Expertentipp: PCB Design für den Einsatz über 2000 m Normalhöhennull

| Autor / Redakteur: Dirk Müller * / Gerd Kucera

Frequenz der Spannung und die Temperaturen

Die unterschiedlichen Normen schränken ihren Gültigkeitsbereich häufig bis 20 oder 30 kHz ein. Bei Frequenzen über 100 kHz kann der Einfluss auf die erforderlichen Abstände schon mehr als 50% betragen. Auf Leiterplatten wird häufig ein Schutzlack als Isolator zur Verkürzung von Luft- und Kriechstrecken verwendet.

Die Datenblattangaben von Isolierstoffen spiegeln den optimalen Wert der Isolationsfähigkeit unter standardisierten Bedingungen (50/60 Hz Sinusspannung) am Anfang der Einsatzzeit wider. Durch hohe Frequenzen kommt es zu Umpolungen des elektrischen Feldes im Isolationsmaterial, was zur Erwärmung führt und langfristig die Zuverlässigkeit der Isolation verringert. Diese Langzeiteffekte sind nur teilweise in den heutigen Normen berücksichtigt und können zu Überspannungsschäden über Luft- und Kriechstrecken durch Alterung führen.

Ganz grob kann man sagen: Je höher das angelegte elektrische Feld und je höher die Frequenz, umso mehr erwärmt sich das Material. Diese innere Erwärmung bleibt bei Alterungsbetrachtungen häufig unbeachtet und wird über übliche Normmessungen (z.B. UL 746) nicht abgebildet.

Für getaktete Schaltungen sind Bereiche oberhalb von 2000 m über NHN durch Normen noch nicht komplett abgedeckt. In empirischen Versuchen wurde gezeigt, dass die Durchschlagfestigkeit abhängig ist von der Zeit der Einwirkung der Spannung (Geschwindigkeit der Zunahme des elektrischen Feldes), dem Luftdruck bzw. dem Gasgemisch sowie der Größe und Form der verwendeten Elektroden (Leiterbahnen, Anschlusspads und Gehäuseteilen).

Die einfachste technische Lösung ist, den Abstand zwischen spannungsführenden Materialien deutlich zu erhöhen. Dem steht aber die Forderung der Gewichteinsparung und damit Miniaturisierung gegenüber. Je nach Anwendungsgebiet kommen unterschiedliche Zusatzaufschläge oder Hausnormen zur Geltung.

Außerhalb Europas gelten andere Regeln

Die höchste Straße der Welt ist mit einer Höhe von 5400 m höher gelegen als der höchste Berg in Europa (Mont Blanc, 4810 m). Bei den europäischen Normen wurde dies beim normalen Anwendungsfall einfach ausgenommen und eine Höhenkorrekturtabelle ergänzt. Auf der Straße in Asien ist der Luftdruck nur halb so groß wie am Meeresspiegel und erreicht einen Durchschnittswert von 506,6 hPa. Dementsprechend müssen die Sicherheitsabstände vergrößert werden.

Wenn Elektronik nach Asien oder Südamerika exportiert wird, dann gelten hier strengere Regeln als in Europa. Beim Export nach China müssen die strengen Vorschriften für eine CCC-Zulassung (China Compulsory Certification) nach dem Sicherheitsstandard GB 4943.1-2011 eingehalten werden. Dieser Standard hat im Vergleich zu den europäischen Vorschriften höhere Vorgaben für die Luft- und Kriechstrecken. In China sind viele Regionen sehr hoch gelegen und deshalb erfordert der chinesische Standard seit dem 1. Dezember 2012 eine Betriebshöhe bis 5000 m. Die Abstände für Luftstrecken sind um 50% (Faktor 1,5) größer auszulegen als bei uns üblich.

Vorschriften zum Testen: Um ein elektrisches Gerät sicher auszulegen, ist es also notwendig, alle auftretenden Einflussgrößen wie Temperatur, Spannung (Höhe und Frequenz), Verschmutzungen, Feuchtigkeit, chemische Belastungen, Hydrolyse und mechanischer Druck in ihrer Wirkung aufzusummieren und die erforderlichen Sicherheitsabstände zu berechnen.

Mit der Entwicklungs-Software NEXTRA von Mecadtron lassen sich unterschiedliche Regelsätze für die Abstände vorgeben und alle elektrisch leitenden Objekte werden gegeneinander auf die Einhaltung vorgegebener Maximalwerte für Luft- und Kriechstrecken geprüft. So lassen sich zum einen die in den Normen geforderten Abstände nachweisen, aber auch mit Zuschlägen behaftete Bereiche (beispielsweise Faktor 1,5) der elektronischen Schaltung finden, die an heißen Tagen auf einer Höhe von 5000 m nicht mehr funktionieren würden und entsprechend das Design beeinflussen. Ein Lötstopplack hat hier keine isolierende Wirkung. Bei der Dimensionierung von elektrischen Baugruppen und Isolationen muss darauf geachtet werden, dass insbesondere bei spitzen Leitergeometrien die umgebende Luft durch sogenannte Vorentladungen ionisiert werden kann und ein Überschlag dadurch eher stattfindet.

Festzuhalten ist, dass es in den Normen viele Einschränkungen für deren Gültigkeit gibt und geprüft werden muss, ob die entsprechenden Korrekturfaktoren für Betriebshöhe, Verschmutzungsklasse, Temperatur und Frequenz angewendet werden müssen. Die Normen sind zum Teil aus empirischen Versuchsreihen entstanden und weisen Nichtlinearitäten und Widersprüche zueinander auf. Daher sollte im Zweifel immer der größere Abstand für mehr Sicherheit gewählt werden.

Kriechstreckenanalyse mit der Software NEXTRA

Wie im Artikel angesprochen ermöglicht das Software-Modul NEXTRA die Untersuchung von Leiterplatten-Layouts zur Einhaltung von Mindestabständen zwischen Schaltkreisen, die zur Zertifizierung technischer oder gesetzlicher Vorgaben nötig sind. Das autarke Tool importiert von beliebigen PCB-Design-Werkzeugen die Daten und spielt speziell bei der Entwicklung von Hochstrom- und Hochspannungsleiterplatten eine entscheidende Rolle, um Mindestabstände zwischen Stromkreisen einhalten zu können.

2D-PCB-Layout-Systeme berücksichtigen keine Abstände von Schaltungselementen, die über Leiterplattenlagen hinweg entstehen. Diese Einschränkungen werden durch das Kriechstrecken-Analysemodul gelöst. NEXTRA bestimmt dazu die Abstände zwischen allen Leitungselementen. Durch Zuordnung der Leitungselemente zu Netzen und Stromkreisen lassen sich Unterschreitungen identifizieren, die ein technisches Risiko sein können. Die Vorgabe von Minimalabständen ermöglicht es, problematische Details einzugrenzen und diese genauer zu überprüfen.

Die Übernahme von Netzklassen aus 2D-PCB-Layoutsystemen automatisiert die Definition von Stromkreisen und die Festlegung deren Mindestabstände in NEXTRA. Die 3D-Erweiterung für Kriechstrecken prüft auch die Kriechstrecke über die 3D-Oberfläche der Bauteile auf der PCB. Mit der NEXTRA-Erweiterung ist so sichergestellt, dass gegebene Randbedingungen eingehalten werden.

* Dirk Müller ist Geschäftsführer der FlowCAD EDA-Software Vertriebs GmbH in Feldkirchen.

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Trockene Luft ist der beste Isolator, deswegen fräst ein guter PCB-Designer einen Schlitz zwischen...  lesen
posted am 29.05.2019 um 22:25 von Unregistriert


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