Типова й небезпечна помилка під час розведення друкованих плат

Сьогодні в мене стаття не просто так, а, як то кажуть, «на тему», і йтиметься про одну, але чомусь доволі поширену помилку — причому помилку не лише новачків, а й цілком досвідчених інженерів.
Скажу відразу: допис написаний аж ніяк не заради хейту, а радше задля безпеки. І повірте, на це в мене є вагомі й об’єктивні причини.

Нагадую: щоб завжди бути в курсі нових тем у блозі, рекомендую підписатися на мій інстаграм, де я публікуватиму сповіщення про всі нові теми й, можливо, писатиму просто про щось цікаве — посилання на акаунт

Також підписатися на оновлення й нові статті можна в телеграм-каналі — https://t.me/KirichBlog

Взагалі тема цієї статті сягає корінням у дуже далеке минуле, принаймні аж у 2008 рік, коли на одному відомому сайті я побачив приклад реалізації блока живлення. Так, там угорі написано саме ІПБ — що це таке, мабуть, знає лише автор, бо особисто я знаю тільки дві схожі абревіатури: ІІЖ (імпульсне джерело живлення) та ДБЖ (джерело безперебійного живлення). Але то вже дрібниці: абревіатури для того й вигадали, щоб писати їх так, як зручно авторам... (сарказм)


Щодо особливостей схеми — це взагалі окрема тема, і в цьому випадку вона не має жодного стосунку до проблеми. По суті, схема взагалі не зобов’язана працювати: сьогодні ми говоримо про інше — про трасування.
Так от, автор там додав трасування, яке й досі може завантажити кожен охочий.

Тут є три ключові особливості:
1. Якщо уважно подивитися на трасування, можна побачити, що струмопровідні доріжки гарячої та холодної частин проходять на вкрай малій відстані одна від одної.
2. Ця помилка аж ніяк не впливає на працездатність пристрою, але становить небезпеку для того, хто його збиратиме, а потім експлуатуватиме.
3. Трасування викладене у відкритий доступ.


Якщо уважно придивитися, можна побачити, наскільки мала відстань між струмопровідними доріжками. Масштаб на кресленні — 1.27мм.
Ліворуч виділена доріжка «гарячої» сторони, праворуч — «холодної».
Насправді зрозуміти, де тут які доріжки, досить складно, бо не позначено місця встановлення компонентів. Але в будь-якому разі видно, що на платі принципово немає жодних помітних зазорів, а вихід розташований праворуч — там видно місця для встановлення електролітів великої ємності.


Тоді я порушив цю тему на форумі. Автор довго тупив і писав щось на кшталт: «Моя справа — придумати, схема ж працює, я вже зібрав два блоки, усе чудово» тощо.
Через деякий час цей автор (думаю, знайти його нік не дуже складно) знову запропонував скористатися його витвором, на що отримав відповідь від мене й Бородача. До речі, була розмова про те, щоб адміни прибрали його витвір із сайту, але чому не прибрали — не знаю.


І ось, через 15 років, YouTube підкинув мені в рекомендаціях відео про зарядний пристрій. А оскільки мене цікавлять подібні речі, я вирішив подивитися.


І тут мене охопило якесь відчуття дежавю. Я знову бачу потенційно небезпечне трасування й запитую автора, де він учився так трасувати плати та чи знає, що його плата небезпечна.
На жаль, автор видалив ту невелику гілку коментарів, і тепер у мене залишилися лише скриншоти. У цьому випадку листування не було приватним, тож, думаю, я цілком можу його опублікувати.


Спочатку я помітив на відео щось дивне, але подумав, що, можливо, мені здалося. Добре, що автор виклав у відкритий доступ архів, у якому є трасування у Sprint.


Тут я виділив сусідні доріжки: угорі Г-подібна — це первинна частина, решта — вихідна, причому велика ділянка йде паралельно
землі виходу зарядного пристрою.


Якщо подивитися ближче, видно, що за кроку масштабної сітки 1.27мм відстань між доріжками становитиме близько 0.9мм. Спочатку я написав автору про 0.7мм, але дивився побіжно — втім, це нічого не змінює.


Ключова проблема тут та сама, що й на початку. Річ у тім, що пробивну напругу прийнято оцінювати приблизно як 1мм=1кВ, тобто за зазору 0.9мм пробій може статися вже за 900 вольт. Ідеться про пробій у сухому й чистому середовищі, а якщо працює вентилятор і ганяє пил, а потім пристрій опиняється, скажімо, у гаражі (це ж зарядний пристрій), де волого, пробій може статися й за значно меншої напруги.

