電子機器の設計における電気安全の基本

こんにちは、Habr！



以前の投稿で波が上がった後、かなりの数の人々が（FacebookやPMなどで）何に注意を払うべきかを尋ねたので、arduinoのスマートソケットの代わりに、別のボウルの安楽死はありません。









トピックは大きく複雑ですが、主なポイントを強調します-特に、Habréで公開されたものを含む、あらゆる種類の実際のデバイスやプロジェクトで見たエラーに基づいて。 長く退屈な時間のためにGOSTをリストしませんが、少なくとも自分自身を殺さないために理解し、観察する必要がある非常に基本的なことをリストします（あなたの周りの人も殺さない場合は、この記事を完了した後、関連するGOSTをスクロールするのが面倒ではありません）。



そのため、少なくとも一方の端がコンセントに差し込まれるデバイスを作成します。

潜在的な危険の程度を判断します。

すべてのデバイスが同じように危険なわけではありません-さらに、同じ目的のデバイスは、使用モデルによって多少なりとも危険です。 危険因子には次のものがあります。

1. 導電性部品との人間の接触のしやすさ-たとえば、この接触は家庭環境で可能ですか、またはそれを達成するために特別な行動を取る必要があります（たとえば、電気パネルに入る）
2. デバイスが対象とする人々の資格-それは子供、成人の素人、または成人の専門家です。 感電の危険性を理解することは、後者からのみ期待できます。後者からは、デバイスを破壊するための標的を絞った行動が最大限に存在しないからです。
3. 人体との絶え間ない電気的接触の存在、または人が取り除くことができないような接触の可能性-最初の例には、例えばウェアラブル電極を備えたすべての医療機器が含まれ、2番目の例-例えば、人が誤ってつかむ非常に限られたスペースへの設置電圧がかかっている電極では、電極自体を解放することはできません。
4. 近くに他の接地されたデバイス、または逆にライブデバイスが存在する場合-たとえば、ケースは電気パネルで接地されているため、片手でドアを持ち、誤って活線を持っていると、先祖に行くのが特に簡単になります。 一方、非専門家はシールド内に全く登ってはいけません。そのハウジングの接地は、例えば、相線がシールド内で破損し、シールドが誤ってシールドハウジングに内側から触れた場合に、危険な電圧の出現から他の人を保護します。
5. 降伏電圧を大幅に低下させる要因-まず第一に、特に結露を伴う高湿度、そして次に-低気圧（2000-3000 mを超える高度で使用されるデバイスの場合、導電性部品間の保護エアギャップの要件が急速に拡大し始めます）

完全に通常の生活条件では、いくつかの要因の組み合わせを一度に取得できることに注意してください-たとえば、浴室でスマートフォンを充電して人を殺すという既知のケース。 まず、結露のある非常に高い湿度-充電器の内部に入ると、湿った空気が一次回路と二次回路間の絶縁耐力を大幅に低下させるため、USB充電コネクタの230 Vの故障が起こりやすくなります（中国の記事では完全に保証されています）。 第二に、金属製の浴槽と給水管は、特にそれらの間に生命を脅かす可能性がないように接地する必要があります。 第三に、お風呂に座っている人は、それと非常に良好な電気的接触を持っているだけでなく、彼がまだすぐに取り除くことができない接触を持っています。



これらの状況を差し引くと、お気に入りのiPhoneの充電プロセスが再び安全になります。



一般に、デバイスが少なくとも何らかの理由でリスクゾーンに属している場合、そのような状態にデバイスを適切に作成する方法を理解することは非常に重要であり、適切な経験が必要なので、それを行わないことが最善です。

