetak yang merupakan bagian dari perangkat yang ditenagai oleh 220 V tegangan listrik kategori II dalam kondisi tingkat polusi 2.
Untuk lapisan eksternal, nilainya tergantung pada keberadaan lapisan, namun, harus diingat bahwa topeng standar bukan lapisan isolasi khusus dan tidak memberikan kemungkinan untuk menerapkan pengurangan persyaratan untuk celah. Topeng memiliki ketebalan yang tidak rata dan mungkin mengandung rongga dan celah yang mengurangi keandalan isolasi tersebut.
Sedangkan untuk lapisan dalam, celah minimum untuk konduktor pada lapisan yang berdekatan adalah 0,4 mm untuk isolasi single-layer solid (English solid), dan untuk konduktor pada satu lapisan insulasi dianggap sebagai sambungan berikat (English cemented joint). Menurut standar, untuk insulasi seperti itu nilai jarak bebas minimum dan jarak rambat untuk derajat polusi 2, untuk derajat polusi 1 atau celah untuk isolasi kontinu 0,4 mm dapat digunakan. Selain itu, dalam dua kasus terakhir, standar membutuhkan pengujian, termasuk siklus termal dan uji kekuatan listrik. Faktanya adalah bahwa ada kemungkinan (dan untuk aplikasi yang dapat diandalkan harus diperhitungkan) bahwa celah akan muncul sebagai akibat dari tekanan termal, mekanis atau dari waktu ke waktu sepanjang pemisahan lapisan yang berdekatan dari papan sirkuit cetak. Dan kemudian jarak 0,4 mm mungkin tidak cukup untuk menyediakan isolasi tegangan tinggi.
Perlu dicatat bahwa dalam kebanyakan kasus persyaratan untuk jarak melalui isolasi antara lapisan minimal, oleh karena itu salah satu strategi untuk merancang papan sirkuit cetak dengan ukuran terbatas adalah untuk memisahkan konduktor dan komponen terisolasi ke dalam lapisan yang berbeda.
Ketaatan terhadap jarak yang diperlukan oleh standar saat mendesain topologi papan sirkuit tercetak mungkin tidak memadai, karena keberadaan komponen dan elemen struktural produk membuat tugas menjadi tiga dimensi. Oleh karena itu, penggunaan komponen model 3D dan perakitan umum produk adalah prasyarat untuk desain produk dengan tingkat tegangan berbahaya.
Jarak minimum yang diperlukan oleh standar harus dipertahankan di semua arah, dengan mempertimbangkan keberadaan komponen pada papan sirkuit tercetak, serta elemen struktural produk.
Selain memenuhi persyaratan untuk jarak minimum, ketika mengembangkan papan sirkuit cetak untuk aplikasi tegangan tinggi, disarankan untuk menghindari sudut tajam dalam geometri lapisan konduktif (Gbr. 6), karena mereka adalah konsentrator kekuatan medan listrik.
Dari sudut pandang EMC, penghalang isolasi adalah celah di jalur arus balik, yang, tanpa langkah-langkah khusus, mengarah ke peningkatan tingkat radiasi, terutama dalam kasus sumber daya yang terisolasi. Seperti dalam kasus diskontinuitas pada lapisan pendukung, kapasitor digunakan untuk memastikan jalur arus balik melalui penghalang isolasi. Persyaratan untuk kapasitor diskrit dan contoh aplikasinya diuraikan dalam bagian G.15 pada Lampiran G “Komponen” standar. Dalam isolasi level tegangan berbahaya, hanya kapasitor kelas Y yang digunakan, kegagalan yang mengarah ke sirkuit terbuka: untuk 220 V AC tegangan kelas II, ini adalah satu kapasitor dari subkelas Y1 atau dua kapasitor yang terhubung seri dari subkelas Y2. Keamanan kapasitor tersebut dijamin oleh pabrikan, namun induktansi parasit dari koneksi dan lokasi yang terlokalisasi membatasi efektivitasnya pada frekuensi di atas 100 MHz. Kapasitas yang dibangun ke dalam papan sirkuit, didistribusikan antara dua poligon yang tumpang tindih pada lapisan dalam, dirampas dari kekurangan ini (Gbr. 7).
Penting untuk dipahami bahwa kepatuhan penuh terhadap rekomendasi standar dalam hal jarak minimum antar konduktor tidak menjamin keamanan listrik. Hanya hasil uji insulasi untuk kekuatan listrik (bagian 5.4.11 dari standar) yang dapat mengkonfirmasi kesesuaian topologi papan sirkuit cetak, bahan dan komponen yang digunakan, desain produk dan teknologi pabrikannya terhadap persyaratan keselamatan untuk kondisi aplikasi spesifik.
Versi yang lebih luas dan lebih rinci dari ini dan publikasi sebelumnya termasuk dalam rilis baru dari versi lengkap buku ini . Proyek #SamsPcbGuide sedang berkembang, termasuk melalui umpan balik (baik positif maupun negatif), jadi saya akan berterima kasih atas kritik yang membangun. Semoga beruntung untuk semua orang, orang-orang (janganlah keselamatan bergantung pada keberuntungan, semuanya secara ketat menurut standar)!