Parte 2: Proceso, clasificación, y ensayos normalizados
Un proceso básico de diseño de productos y equipos para seguridad eléctrica, protegiendo a usuarios de descargas, para cualquier producto o equipo, debería tener en cuenta:
1. Identificar los componentes críticos para su diseño, el marcado y su cumplimiento de las normas UL, CSA, VDE, TUV que se describen más adelante, dependiendo del mercado, la polución, el voltaje de trabajo, entre otros.
2. Diseño de seguridad eléctrica en productos electrónicos y su construcción de acuerdo a los requerimientos, teniendo en cuenta el aislamiento, espaciado, encerramiento, etiquetas, marcas, cables, materiales, documentación, usuario.
3. Pruebas, su producto debe pasar las pruebas de seguridad eléctrica relevantes, que se describirán en seguida.
2. El aislamiento del producto como aislamiento
El aislamiento es la separación física, magnética y eléctrica de las partes de un circuito electrónico o eléctrico, sin que por ello dejen de funcionar entre sí. El aislamiento es una de las claves para diseñar equipos para la seguridad eléctrica, desde aplicaciones biomédicas hasta aplicaciones industriales, pues aplicando técnicas de aislamiento, los ingenieros deben proteger el equipo final y a los usuarios de las fuentes de alto voltaje y por tanto de riesgo eléctrico.
No sólo el aislamiento adecuado bloquea una tensión eléctrica peligrosa para los seres humanos, los equipos y otros aparatos electrónicos, sino que también puede aportar como elemento que elimine el ruido en la conmutación de alta velocidad, en aplicaciones de acondicionamiento de energía y circuitos de accionamiento del motor.
Sin embargo, seleccionar el aislamiento adecuado para su diseño depende de varios parámetros. Los ingenieros deben evaluar dónde se ubicará el dispositivo, cómo se utilizará y las normas de seguridad que rigen las capas de aislamiento necesarias.
3. Los componentes electrónicos y los altos voltajes
Debido a que sistemas, equipos electrónicos y eléctricos utilizan semiconductores de potencia discreta, como MOSFETs o IGBTs, estos son muchas veces operados con altos voltajes. Estos productos, así como sus aplicaciones en los que se utilizan, deben cumplir con la seguridad y el aislamiento que se definen en las normas de seguridad.
4. Clasificación de productos para la seguridad eléctrica
Según la norma IEC 60601-1, la norma clasifica los productos así:
- Clase I—Parte con corriente, recubierta de aislamiento básico y tierra de protección.
- Clase II—Parte con corriente recubierta de aislamiento doble o reforzado, sin conductor a tierra, con cubierta aislante, metálica o mixta.
- Clase III—Fuente de alimentación interna. Equipos portables, bajas tensiones de seguridad.
4. Clases de aislamiento (importante para el diseño de seguridad electríca en productos electrónicos)
El aislamiento se logra típicamente utilizando una de cuatro clases de aislamiento:
1. La clase primera es puramente funcional. Es necesario para el correcto funcionamiento del diseño, aquí se aplican técnicas de diseño para aislar las señales de control de bajo voltaje de nivel (por ejemplo señales digitales) que luego cambian a buses o señales de alto voltaje.
2. La clase siguiente es aislamiento básico, que es el uso de dispositivos con una resistencia de barrera de aislamiento mínima basada en la regulación, proporcionada por aisladores digitales u optoacopladores.
3. La tercera clase de aislamiento se llama aislamiento doble. Las normas de seguridad eléctrica establecen que estos aisladores básicos anteriores deben complementarse con otra barrera pasiva equivalente o suplementaria para proteger cualquier interfaz hombre-máquina en caso de fallos.
4. La categoría final de aislamiento es aislamiento reforzado. El aislamiento reforzado es ampliamente utilizado en sistemas de alto voltaje porque combina el equivalente de doble aislamiento en una barrera. Los sistemas de detección que el aislamiento reforzado proporciona pueden reducir el consumo de energía y aumentar la eficiencia debido a su alta precisión, y frontales aislados optimizados para el consumo de energía.
5. Certificación de productos, pruebas y ensayos
Ante las preguntas: ¿Cómo se certifica y verifica que los productos son eléctricamente seguros? ¿Cómo prevenir riesgo eléctrico?. Para esto existen equipos especiales para realizar las diferentes ensayos eléctricos estandarizadas, según las normas anteriores. Cuando se cumplen, equivaldría a un certificado de calidad, pero para equipos electrónicos o eléctricos.
Estas pruebas, son ensayos no destructivos, que incluyen lo siguiente:
- Inspección visual de los cables eléctricos, conectores, enchufes o tomas de corriente, así como etiquetado, marcado, sellado, símbolos e identificación.
Prueba de resistencia dieléctrica o rigidez, llamada también Hipot de Corriente alterna. Se aplica un alto voltaje entre los cables de corriente alterna y la tierra, o la caja o encerramiento que tenga un punto de metal, si no tiene conexión a tierra.
El objetivo es medir la habilidad del material de aislamiento o dieléctrico del producto, para soportar un alto voltaje y proteger a usuario, en el uso, y en caso de falla.
Ensayo de corriente de fuga: Según la norma, hay diferentes tipos de corrientes de fuga, el más exigente es la norma para equipos médicos, IEC 60601-1. Existe la corriente de fuga a tierra, corriente de fuga del recinto y corriente de fuga del paciente. En los casos cuando se acumulan cargas en un equipo por fallas, la descarga de estas cargas puede ocurrir en la persona que entra en contacto con el equipo, por tanto se busca que la corriente de fuga circule hacia tierra y se proteja al mismo.
Prueba de resistencia de aislamiento: Es un método para caracterizar la condición o calidad de un aislador o material de aislamiento, en corriente continua, similar a Hipot, se aplica un voltaje y se divide por la corriente para hallar la resistencia del aislamiento. Se revisa que el aislamiento cumpla con las medidas de resistencia especificadas de seguridad, de acuerdo a las normas.
Ensayo de de conexión a tierra: Se verifica que la conexión a tierra del equipo bajo prueba y las conexiones metálicas descubiertas, con respecto a la tierra física, estén adecuadas, eso para facilitar descargas eléctricas en caso de falla. Esto es que la capacidad de soportar la corriente es alta y la resistencia de la conexión baja, adicionalmente no se abre el fusible o protección, entonces fluirá una corriente a través de la persona, en lugar de pasar por la adecuada conexión de tierra, causándole daños.
Conclusiones del diseño de seguridad eléctrica en productos electrónicos
No es suficiente con diseñar un producto que funcione. Las pruebas o normas de seguridad eléctrica no cubren el desempeño funcional del producto, en su lugar prueban que el producto cumple las normas y no representa riesgo en su uso, lo cual es muy deseado para emprendedores, diseñadores y fabricantes de productos electrónicos.
Los diseñadores debe tener en cuenta la operación normal del producto, así como las condiciones probables de falla y la prevención de fallas en el uso debidas a frio, calor, altitud, contaminación, alta tensión eléctrica, humedad, daños en la fabricación, objetos punzantes, implementando las debidas protecciones eléctricas a los equipos electrónicos, para que cumplan con las normas y sean seguros.
Si quiere conocer de normas, conceptos básicos y certificaciones, lea la parte 1.
Si quieres saber más sobre seguridad eléctrica, aislamientos, compatibilidad electromagnética para el diseño de productos y equipos electrónicos, escríbenos.
Escrito por: Ing. Virgilio Silvera VBS Lab.
Imagenes tomadas de openclipar.org
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