Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko
Avtor: Izr. prof. dr. Marko Jankovec
V prejšnjih dveh prispevkih smo spoznali vrste izolacije in parametre, ki vplivajo na njeno dimenzioniranje: nazivno napetost, prenapetostno kategorijo in iz nje določeno nazivno impulzno napetost, stopnjo onesnaženja in nadmorsko višino.
Nato smo se lotili konkretnih razdalj med prevodnimi deli na tiskanem vezju po standardih IPC-2221 [1] in IEC 60664-1 [2]. Pri slednjem smo se zaenkrat ustavili pri zračnih razdaljah. Tokrat bomo šli korak naprej in se podrobneje lotili plazilnih razdalj.
Pri zračni razdalji smo ugotovili, da mora biti razdalja med prevodnima deloma dovolj velika, da električno polje v zraku ne povzroči preboja. Pri plazilni razdalji pa je mehanizem nekoliko drugačen. Med prevodnima deloma je površina izolacijskega materiala, po kateri lahko zaradi vlage in nečistoč steče majhen površinski tok. Ta sam po sebi še ne pomeni odpovedi izolacije, lahko pa povzroči lokalno segrevanje in sušenje površine ter nastanek suhih področij z večjo električno upornostjo. Na teh mestih se poveča električna poljska jakost in lahko pride do majhnih površinskih razelektritev. Ponavljajoče se razelektritve lahko postopoma poškodujejo izolacijski material in predvsem pri organskih materialih povzročijo njegovo karbonizacijo. Na površini začne nastajati trajna prevodna pot, po kateri lahko steče vedno večji tok. Proces imenujemo nastajanje prevodnih poti (ang. tracking), končno odpoved izolacije pa površinski preboj (tracking failure). Kako hitro bo do tega prišlo, ni odvisno samo od napetosti in razdalje med prevodnikoma, temveč v veliki meri tudi od onesnaženosti površine in lastnosti samega izolacijskega materiala.
In tukaj postane pomembna stopnja onesnaženja (pollution degree), ki smo jo spoznali že v prvem delu prispevka. Večja stopnja onesnaženja pomeni večjo verjetnost, da bo površina izolatorja postala prevodna, zato standard IEC 60664-1 zahteva tudi večjo plazilno razdaljo. Za razliko od zračne razdalje pa pri plazilni razdalji potrebujemo še en podatek in sicer primerjalni indeks odpornosti proti nastajanju prevodnih poti CTI (Comparative Tracking Index).
Primerjalni indeks CTI
Primerjalni indeks CTI se določa s standardiziranim preskusom, pri katerem sta na površino vzorca izolacijskega materiala nameščeni elektrodi, med kateri je priključena določena napetost. Med elektrodi se v predpisanih intervalih nanašajo kapljice prevodne raztopine, ob tem se spremlja, ali na površini nastane trajna prevodna pot.
Vrednost CTI je povezana z najvišjo preskusno napetostjo v voltih, pri kateri material prestane predpisani preskus s 50 kapljicami elektrolita. Gre za rezultat standardiziranega primerjalnega preskusa materiala, zato na primer CTI 400 ne pomeni, da lahko izolator v napravi trajno obratuje pri 400 V. Pri materialih z višjim CTI za enake električne in okoljske pogoje praviloma uporabimo manjšo plazilno razdaljo. Standard IEC 60664-1 izolacijske materiale razdeli glede na CTI v štiri materialne skupine, predstavljene v tabeli 1. Pri načrtovanju tiskanega vezja ni dovolj poznati zgolj materiala, na primer FR-4, saj oznaka FR-4 sama po sebi še ne določa njegovega CTI. CTI različnih FR-4 laminatov se lahko razlikuje in za varnostno dimenzioniranje je treba podatek poiskati v tehničnih podatkih konkretnega laminata oziroma ga določiti z ustreznim preskusom.
Kako določimo plazilno razdaljo?
