208. Прибор от сети 230 В: безопасность и питание

Всю книгу прибор жил на безопасных вольтах: лабораторный источник, USB, батарейка. Последний шаг от макета к изделию — вилка в розетку, и это шаг через границу: за ней напряжение, которое убивает, и правила, которые написаны не ради галочки. Раздел о том, как думать про сеть честно: сколько тока пойдёт через руку и почему миллиметры зазора — это тоже схемотехника; из чего собирается вход — предохранитель, варистор, X-конденсатор; что пересекает барьер изоляции и как отлаживать плату, у которой «земля» — это выпрямленная сеть. Вход питания низковольтной стороны уже разобран (раздел 173), ЭМС — в 203; здесь — то, что появляется только вместе с 230 В.

Числа раздела — расчёты _verify/mains208/body_calc.py с проверкой размерностей; выброс в варистор и разряд X-конденсатора — модели ngspice в контейнере stm-lab:1 (surge.cir, xcap.cir).

Как это называется в документации

Оригинал	Перевод
live / neutral	фаза / нейтраль
protective earth (PE)	защитная земля: жила, спасающая при пробое на корпус
SELV, safety extra-low voltage	безопасное сверхнизкое напряжение
metal-oxide varistor (MOV)	варистор: ограничитель на оксиде цинка
X / Y capacitor	конденсатор между фазой и нейтралью / через барьер
bleeder resistor	резистор разряда конденсатора
time-lag / fast-acting fuse (T / F)	инерционный / быстрый предохранитель
breaking capacity	отключающая способность: какой ток предохранитель может разорвать
isolation transformer	разделительный трансформатор
differential probe	дифференциальный щуп

208.1 Честно об опасности

Опасно не напряжение само по себе, а ток через тело, и он считается законом Ома. Сопротивление тела — от контакта до контакта — при 230 В составляет порядка килоома: сухая кожа держит единицы килоом, но при таком напряжении её сопротивление быстро падает, а влажные руки снимают барьер сразу. Расчёт (body_calc.py):

Сравнить с порогами: ощущение — от 0,5–1 мА, при ~10 мА мышцы предплечья сжимаются сами и разжать руку уже нельзя, порогом опасности фибрилляции считают ~30 мА. Худший случай — 230 мА — в 7,7 раза выше порога фибрилляции, и «сухая кожа» спасает лишь до первой капли пота. Отсюда три практических следствия.

Правило одной руки. Самый опасный путь тока — рука-рука, через грудную клетку и сердце. Под напряжением работают одной рукой; вторая не держится за корпус, стол или заземлённый прибор. Это правило старше транзистора, и оно продолжает работать.

УЗО на рабочем месте. Устройство защитного отключения сравнивает ток фазы и нейтрали и рвёт цепь при разнице ~30 мА за десятки миллисекунд — раньше, чем начнётся фибрилляция. Розетка мастерской, где вскрывают сетевые приборы, должна идти через УЗО — это дешёвая страховка именно от того сценария, который посчитан выше.

Разделительный трансформатор на столе. Его вторичка не привязана к земле, поэтому касание одного провода не замыкает цепь через пол: течёт только ток через ёмкость обмотки на землю — при типовых 100 пФ это 7,2 мкА, ниже порога ощущения. Но между двумя проводами вторички по-прежнему 230 В, а УЗО за разделительным трансформатором не действует — ему нечего сравнивать. Развязка убирает один сценарий, а не опасность.

⚠️ Выключенный — не значит разряженный. Накопительный конденсатор за мостом («банка») заряжен до пикового значения сети: 230 В · √2 = 325 В. Выдернутая вилка не разряжает его: сначала измерить, потом трогать. Разряжают резистором в единицы килоом, а не отвёрткой — искра в сотни ампер портит и конденсатор, и отвёртку, и слух.