何から何を隔離しますか？

この質問はささいなように思えますが、ほとんどの工芸品がそれに該当します。



些細な答え：ユーザーが触れることができる回路（いわゆる二次回路）を、接続されている回路（いわゆる一次回路）から分離します。



わずかにささいなことは、どの電圧から絶縁するのかという質問に対する答えです。 一方、アウトレットには230 V rmsの電圧があり、合計で324 V rmsです。たとえば、同じゼロの燃焼の結果として380 V rmsになったとしても、536 V rmsだけになります。



それにもかかわらず、600-800 Vに耐える絶縁材を作るだけでは十分ではありません 。



問題は、ネットワークがめったに、しかし正確に、非常に大きなサイズのバーストが発生する可能性がないことです-さらに、それらは同相になる可能性があります（たとえば、落雷が近い場合）。 中性線と相線で同時に誘導されます。 この場合、「ソケット内」の電圧は通常の230 Vに比べて大幅には変化しませんが、ソケットと他の「グランド」との間の電圧は時々これらの230 Vを短時間超えることがあります。



そのようなパルスの短さに依存するべきではありません-それがデバイスの絶縁を突破する場合、電流はより低い電圧で絶縁破壊経路に沿って流れることもできます。 ここでの選択肢は、絶縁体の物理的な破壊から放電の点火までです-スターターからの800ボルトパルスによってグロー放電が開始され、その後、通常の230 V ACから無制限に燃焼する蛍光灯のように、放電の点火までです。



このため、 家庭用機器の一次回路と二次回路間の絶縁は、2.5 kVの電圧で計算されます。



叙情的な余談：たとえば、 GOST IEC 60950-1-2014またはGOST IEC 60065-2013で詳細を読むことができます。これらは、基本文書である関税同盟の技術規則（TR CU）004/2011 "低電圧機器の安全性について" 。 特に、両方の文書は、最大300 Vの動作電圧を持つ電源ネットワークに対して、最大2500 Vの過渡電圧を示しています。同様の文書によると、原則として、全世界はGOST、IECまたはUL 60950の名前で生きています。







IEC 60950のラベル。一般に、ユーザーの安全性を計算する場合、規格ではすべての主電源をカテゴリIIに分類することを推奨しています。



重要な点：絶縁の存在は、デバイスの一次回路と二次回路の間に電流が流れないことを意味しません。 場合によっては、このような電流を回避することが不可能または不合理です-たとえば、スイッチング電源では、干渉を減らすためにプライマリとセカンダリの間に小さなコンデンサが設置されます。 この場合、一次と二次の間の漏れ電流がどのような状況でも安全限界を超えないようにデバイスを設計する必要があります（家庭用固定機器の場合3.5 mA、携帯機器の場合0.25-0.75 mA;通常、それらは機器の種類に応じて10〜100倍厳しいです 。 ここでは 、要件の違いについてのプレゼンテーションを見ることができます）。



したがって、当社の最小要件は、一次回路と二次回路間の強度が2.5 kVの絶縁であり、通常の条件下での漏れ電流は3.5 mA以下です。

これをどのように隔離しますか？

1. 一次回路と二次回路を接続するすべてのコンポーネントの定格は、少なくとも2.5 kVの絶縁電圧でなければなりません。 スイッチング電源では、これは通常、トランス、フィードバックフォトカプラ、ノイズ抑制コンデンサです。
2. 一次回路と二次回路を直接接続しないでください。
3. 一次回路と二次回路を接続するノイズ抑制コンデンサは、少なくともY2（ 安全定格Y2コンデンサ ）のクラスに正式に認定されている必要があります。これらのコンデンサのみが、コンデンサの故障が危険な回路で使用できます。 クラスY2のコンデンサは、設計対象の有効AC電圧（「250VAC」）でマークされていますが、最大5 kVの単一パルスに対する耐性が保証されています。 3 kV以上のラベルが付いているが、安全クラスを持たない他のコンデンサは、このような回路で使用しないでください 。 典型的な例は、 村田製作所のDE2シリーズコンデンサです。 強化絶縁（下記参照）の場合、クラスY1コンデンサー（例： Murata DE1）を使用する必要があります。
4. プリント回路基板を設計するとき、導体、部品、およびデバイスのケース間のギャップは、少なくとも2.5 kVのブレークダウン電圧用に設計する必要があります。