Postopek določanja plazilne razdalje je nekoliko drugačen od določanja zračne razdalje. Pri zračni razdalji so bili ključni nazivna impulzna napetost , ki izhaja iz napetosti napajalnega sistema in prenapetostne kategorije, nadmorska višina in stopnja onesnaženja okolja. Pri določanju plazilne razdalje pa izhajamo iz delovne napetosti izolacije (working voltage), stopnje onesnaženja in materialne skupine glede na CTI.
Za razliko od zračne razdalje, kjer so odločilne predvsem kratkotrajne prenapetostne obremenitve, je pri plazilni razdalji pomembna dolgotrajna napetostna obremenitev površine izolatorja. Zato kot osnovo za njeno določanje uporabljamo efektivno vrednost delovne napetosti (RMS working voltage) med prevodnima deloma. Pri sinusni izmenični napetosti tako uporabimo njeno efektivno in ne vršne vrednosti. Tabela F.5 standarda IEC 60664-1 zato podaja zahtevane plazilne razdalje neposredno glede na efektivno vrednost napetosti.
Pri enosmerni ali čisti izmenični napetosti je določitev enostavna, nekoliko več pozornosti zahtevajo napetosti, sestavljene iz enosmerne in izmenične komponente in pa nesinusne periodične napetosti. Tudi v teh primerih je za določanje plazilne razdalje pomembna efektivna vrednost celotne napetosti, ki dejansko nastopa na izolaciji, ne zgolj njena izmenična komponenta ali vršna vrednost.
Ko poznamo delovno napetost, potrebujemo še stopnjo onesnaženja in materialno skupino izolatorja glede na CTI. Iz teh treh podatkov lahko po tabeli F.5 standarda IEC 60664-1 določimo minimalno plazilno razdaljo. Za tiskana vezja pri stopnji onesnaženja PD2 standard podaja posebne, zmanjšane plazilne razdalje, ki veljajo za materialne skupine I, II in IIIa. Tako za tiskano vezje iz materialne skupine IIIa z delovno napetostjo 230 V pri stopnji onesnaženja PD2 iz tabele dobimo plazilno razdaljo 1 mm. Ker pa plazilna razdalja ne sme biti manjša od zahtevane zračne razdalje, moramo v našem primeru upoštevati najmanj 1,5 mm, kolikor smo za osnovno izolacijo določili že v prejšnjem prispevku. Če pa bi uporabili material iz skupine IIIb ali podatek o CTI materiala tiskanega vezja ne bi bil znan, bi morali plazilno razdaljo določiti po splošnih zahtevah za materialno skupino III. V našem primeru bi ta znašala 2,5 mm.
Kaj pa, če je za napravo zahtevana ojačena izolacija? Pri določanju zračne razdalje moramo za ojačeno izolacijo uporabiti naslednjo višjo vrednost nazivne impulzne napetosti iz tabele, zato zahtevana zračna razdalja ni nujno dvakrat večja od razdalje za osnovno izolacijo. Pri plazilni razdalji pa velja enostavnejše pravilo: za ojačeno izolacijo je zahtevana dvakratna plazilna razdalja osnovne izolacije.
Tehnike povečanja plazilne razdalje na tiskanih vezjih
V praksi pogosto naletimo na primer, ko zahtevane plazilne razdalje zaradi omejenih dimenzij tiskanega vezja ne moremo zagotoviti zgolj z večjim razmikom med povezavami. Eden od načinov za povečanje plazilne razdalje je izdelava reže oziroma utora med prevodnima deloma. Vendar standard IEC 60664-1 določa minimalno širino utora, da se ta pri določanju plazilne poti sploh lahko upošteva. Ta znaša 0,25 mm pri PD1, 1 mm pri PD2 in 1,5 mm pri PD3. Če je zahtevana zračna razdalja manjša od 3 mm, se lahko vrednost minimalne širine reže zmanjša na eno tretjino zahtevane zračne razdalje. Če je utor ožji od minimalne vrednosti, se pri določanju plazilne razdalje njegova notranjost ne upošteva, temveč se pot meri neposredno čez utor. Pri dovolj širokem utoru pa plazilna pot sledi njegovemu obrisu, s čimer lahko zahtevano plazilno razdaljo dosežemo na bistveno manjši površini tiskanega vezja.
