Bezpieczeństwo użytkownika układów elektronicznych

Urządzenia elektryczne zostały podzielone na działające pod napięciami:

• bezpiecznymi, czyli ±3,3, 5, czy 12 V_DC, których użytkownik może dotykać, które jednak muszą być odizolowane od napięć niebezpiecznych,
• niebezpiecznymi, czyli wyższymi od wyżej wymienionych, >30 V_SK, 42,4 Vp, 60 V_DC, przed którymi użytkownik musi być chroniony.

Izolacja bezpieczna polega na separowaniu użytkownika od wzbronionych przed dotykaniem obwodów pod niebezpiecznym dla niego napięciem. Ustanowiono trzy poziomy bezpieczeństwa obwodów: podstawowy (basic), podwojony (doubled) i wzmocniony (reinforced). Pomiędzy obwodami dostępnymi do dotykania przez użytkownika a obwodami dla niego niebezpiecznymi jest wymagana izolacja wzmocniona.

Komponentami zapewniającymi bezpieczną izolację są układy scalone, w których transmisja sygnałów z obwodu pierwotnego do wtórnego odbywa się drogą sprzężenia optycznego, magnetycznego lub pojemnościowego. Komponenty izolujące są krytyczne dla bezpieczeństwa i wymagają specjalnej uwagi dla zapewnienia, czy spełniają odpowiednie wymagania i nadają się do bezpiecznego użycia w chronionych urządzeniach.

Wymagania dla obwodów izolacyjnych w aplikacjach z niebezpiecznymi napięciami, odnośnie do izolacji, testów i wzorcowania, opierają się na następujących dokumentach i definicjach:

• normy komponentowe IEC 60747-5-5, VDE 0884-10 (w przyszłości VDE 0884-11), UL 1577,
• wzmocniona izolacja (testy i odległości),
• napięcie robocze V_IORM (napięcie zasilania), np. 150-600 V_AC (210-840 VPP),
• napięcie izolowane, V_IOTM (napięcie testowania), np. 2500V-5000 V_AC,
• certyfikacje VDE i UL (międzynarodowe i USA).

Techniki izolowania

Rys. 1. Schemat ideowy izolacji napięciowej w urządzeniu

Obecnie są stosowane trzy techniki izolowania:

• optyczna, w której do transmisji sygnałów przez nieprzewodzącą przezroczystą barierę izolacyjną używane jest światło (LED). Jej zaletą jest dobra izolacja elektryczna. Izolatorem jest polimer silikonowy.
• magnetyczna, w której transmisja sygnałów jest dokonywana przez uzwojenia transformatora. Izolacja jest silna przy dużych częstotliwościach. Izolatorem jest poliimid lub dwutlenek krzemu.
• pojemnościowa, w której do transmisji sygnałów jest używane zmienne pole elektryczne w kondensatorze. Izolatorem jest dwutlenek krzemu.

Wewnętrzną izolacją w izolatorach optycznych, zwanych także transoptorami, jest przejrzysty polimer silikonowy. Rozmiary montażowe transoptorów są większe, zapewniają one wysoką izolację bariery z folii. Izolatory cyfrowe, magnetyczne czy pojemnościowe nowszej generacji, są sprawniejsze i rozmiarowo mniejsze. Materiałem izolacyjnym jest w nich poliimid lub dwutlenek krzemu o grubości rzędu 25 μm, sporo mniejszej niż w izolatorach optycznych (rys. 1).

Normy produktowe i komponentowe

Bardzo istotne jest rozróżnienie pomiędzy normami produktowymi a komponentowymi. Normalizacja zabezpieczeń wyrobów i komponentów dotyczy różnych zakresów i różnych wymagań.

Wyroby są gotowymi do użytku urządzeniami. Oto przykładowe normy produktowe:

• IEC 60950-1 do urządzeń informatycznych,
• IEC 61010-1 do urządzeń pomiarowych,
• IEC 60601-1 do urządzeń medycznych,

Urządzenia te są poddawane jednominutowym testom napięciowym izolacji, zwanych również testami wytrzymałości dielektrycznej lub wysokopotencjałowej (hipot). Izolatory nie mogą pracować ciągle pod napięciem testowania izolacji. Normy produktowe pozwalają również na wyładowania częściowe, mogące degradować w pewnym stopniu barierę izolacyjną wskutek istnienia w izolacji drobnych pęcherzyków lub zanieczyszczeń. Normy produktowe nie obejmują testów silnie stresujących izolację komponentów izolatora.

