Spannungsversorgung

Kleine und große Spannungen kombiniert

2. November 2018, 10:00 Uhr | Rich Miron, Digi-Key

Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Luft- und Kriechstrecken beachten

Im Gegensatz zu Niederspannungsdesigns, bei denen es nur minimale oder gar keine Industriestandards und behördliche Vorschriften für die Benutzer- und Systemsicherheit gibt, ist die Welt der höheren Spannungen durch sie stark umgrenzt. Abhängig von Region und Endanwendung gelten unterschiedliche Normen. Im Allgemeinen jedoch gibt es für Designs unter 50 V bis 60 V nur wenige oder keine Beschränkungen; dies ist ein Grund dafür, warum für das Telefonsystem nach wie vor die 48-V-Schiene verwendet wird.

Steigen die Spannungen, so steigen gleichzeitig auch die Anforderungen an die räumliche Anordnung des Designs sowie die Anforderungen an die elektrischen Fehlerarten des Designs und dessen mechanischen Aufbau. Meistens konzentrieren sich die gesetzlichen Auflagen auf die Höhe der Spannung und nicht auf den Strom, da die Spannung die primäre Risikoquelle für die Schaltung und die Benutzer darstellt. Sie fügen die elektrischen und mechanischen Designaspekte eng zusammen. Die Sicherheitsstandards betreffen viele verschiedene Punkte, unter anderem folgende:

Lässt die interne Anordnung Lichtbogen- oder Funkenüberschlag zu oder eventuell sogar ein Verbrennen von Materialien?
Wird der Benutzer durch mechanisches Versagen oder ein beschädigtes Gehäuse (Spannungsrisse oder Schäden nach einem Aufprall) einer Gefahr ausgesetzt?
Kann ein Benutzer mit den hohen internen Spannungen in Kontakt kommen?

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Solche Standards definieren Mindestabstände für Kriech- und Luftstrecken bei verschiedenen Spannungspegeln (Bild 9). Die Kriechstrecke ist der Abstand zwischen zwei leitenden Stellen auf der Leiterplatte, gemessen entlang der Oberfläche der Leiterplatte. Die Luftstrecke hingegen ist der kürzeste Abstand (Luftlinie) zwischen zwei leitenden Teilen. Mit steigender Spannung nehmen die Mindestabstände zu.

Eine einfache Tabelle, die Spannungen und Abstände gegenüberstellt, ist für die Mindestwerte von Kriech- und Luftstrecken jedoch bei Weitem nicht alles. Die Nomen erfordern – abhängig von der Betriebsumgebung des Schaltkreises (Staub, Feuchtigkeit und sonstige Partikel), den verwendeten Materialien und weiteren Faktoren – entsprechende Anpassungen. Da dies relativ komplex und verwirrend ist, sollten sich besonders Einsteiger ausreichend Zeit nehmen und die Standards sowie jegliche relevanten Richtlinien genauestens studieren.

Einem Design, das die relevanten Standards nicht erfüllt, wird die erforderliche Zertifizierung verweigert werden. Selbst exponierte Stellen oder Bauteile auf der Leiterplatte um nur einen Millimeter zu verschieben, um die geltenden Vorschriften einzuhalten, gestaltet sich häufig schwierig und wird vermutlich weitere unangenehme Auswirkungen auf das Design mit sich bringen. Daher ist es wichtig, dass sich im Team ein Hochspannungsexperte befindet oder man sich einen externen Berater holt, der das Projekt bereits in der Frühphase bewerten und Hinweise geben kann. Dadurch lassen sich kostspielige und zeitraubende Änderungen am elektrischen und mechanischen Design sowie erneute Tests vermeiden.

Auswahl des Ansatzes

Bei der Auswahl des geeigneten Ansatzes – Verstärkertransistoren, Hybridmodul oder IC – zur Entwicklung von Hochspannungsanwendungen spielen viele Faktoren eine Rolle. Erstens: Wird der gewählte Ansatz den wichtigsten Parametern wie Spannung, Strom, Anstiegsrate usw. gerecht? Zweitens: Wie steht es, aus einer rein elektronischen Perspektive, um die Fähigkeiten des Teams, einen analogen Hochspannungsverstärker zu entwickeln und anzupassen? Drittens: Kennt und versteht das Entwicklerteam die relevanten Normen und ihre Auswirkungen auf das Design?

Die behandelten Optionen und Lösungen ermöglichen verschiedene Kombinationen höherer Spannungen und Ströme. Zusätzlich zum grundlegenden Schaltungsdesign gibt es zahlreiche externe Aspekte bei Layout und Platzierung, die bereits frühzeitig zu berücksichtigen sind. Diese Aspekte beeinflussen ebenfalls die Auswahl des letztendlich zur Entwicklung eines Hochspannungsverstärkers verwendeten Ansatzes.