Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko
Avtor: Izr. prof. dr. Marko Jankovec
V prejšnjem prispevku smo spoznali osnovne koncepte električne varnosti ter definirali različne vrste izolacije, prenapetostne kategorije in stopnje onesnaženja. Tokrat si bomo ogledali, kako te podatke uporabimo pri praktičnem načrtovanju elektronske naprave.
Pri načrtovanju tiskanega vezja namreč ni dovolj, da med dvema potencialoma po občutku pustimo nekaj prostora. Kako torej določimo ustrezno razdaljo med dvema prevodnima deloma naprave, na primer med faznim in nevtralnim vodnikom, med primarno in sekundarno stranjo napajalnika ali med omrežnim delom vezja in ozemljenim ohišjem?
Pri običajnem načrtovanju tiskanih vezij se pogosto uporabljajo priporočila standarda IPC-2221[1], ki je generični standard za načrtovanje tiskanih vezij in določa splošna pravila, uporabljena skupaj z bolj specifičnimi standardi družine IPC-222x, na primer IPC-2222 za toga tiskana vezja ali IPC-2223 za delno ali polno fleksibilna vezja. Minimalna razdalja med dvema prevodnikoma je pri tem odvisna predvsem od največje napetosti med njima ter od načina izvedbe in zaščite prevodnikov. Različne zahteve veljajo za povezave na tiskanem vezju (B1–B4) in izpostavljene prevodne dele komponent (A5–A7), kot je prikazano na sliki 1. Standard ločeno obravnava povezave v notranjih plasteh večslojnega tiskanega vezja (B1), nezaščitene povezave na zunanjih površinah do in nad 3000 metri nadmorske višine (B2/B3), povezave, zaščitene s spajkalno kritino (B4), povezave, prekrite s trajno konformno zaščito (A5), ter priključke komponent brez zaščite (A6) ali prekrite s trajno konformno zaščito (A7).
Pri primerjavi vrednosti v tabeli 1 hitro opazimo precej zanimivosti. Najmanjše razdalje so dovoljene med povezavami v notranjih plasteh večslojnega tiskanega vezja (B1), saj so te popolnoma obdane z izolacijskim materialom in niso izpostavljene vplivom okolice. Pri napetostih med 301 in 500 V je tako zahtevana razdalja med notranjimi povezavami le 0,25 mm, medtem ko mora biti med nezaščitenimi povezavami na površini vezja (B2) najmanj 2,5 mm. Razlika je torej kar desetkratna.
Posebnost tabele je tudi območje nad 500 V. Tu standard ne podaja več posameznih napetostnih razredov, temveč določa, za koliko moramo razdaljo povečati za vsak dodatni volt nad 500 V. Za nezaščitene zunanje povezave B2 je ta prirastek 0,005 mm/V. Pri 600 V je tako zahtevana razdalja za nezaščitene zunanje bakrene povezave enaka.
Pri uporabi tabele je pomembno tudi, da kot napetost med prevodnikoma, pri izmenični napetosti uporabimo vršno in ne efektivne vrednosti. Omrežna napetost 230 V RMS ima na primer vršno vrednost približno 325 V, zato pri uporabi tabele 6-1 pade v območje 301–500 V.
Precej lahko pridobimo tudi z zaščito prevodnih povezav. Za povezave, zaščitene s spajkalno kritino (B4), so dovoljene precej manjše razdalje kot za nezaščitene povezave B2. Pri napetostih med 301 in 500 V se na primer zahtevana razdalja zmanjša z 2,5 na 0,8 mm. Pri tem pa moramo biti pozorni, da spajkalna kritina ščiti predvsem bakrene povezave na tiskanem vezju, ne pa nujno tudi spajkalnih spojev in priključkov komponent. Zato spajkalna kritina še ne pomeni, da je zaščiteno celotno sestavljeno vezje. Za nezaščitene priključke komponent je treba upoštevati zahteve kategorije A6, če pa po sestavljanju celotno vezje prekrijemo z ustrezno konformno zaščito, lahko pridejo v poštev kategorije A5 oziroma A7. Zanimiva je tudi razlika B2 proti A6. Na istem opremljenem vezju je za napetostno območje 301-500 V za nezaščiteno bakreno povezavo B2 zahtevanih 2,5 mm razdalje, medtem ko je zahtevana razdalja med nezaščitenimi priključki komponent A6 le 1,5 mm.