Приблизно це я й написав автору, на що отримав відповідь, у якій автор також згадав «більшість заводських пристроїв», але прохання навести хоча б один приклад проігнорував. Хоча я знаю щонайменше один заводський пристрій із подібною проблемою, і наприкінці покажу його вам.


На жаль, мої відповіді вже недоступні, але у відповідь я написав, що не маю ані академічного, ані практичного інтересу виконувати за когось роботу, тобто профіт від цієї дії прямує до нуля.
Автор, мабуть, вирішив, що під словом "профіт" я маю на увазі гроші, хоча це зовсім не так, і до цього я ще повернуся.


Що ж ми маємо по суті? Розберімося на прикладі типової схеми блока живлення.
Найчастіше блок живлення (а говоримо ми саме про нього) має три вузли, які з'єднують «небезпечну» та «безпечну» частини:
1. Трансформатор, іноді їх два, наприклад силовий і для гальванічної розв'язки
2. Y-конденсатор, їх також іноді буває кілька, причому часом їх навіть ставлять два послідовно, щоб підвищити рівень безпеки. Приклад — блоки живлення для медичного обладнання.
3. Вузол зворотного зв'язку, найчастіше оптрон.


При цьому обумовлюються й значення напруги, яку має витримувати ізоляція: для побутового класу найчастіше це 2хМООР, а для медичного — відповідно 2хМОРР.
У таблиці нижче наведено мінімальні зазори та напругу ізоляції для двох варіантів: умовно, плата, на яку може потрапляти пил, і плата в чистих умовах. Якщо спростити, перший варіант — це відкритий блок живлення або блок із вентилятором, а другий — блок живлення в повністю закритому корпусі.
Є також множник 1х, його використовують для вимог до ізоляції на заземлений корпус.

Тобто маємо умовно побутовий блок, що працює у відкритому корпусі, отже ізоляція має витримувати 3кВ, а мінімальний зазор має становити 5мм. Ідеться саме про мінімальні значення: якщо можете зробити більше — робіть, гірше точно не буде.
Найчастіше мінімальний зазор виходить під оптроном. Причому зазор вимірюють не між центрами отворів для виводів, а між найближчими краями контактних майданчиків. Тобто, наприклад, типова відстань між виводами оптрона РС817 становить 7.5мм, діаметр контактного майданчика — 2мм, відповідно, якщо встановити його «як є», отримаємо відстань 5.5мм — майже впритул.
Щоб збільшити шлях проходження струму, використовують або інший тип оптронів, або збільшують відстань між виводами — я зазвичай роблю її на 1.25мм більшою. Також дуже допомагає проріз у текстоліті в найнебезпечніших місцях.

Приклад блока живлення для медичних цілей є в огляді Meanwell RPS-120-27


А тепер погляньмо на приклади.
Для початку — фірмовий блок живлення Meanwell EPP-100-12, на фото видно місце встановлення трансформатора та Y-конденсатора.


На додатковій платі встановлено оптрони, причому, як я писав вище, з більшою відстанню між виводами. Ба більше, під ними є ще й проріз.


Рухаємось далі — менш відома фірма Sanmim, блок GPT70A-12
Тут бачимо абсолютно ту саму картину: велику відстань між компонентами та захисні прорізи.


Ще один блок живлення, найімовірніше, також фірмовий, куплений уживаним. Огляд є, але, чесно кажучи, лінь шукати: ці та інші фото, власне, взяті з моїх оглядів.
Тут подвійний Y-конденсатор, захисні прорізи та великі відстані, причому цей блок явно призначався для встановлення в закритий корпус.


Але ускладнімо ситуацію: візьмемо відверто китайські блоки живлення, і під «китайськими» я маю на увазі щось зовсім безіменне.
Тут бачимо простіше рішення, але відстань між контактами все ж явно більша за 5мм.


У блоків трохи кращої якості ситуація аналогічна, але тут уже з'являються захисні прорізи.


У другого блока живлення на фото вище є інша проблема: там використано не Y-конденсатор, а звичайний високовольтний, що теж погано. Про це я вже розповідав в одному з відео та у статті.


А тепер трохи сумного: у деяких китайських блоків живлення все-таки є проблеми. Як приклад — «народний» блок живлення.


Китайці чомусь затупили й зробили малу відстань. Так, вони спробували додати захисну прорізь, але якби подовжили її, а точніше, з’єднали дві прорізі між собою, усе було б гаразд, але, на жаль.


Щоправда, варто сказати, що в першій ревізії відстань була ще меншою. У новій вони просто звузили доріжку, відповідно збільшивши відстань.


