Peligros en circuitos alimentados desde la red
 

www.geocities.ws/danielperez    www.qsl.net/lw1ecp   Ing. Daniel Pérez    LW1ECP   

fb: Daniel Ricardo Perez Alonso    contacto: danyperez1{arrroba}yahoo.com.ar

 
Junio 2018

Estás diseñando un producto que se conecta a la red eléctrica? Escuchaste hablar de palabras como 'creepage' y 'clearance'? Sigue leyendo!
Miras con orgullo tu plaqueta recién terminada de soldar. Limpia, brillante. Cuánto tiempo permanecerá así?
De a poco irá juntando polvo, que por suerte no suele ser conductor.
Algún día de mucha humedad, al bajar la temperatura ambiente se condensará algo de agua sobre el polvo y se hará un poco conductor. Si una zona de la plaqueta está conectada a la red eléctrica, y una persona toca alguna pieza metálica conectada a otra zona, recibirá una corriente de fuga que probablemente no sea peligrosa.
Lo malo es que con el tiempo las corrientes de fuga van cavando pequeños surcos (tracks) carbonizados que sí pueden tener una resistencia lo bastante baja como para dar una descarga severa si su calzado no es aislante.
Para tener idea de qué son esos surcos, hay videos en que se crean a propósito con fines artísticos (figuras de Litchtenberg). Observar lo que pasa cuando se llegan a unir ambos extremos:
  https://www.youtube.com/watch?v=n8IpOZVnjMU

Decimos que la corriente de fuga 'contornea' o 'se arrastra' (creeps) sobre la superficie. Hay normas internacionales que exigen una distancia de 'creepage' mínima de 8mm para esa separación. No cumplir con estas normas no significa que seguro vas a electrocutar a un usuario un día húmedo, pero en países exigentes tu producto no lo van a homologar para poder comercializarlo.

- Respetando un creepage de 8mm tu aparato es de Clase II (aislación doble o reforzada), no necesita cable a tierra para ser seguro. El símbolo es un cuadrado dentro de un cuadrado.

- Si cumple al menos 4mm, se considera de Clase I (aislación básica) y se le exige cable a tierra. Si hay una fuga entre algo conectado a la red, y la carcasa del aparato, y pasa por un cuerpo, hará saltar el disyuntor diferencial. Símbolo: el de masa dentro de un círculo.

De dónde salen esos números de 4 y 8mm? Hay normas internacionales, como la ECMA-287:
  http://www.ecma-international.org/publications/files/ECMA-ST/Ecma-287.pdf

La tabla 3.10 de esa norma, para estas condiciones...
- 250Vrms
- Aislación Básica
- grado de polución 3 (significa: contaminación conductiva, o que se vuelve conductiva con la condensación)
- material tipo IIIa o IIIb (los que más fácilmente generan tracks carbonizados con tensión y humedad)
... exige un creepage mínimo de 4mm.
Para poder categorizar como Aislación Reforzada, es el doble.
Claro, si todo el aparato está dentro de un gabinete plástico, y no hay nada metálico que pueda tocar una persona, no es necesario cumplir con el creepage ni la pata de tierra.

Supongamos un aparato como el de esta figura.

Una persona puede tocar algo conectado a la masa del circuito. Hay que analizar con lupa todos los caminos de creepage sobre la plaqueta y en los componentes que tengan una parte conectada a la red y otra a la masa.
Aclaremos, 'conectado a la red' no significa solamente que esté conectado *directamente* a un polo. Si hay un puente rectificador de red, su salida de CC también se considera conectada a la red. Lo mismo del otro lado: 'conectado a masa' también puede ser a Vcc, etc.
Los optoacopladores comunes tienen 7,6mm entre centros de hileras de agujeros. Sumando el espesor de los ojales de cobre apenas llegamos a 6mm entre las islas del LED y las del fototransistor. Un truco para aumentar el creepage es cortar una trinchera en la plaqueta. O bien, montar el opto al estilo SMD con lo que evitamos sumar espesores de cobre. Hay optos con encapsulados especiales para cumplir con los 8mm.

Sea cual fuere la solución adoptada, nunca haga pasar pistas entre hileras de patas.