208.2 Архитектура: чей барьер — тот и отвечает

Первое решение сетевого прибора — кто держит барьер между 230 В и вашей низковольтной схемой. Вариантов три:

Для мелкой серии выбор почти всегда — первые две строки, и вот почему. Сетевой преобразователь — это не «схема посложнее»: это изоляция, которую надо доказать испытаниями (раздел 206), ЭМС-фильтр, который надо отладить (раздел 203), трансформатор, который для малых партий мотают на заказ, и разводка, где каждый миллиметр — предмет проверки (208.3). Модуль всё это уже прошёл: его паспорт декларирует усиленную изоляцию, испытательное напряжение и категорию применения. Цена модуля выше россыпи деталей, но амортизировать стоимость собственной разработки и испытаний может только тираж — на десятках и сотнях штук экономия на модуле отрицательная.

Внешний адаптер ещё радикальнее: сети в корпусе нет вообще, весь прибор живёт на безопасном сверхнизком напряжении, и раздел 208 для него кончается на выборе адаптера. Если конструкция позволяет — это лучший вариант первой версии: прибор сертифицируется как низковольтный, а за сетевую часть отвечает чужой, уже сертифицированный блок.

🔧 Модуль не отменяет обвязку. Паспорт модуля AC/DC перечисляет внешние элементы: предохранитель, варистор, иногда фильтр. Они не «рекомендованы» — без предохранителя неисправный модуль греется от розетки до пожара. И зазоры вокруг первичных выводов модуля на вашей плате — ваши: модуль не виноват, что дорожка прошла в миллиметре от его сетевой ноги.

208.3 Зазоры и пути утечки: миллиметры как схемотехника

Изоляцию на плате меряют двумя расстояниями (раздел 54.5): зазор — кратчайший путь по воздуху, путь утечки — кратчайший путь по поверхности платы. Почему это разные числа и почему оба измеряются миллиметрами, видно из двух расчётов (body_calc.py).

Сухой воздух в однородном поле пробивается примерно при 3 кВ/мм — пиковые 325 В держит слой 0,11 мм. Если бы зазор считался «на 230 В», хватило бы лака. Но зазор считается на худший день: грозовой выброс в розеточной сети — единицы киловольт (2,5 кВ — типовая величина для техники, включаемой в розетку), поле у острых углов дорожек далеко не однородное, воздух бывает влажным, а завод — неточным. 2,5 кВ дают 0,83 мм в идеале; запас в разы на кромки, влагу и разброс превращает их в типовые ~3 мм для основной изоляции и ~6 мм для усиленной.

Путь по поверхности длиннее: поверхность слабее воздуха. Пыль впитывает влагу, по плёнке течёт ток, ток выжигает в текстолите проводящие угольные дорожки — и пробой приходит не мгновенно, а через месяцы работы. Скорость этого процесса зависит от материала и загрязнения, поэтому путь утечки для сети 230 В — ~4 мм основная, ~8 мм усиленная (те же числа, что в 54.5).

Для разводки платы это означает:

• между первичкой и вторичкой — полоса без меди во всех слоях, включая внутренние и полигоны земли: барьер существует в толще платы, а не только сверху;
• корпуса, стоящие на барьере (оптрон, трансформатор), проверяют по своим ножкам: расстояние «первичная нога — вторичная нога» по поверхности должно набирать те же миллиметры, и дорожка под корпусом сводит его к нулю (54.5);
• где миллиметров не хватает — фрезерованный паз: путь утечки обходит его по стенкам, и паз шириной от миллиметра удлиняет путь на две своих глубины; воздушный зазор паз не увеличивает;
• границу барьера рисуют на шелкографии: сборщику и ремонтнику видно, где кончается низковольтная зона.

⚠️ Флюс — тоже загрязнение. Неотмытый флюс в зоне барьера впитывает влагу и проводит: путь утечки, посчитанный по чистому текстолиту, по флюсу короче. Зону барьера моют и проверяют глазами — это дешевле одного возврата из ремонта.

208.4 Барьер изоляции: что его пересекает

Барьер делит прибор на две страны: первичка живёт на сети, вторичка — на безопасном сверхнизком напряжении. Граница проходима ровно для трёх вещей, и каждая — специальной конструкции:

• трансформатор преобразователя: энергия переходит магнитным полем; изоляция между обмотками — усиленная: либо два независимых слоя, каждый из которых сам держит рабочее напряжение, либо один с двойным запасом — отказ одного слоя не должен соединять стороны;
• оптрон обратной связи (раздел 54): сигнал переходит светом; корпус оптрона — часть барьера, и его пара «нога-нога» через корпус обязана держать те же миллиметры (208.3);
• Y-конденсатор: единственный элемент, который соединяет стороны гальванически значимой ёмкостью — и потому самый ответственный.