Prevej očitna razlika velja tudi za nezaščitene prevodne površine, kjer je treba upoštevati predvideno nadmorsko višino, kjer se bo naprava uporabljala. Od kod izhaja ta dodatna zahteva? Prebojna napetost zraka je povezana s plazovito ionizacijo molekul v zraku pod vplivom električnega polja. Prosti elektroni se v električnem polju pospešujejo in med posameznimi trki z molekulami zraka pridobivajo energijo. Če je njihova energija ob trku dovolj velika, lahko molekulo ionizirajo, pri čemer nastanejo novi prosti elektroni. Ti se ponovno pospešijo in povzročajo nove trke z molekulami, kar lahko privede do plazovitega naraščanja števila nosilcev naboja in končno do električnega preboja.
Z nižanjem zračnega tlaka se gostota molekul zmanjšuje, zato se povečuje povprečna prosta pot elektronov med trki. Elektroni lahko na daljši poti v električnem polju pridobijo več energije, zato do preboja pride že pri nižji napetosti. Pri zelo nizkih tlakih pa se trend obrne, saj je molekul tako malo, da postanejo trki premalo pogosti za vzdrževanje procesa plazovite ionizacije. Ta pojav opisuje Paschenov zakon [2], po katerem je na sliki 2 prikazana odvisnost prebojne trdnosti od zračnega tlaka.
Na prvi pogled bi lahko sklepali, da je problem določanja razdalj med prevodniki rešen: poznamo napetost, v tabeli poiščemo ustrezno minimalno razdaljo in jo prenesemo v pravila načrtovanja tiskanega vezja. Za večino povezav znotraj elektronskega vezja je tak pristop povsem uporaben. Težava nastane, kadar razdalja med dvema prevodnima deloma ne zagotavlja le pravilnega delovanja naprave, temveč predstavlja tudi zaščito uporabnika pred električnim udarom. V takem primeru razdalj ne smemo več obravnavati samo kot konstrukcijski razmik med povezavami, saj postanejo del varnostnega izolacijskega sistema naprave. Takrat moramo upoštevati pravila koordinacije izolacije, ki smo jih napovedali že v prejšnjem prispevku. Tu nastopi standard IEC 60664-1[3], iz katerega razberemo ustrezno zračno (angl. clearance) in plazilno (angl. creepage) razdaljo.
Zračna razdalja predstavlja najkrajšo pot med dvema prevodnima deloma skozi zrak, medtem ko je plazilna razdalja najkrajša pot med njima po površini izolacijskega materiala. To je lahko površina tiskanega vezja ali ohišja elementa, kot prikazuje slika 3.
Če imamo na ravnem tiskanem vezju dve vzporedni bakreni povezavi, sta lahko obe razdalji enaki. Pri nekoliko bolj zapleteni geometriji pa to ne velja več. Če med povezavama naredimo utor, se zračna razdalja skoraj ne spremeni, medtem ko se plazilna pot po površini izolacijskega materiala lahko precej podaljša. Pri tem ne smemo zanemariti poti po površini elementov, ki so na vezje prispajkani, kar pogosto otežuje varnostno načrtovanje vezij in zoži nabor ustreznih komponent.
V prejšnjem prispevku smo videli, da naprava med delovanjem ni izpostavljena le nazivni napetosti omrežja, temveč tudi kratkotrajnim prenapetostnim sunkom, ki so prvi ključni parameter pri določanju zračne razdalje. Velikost pričakovanih prenapetostnih sunkov je odvisna od prenapetostne kategorije (CAT I–IV). Iz nazivne napetosti napajalnega sistema in prenapetostne kategorije lahko glede na tabelo F.1 v standardu IEC 60664-1 določimo nazivno impulzno napetost Uimp (ang. rated impulse voltage); nekaj primerov najpogostejših napajalnih sistemov je prikazanih v tabeli 1.
Za običajno elektronsko napravo, priključeno na evropsko 230 V električno omrežje, ki spada v prenapetostno kategorijo CAT II, dobimo nazivno impulzno napetost 2,5 kV. Če bi bila naprava pri enaki omrežni napetosti del fiksne električne inštalacije in bi zato spadala v CAT III, bi morali že računati z impulzno napetostjo 4 kV.