もちろん、最も興味深い部分はプリント回路基板の設計から始まります。 実際には、「定格電圧はそれ以上の電圧に設定されている」ということです。これは、何もないことを表す言葉です。 実際の動作条件下では、電圧曝露の期間、ボードの表面状態、空気湿度、結露の有無など、さまざまな要因が役割を果たす可能性があります...それらに対処するために、IEC 60950ではこれらの要因を分類するためのさまざまな方法が導入されており、絶縁強度は示されていませんボルト、および最小必要クリアランスのミリメートル単位-このギャップが破壊される可能性とそれがもたらす結果を考慮に入れる。 その結果、カテゴリIIの供給ネットワークにおける同じ2.5 kVの偶発的なサージに対する保護は、この保護の障害があなたを殺すことができるかどうかによって完全に異なって見えます。



第一に、IEC 60950は、目的と、それに応じて必要な信頼性（より正確には、故障の確率にこの故障の結果を掛けたもの）に応じて、4つのクラスの絶縁を導入します。

1. 機能-デバイス自体の機能に必要ですが、ユーザー保護は提供しません。
2. 基本-ユーザー保護の初期レベルを提供しますが、2番目の保護バリアなしでは十分に信頼できません。
3. 補足は、2番目の保護バリアです。 基本と同じ強さです。
4. 強化-強化された強度の断熱材。2番目の保護バリアなしで使用できます。 基本の2倍の強度があります。

さらに、絶縁を実装するためのさまざまなオプションについて多くのことが書かれています（IEC規格は支払われていますが、Yandexにはすべてがあることを理解していますか？）、家庭用デバイスのプリント回路基板の要件について説明します。



IEC 60950は、さまざまな材料の誘電性能を評価するために、CTI（Comparative Tracking Index）パラメータに従ってそれらをグループに分けます。CTIが高いほど、材料の絶縁特性が向上します。

• グループIIIb-100 <CTI <175
• グループIIIa-175 <CTI <400
• グループII-400 <CTI <600
• グループI-CTI> 600

従来のグラスファイバーFR4のCTI = 175、つまりグループIIIに属し、サブグループIIIaとIIIbの境界に属します。



さらに、材料の誘電特性、その表面で発生する可能性のある放電（プリント回路基板の場合）は、この表面の汚染レベルに依存するため、IEC 60950はいくつかの一般化されたクラスの汚染を導入します（標準のより正式な定義では、以下にそれらを動作条件に添付します） ）：

• レベルI-絶縁体の電気的強度を損なわない汚染。 クリーンルームまたは密閉されたエンクロージャ内の機器にのみ適用され、家庭の汚染物質の侵入も防ぎます。
• レベル2-オフィスまたは家庭環境。汚染物質の可能性は通常電流を流しませんが、まれに、水分が凝縮すると導電性になることがあります。
• レベル3-産業環境、農業企業、特に非加熱施設。 汚染物質は、結露の場合と結露のない場合の両方で電流を流すことができます。
• レベル4-外部環境から保護せずに使用し、水または雪に定期的にさらす。

適切な外部エンクロージャーを使用して、望ましいレベルの保護を実装できることに注意してください。たとえば、密閉されたエンクロージャーを使用すると、レベル2のデバイスを屋外で操作できます。



最後に、IEC 60950は、絶縁ギャップを形成する距離を測定する2つの方法-クリアランスと沿面距離を使用します。

• クリアランス -導体間の最短距離。
• 沿面 -プリント基板の表面の導体間の距離。

この場合、公称電圧230 V±10％の場合、最大300 V rms電圧、最大420 V振幅、過渡時の最大2500 Vサージのネットワークの絶縁要件に焦点を合わせる必要があります。