Normy produktowe skupiają się na testowaniu dielektrycznej wytrzymałości napięciowej izolacji. Są to krótkie jednominutowe testy, pod typowym napięciem 2500-5000 V_AC. Wyroby nie mogą pracować ciągle pod napięciem testowania. Nie można zakładać, że izolator o wytrzymałości napięciowej 2500 V może działać stale pod tym napięciem.

Komponenty są elementami elektrycznymi lub elektronicznymi, wmontowanymi do wyrobów. Oto przykładowe normy dla komponentów izolatorowych:

• IEC 60747-5-5 dla izolatorów optycznych,
• VDE 0884-10 dla izolatorów cyfrowych,
• UL 1577 dla izolatorów optycznych i cyfrowych.

Normy komponentowe mają inne, często ostrzejsze, wymagania bezpieczeństwa i testy niż normy produktowe. Normy dla komponentów izolacyjnych wymagają testowania partii wyładowaniami, mogącymi uszkodzić barierę izolacyjną, w celu sprawdzenia, czy izolacja może zostać przebita. Testowanie partii komponentów izolacyjnych wyładowaniami obejmuje testy norm IEC i VDE, które mogą wykryć drobne wady, mogące się z czasem pogarszać. Testowanie partii wyładowaniami jest lepszą oceną izolacji niż test napięciowy.

Napięcie pracy V_IORM jest specyfikowane w IEC 6047-5-5 (transoptory) i VDE 0884-10 (izolatory cyfrowe). Izolator jest w czasie działania nieustannie poddany napięciu pracy. Dopuszczalne napięcie pracy mieści się pomiędzy 150 a 600 V_AC. Napięcie pracy izolatora nie może być niższe niż napięcie zasilania wyrobu.

Urządzenia i ich komponenty muszą się mieścić w znormalizowanym zakresie bezpieczeństwa, żeby norma mogła zostać do nich zastosowana. Jak widać z informacji zamieszczonych w ramce, izolatory są komponentami niemieszczącymi się w zakresie normy produktowej, zatem norm produktowych nie stosuje się do izolatorów.

Należy zaznaczyć, że europejskie i międzynarodowe normy komponentowe (IEC/VDE) nie są równoważne amerykańskim (UL). Oznacza to, że izolatory muszą spełniać wymagania jednych i drugich, IEC, VDE, CE oraz UL. Normami komponentowymi bezpieczeństwa są: IEC 60647-5-5, VDE 0884-10 i UL 1577.

Zawsze należy odszukać poprawną normę komponentową izolatora do określenia i testowania bezpieczeństwa. Izolatory muszą spełniać wymagania zarówno międzynarodowe IEC i VDE, jak i amerykańskie UL. Komponentowe normy dla izolatorów to IEC 60747-5-5, VDE 0884-10 i UL 1577.

Odstęp izolacyjny i pełzanie, wymagania podstawowe i wzmocnione

Rys. 2. Porównanie izolatorów optycznych z cyfrowymi

Normy bezpieczeństwa dla ochrony użytkowników wymagają oprócz testów także odpowiednich odstępów pomiędzy wyprowadzeniami obwodów. Dotyczy to odstępów pomiędzy elementami pod napięciami niebezpiecznymi a bezpiecznymi. Przyjęte są poziomy bezpiecznej izolacji: podstawowy, podwojony i wzmocniony. Podstawowy jest jednowarstwowy, a podwojony dwuwarstwowy.

Wzmocniony to system jednowarstwowy, równoważny podwojonemu. Wyroby i komponenty powinny pozostawać bezpieczne nawet w razie wystąpienia w izolacji pojedynczych wad. Przyjmuje się, że pojedyncza wada może się zdarzyć w jednej warstwie izolacji. Wzmocniona izolacja zapewnia wtedy bezpieczeństwo drugą warstwą, gdy zawiedzie pierwsza. Izolacja podstawowa nie zapewnia pełnego bezpieczeństwa.