Vpliv oblike utora oziroma reže na določanje plazilne razdalje je prikazan na sliki 1. Ozek utor, katerega širina je manjša od predpisane minimalne širine, se pri določanju plazilne razdalje ne upošteva, zato se razdalja meri neposredno preko njega (a). Če je utor dovolj širok, plazilna pot sledi njegovemu profilu z upoštevanjem minimalne razdalje in se tako podaljša (b in c). Podoben učinek lahko na tiskanem vezju dosežemo z režo skozi celotno debelino ploščice (d), kar lahko plazilno razdaljo znatno poveča tudi pri majhni neposredni razdalji med prevodnikoma.
Pri uporabi rež je treba paziti tudi na dejansko lego prevodnih delov. Reža sama po sebi še ne zagotavlja zahtevane izolacijske razdalje, če se ji na notranjih plasteh približujejo bakrene površine ali če so njeni robovi metalizirani. Pri načrtovanju je zato smiselno določiti izolacijsko območje, iz katerega odstranimo baker na vseh relevantnih plasteh, ter preveriti končno geometrijo izdelanega in sestavljenega vezja.
Pri preverjanju plazilnih razdalj ne smemo pozabiti, da tiskano vezje ni edini del izolacijske poti. Zahtevane razdalje morajo biti zagotovljene tudi med spajkalnimi otoki in priključki ter po površini samih komponent, kot so transformatorji, optosklopniki, releji in konektorji. Tipičen primer je optosklopnik, nameščen nad izolacijsko režo v tiskanem vezju. Reža podaljša plazilno pot po površini tiskanega vezja, vendar med primarno in sekundarno stranjo še vedno obstaja pot po površini ohišja optosklopnika. Ker je to izdelano iz drugega izolacijskega materiala, se pri določanju te plazilne razdalje upoštevajo njegove lastnosti, vključno s CTI. Optosklopniki, namenjeni zagotavljanju varnostne izolacije, morajo zato imeti ustrezno razporeditev priključkov, zadostne zunanje zračne in plazilne razdalje ter seveda ohišje iz ustreznega materiala z dovolj visokim CTI.
V tem prispevku smo obdelali glavne aspekte določitve plazilne razdalje. Skupaj z zračno razdaljo moramo obe preveriti na celotni izolacijski poti, pri čemer si lahko pri prostorsko omejenih vezjih pomagamo tudi z ustrezno oblikovani utori in režami. Vendar s tem še nismo zajeli vseh možnih izvedb izolacij. Med dvema prevodnima deloma lahko izolacijska pot poteka tudi neposredno skozi trdni izolacijski material. V naslednjem prispevku si bomo zato ogledali še tretjo značilno razdaljo, to je razdaljo skozi izolacijo (DTI) in vse posebnosti njenega dimenzioniranja, ki ga pa ne moremo določiti zgolj z odčitavanjem zahtevanih razdalj iz tabel.
Literatura:
[1] »IPC 2221C-2023 – Generic Standard on Printed Board Design«. Pridobljeno: 18. september 2026. [Na spletu]. Dostopno na: https://webstore.ansi.org/standards/ipc/ipc2221c2023?srsltid=AU7gw4VfAy-DhIc7zrYt0oSDYkYIZICAQXAud-O6G6xQFMYEdFlS2Dtw
[2] »IEC 60664-1:2020 | IEC«. Pridobljeno: 10. julij 2026. [Na spletu]. Dostopno na: https://webstore.iec.ch/en/publication/59671
