Diseño de Placas de Circuito Impreso de Alta Tensión: Líneas de Fuga y Distancias de Seguridad

July 18, 2019 Altium Designer

“Danger High Voltage” sign.

Las aplicaciones de alta tensión precisan de parámetros de diseño más rigurosos que una placa de circuito impreso común y corriente.

Cuando era estudiante universitario, realicé muchos trabajos de grabado electroquímico. Lo tuve incluido en mi curriculum durante años, porque los entrevistadores siempre estaban interesados en escuchar sobre trabajos con fuentes de alta tensión y sustancias químicas aterradoras. Más tarde, tomé conciencia que no quería ser contratado para aquellos trabajos en los que querían a alguien con una indiferencia patológica a los entornos laborales de alto riesgo.

Fue entonces cuando comencé a investigar el diseño de placas de circuito impreso con líneas de fuga y distancias de seguridad. Me sorprendieron los estándares requeridos para los productos de alta tensión. También me sentí aliviado.Si bien no les puedo evitar que los estudiantes universitarios graduados realicen artilugios como en la serie “MacGyver” sobre nuestros productos de alta tensión, siento una tranquilidad al saber que la protección y el aislamiento son existentes al nivel de la placa. 

¿En qué momento la seguridad requiere normas de espaciado específicas?

No todo diseño de placa de circuito impreso tiene las mismas normas rigurosas con respecto al espaciado que requiere un diseño de placa de circuito impreso de alta tensión. En general, si el voltaje normal de operación de su producto cumple o supera los 30 VCA o 60 VCC, entonces debe ser muy diligente con las normas de espaciado en el diseño de su placa de circuito impreso. Si tiene una placa de alta densidad, sobre todo con altos voltajes, debe preocuparse aún más. La alta densidad hace más problemático el espaciado, e incluso más importante para la protección.

El espaciado es más importante en diseños de alta tensión porque el voltaje en los componentes de la placa de circuitos hace que sea mucho más fácil que se produzca un arco voltaico entre dos elementos conductores en la placa de circuito impreso. Cualquier arco voltaico que ocurra representa un riesgo considerablemente más alto para el producto, al igual que para sus usuarios. Para ayudar a mitigar ese riesgo, existen estándares para las dos medidas primarias en el espaciado en el diseño de su placa de circuito impreso, distancia de seguridad y línea de fuga. 

¿Qué es la distancia de seguridad?

La distancia de seguridad es la distancia más corta a través del aire entre dos conductores. Recuerdo su definición al pensar en el espacio libre; cuánto espacio existe en el aire antes de que mi cabeza golpee algo. Si es muy pequeña la distancia de seguridad en cualquier parte de la placa de circuito impreso, entonces un evento de sobretensión puede causar un arco voltaico entre elementos conductivos vecinos en la placa.

Las normas para la distancia de seguridad varían según el material de la placa de circuito impreso, el voltaje y las condiciones ambientales. Los efectos ambientales son bastantes considerables. Más comúnmente, la humedad cambia la tensión disruptiva del aire y afecta la posibilidad de la ocurrencia de arcos voltaicos. El polvo es otro factor estándar, ya que las partículas que se acumulan en la superficie de la placa de circuito impreso pueden formar una pista con el pasar del tiempo, acortando la distancia entre dos conductores.

 
Arcing between two wires.

El arco voltaico puede dañar su producto y sus usuarios, por lo tanto, el espaciado en su placa es un parámetro crítico en su diseño.

¿Qué es la línea de fuga en una placa de circuito impreso?

Al igual que la distancia de seguridad, la línea de fuga mide la distancia entre conductores en una placa de circuito impreso. Sin embargo, en lugar de medir la distancia en el aire, mide la distancia más corta en la superficie del material aislante. El material de la placa y el medio ambiente también pueden afectar los requisitos de fuga. La humedad o acumulación de partículas sobre la placa pueden acortar la distancia de la línea de fuga de la misma manera que lo hacen para la distancia de seguridad.

