Прочитав заметку про гипотетическое «нелицеприятное завтра», молодой, растущий, пытливый, крепнущий инженерный ум должен воспылать праведным гневом и, прижав к груди [конечно, обесточенный и остывший] паяльник одной рукой и положив вторую на коллективную библию, образованную стопкой потертых справочников по полупроводниковым изделиям, искренне-горячо, слезно-торжественно поклясться все, всегда, везде делать только и только правильно! А вот как правильно? Следующая заметка про «основы электробезопасности», призванная быть для таких молодых умов, если и не путеводной, так уж точно разъясняющей, сама требует разъяснений, уточнений и даже… некоторых поправок.
Настоящая заметка не претендует на роль путеводной, а призвана очень осторожно, чуть-чуть (чтобы революционный огонь взбудораженного ума разочаровано не угас в противоречиях с сухой, суровой действительностью) приоткрыть дверь в кладовую традиционных профессиональных умолчаний.
Вольт вольту рознь
Электрический ток бывает разным качественно; различают, как минимум: постоянный, переменный и импульсный токи. Количественно ток характеризуется, как минимум, силой, измеряемой в амперах, и напряжением, измеряемым в вольтах. Встречая выражение типа «несколько вольт», всегда необходимо оговариваться (договаривать), каких именно вольт? То есть, какое именно значение (пиковое, действующее, какое-то другое) имеется в виду, так как это не всегда наглядно или явно читается из контекста. Некоторые сложившиеся на сегодня традиции в этой области приведены ниже.
VAC, Vac, Va.c. — так обозначают действующее значение (для чистого синусоидального сигнала равнозначно среднеквадратичному значению) [напряжения] переменного тока промышленной частоты (50 или 60 Гц).
VDC, Vdc, Vd.c. — так обозначают (как правило, среднее, без выбросов) значение [напряжения] постоянного (выпрямленного) тока.
V~, Vrms — так обозначают среднеквадратичное значение [напряжения] переменного тока любой частоты.
Vpeak, Vp, Vp-o — так обозначают амплитудное (пиковое) значение [напряжения] любого вида (постоянное, переменное, импульсное), взятое (значение) от какого-либо среднего значения (для случаев переменного тока, как правило, нуля).
Vp-p — так обозначают размах (peak-to-peak) амплитуды [напряжения] (тоже, как правило, взятый от какого-либо среднего значения).
V=, Vavg, Vo — так обозначают (как правило, усредненное, сглаженное) значение [напряжения] постоянного (выпрямленного) тока.
Такое «контекстно-независимое» выражение значений позволяет величинам (характеристикам) говорить сразу на месте самим за себя, не уводя с них фокус внимания читающего. Благодаря этому, типовые выражения (характеристики, условия), такие как, например, U = 230 Vac, Umin = 20 Vrms @ 300 kHz, Umax = 46 Vp, во-первых, выглядят компактно («сразу на месте») и, во-вторых, раскрывают собственную суть шире («сами за себя»).
К сожалению, русскоязычный подход не дает такой краткости и наглядности, даже базовые понятия «переменный ток» и «постоянный ток» складываются в одинаковую аббревиатуру «п. т.», а уж присутствующие в ГОСТ IEC 60950-1 выражения вида «71 В пикового значения» и «63 кВ среднеквадратического значения» по легкости и остроте восприятия не идут ни в какое сравнение с соответствующими им «71 V peak» и «63 kV rms» в англоязычном оригинале. Поэтому далее, чтобы меньше путаться, используется именно «англоязычный вариант» семантирования значений единиц измерения.
МЭК 60950-1
Публикация МЭК 60950-1 относится к [исторически инерционно все еще] так называемым «горизонтальным» стандартам безопасности (safety), которые (по определению) не устанавливают требований к конкретному виду (типу) оборудования. Такие требования, как правило, устанавливаются либо ответственным за такой вид (тип) оборудования вертикальным стандартом (particular requirements), либо техническими условиями (specifications), если государственный (или международный) стандарт на такой вид (тип) оборудования отсутствует.