Y-конденсатор нужен, потому что барьер не прозрачен для помехи: ёмкость обмоток трансформатора — десятки пикофарад, и синфазный ток переключений преобразователя утекает через неё во вторичку и дальше в кабели (54.5, 203.2). Y-конденсатор между первичной и вторичной землёй возвращает этот ток домой коротким путём — без него изделие шумит в эфир кабелями.

Плата за это — ток утечки через сам конденсатор: 2,2 нФ на 50 Гц пропускают с сети 159 мкА (body_calc.py). Это ниже порога ощущения, но уже сравнимо с ним — поэтому ёмкость Y не наращивают «для верности»: её потолок диктуется допустимым током через человека, коснувшегося вторички или корпуса.

⚠️ Только класс Y. Пробой Y-конденсатора — это сеть на вторичке. Конденсаторы класса Y построены так, чтобы отказывать обрывом, а не коротким замыканием, и держат киловольтные импульсы; подкласс Y1 ставят через усиленную изоляцию, Y2 — через основную. Обычный керамический конденсатор «на 3 кВ» классом не является: его отказ — короткое замыкание. То же с X-конденсатором: класс X самозалечивается после пробоя, потому и стоит поперёк сети.

208.5 Вход: предохранитель, варистор, X-конденсатор

Предохранитель — первый элемент после вилки, и выбирается он не «на 230 В», а по току. Оценка для прибора 10 Вт: вход импульсника с мостом и банкой берёт ток рваными пиками, коэффициент мощности ~0,6, КПД ~0,85 — действующий входной ток 85 мА (body_calc.py). Номинал берут с двух-трёхкратным запасом от рабочего тока — T250 мА: буква T — инерционный, потому что при включении банка заряжается броском (пусковой ток с NTC-термистором 10 Ом — до 32,5 А на первом полупериоде; быстрый предохранитель такого не переживёт). Напряжение на корпусе предохранителя — «250 В» — это не рабочее напряжение, а условие гашения дуги: предохранитель на 32 В в сетевой цепи перегорит — и продолжит проводить дугой. Туда же смотрит отключающая способность: ток короткого замыкания в розетке — сотни ампер, и корпус предохранителя обязан уметь разорвать его, не разлетевшись.

Варистор встречает то, от чего предохранитель бесполезен: выброс длится микросекунды, плавкая вставка греется миллисекунды. Диск из оксида цинка резко открывается выше своего порога и съедает энергию выброса собой. Модель ngspice (surge.cir): выброс 2 кВ с внутренним сопротивлением 2 Ом в варистор на 275 В переменного — пик тока 664 А, напряжение на схеме удержано на 672 В, пиковая мощность 446 кВт, поглощённая энергия ~15 Дж за сотню микросекунд. Сравнить с разрядом статики из 203.3 — 4,8 мДж: выброс энергичнее в три тысячи раз, поэтому варистор — диск сантиметрового калибра, а не бусина, и поэтому за варистором всё ещё нужен ограничитель помельче на входах (173, 62). Варистор стареет: каждый съеденный выброс сдвигает его порог вниз, состарившийся варистор течёт, греется и в конце замыкает сеть. Потому он стоит после предохранителя: последний акт его жизни — перегоревший FU1 и обесточенный прибор, а не пожар.

X-конденсатор — плёнка класса X поперёк сети, противофазная часть ЭМС-фильтра (203, 168). У него один неочевидный долг: разрядиться до того, как человек доберётся до штырей выдернутой вилки. Худший случай — вилку выдернули на вершине синусоиды, на конденсаторе осталось 325 В. Параллельно ставят резистор разряда: 0,47 мкФ с парой последовательных резисторов по 470 кОм (сумма 940 кОм) разряжаются до безопасных 60 В за 0,75 с — ngspice (xcap.cir) и RC-расчёт t = RC·ln(325/60) сходятся. Без резистора плёнка держит заряд часами. Два резистора вместо одного — из-за напряжения: пик делится пополам, по 163 В на корпус, что укладывается в предел типоразмера 1206 (у мелких корпусов предельное рабочее — десятки вольт, 166.6). Цена — 56 мВт непрерывного нагрева, 0,49 кВт·ч в год: для прибора с претензией на дежурное потребление это заметная строка бюджета, и там разряд делают схемным — но это уже оптимизация, а не безопасность.