Zewnętrzne odstępy mierzy się pomiędzy wyprowadzeniami wejść i wyjść (rys. 2). Odstęp (clearance) jest to najmniejsza odległość pomiędzy wyprowadzeniami w powietrzu, a pełzanie lub drogą upływu (creepage) to najmniejsza odległość po powierzchni. Zewnętrzna odległość wejścia od wyjścia (ac do dc) układu izolatora musi spełniać produktowo znormalizowaną odległość, wynikającą z napięcia zasilania produktu.

Tabela 1. Clerance, creepage i napięcia testowania

Podstawową normą, określającą wymagania odległościowe, jest IEC 60950-1. Przykładowo: odległość clearance 4,0/3,0 mm i pełzanie creepage 6,0 mm dla izolatora używanego w produkcie na 250 V ac (tab. 1). Wartości bazują na normie bezpieczeństwa wyrobów IEC 60950-1. Wartości w nawiasach tylko dla wyrobów objętych programem kontroli jakości, zapewniającym co najmniej stopień zabezpieczenia, zawarty w aneksie R.2 do IEC 60950-1.

Grubość izolacji w izolatorze optycznym wynosi zwykle 100-400 μm. Natomiast izolator optyczny, którego bezpieczeństwo określa testowanie, a nie grubość, jest bardzo cienki, zwykle 7-32 μm (rys. 1).

W certyfikatach VDE/UL lub producenta podawane są zwykle zewnętrzne wymiary izolatora. Odstępy dają się łatwo pomierzyć na jego egzemplarzu. Więcej informacji można znaleźć w normach bezpieczeństwa produktu.

Wymagania techniczne i świadectwa

Rys. 3. Ilustracja creepage i clearance na przykładzie układu scalonego

Przed dokonaniem wyboru izolatora do projektowanego urządzenia trzeba wiedzieć, jakich szukać informacji. Wymagania techniczne izolatora bywają mylące i niekompletne. W wymaganiach jest czasem podawane napięcie testowania izolacji (np. 2500-5000 V_AC) i normy produktowe (IEC 60950-1 itp.), podczas gdy powinno być podawane napięcie pracy (np. 150-600 V_AC) i normy komponentowe (IEC 60747-5-5 itp.). Kłopotliwe może być także to, że wymagania podają izolację wzmocnioną ze względu na normę produktową, podczas gdy według normy komponentowej wystarcza izolacja podstawowa. Wymagania normy produktowej i izolacja podstawowa nie wystarczają do zapewnienia bezpieczeństwa.

Trzeba zawsze skontrolować, czy izolator ma świadectwa VDE i UL, co można sprawdzić w skorowidzach certyfikacji VDE i UL. Jednakże niektórych wymagań bezpieczeństwa można tam nie zaleźć. Najlepszym sposobem upewnienia się, że izolator spełnia zasady bezpieczeństwa, jest uzyskanie kopii certyfikatów VDE i UL od jego producenta. W razie gdy certyfikaty nie zawierają tych informacji, można je znaleźć w VDE/UL Reports.

Należy zwrócić uwagę na wymagania bezpieczeństwa i certyfikaty. Trzeba strzec się podkreślanych w opisach zalet wyrobów i ich napięć izolacyjnych. Specyfikacje powinny jasno wskazywać normy komponentów, ich napięcie robocze i wzmocnienie izolacji. Powinno się domagać wykazujących to certyfikatów VDE i UL.

Zakończenie

Oceniając i wybierając izolatory do projektowanych wyrobów, należy sprawdzić ich normy, testy i wymagania jakościowe. Spełnienie przez wszystkie składowe izolatora zasad bezpieczeństwa zapewnia, że końcowy produkt będzie zgodny z międzynarodowymi i amerykańskimi wymaganiami bezpieczeństwa (IEC, VDE, UL, CE itd.). Normy produktowe, takie jak IEC 60747-5-5, VDE 0884-10 i UL 1577, są stosowane do chronienia użytkowników produktów i zapobiegają kosztownemu przeprojektowywaniu wyrobów. (KKP)