Después está el tema del 'clearance' (despeje). En la red eléctrica no es infrecuente encontrar picos de varios kV cuando se desconectan grandes consumos o al caer un rayo cercano. Esto puede poducir arcos entre conductores que no tengan suficiente separación. Si es entre cualquier polo de la red y tierra, hay riesgo para personas si están tocando el aparato y se genera un arco adentro. La norma exige un clearance de 6mm para resistir picos de hasta 8kV, y esa distancia se mide sobre el aire. No influye el tipo de material ni su contaminación.
Esos 6mm bastan para cumplir con la norma hasta una altura de 2000m sobre el nivel de mar. Pero qué tiene que ver la altura? Aunque parezca lo contrario, un arco eléctrico es más fácil de ocurrir al bajar la presión atmosférica. A los 4500 msnm de la Puna, la presión es de sólo 580 milibares y la IEC60664-1 exige aumentar el clearance en un 40%

  https://library.e.abb.com/public/e4bc987d3b3a4e45a025161863ca67c1/2CDC131118D0201 Rev. A White Paper LVP in high altitudes.pdf
Ya que estamos con tema altura, con baja presión también es más difícil sacarse de encima el calor por convección, esto afecta a los disipadores y los transformadores.

Otro dispositivo que no debe descuidarse son los relés que conmutan cargas conectadas a la red. En la siguiente imagen vemos un modelo de relé muy usado. Lamentablemente las patas de la bobina están muy cerca de la del contacto central, imposible cumplir con el creepage sobre el cuerpo del relé. Al menos se puede recurrir al truco de los tajos para mejorarlo sobre la plaqueta. La solución perfecta sería lo que se ve en la última imagen, aislar la conexión dentro de un spaghetti... es una broma, mejor elegir un relé con un paterío más acertado.
 

Acá vemos un típico "módulo de relés para Arduino". Bien por los tajos en los relés. Pero el diseñador no se lució al rutear las pistas en los optos.

Otro sospechoso: el transformador. La construcción tradicional es devanar un bobinado encima del otro. En la imagen de la izquierda se ve por qué se debe evitar que las espiras lleguen hasta los costados del carrete. Se deben agregar espaciadores para lograr el creepage, pueden constar de suficiente cantidad de vueltas de cinta. Una opción que se volvió popular es ubicar los bobinados uno al lado del otro, separados por una nervadura del carrete (imagen derecha). Una desventaja que no suele ser importante es que de esa manera hay menor acoplamiento entre los bobinados, lo que traduce en que la tensión secundaria caiga más al cargarla, y que haya más chispeo en primario al desconectarlo.

Aquí vemos casos reales. El de la derecha usa un carrete especial que separa aún más las conexiones.

Esto no termina acá. Si el aparato está totalmente rodeado de un gabinete plástico pero el usuario puede tocar la perilla plástica de un potenciómetro con eje metálido, hay que analizar si la perilla se fija al eje con un tornillo gusano. Etc., etc. Si el aparato necesita estar blindado por temas de compatibilidad electromagnética pero se quiere un gabinete totalmente de plástico, se lo puede sopletear por dentro con una pintura conductiva pensada para tal fin.

Hay algunos trucos en caso que se dificulte respetar las separaciones.

- El material FR4 (expoy/glass) no tiene un buen 'tracking index', es un material del grupo III. El pertinax o fenólico (FR2) es peor aún. El PTFE (teflón (MR) ) tiene tracking index de 600 por lo que es un material del grupo I y se puede usar un creepage de 6,4mm, pero es muy caro.

- Si tenemos la plena seguridad de que la contaminación no es conductiva y que nunca se va a humedecer, el creepage mínimo se reduce a 2,5 y 1,3mm para FR4 y PTFE respectivamente.

- Más seguro es bañar todas las zonas de fugas con un recubrimiento aislante. Se le llama 'conformal coating' porque recubre y toma la forma de los componentes. Por los brillos en la foto, el módulo de relés citado parece tener este recubrimiento. Una antigua y buena costumbre en la fabricación de transformadores es secarlos al vacío en caliente para eliminar toda humedad en su interior, e impregnarlos en barniz.

Espero que esta información ayude a conseguir un aparato más seguro. De todos modos, si se lo quiere comercializar en gran escala o exportarlo a otros países será necesario leerse las 146 páginas de la ECMA-287 u otras normas relacionadas, además de verificar compatibilidad electromagnética, flamabilidad, ensayo de vibraciones si corresponde, gestionar homologación internacional según IECEE CB Scheme, etc. Hay normas de seguridad como para marearse: IEC60950-1, IEC61010-1, IEC60112, Underwriters Laboratories, etc.
Si compraste un aparato importado y te llegó sin la fuente, no es que alguien se la robó en Aduana sino porque no estaba homologada para Argentina según esta resolución:
http://www.cira.org.ar/index.php?option=com_content&view=article&id=7378:resolucion-207-e-2017&catid=112&Itemid=500

Gracias Raul Altamiranda por la iniciativa y los links.