Cuando usted tiene un diseño de alta densidad, puede ser difícil lograr el requerimiento para la línea de fuga. Dado que la primera opción casi nunca es de trasladar las pistas, existen algunos otros trucos para aumentar la distancia en la superficie de su diseño. Al agregar una ranura entre las pistas, o una barrera vertical de material aislante, puede aumentar considerablemente la distancia de la línea de fuga sin cambiar la disposición de los trazos en la placa.

Considere el índice de seguimiento comparativo de su material

Después del voltaje de operación, el factor más importante en los requerimientos de la distancia de seguridad y las líneas de fuga viene de las propiedades del material de su placa de circuito impreso. El aislamiento eléctrico del material es indicado por el valor del “índice de seguimiento comparativo” (“comparative tracking index”, o CTI, por sus siglas en inglés). El CTI se expresa en forma de voltaje y es determinado por una prueba estandarizada que mide el momento en el cual se descompone la superficie del material.

Existen seis categorías de 0 al 5 basadas en el valor de descomposición del material. Los niveles obligatorios para los productos se basan sobre estas categorías CTI. La categoría 5 es la más baja, con valores inferiores a los 100 V. Con valores de descomposición de 600+ V, la categoría 0 tiene las opciones de material más robustas y a menudo más costosas.

 
A pile of old PCBs.

Los materiales aislantes para las placas de circuito impreso tienen diferentes voltajes de descomposición y categoría correspondientes de seguridad para las aplicaciones de los productos.

¿Cómo saber qué materiales y espaciado debo de utilizar?

A razón de las muchas variables en el diseño de placas de circuito impreso y la selección de material, su mejor opción para cumplir con los requerimientos y estándares de seguridad es ir directamente a la fuente. Existen dos estándares que veo citados con más frecuencia. El primero es IPC-2221, se trata del estándar genérico de orientación para la distancia de seguridad y líneas de fuga en el diseño de placas de circuito impreso. El Segundo es IEC-60950-1 (segunda edición). La versión IEC es el estándar que debe leer para cualquier producto de TI con corriente alterna principal o fuente de alimentación por batería, sobre todo si desea vender esos productos en el mercado internacional.

Dado que las consecuencias de un espaciado incorrecto varían desde el incumplimiento legal hasta la muerte y destrucción graves, vale la pena familiarizarse con cualquier norma que sea relevante para su diseño. Además, impide que los estudiantes universitarios se electrocuten.

La identificación e incorporación de los estándares pueden demandar mucho tiempo, por lo que debe utilizar un buen software de diseño. El mejor software para el diseño de placas de circuito impreso le permite crear normas particulares de diseño y le ayuda identificar problemas al principio del proceso. Altium Designer cumple con estos requerimientos y más; ¡puede comenzar a diseñar antes de que haya seleccionado el material aislante para su placa de circuitos!

¿Tiene alguna duda sobre las líneas de fuga y las distancias de seguridad? Comuníquese con un experto en Altium

Vea Altium Designer en acción…

Límites de distancias de seguridad visuales

         

Sobre el autor

About the Author

Altium Designer

PCB Design Tools for Electronics Design and DFM. Information for EDA Leaders.

Visit Website More Content by Altium Designer
Previous Article
El Internet de las Cosas está Desarrollando Nuevas Tecnologías para Envejecer en Casa
El Internet de las Cosas está Desarrollando Nuevas Tecnologías para Envejecer en Casa

Cómo el Internet de las cosas está ayudando a personas mayores envejecer en casa y cuáles mejoras se pueden...

Next Article
¿Por qué Utilizar la Tecnología de Orificio de Paso en el Diseño de Placas de Circuito Impreso?
¿Por qué Utilizar la Tecnología de Orificio de Paso en el Diseño de Placas de Circuito Impreso?

Cuando se trata de la tecnología, nunca miramos hacia atrás, sólo hacia adelante. No obstante, parece a vec...