Например, IEEE 802.3 устанавливает требование, что для порта Ethernet необходима базовая изоляция (basic insulation) на уровне 1,5 кВ переменного тока (withstand voltage 1500 VAC) по IEC 60950-1, определяя таким способом необходимую («вертикальную», входную) эксплуатационную характеристику, которую ссылочный («вызываемый») горизонтальный стандарт «разыменует» (раскроет, дополнит, уточнит) достаточными («горизонтальными», выходными) конструктивными характеристиками (требованиями), такими как, воздушный зазор и путь утечки.
МЭК 60950-1 исходит из модели «единичного отказа», что означает, что любой отказ (в любой части изделия) делает неработоспособным изделие целиком. Другими словами, в изделии все хорошо*, пока во всем в нем все хорошо (нет ни единого отказа), и в изделии (здесь внимательнее) все (!) нехорошо**, если в нем хоть в чем-то хоть что-то не хорошо. Да, МЭК 60950-1 не рассматривает (и даже никоим образом не подразумевает) отказоустойчивые системы.
Под сносками выше можно дать следующий комментарий: рассматриваемый стандарт сам по себе призван обеспечить безопасность человека, имеющего дело только и только с изделием в состоянии «все хорошо» (*); безопасность при работе с изделием, находящемся уже в обратном состоянии (**), либо еще в состоянии непосредственного перехода (деградации во время отказа) в него, в область применения (регулирования) стандарта не входит.
Применительно к безопасности электрической изоляции, наряду с определением конструктивных характеристик по исчерпывающе установленным внешним требованиям (приложение G), МЭК 60950-1 допускает (в случае неполноты внешних требований) определение таких характеристик аналитическим способом на основе расчета (или измерения на прототипе) соответствующих пиковых рабочих напряжений. Однако, стоит помнить, что такой анализ тоже исходит из предположения, что «все хорошо».
Например, факт того, что в ПК, к которому подключается, скажем, конвертер USB в RS485, есть блок питания (узел), подключаемый к первичным цепям [сети питания опасным напряжением переменного тока], при анализе рабочих напряжений даже не обозначит (вполне возможную) необходимость в гальванической изоляции между указанными интерфейсами, так как в состоянии «все хорошо» соответствующие вторичные цепи рассматриваются как либо фактически, либо эквивалентно притянутыми к «земле» (защитному заземлению). Такая изоляция здесь может быть только внешним требованием.
Касаемо упомянутого аналитического способа, стоит также добавить, что на возможный результат (среди прочего) влияют и характеристики конкретной конструкции (принципиальная схема, трассировочный рисунок) изделия (отсюда и подразумевается наличие хотя бы прототипа, на котором можно произвести измерения). Для всестороннего ознакомления со всем этим процессом, лучше обратиться непосредственно к тексту самого стандарта. Итак, что почитать?
Англоязычный оригинал IEC 60950-1 (и его реплики на том же языке, такие как UL 60950-1, EN 60950-1) уже изначально изложен несколько фривольновато (не всегда и не везде технически точен, однозначно трактуем, исчерпывающе определен) и неприятно удивляет количеством перекрестных ссылок внутри самого себя. В целом, это далеко не легкое чтиво, да и далеко не дешевое (оригинал продается МЭК по цене около тысячи евро за документ). С другой стороны, оригинал есть оригинал.
Русскоязычный перевод ГОСТ IEC 60950-1 разработан в попытке получить «идентичный перевод» (IDT) оригинала, с чем в среднем справляется, но всей полноты исходного текста не передает из-за наличия в переводе ошибок различной степени грубости. Нормативно подчинен оригиналу и, при этом, чувствительно уступает оригиналу в качестве. В любом случае, рекомендуется к ознакомлению в целях первичного погружения в тему.