🔧 Порядок на входе. От вилки: предохранитель → варистор → X-конденсатор с разрядом → синфазный дроссель → мост. Предохранитель — раньше всех, чтобы защищать и защиту; варистор — сразу за ним, чтобы выброс не дошёл до фильтра; X — после варистора, чтобы не принимать выброс плёнкой.

208.6 Две земли и корпус

У сетевого прибора земель две, и путать их нельзя. Защитная земля PE — третья жила розетки: она не участвует в работе схемы, её единственная задача — держать корпус безопасным. Пробой фазы на металлический корпус без PE превращает корпус в электрод под 230 В; с PE — в короткое замыкание, которое отключит автомат. Отсюда конструкция: PE садится на корпус у самого ввода, коротко и на болт с шайбой, а не через цепочку крашеных панелей; в приборных разъёмах контакт PE делают длиннее остальных — при выдёргивании он рвётся последним.

Сигнальная земля вторички — обычный минус вашей схемы. С корпусом она встречается так, как разобрано в 203.4: в одной точке, у разъёмов, чтобы разряд в корпус уходил в PE мимо платы. Если прибор класса I (с PE), ЭМС-настройку дополняет Y-конденсатор от вторичной земли на корпус — путь для синфазной помехи, не связывающий земли на 50 Гц. Прибор класса II обходится без PE вовсе: там барьер — двойная изоляция, корпус чаще пластиковый, а весь ток утечки на человека ограничен Y-конденсатором барьера (208.4).

Единственное, что запрещено обеим землям, — случайные встречи: монтажная стойка, задевшая полигон вторички, царапина маски под винтом. Каждая такая встреча — либо обход барьера, либо земляная петля (54.1).

208.7 Отладка под сетью

Главная ловушка отладки описана в 36а.5: «крокодил» щупа соединён с корпусом осциллографа, а корпус — с PE розетки. «Земля» же первички — минус банки — не земля вовсе: через открытый диод моста она соединяется с фазой всякий раз, когда фаза ниже нейтрали. Крокодил на минус банки — это короткое замыкание фазы на PE через каждый второй полупериод: ток ограничен только проводкой — порядка 460 А до срабатывания автомата в щите (body_calc.py), и первым сгорает провод крокодила, дорожка платы или вход осциллографа.

Правильный стол собирается так:

• развязывают прибор, а не осциллограф: разделительный трансформатор питает испытуемое, PE осциллографа остаётся цел — на его корпусе лежат ваши руки. После развязки первичка нигде не привязана к земле, касание крокодилом одной точки перестаёт быть коротким замыканием — но 208.1 никто не отменял: между двумя точками первички по-прежнему 230 В, а УЗО за развязкой не действует;
• в первичку — дифференциальным щупом: два высокоомных плеча, деление 1:100, измеряет между двумя точками, ни одна из которых не обязана быть землёй. Это единственный штатный способ смотреть затвор ключа или токовый шунт под сетью;
• низковольтную часть отлаживают без сети: вторичка со снятым барьером — обычная плата на 5 В, её питают лабораторным источником (36а.8) и отлаживают месяц, а сеть подключают на неделю финальной проверки. Чем меньше часов плата проводит под сетью, тем меньше шансов у статистики;
• отладчик — только на развязанную плату: SWD соединяет землю платы с компьютером; для платы, связанной с сетью, это тот же крокодил (54.6). Прибор с сетевым питанием в бою отлаживают по развязанным каналам — оптрон, изолированный UART, радио.

🔧 Ритуал включения. Под крышкой сетевого прибора: УЗО в розетке, развязка на столе, одна рука, измерить банку до касания, после выключения — снова измерить. Пять пунктов занимают тридцать секунд и покрывают все сценарии из 208.1.

