Expertentipp: PCB Design für den Einsatz über 2000 m Normalhöhennull

| Autor / Redakteur: Dirk Müller * / Gerd Kucera

Bild 1: Der Einfluss der Betriebshöhe ist von entscheidender Bedeutung.
Bild 1: Der Einfluss der Betriebshöhe ist von entscheidender Bedeutung. (Bild: Vladimir Melnik zanskar@mail.ru/AdobeStock_109849179)

Wird ein System in höheren Lagen betrieben als 2000 m über NHN, ist das für die Entwicklung grundlegend. Denn es geht dabei um die Lebensdauer der Isolatoren, Durchschlagfestigkeit und Kriechstrecken.

Die vermeintlich höchste Straße der Welt führt über den Khardung-Pass im Nordwesten Indiens. Wegen der Rekordansprüche ist eine Höhe von 5604 m angegeben, aber moderne GPS-Messungen im Kaschmir-Gebirge kamen nur auf eine Höhe von 5359 m über dem Meeresspiegel. Wie auch immer die exakte Höhe sein mag, es stellt sich die Frage, ob beispielsweise Elektroautos, e-Bikes oder ganz allgemein Elektronik in dieser Höhe noch einwandfrei funktionieren würden? In vielen Gebrauchsanweisungen steht, dass der Betrieb eines Gerätes nur bis zu einer Höhe von 2000 m erlaubt ist. Wieso eigentlich? Und warum funktioniert Elektronik in unterschiedlichen Einsatzhöhen anders?

Schon 1889 hat der deutsche Physiker Friedrich Paschen den physikalischen Effekt der Durchschlagfestigkeit untersucht und den Zusammenhang in einer komplexen Formel beschrieben. Er fand heraus, dass in einem Plattenkondensator bei steigender Spannung die anliegende Feldstärke die Luft zwischen den beiden unterschiedlich geladenen Elementen ionisiert. Überschreitet die angelegte Spannung zwischen den beiden Leitern einen bestimmten Wert, dann entsteht eine selbstständige Entladung, deren Form auch vom Gas- bzw. Luftdruck abhängt. Durch die Gasentladung entsteht eine leitende Überbrückung zwischen den elektrischen Leitern, die zu einem blitzartigen Durchschlag führt. Dieser Blitz kann die Elektronik zerstören oder gar in Brand setzen. Da auf dem Khardung-La der Luftdruck deutlich niedriger ist, schlägt eine Überspannung entsprechend schneller durch.

Der Wert für die Durchschlagfestigkeit bzw. der notwendige Abstand für die erforderliche Luft- und Kriechstrecke ist insgesamt eine Funktion von Verschmutzungsgrad, Luftfeuchtigkeit, Temperatur, Luftdruck, Überspannungskategorie, Frequenz, chemische Belastungen, Hydrolyse, mechanischer Druck und Einsatzgebiet (Haushalt, Industrie oder Medizin). In diversen Normen wird über Sicherheit von stromführenden Teilen bei Niederspannungsanlagen gesprochen und es werden entsprechende Sicherheitsabstände definiert. Beispiele sind in der DIN EN 60 664-1/VDE 0110 aufgeführt. In dieser Norm sind die einzuhaltenden Abstände zwischen leitenden Objekten definiert, um einen Durchschlag zu verhindern.

Jede Verunreinigung mit Gasen, Flüssigkeiten oder Feststoffen, die dazu führen kann, dass der elektrische Widerstand bzw. die Isolationsfähigkeit einer Trennstrecke reduziert wird, bezeichnet die Norm IEC 61010 als Verschmutzung. Die angegebenen Abstände sind je nach Verschmutzungsgrad in folgende Kategorien unterteilt:

  • Verschmutzungsgrad 1 erlaubt keine oder nur geringe, jedoch nicht leitfähige Verschmutzung. Die Verschmutzung hat keinen Einfluss.
  • Verschmutzungsgrad 2 ist eine leichte, übliche Verschmutzung, die durch gelegentliches Betauen oder Handschweiß leitfähig werden kann.
  • Verschmutzungsgrad 3 ist eine Verschmutzung, die leitfähig ist oder durch Betauen leitfähig wird.
  • Verschmutzungsgrad 4: Es tritt eine durch leitfähigen Staub, Regen oder Nässe hervorgerufene dauernde Leitfähigkeit auf (jedoch nicht mehr akzeptabel für Isolierungen, die eine Schutzmaßnahme darstellen).

Dabei wird der Anwendungsbereich sehr stark eingeschränkt. Er gilt für Betriebsmittel zum Einsatz bis zu einer Höhe von 2000 m über Meereshöhe (früher als NN, Normalnull bezeichnet; heute NHN Normalhöhennull) und mit einer Bemessungs-Wechselspannung bis 1000 V mit Nennfrequenzen bis 30 kHz oder einer Bemessungs-Gleichspannung bis 1500 V.

Der Einfluss der Betriebshöhe über dem Meeresspiegel ist aber von entscheidender Bedeutung, je höher der Einsatzort liegt, in dem das Gerät betrieben wird. Für diese Sonderfälle in der europäischen Norm gibt es eine Korrekturtabelle, in der ein Faktor angegeben wird, um den die Abstände für Luft- und Kriechstrecken zu vergrößern sind. Für die Isolationsfähigkeit von Luft ist die Dichte entscheidend und damit auch die Durchschlagfestigkeit. Die Durchschlagfestigkeit ist auf Meeresniveau am stärksten und nimmt mit zunehmender Höhe ab, da die Luft immer dünner wird.

Hochvolt beginnt bei einer Spannung oberhalb 60 V

In der Automobilindustrie werden durch die neue Generation von Elektro- und Hybridfahrzeugen Batteriespannungen von 400 und sogar 850 V verwendet und in Invertern ebenfalls höhere Spannungen angewandt. Als Hochvolt werden im Automobilsektor Spannungen oberhalb von 60 V bezeichnet. Die Unterscheidung der Spannungsklassen in Klein-, Nieder-, Mittel-, Hoch- und Höchstspannungen kommt aus der Installations- und Gebäudetechnik. Bisher wird in der Automobiltechnik lediglich nach Nieder- und Hochvolt unterschieden, um den Mechanikern in der Werkstatt einen besonderen Hinweis auf die elektrischen Gefahren zu geben. Hochvolt-Komponenten müssen durch Auslegung des Systems eine Spannungsfestigkeit entsprechend ISO 6469 aufweisen.

Hinzu kommt auch die stärkere Ausbreitung von Elektronik in der Welt, also auch in entlegenen Gebieten wie am Khardung-Pass im Nordwesten Indiens. Auch Netzteile oder andere Geräte, die Leistungselektronik mit höheren Spannungen einsetzen, müssen so ausgelegt werden, dass sie überall auf der Welt sicher funktionieren. Frequenzumrichter und Schaltnetzteile belasten heute Isolationen stärker als früher, denn Motoransteuerungen oder Netzteile verwenden pulsweitengesteuerte Rechteckspannungen im Bereich von 20 kHz und mehr. Die dabei entstehenden Oberwellen haben Frequenzanteile bis weit über 50 MHz, und es entstehen beispielsweise durch Resonanzen und induktive oder kapazitive Kopplung Spitzenspannungen weit oberhalb der Betriebsspannung. Die hohen Schaltgeschwindigkeiten (du/dt) von MOSFETs oder IGBTs belasten erheblich die verwendeten Isolationsmaterialien.

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