В сравнении с русскоязычным переводом, сверстанном в «пономарическом» стиле, оригинал гораздо удобнее именно для визуального восприятия, не говоря уже про «сутевой серфинг» самого текста. (Уж так случилось, что сегодня именно английский язык отдан на откуп науке и технике, посему знать его на уровне чтения технической литературы сейчас обязан каждый инженер.) Оригинал просто настоятельно рекомендуется к изучению всем имеющим профессиональный (или иной инженерный) интерес к рассматриваемой теме.
(«Цитату» из ГОСТ см. здесь.)
«Нарицательное напряжение» и «уровень изоляции»
Разрабатывая электроприбор, конструктор, как правило, имеет дело с двумя категориями электрических воздействий, которые (воздействия) будут (могут быть) характерны для такого прибора. Две эти категории здесь и далее по тексту условно называются, соответственно, «нарицательное напряжение» и «уровень изоляции» и определяются следующим образом.
«Нарицательное напряжение» — подразумевает, что соответствующий ему сигнал присутствует на запитанном (включенном, штатно работающем) приборе в течение, как правило, неограниченного времени. (В случае сигнала сети питания, запитывание прибора осуществляется от этого же сигнала.)
«Уровень изоляции» — характеризуется испытательным напряжением (как правило, кратно превышающим «нарицательное напряжение») и временем воздействия [испытательного напряжения на прибор] (как правило, составляющим десятки секунд, типовое значение — одна минута), а также тем, что испытательное напряжение прикладывается к прибору только в обесточенном (!) состоянии.
Для комбинаций различных электрических цепей прибора могут быть установлены [соответствующими требованиями] только «нарицательное напряжение», только «уровень изоляции», «нарицательное напряжение» плюс «уровень изоляции», ни то и ни другое. Сами значения [установленных соответствующими требованиями] «нарицательных напряжений» и «уровней изоляции» могут различаться и количественно, и качественно.
Например, для [гипотетического] «ноутбучного» блока питания, имеющего пять электрических цепей — две первичного входного питания (L, N), две вторичного выходного питания (VCC, GND), одну защитного заземления (PE) — на портах и в корпусе из изолирующего материала, соответствующие характеристики могут быть установлены следующим образом:
(а) «нарицательное напряжение» между цепями L и N — (100...240) VAC; между цепями VCC и GND — (4,5...5,0) VDC; между любыми другими комбинациями цепей — не установлено;
(б) «уровень изоляции» между цепью PE и закороченными вместе цепями L, N — 1,5 kVAC @ 60 s; между цепью PE и закороченными вместе цепями VCC, GND — 0,5 kVAC @ 60 s; между закороченными вместе цепями L, N и закороченными вместе цепями VCC, GND — 4 kVAC @ 60 s; между любыми другими комбинациями цепей — не установлено.
Также, нередко к «уровню изоляции» (впрочем, в равной степени, как и к «нарицательному напряжению») одновременно предъявляются требования, касающиеся воздействий разного вида тока. Например, к требованию в 5 VAC на переменном токе могут добавляться требования 8 VDC и 8 Vpeak на постоянном и импульсном токах, соответственно, и выдерживающие такие воздействия приборы награждаются (маркируются) соответствующими «звездами» (символ С-2 по ГОСТ 23217), как [первые три] на КДПВ.
Исходя из совокупности требуемых от прибора характеристик, в том числе «нарицательных напряжений» и «уровней изоляции», далее разработчиком определяются (рассчитываются по принятой методике, подбираются экспериментально в ходе испытаний, уточняются на практике эксплуатации) зависимые конструктивные характеристики, такие как воздушные зазоры (англ. [air] clearance) и пути утечки (англ. creepage distance), с порядком чего можно ознакомиться в уже упомянутом выше МЭК 60950-1, МЭК 60065, МЭК 62368-1, ГОСТ Р 53429 и прочих стандартах, а также (разработчиком) выбирается элементная база. На последнем остановимся чуть подробнее.
Если условиться, что даже для мелкосерийного производства перечень применяемых (покупных, заказных) электрорадиоизделий в расчете на ожидаемый объем выпуска не должен содержать номенклатурных позиций с количеством соответствующего изделия менее десятков тысяч штук, то [наверное, подавляющее] большинство предприятий в РФ можно рассматривать как имеющие [всего лишь] эпизодическое производство.
