Corriente de fuga en PCB y avería en diseño de alta tensión

La ley de Ohm: es una herramienta maravillosa que tenemos para analizar todo tipo de circuitos. Esta simple relación se aplica a tantos dispositivos que es bastante fácil explicar muchos aspectos del comportamiento de los componentes con esta única ecuación. Sin embargo, con las PCBs de alto voltaje, tenemos que usar otras herramientas además de la ley de Ohm para entender algunos aspectos importantes del comportamiento del circuito. Introduciendo la ley de Paschen y las leyes de Kirchoff, tienes todo lo que necesitas para entender los principios de funcionamiento de las PCBs de alto voltaje.

Un efecto importante que ocurre a alto voltaje es la corriente de fuga en la PCB. Este efecto se explica de manera bastante simple usando la ley de Ohm: si hay una diferencia de potencial entre dos puntos en tu placa, la corriente entre estos dos puntos será menor cuando la resistencia es mayor. A medida que tu PCB se pone en funcionamiento, la corriente de fuga puede cambiar por varias razones. Tu trabajo como diseñador es anticipar estos problemas y elegir materiales apropiados para minimizar la corriente de fuga.

¿Qué es la Corriente de Fuga en una PCB?

En el mundo del diseño de alta tensión, ya sea que hablemos en general sobre PCBs o sobre el diseño de sistemas de alta tensión, la corriente de fuga resulta de una diferencia de potencial de CC entre dos puntos. En un PCB, dos conductores con una diferencia de potencial están separados por un sustrato aislante, y algo de corriente puede fluir a través del sustrato entre estos dos conductores. Una diferencia de potencial de ~10 V es suficiente para producir ~10 nA de corriente de fuga, dependiendo de la conductividad del sustrato.

La porosidad de los sustratos de tejido de fibra y los materiales de máscara de soldadura hace que absorban agua durante la fabricación, y esta absorción de agua continúa con el tiempo durante la operación. La humedad puede estar presente en el material de prepreg de vidrio epoxi y en cualquier microfisura en el sustrato antes de la fabricación. El agua y otros líquidos pueden ser absorbidos durante los procesos de fabricación húmedos, y la humedad puede difundirse en la superficie del PCB durante el almacenamiento.

Una PCB desplegada en un ambiente de alta humedad absorberá agua hasta que el contenido de humedad se sature. Los sustratos de PCB con mayor contenido de humedad tendrán una corriente de fuga más alta ya que el agua y otros líquidos utilizados durante los procesos de fabricación de PCB son polares, por lo tanto, tienden a tener una alta conductividad. Con el tiempo, la corriente de fuga de la PCB a través de la placa aumentará, incluso si la placa se prepara en un ambiente libre de humedad y se desgasifica intensamente antes de su despliegue. Además de la humedad, pequeñas partículas de polvo pueden acumularse en la placa, y el polvo se acumulará más rápido en áreas donde el campo eléctrico es mayor. Tanto la humedad como el polvo contribuyen al aumento de la corriente de fuga de la PCB con el tiempo. La acumulación de humedad y polvo también hace que la superficie sea más susceptible al arqueo, es decir, el campo de ruptura es más bajo a través de la superficie de la placa.

El polvo puede llevar a un aumento de la corriente de fuga de la PCB

Una corriente de fuga grande entre los nodos de un componente con entrada de alta impedancia puede llevar a una caída bastante grande en el voltaje de entrada visto por el componente, similar a la caída IR. Como ejemplo, considere una corriente de fuga en un PCB de 100 nA desviada a través de los cables positivo y negativo de un componente con 1 MOhm de impedancia de entrada—según la ley de Ohm, esto disminuirá el voltaje de entrada en 0.1 V. Esto debe considerarse junto con la corriente de fuga del PCB al determinar los criterios de falla para su placa de alto voltaje.

Distancia de Seguridad, Espacio Aislante y Corriente de Fuga

La corriente de fuga ya puede ocurrir a través de un sustrato aislante simplemente debido a una diferencia de voltaje DC, pero la corriente de fuga también aumenta después de que ocurre una ruptura inicial entre dos conductores cargados. En el evento de que ocurra una ruptura entre dos conductores, el carbono puede acumularse a lo largo de la superficie del PCB. La pista que se forma a lo largo de una superficie carbonizada es bastante conductiva, lo que aumenta la corriente de fuga entre dos puntos en la placa con una alta diferencia de potencial. Una carbonización extremadamente seria, como una ruptura en una atmósfera rica en carbono o eventos de ruptura repetidos, puede formar efectivamente un cortocircuito entre dos puntos en la placa.

IPC 2221B es la norma general que cubre distancias de fuga y separación como función del voltaje, nivel de elevación y recubrimiento. Aunque esta norma especifica estas distancias en función de la elevación, el parámetro real que determina el campo de ruptura es la presión atmosférica para el aire entre conductores (según la ley de Paschen). El contenido de humedad en el aire también afectará el campo de ruptura, así como la posibilidad de que la corriente de fuga aumente con el tiempo. Estos factores también afectan los requisitos de fuga y separación; los sistemas de alto voltaje generalmente deben ser sobrediseñados por motivos de seguridad y para reducir la corriente de fuga.

Si su placa va a ser desplegada en un ambiente húmedo, casi no tiene sentido eliminar cualquier humedad de su placa terminada ya que simplemente será reabsorbida por la placa una vez que esté en operación. Hay algunos recubrimientos conformados aislantes para protección contra la humedad que están diseñados para PCBs de alto voltaje.

Para tarjetas con problemas de polvo o con residuos sobrantes, un simple procedimiento de lavado es suficiente para eliminar los contaminantes de su PCB. Esto implica cepillar las tarjetas con alcohol isopropílico, seguido de un enjuague con agua desionizada y hornear la tarjeta a 85 °C durante unas horas. Aún así, debe tener cuidado al usar solventes en tarjetas con flujos solubles en agua; mezclar estos materiales puede dejar depósitos de sal después de que la tarjeta se seque y hornee.

No debería limpiar sus PCBs de alta tensión de esta manera...

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