絶縁体の種類に応じて（ユーザーの安全性について話しているため、機能的な分離は考慮していません）、プリント基板上の最小必要距離は次のようになります。

• 基本：デバイスに追加の絶縁がある場合は3.0 mm
• 強化：デバイスに追加の断熱材がない場合は6.0 mm

ただし、上記のYコンデンサに戻ると、データシート上の脚間の最大距離が7.5 mmであることが簡単にわかります。







ご覧のように、コンタクトパッドを考慮すると、脚を手動で引き離さないと、導体間の距離を6.0 mmにすることが問題になります。



幸いなことに、簡単な解決方法があります。上の写真でわかるように、テキソライトに切り込みを入れることで沿面距離を増やすことができます。 空気は、FR4よりも高い絶縁耐力を備えています。そのため、絶縁破壊電圧は3 kV / mmに近づき、安全上の理由から、通常1〜1.5 kV / mmと想定されます。 IEC 60950では、最大300 Vの回路のエアギャップに、基本絶縁の幅2.0 mm、強化絶縁の幅4.0 mmが必要です（製造に標準の要件を満たす品質管理プログラムがある場合、幅を1.5 mmに縮小できます。 3.0 mmですが、今ではそうではありません）。



つまり、4 mmの空気または 6 mmのPCBで必要な断熱材を提供できます。



この問題は複雑であるため、標準では空気とプリント基板の組み合わせは考慮されていませんが、実際にはほとんどの場合に使用されるのはこのような組み合わせです-プライマリ回路とセカンダリ回路の間でカットが行われます：







この場合、幅2 mmで土の畑の幅よりわずかに長い切り欠きを作ると、6.48 mmの最小沿面距離が得られます。これは、強化された絶縁の要件を満たします。 2.0 mmの空気の場合、それぞれの値は1つの基本的な断熱層の要件に対応するため、合計で十分であると見なすこともできます。



今、あなたはそれで生きることができます。



ボードの正しい設計は、コンポーネントの位置に関する問題を免除しないことに注意してください。一次と二次の導電部分の間には、少なくとも同じ2 mmの空気が必要であり、接地されていない場合、標準は強化絶縁と一次の間に10 mmの空気を必要とします。



PS公平に言うと、クラスY1の強化絶縁コンデンサ用に設計されており、通常、脚間の距離は10 mmです。 ただし、これは、タイトな取り付け、端子間の不十分なクリアランスを持つ他のコンポーネントなどのために、さまざまな理由で少なくとも6 mmのギャップを維持することができないPCBのスロットの必要性を排除しません さらに、Y2コンデンサを使用し、基本的な絶縁のみを保証している場合でも、PCBの設計を含む他のすべてのコンポーネントを配置することは、安全マージンを確保する上で間違いなく不要です。



さらに、プリント回路基板のスロットには、さらにいくつかのプラス側があります。たとえば、この表面がないために表面にほこりがたまることはなく、吸湿性があるため、汚れはありません。 それにもかかわらず、スロットの存在自体は、デザインの安全性、およびその不在-安全性については何も言いません。

古典的なエラー

当然の致命的な間違いは、当然のことながら、安全要件を完全に無視し、0.5〜1 mmスケールの一次回路と二次回路の間のギャップを維持することです。 これは、たとえば、主な導体間に機能的な絶縁の美しいスロットが製粉されている典型的なアマチュアのドイツのドキュメンタリー映画ですが、同時に230 V入力とユーザーが自由にアクセスできる2次グランド間のミリメートルギャップには、230 Vのこの設計が含まれていますそれは単に生命を脅かすものです。