Ko poznamo nazivno impulzno napetost, lahko iz tabele F.2 standarda IEC 60664-1 določimo najmanjšo zahtevano zračno razdaljo. Standard pri tem razlikuje med homogenim in nehomogenim električnim poljem. Homogeno električno polje lahko pričakujemo predvsem med velikimi gladkimi elektrodami z ustrezno geometrijo, medtem ko je električno polje med povezavami, priključki komponent in drugimi prevodnimi deli na tiskanem vezju praviloma nehomogeno. Pri načrtovanju elektronskih naprav zato običajno uporabljamo manj ugodne vrednosti za nehomogeno električno polje.
Za naš primer 230 V naprave kategorije CAT II to pomeni najmanjšo zračno razdaljo 1,5 mm za osnovno izolacijo. Pri ojačeni izolaciji razdalje ne določimo preprosto tako, da dobljeno osnovno razdaljo pomnožimo z dve. IEC 60664-1 za prenapetostne sunke zahteva uporabo naslednje višje stopnje impulzne napetosti. V našem primeru zato namesto 2,5 kV uporabimo naslednjo standardno vrednost 4 kV, čemur ustreza zračna razdalja 3 mm. Rezultat je v tem konkretnem primeru sicer ravno dvakrat večji, vendar to ni splošno pravilo.
S tem pa zgodba še ni končana. Vrednosti v tabeli veljajo pri določenih atmosferskih pogojih. Kot smo videli pri Paschenovem zakonu, je prebojna napetost zraka odvisna tudi od zračnega tlaka in s tem nadmorske višine. Pri uporabi na večjih nadmorskih višinah je treba zaradi nižjega zračnega tlaka zračno razdaljo povečati s korekcijskim faktorjem, podanim v tabeli A.2 standarda IEC 60664-1. Tipične vrednosti so povzete v tabeli 3.
Vrednosti zračnih razdalj iz tabele F.2 veljajo za uporabo naprave do nadmorske višine 2.000 m. Če bi uporabo naše naprave predvideli do 4.000 m, bi bila potrebna zračna razdalja 3,0 mm . 1,29 = 3,87 mm.
Poleg kratkotrajnih prenapetostnih sunkov je treba preveriti tudi zahteve, ki izhajajo iz največje delovne vršne napetosti, začasnih prenapetosti in ponavljajočih se vršnih napetosti. Tak primer so stikalni napajalniki, pri katerih lahko zaradi topologije pretvornika med primarjem in sekundarjem nastopajo ponavljajoče se napetostne konice. Če se izkaže, da je zaradi teh treba izbrati večjo zračno razdaljo, jo moramo upoštevati.
Pri načrtovanju zračne razdalje ne smemo pozabiti, da zračna razdalja pomeni najkrajšo pot skozi zrak med dvema prevodnima deloma. Razdalja med bakrenima povezavama na tiskanem vezju zato še ne zagotavlja ustrezne zračne razdalje celotne naprave. Upoštevati moramo tudi priključke komponent, transformatorjev in konektorjev, hladilna telesa, vijake, kovinske dele ohišja ter vse druge prevodne dele, ki lahko skrajšajo pot skozi zrak. Tudi zato razdalj med povezavami po IPC-2221 ne moremo neposredno enačiti z zračnimi razdaljami, ki zagotavljajo varnostno izolacijo. Tak primer je prikazan na sliki 4, kjer so komponente zalepljene, da se ne morejo prosto premikati, in dodatno izolirane s termoskrčljivo cevjo, da se prepreči neposreden stik med prevodnimi deli in zagotovi zahtevana izolacijska razdalja.
Sedaj smo določili zahtevano zračno razdaljo, s čimer pa načrtovanje izolacije še ni končano. V naslednjem prispevku se bomo lotili še določanja plazilnih razdalj, kjer poleg napetosti pomembno vlogo igrata tudi stopnja onesnaženja in lastnosti izolacijskega materiala.
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] F. Paschen, »Ueber die zum Funkenübergang in Luft, Wasserstoff und Kohlensäure bei verschiedenen Drucken erforderliche Potentialdifferenz«, Annalen der Physik, let. 273, št. 5, str. 69–96, 1889.
[3] »IEC 60664-1:2020 | IEC«. Pridobljeno: 10. julij 2026. [Na spletu]. Dostopno na: https://webstore.iec.ch/en/publication/59671