208.8 Грабли

Щёлкнуло, сгорела дорожка и вход осциллографа. Крокодил щупа коснулся «минуса» первички: минус банки через диод моста сидит на фазе каждый второй полупериод, КЗ на PE — сотни ампер (208.7). В первичку — только дифференциальным щупом или после развязки прибора.

Прибор за разделительным трансформатором «безопасен», человек держится за обе клеммы. Развязка убирает путь через пол, но между проводами вторички — полные 230 В, и УЗО за трансформатором не сработает. Правило одной руки действует и с развязкой (208.1).

Предохранитель перегорает при каждом втором включении. Стоит быстрый (F) номинал, посчитанный по среднему току: пусковой заряд банки — десятки ампер на первом полупериоде (с NTC 10 Ом — 32,5 А). Ставить инерционный (T) с двух-трёхкратным запасом: T250 мА для прибора на 10 Вт (208.5).

Через полгода в поле прибор обуглился вокруг варистора. Варистор стареет с каждым выбросом: порог ползёт вниз, утечка растёт, диск греется. Варистор ставят после предохранителя — его финальное короткое замыкание должно кончаться перегоревшей вставкой, а не тлеющей платой (208.5).

Ударило от штырей выдернутой вилки. X-конденсатор без резистора разряда держит пиковые 325 В часами. Разрядные 940 кОм приводят его к 60 В за 0,75 с; резистор — из двух последовательных, по 163 В пика на корпус (208.5, 166.6).

Изоляция прошла на столе — пробой у заказчика через полгода. Путь утечки съеден: неотмытый флюс, пыль и влага проводят по поверхности, трекинг выжигает дорожку в текстолите неделями. Мыть зону барьера, держать миллиметры из 208.3 и не забывать про внутренние слои.

Прибор класса II щиплется. Ток утечки через Y-конденсатор барьера доходит до порога ощущения: ёмкость Y выбрана «побольше для ЭМС». Потолок Y — это ток через человека: 2,2 нФ дают 159 мкА с сети; не наращивать, а искать синфазную проблему в фильтре и разводке (203).

208.9 Итоги

• Ток через тело — закон Ома: 230 В на ~1 кОм влажных рук — 230 мА, в 7,7 раза выше порога фибрилляции ~30 мА; «не отпускает» уже ~10 мА. Одна рука, УЗО на 30 мА в мастерской, банка 325 В — измерить, потом трогать.
• Разделительный трансформатор делает безопасным касание одной точки (утечка ~7,2 мкА через 100 пФ), но между двумя точками остаются 230 В, и УЗО за ним не действует.
• Мелкая серия покупает барьер готовым: внешний адаптер или модуль AC/DC с паспортной обвязкой; свой импульсник — это изоляция, ЭМС и испытания (58, 203, 206), окупаемые только тиражом.
• Зазоры для 230 В: по воздуху ~3 мм основная / ~6 мм усиленная — считаются от киловольтных выбросов, а не от 325 В (их держит 0,11 мм); по поверхности ~4 мм / ~8 мм — поверхность стареет; полоса без меди во всех слоях, паз удлиняет путь на две глубины.
• Барьер пересекают трое: трансформатор с усиленной изоляцией, оптрон и Y-конденсатор класса Y (отказ — обрывом); 2,2 нФ — это 159 мкА утечки, потолок диктует человек, а не ЭМС.
• Вход: инерционный предохранитель по току (85 мА расчётных → T250 мА, пуск с NTC 10 Ом — 32,5 А), варистор после него (выброс 2 кВ/2 Ом: 664 А, 672 В, ~15 Дж — в три тысячи раз больше разряда статики), X-конденсатор с разрядом 940 кОм — 60 В за 0,75 с ценой 56 мВт.
• PE — на корпус у ввода и длинным контактом; сигнальная земля встречает корпус в одной точке у разъёмов (203.4); отладка — развязка прибора, дифференциальный щуп, низковольтная часть без сети, SWD только на развязанную плату.

Дальше: раздел 208а «Прибор от 24 В: промышленное питание, защита входа и цифровые входы» — от сети к шине 24 В в шкафу: выбросы соседних катушек, защита входа, цифровые входы и выходы.