保証された致命的なエラーに加えて、潜在的に致命的なエラーが定期的に発生します。



第1に、経験の浅い開発者は、230 Vネットワークの2本のワイヤ間の高電圧を直感的に認識しますが、プライマリとセカンダリの間ではなく、それらの間にスロットを配置します。 ネットワークトラックがボード上で互いに近接している場合、これは意味があります。これは、 機能的な分離の提供に関連しますが、セキュリティに直接関連しません-最後に、これらのワイヤ間の標準回路では、バリスタが必要です動作電圧は約430 Vなので、これ以上はありません。 さらに、高電圧のコモンモードパルスが到着すると、ネットワークワイヤ間で特に興味深いことは何も起こりません。



しかし、プライマリとセカンダリの間-それでもそれがどうなるか。



第二に、経験の浅い開発者によるボードのスロットは、装飾的なもの、またはすべての病気を一度に治す銀の弾丸のいずれかとして認識されます。 たとえば、Bitronix LabはUSBジャンクションの写真を投稿しました。これは、危険なキットのすべての購入者に無料で配布することを約束し、5 kVのマージンで作られたことを誇っています。







計算を簡単にするために、コンポーネントの名前がわかっており、スリットの寸法は写真から簡単に計算できるため、DipTraceですばやくスケッチします-幅2 mm、長さはコンポーネントの幅を超えません。 ボードがどのように地球にあふれているかはわかりませんが、ポリゴンがコンポーネントの脚の境界を越えて延びていないと仮定します。







合計：ADuM4160-PCBの場合のクリアランス5.4 mm +空気2 mm、沿面距離2.73 * 2 + 2 = 7.46 mm。 AM2D-PCB用のクリアランス4.12 mm +空気2 mm、沿面距離6.75 mm。 サイトの形状は異なる可能性があるため、値は概算値ですが、ここでは±0.1 mmであることは明らかです。



実際のパラメーターは、強化絶縁の場合に最大2500 Vのエミッションを持つ300 VネットワークのIEC 60950の要件をわずかに超えるだけであることに気付くのは簡単です。BitronicsLabの場合、本質的に人体に直接接触する医療機器について話しているため、可能な限り最高レベルの保護を実現するように設計することをお勧めします。



構造全体の実際に保証された絶縁強度は3 kV以下です。 このボードでの5 kVについての記述は、どのソースでも不適切です-このレベルの保護のために設計されていません。 この場合、プリント基板の寸法を大きくすることなく、絶縁体とDC / DCを互いに近づけて、それらの下に単一のスロットを作り、コンポーネントの上下から少なくとも1ミリメートル延長することができました。



5 kV以上の高電圧では、導体の形状も役割を果たすようになります。電界強度、したがって、尖った部分の絶縁破壊の確率が高くなります。

既存のデバイスを確認する方法は？

GOST方式による実験室試験はほとんどのアマチュアにとって耐え難いものですが、中小企業にとってはコストと期間が不愉快ですが、デバイスの安全性を大まかに評価できるデバイスが販売されています-これらは高電圧絶縁抵抗計です 。



実際、これらはギガオーム計（10〜20GΩの上限）であり、測定すると、プローブに高電圧を供給します（低価格モデルでは1000 V、より高価なモデルでは2500 V）。



プラグインデバイスを開発している場合、または中国製品の安全性に関心がある場合は、少なくともUT-502Aのようなものを購入することを強くお勧めします（チップディップでも入手できますが、高価です）。



デバイスが2500 Vの電圧で10秒間耐えた場合、すべてが完全に絶望的というわけではありません。 このようなテストは、デバイスが規格に準拠していると見なす根拠にはなりません。一般的に、そのようなストレスに耐えるために機能絶縁層もすでに必要であることがわかりやすいですが、その故障の可能性はユーザーを保護するために使用するには高すぎると考えられています。



5 kVの電圧パルスで機器をテストすることはより示唆的ですが、残念ながら、そのようなデバイスはすでに他のお金の価値があります。



一方、2.5 kVでも、デバイスがギガオーム計の上限とは異なる何かを示した場合、それをどう処理するかがわかります。