Закономірне запитання: чому я показую лише заводські рішення? Не питання, покажу свої.
Для початку — зарядний пристрій для батареї на 24 вольти, струм заряджання — до 8 ампер. Ми встановлювали їх у джерела безперебійного живлення, коли в Україні були віялові відключення.
Так, це було 20 років тому, про що свідчить дата останнього редагування файлів. І так, тут вистачає власних косяків, але до безпеки точно питань немає: у найвужчому місці відстань близько 6.5мм, хоча вихід був заземлений!


Ще один приклад простенького блока живлення, про нього я розповідав тут.


До речі, хтось виклав у моїй темі свій варіант трасування. Як гадаєте, він безпечний?


Цей блок живлення фактично виготовлявся серійно. Тут також можна оцінити відстань між первинною та вторинною сторонами



Але, звісно, у мене теж були помилки, адже не помиляється лише той, хто нічого не робить.

Це також зарядний пристрій для джерела безперебійного живлення, теж виготовлявся серійно, розроблявся приблизно у 2001 році. І ось тут є косяк, який я визнаю: відстань між первинною та вторинною сторонами була лише близько 4мм — замало.


Другий приклад прорахунку дещо складніший — це первинний блок живлення мого робочого ЛБЖ.
На перший погляд усе гаразд: відстань між первинною та вторинною сторонами явно більша за 5мм.


Але все зіпсував гвинтик кріплення радіатора, адже пробій може статися через нього. Радіатори взагалі додають проблем, і це теж слід враховувати. У спрощеному варіанті рахуємо суму відстаней до паразитного провідника (радіатора, кріплення) і від нього — вона має бути більшою за 5--6мм.
До речі, на скриншоті видно напис на платі. Так от, він теж іноді може створити проблеми. Знайдіть вище фото трасування, яке ми обговорюємо, і дайте відповідь на запитання: що не так із написом на ньому? Так би мовити, завдання на уважність.


А тепер відповім на власне запитання про заводські пристрої, у яких не дотримано заходів безпеки.
І тут можу сказати, що поки мені, здається, трапився лише один такий пристрій (китайські девайси не рахуємо, це окрема тема), причому пристрій із серії промислової автоматики — автомат введення резерву.
Наприкінці огляду я багато розповідав про його проблему. Не знаю, чи виправив виробник трасування відтоді.


І ще «краса» в тому самому пристрої: синім позначено «холодну» сторону, червоним — кола, безпосередньо пов’язані з вхідною напругою, помаранчевим — із нейтраллю мережі за правильного підключення.


Причому, як я тоді й писав, проблема виявилася не гіпотетичною, а цілком реальною — через неї я втратив частину свого обладнання.


Іноді трапляються прорахунки, коли людина начебто все зробила правильно, але потім схибила й не помітила. Тобто спочатку зробила нормальну відстань і захисну прорізь, але зрештою забула, що спільний полігон проходить поруч із контактами (фото з Хабра).


Власне, у чому суть цього допису і навіщо я взагалі його запиляв.
Усе дуже просто. Я можу спокійно поставитися до схеми, яка працює неправильно, до того, що вона пропрацює не 10к годин, а лише 100, і навіть до того, що вона взагалі не працюватиме. Але пристрій у будь-якому разі має бути безпечним — це непорушна істина: БЕЗПЕЧНИМ, і крапка!
Але ще гірше, коли ви ділитеся своїм виробом з іншими, причому часто з глядачами чи читачами, які мають ще менше досвіду.

Знаєте, як вони бачать ваше трасування, яке деякі автори пропонують «допрацювати самостійно»?
Так, я не жартую: саме так ваша плата виглядає для недосвідченої людини. А часто буває так, що людина нічого не тямить у схемотехніці, ще менше — у трасуванні, але вміє тримати в руках паяльник, удома є праска, а деталі можна купити в магазині. Розповідати далі?


Власне, наприкінці повторюся: ваш пристрій може погано працювати, взагалі не працювати, бути негарним, але працювати чудово — та головне правило: ваш пристрій має бути безпечним. Автор запропонував покрити плату лаком. Можу сказати, що лак допомагає лише частково, іноді пробиває навіть крізь шар уретану.
Приблизно те саме стосується людей, які виводять 12 вольт на USB-роз’єми, пускають 220 по витій парі тощо, але це тема для іншої розмови.

На сьогодні в мене все. Сподіваюся, я був не надто різким, але автор сам просив конструктивної критики — без проблем, я був максимально конструктивним і нікого не хотів образити, а тим паче захейтити, адже приклади хейту (не така вимова, не так знімаю, надто довго, надто коротко) можете побачити під деякими моїми роликами. В автора відео, яке ми обговорюємо, є хороші ідеї, та й загалом він робить корисну справу, але безпека має бути на першому місці.
Будьте уважні, людське життя безцінне, бережіть його.