Progetto di PCB ad elevato voltaggio: distanze di isolamento in aria e superficiali

Quando ero uno studente non ancora laureato facevo tantissime incisioni elettrochimiche. Per anni l’ho anche aggiunto al mio curriculum dato che ai colloqui i selezionatori erano sempre interessati ai lavori che avevo fatto con voltaggi elevati e prodotti chimici terrificanti. Solo più tardi mi sono reso conto che era meglio non dare l’impressione di una persona che non aveva paura di lavorare in condizioni ambientali rischiose.

 A quel punto ho iniziato ad interessarmi alle distanze di isolamento in aria e superficiali nel progetto di PCB. Da subito sono rimasto stupito da tutti gli standard da rispettare per i prodotti ad alta tensione. Ma anche piacevolmente sorpreso. Dato che non posso impedire agli studenti di giocare con i prodotti ad alta tensione almeno so che esistono adeguati livelli di protezione ed isolamento.

Quali sono i requisiti di sicurezza in termini di distanze?

Non tutti i progetti di PCB hanno gli stessi requisiti rigorosi in termini di distanze che invece sono richiesti nei progetti ad alta tensione. In generale, se il normale voltaggio operativo del vostro prodotto raggiunge o supera i 30 VAC o i 60 VDC, dovete prestare particolare attenzione alle regole sulle distanze nel progetto del vostro circuito. Se avete una scheda ad alta densità e le tensioni sono elevate dovete fare ancora più attenzione. L’alta densità rende la corretta spaziatura più difficile da ottenere ed è fondamentale per la protezione.

La spaziatura riveste un ruolo ancora più importante nei progetti ad alta tensione perché il voltaggio presente sui componenti della scheda rende più probabile l’insorgere di archi elettrici tra due elementi conduttivi. Qualsiasi arco elettrico costituisce un pericolo serio sia per il prodotto che per l’utilizzatore. Per ridurre il rischio esistono degli standard da rispettare in termini di distanze di isolamento in aria e superficiali.

Cosa si intende per distanza di isolamento in aria?

La distanza di isolamento è la distanza minima in aria tra due conduttori. Mi ricordo di questa definizione quando penso alla distanza di sicurezza sopra la mia testa: quanto spazio c’è prima che possa andare a sbattere contro qualcosa. Se la distanza di isolamento in un qualunque punto del PCB è troppo bassa una sovratensione può causare un arco elettrico tra due componenti conduttivi vicini.

Le regole su questa distanza cambiano in funzione del materiale del PCB, del voltaggio e delle condizioni ambientali. Le condizioni ambientali, in particolare, giocano un ruolo significativo. L’umidità modifica la tensione di breakdown dell’aria e aumenta la probabilità di un arco elettrico. La polvere è un altro fattore importante dato che le particelle che si accumulano sulla superficie del PCB possono andare a formare una traccia riducendo la distanza tra i conduttori.

Gli archi elettrici possono danneggiare il prodotto e gli utenti per cui la spaziatura sulla scheda è un elemento critico del progetto.

 

Cosa si intende per distanza di isolamento superficiale?

Similmente a quanto visto prima la distanza di isolamento superficiale si riferisce alla distanza tra i conduttori i un PCB. Anziché la distanza in aria questa volta quello che viene misurato è la distanza minima lungo la superficie del materiale di isolamento. Anche in questo caso il materiale della scheda e i fattori ambientali hanno una notevole influenza. L’umidità o l’accumulo di particelle sulla scheda possono ridurre tale distanza, esattamente come visto prima.

Quando la densità sulla scheda è elevata può essere difficile rispettare il requisito relativo alla distanza minima superficiale. Muovere le tracce è raramente un’opzione percorribile, tuttavia esistono un paio di trucchi per aumentare la distanza. Aggiungere una scanalatura tra le tracce o una barriera verticale di isolamento può aumentare, in modo significativo, la distanza di isolamento superficiale senza modificare il layout della scheda. 

Considerare l’indice di inseguimento comparativo (CTI) del materiale

Dopo la tensione operativa il fattore più importante per rispettare i requisiti in termini di distanze di isolamento in aria e superficiali è legato alle proprietà del materiale del vostro PCB. Il livello di isolamento elettrico dei materiali è indicato dal cosiddetto “Indice di inseguimento comparativo” o CTI. Il CTI è espresso come tensione ed è determinato da un test standard che misura quando la superficie del materiale si rompe.

Esistono 6 categorie di materiali, da 0 in 5, in funzione del valore di questo indice. I valori di isolamento richiesti sono sempre basati su queste categorie. La categoria 5 è quella più bassa, con valori inferiori a 100 V. Con tensioni di rottura superiori a 600 V i materiali che appartengono alla categoria 0 sono i più resistenti ma anche, molto spesso, i più costosi.

 

I materiali di isolamento hanno diverse tensioni di breakdown e corrispondenti categorie di sicurezza per le varie applicazioni.

 

Come determinare quale materiale e spaziatura utilizzare?

Nel progetto di PCB ci sono tantissime variabili e materiali da scegliere per cui, per rispettare i requisiti di sicurezza, è meglio rivolgersi direttamente alla fonte. Esistono due standard che vengono applicati comunemente. Il primo è lo standard IPC-2221 che determina i requisiti in termini di distanze di isolamento in aria e superficiali per i casi più generali e il secondo è il IEC-60950-1 (seconda edizione). Lo standard IEC è quello da rispettare per i prodotti IT con alimentazione AC o a batteria, specialmente se volete vendere i vostri prodotti sul mercato internazionale.

Dato che le conseguenze di una spaziatura non corretta sono molto serie dal punto di vista legale e includono danni e persino il decesso vale la pena spendere del tempo per familiarizzare con gli standard applicabili al progetto. Inoltre evita che gli studenti siano soggetti a scosse elettriche. 

Indentificare ed includere questi standard può essere un processo tedioso per cui è molto utile disporre di un buon software di progettazione. I software migliori per il progetto di PCB consentono di creare specifiche regole di progetto e vi aiutano ad indentificare i problemi già nelle fasi iniziali. Altium Designer è uno di essi e vi consente di fare molto di più di questo: potete iniziare a progettare anche prima di aver scelto il materiale isolante del vostro circuito!

Avete domande sulle distanze di isolamento in aria e superficiali? Contattate un esperto di Altium.

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