В такой ситуации, как правило, разработчик не имеет [экономически обоснованной] возможности «получить то, что надо» и применяет доступные на рынке компоненты, то есть, использует лишь «то [готовое], что есть», тем самым самостоятельно компенсирует убыток в случае характеристик прибора, которые ниже заложенных в технических условиях применения покупных изделий, и принимает риски в случае характеристик прибора, которые выходят за рамки технических условий применения покупных изделий.
Среди трех — оптического, емкостного, индукционного — популярных способов гальванической развязки электрических сигналов, только в случае последнего требуемые для этого компоненты — моточные изделия (трансформаторы) — возможно [с приемлемым, удовлетворительным качеством] изготовить поштучно-ручным, несерийным методом, для высоковольтных конденсаторов и полупроводниковой оптики обойтись без технологических линий массового производства уже невозможно.
Вырезы в печатных платах
Увеличить путь утечки между проводящими частями рисунка печатной платы, вырезая материал между ними, — достаточно распространенная практика, которая — во многих (но, естественно, не во всех) случаях — при более пристальном рассмотрении дает результат скорее по-человечески обнадеживающий, нежели технически что-либо гарантирующий.
Связано это с тем, что печатная плата, как правило, электрически «полна», «ценна», «работает» и прочее не сама по себе, а лишь с установленными на нее элекрорадиоизделиями (электронными компонентами), поэтому электрические характеристики, в том числе воздушные зазоры и пути утечки, необходимо рассматривать (анализировать, испытывать) в объеме и по совокупности.
Некоторые из таких случаев проиллюстрированы ниже.
Случай (1), когда даже в номинальных (нормальных, начальных, без учета времени и эффектов эксплуатации) условиях вырез в плате либо почти, либо совсем ничего не дает.
Случай (2), когда и номинально, и во времени и условиях эксплуатации вырез сам по себе (без взаимоучета «окружающих» его элементов электромонтажа) может не только не улучшать, но и ухудшать характеристики изделия.
Случай (3), кроме прочего, еще раз показывающий важность выреза не самого по себе, а в совокупности с другими элементами конструкции, такими как защитные покрытия (наполнители) и вспомогательные детали (преграды).
Стоит отметить, что вырезы в печатной плате делаются и для других целей, никак не связанных с электробезопасностью изделия, например, вырезы могут снимать механические напряжения, возникающие при креплении печатной платы в общей конструкции изделия. С другой стороны, назначение вырезов может оставаться и менее очевидным в любой перспективе, кроме долгосрочной, например, если в процессе испытаний и (или) длительной эксплуатации выясняется, что происходит разрушение самого изолятора (основы) печатной платы вследствие набора влаги и [суточного, сезонного, прочего периодического] термоциклирования (нагрева-остывания).
Случай (4), когда два электрода с высоким электрическим потенциалом между ними есть, а уверенности (расчетной, экспериментальной, эксплуатационной), что без выреза печатная плата отслужит установленный срок, — нет.
Вместо заключения
П. С. Чтобы не писать отдельную заметку на тему «В чем же строго прав Олег Артамонов», скажу, что общие посылы его второй и, особенно, первой статьи верны и, как это не было бы прискорбно, предельно злободневны. Ну, а что касается практической конкретики, надеюсь, настоящая заметка показала, что далеко не все и не всегда так однозначно.
(А вот продавца-супостата, нежели за ГОСТ IEC 60950-1, зело милее поучать за ГОСТ IEC 62850 «Общие требования к оборудованию, предназначенному для использования детьми в образовательных учреждениях». Ну, это ИМХО.)
П. П. С. IEC 60950-1 обещают скоро (в 2019-м) отменить, заменив его новым, расширенным IEC 62368-1, который раньше был только «за звук», а теперь будет и «за ИТ» в том числе. А там, глядишь, и ГОСТ подтянется.
Автор: 55m55
