Por que rotear lacunas de ar para isolamento de tensão em PCBs?

Aprendendo sobre o projeto de placas de circuito impresso para fontes de alimentação, frequentemente vejo placas com intervalos roteados para separar seções de baixa e alta tensão do layout.

Por que o problema de preencher uma lacuna de ar ao gravar o cobre deve criar o mesmo nível de isolamento? A tensão de ruptura do ar é muito maior que o FR4?

Suponho que tais lacunas sejam usadas para evitar situações em que o cobre não pode ser gravado perfeitamente.

Design de PCB de alta tensão

Projeto de PCB de alta tensão para prevenção de arco

Algumas razões pelas quais:

1. Quando ocorre um arco, pode causar carbonização (também conhecida como "queima") na superfície da placa de circuito impresso. Isso pode resultar em um curto permanente. Isso também é dano irreversível, onde o arco não é o ar (a menos que algo dê errado). Isso seria especialmente ruim se um único pico de alta tensão criasse um curto permanente, então qualquer fonte de tensão de "baixo nível" ainda teria um caminho de baixa impedância disponível.
2. Você tem a opção de instalar uma blindagem de alta rigidez dielétrica (algo muito melhor que FR4 / soldermask e melhor que ar).
3. Poeira / sujeira podem se acumular na superfície da placa, reduzindo a resistência dielétrica. Não é tanto um problema (embora ainda possa ser um problema) se essa superfície simplesmente não estiver lá.
4. No segundo link, eles fizeram alguns experimentos em que a umidade teve um efeito drástico na tensão de ruptura da máscara de solda e um efeito menor (embora potencialmente ainda significativo) em um slot. O melhor resultado foi remover a máscara de solda e cortar um slot (sem perda significativa de desempenho).
5. Quaisquer erros de fluência inadvertidos serão removidos pelo roteador, embora isso realmente deva ser detectado no estágio de design, especialmente com o CAD moderno. O PCB pode não funcionar corretamente se as faixas tiverem circuitos abertos inesperados, e diminuir uma faixa de alta corrente pode causar outros problemas: P
6. A folga de ar necessária parece ser menor que a distância de fluência de superfície necessária.

Uma rápida olhada em algumas tabelas de indexação / liberação:

tabela de apuramento III

tabela de rastreio IV

parece confirmar que creepage distance> clearance distance, especialmente com graus de poluição mais elevados.

O grau de poluição é uma medida de como o ambiente pode afetar seu PCB. Veja: Design for Dust .

Descrição de vários graus de poluição (tabela 1):

1. Sem poluição ou apenas poluição seca e não condutora, que não tem influência na segurança. Você pode atingir o grau 1 de poluição através do encapsulamento ou do uso de componentes hermeticamente fechados ou através do revestimento conforme das placas de circuito impresso.
2. Poluição não condutora, onde pode ocorrer condensação temporária ocasional. Esse é o ambiente mais comum e geralmente é necessário para produtos usados ​​em residências, escritórios e laboratórios.
3. Poluição condutiva ou poluição não condutora seca, que pode se tornar condutora devido à condensação esperada. Isso geralmente se aplica a ambientes industriais. Você pode usar gabinetes de proteção contra entrada (IP) para obter o grau de poluição 3.
4. Poluição que gera condutividade persistente, como chuva, neve ou poeira condutora. Esta categoria se aplica a ambientes externos e não é aplicável quando o padrão do produto especifica o uso interno.

Uma folga de ar tem um nível de avaria muito mais alto do que as superfícies sem cobre de uma placa de circuito. Existem dois mecanismos em jogo - gap aéreo físico (folga) e o que é chamado de "rastreamento" em superfícies de PCB (fluência).

Distância de fluência. A fluência é o caminho mais curto entre duas partes condutoras (ou entre uma parte condutora e a superfície delimitadora do equipamento) medida ao longo da superfície do isolamento. Uma distância de fluência adequada e adequada protege contra o rastreamento, um processo que produz um caminho parcialmente condutor de deterioração localizada na superfície de um material isolante, como resultado das descargas elétricas em ou próximo a uma superfície de isolamento. O grau de rastreamento necessário depende de dois fatores principais: o índice de rastreamento comparativo (CTI) do material e o grau de poluição no ambiente.

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Distância de folga. A folga é a distância mais curta entre duas partes condutoras (ou entre uma parte condutora e a superfície delimitadora do equipamento) medida pelo ar. A distância da folga ajuda a impedir a quebra dielétrica entre os eletrodos causados ​​pela ionização do ar. O nível de quebra dielétrica é ainda mais influenciado pela umidade relativa, temperatura e grau de poluição no ambiente.

Como exemplo prático de gap de ar ao longo da distância da placa de circuito impresso, projetei uma fonte de alimentação de alta tensão (50kV dc). Os estágios de saída eram triplicadores de diodo (sem importância para este exemplo), mas a PCB que montava os diodos e capacitores que pegavam 6kV e o transformavam em 50kV tinha que ter grandes furos ao redor dos componentes, de modo que a "criação" na placa de circuito não poderia fazer uma conexão direta. linha reta através da superfície da placa de circuito impresso, ao invés disso, teve que tecer em torno dos slots e dos orifícios, o que proporcionou capacidades de tensão de ruptura significativamente mais altas.

Há uma pergunta semelhante sobre troca de pilhas aqui que possui tabelas de tensões e intervalos para criação e folga.