În orice conductor care are un potențial mai ridicat decât potențialul Pământului (considerat ca referință, respectiv zero volți), pot exista curenți care să curgă de la conductor la Pământ. Acești curenți de scurgere apar chiar și în conductoare care sunt bine izolate față de Pământ, deoarece nu există niciun lucru cu izolarea perfectă sau impedanța infinită. În general, numim curent de scurgere (leakage current) acel curent care trece prin conductorul de împământare de protecție legat la Pământ.
În absența unei conexiuni de împământare, acesta este curentul care ar putea rezulta din orice parte conductoare sau din suprafața pieselor neconductoare spre pământ, dacă o cale conductoare este disponibilă (cum ar fi corpul uman). Acest curent este nedorit, apărând suplimentar față de curenții utili într-o schemă electrică.
Cantitatea de curent care se scurge depinde de: (1) Potențialul de pe conductor, (2) Reactanța capacitivă dintre conductor și pământ, (3) Rezistența între conductor și pământ.
Curenții care curg prin conductoare care sunt izolate față de Pământ și/sau izolate între ele, numiți curenți de scurgere sunt în mod normal mici. Dar, curenții mici pot produce efecte fiziologice nedorite. Deci, acești curenți trebuie limitați la nivele sigure, prin proiectarea echipamentelor, funcție de domeniul de aplicație. Echipamentele
electrice medicale, impun nivele diferite de curent de scurgere, definite în funcție de căile pe care pot curge curenții.
Noțiunea de curent de scurgere, în electronică, se referă și la alte tipuri de procese. (a) Curent de scurgere se poate referi la o pierdere treptată de energie dintr-un condensator încărcat, datorită scurgerii prin dielectricul care nu este un izolator perfect și în principal datorită dispozitivelor electronice atașate, precum tranzistoare sau diode care conduc o cantitate mică de curent chiar și atunci când sunt blocate.
(b) Un alt tip de curent de scurgere se produce atunci când un curent care circula pe o cale definită de circuit, se abate prin altă cale alternativă datorită izolației degradate în timp și condiții de mediu. O astfel de scurgere este nedorită, deoarece curentul poate provoca daune, incendii, zgomot RF sau electrocutare. O scurgere de acest tip poate fi depistată prin măsurarea fluxului de curent într-un circuit, care la un moment dat nu se potrivește cu fluxul de la un alt circuit.
Scurgerea într-un sistem cu înaltă tensiune poate fi letală pentru un om aflat în contact cu pământul, atunci când se atinge accidental o linie de înaltă tensiune.
(c) Printr-un transfer nedorit de energie de la un circuit la altul poate apare un curent în alt circuit.
Liniile de flux magnetic care nu sunt închise în întregime în miezul unui transformator pot face ca un alt circuit sau conductoare din apropiere să se cupleze la transformator. Scurgeri de energie dintr-un transformator pot induce curenți de scurgere în conductoare, care se pot manifesta uneori, prin brum audibil în cazul schemelor audio.
(d) Curent de scurgere se consideră și curentul care poate curge în ansamblurile electronice dezactivate, dar alimentate și rămase în așteptare sau în modul “adormit”. Aceste dispozitive pot consuma câțiva microamperi din sursa de alimentare în starea de repaus, deși consumă sute sau mii de mA în timpul când sunt active. Acești curenți de scurgere devin un factor important pentru producătorii de dispozitive portabile, fiindcă determină timpul de funcționare al unui dispozitiv alimentat de la o baterie.
Importanța protecției
Dispozitivele și echipamentele electrice includ de obicei un sistem de împământare pentru a asigura protecție împotriva unui pericol, dacă există un defect de izolație. Trebuie respectată obligația ca echipamentul să fie conectat la pământ dacă este prevăzută o bornă dedicată (EG). Dacă apare un defect catastrofal de izolație între linia de putere și alte conductoare sau piese, tensiunea este șuntată la masă. Curentul rezultat va determina arderea unei siguranțe sau deschiderea unui întrerupător de circuit, prevenind pericolul de electrocutare. Evident, există un posibil pericol de electrocutare în cazul în care conexiunea de împământare este întreruptă, în mod intenționat sau accidental. Pericolul poate fi mai mare decât ar trebui, din cauza curenților de scurgere. Chiar dacă nu există niciun defect de izolație, întreruperea curenților de scurgere care au calea prin conductorul de pământ ar putea reprezenta un pericol pentru cineva care atinge echipamentele nelegate la pământ. Această posibilitate trebuie evitată total în aplicații medicale, caz în care un pacient poate fi victima unui șoc letal prin curentul de scurgere ce este aplicat la organele interne, mai ales dacă pacientul este într-o condiție proastă sau inconștient. Echipamentul care nu este legat la pământ oferă protecția prin utilizarea a două straturi separate de izolație, pentru că este puțin probabil să se defecteze ambele straturi de izolație. Cu toate acestea, condițiile care produc curenții de scurgere sunt încă prezente, și trebuie să fie luate în considerare.
Notă. NIOSH (National Institute for Occupational Safety and Health), agenția americană care face recomandări responsabile pentru prevenirea accidentelor de muncă, ne informează că: “În condiții uscate, rezistența oferită de organismul uman poate fi până la 100.000 ohmi. Pielea umedă sau ruptă poate scădea rezistența organismului la 1.000 de ohmi” adăugând că “energia electrică de înaltă tensiune (peste 600V) descompune rapid pielea umană, reducând rezistența ca dielectric a organismului uman la 500 ohmi.” Efectul mortal al șocului electric depinde de (a) curent, (b) durată, (c) calea curentului prin corp (prin inimă).
Cauzele scurgerilor de curent
Există două tipuri de scurgeri de curent: scurgere AC și scurgere DC. Curentul de scurgere DC, de obicei, se verifică numai la produsul final, nu la sursa de alimentare.
Curentul de scurgere AC este cauzat de o combinație în paralel de capacitate și rezistență DC între o sursă de tensiune (linia AC) și părțile conductoare la pământ ale echipamentului. Scurgerile provocate de o rezistență DC sunt de obicei nesemnificative în comparație cu scurgerile prin impedanța AC datorată diferitelor capacități paralele. Capacitatea poate fi intenționată (condensatoare tip Y în filtrul EMC/EMI) sau neintenționată. Exemple de capacități accidentale sunt distanțele pe cablaje imprimate, izolații între semiconductoare de putere și radiatoare, capacitatea parazită dintre primar-secundar în transformatoarele de izolare din sursa de alimentare.
O valoare mare asigură un nivel mic EMI, dar duce la creșterea curentului de scurgere. Estimarea valorii maxime a capacității CY se face cu expresia: CY(max)=Ileak(max)/(Vac(max) × 2πf) adică,
0.25mA/(242V × 314)= 3.2nF.
La un curent de scurgere de 0.25mA, rezultă CY=3.2nF.
Măsurarea scurgerilor de curent
Se utilizează aparate de măsură special concepute pentru măsurarea curenților de scurgere când toate sarcinile sunt deconectate. Curentul care curge în conductorul legat
la pământ este măsurat (1) prin conectarea aparatului în serie cu conexiune de împământare sau (2) detectarea câmpului magnetic produs de curenții de scurgere prin cabluri singure sau multiple folosind un clamp meter (ex. Fluke 360 Leakage Current Clamp Meter) proiectat pentru testare non-invazivă a curentului de scurgere prin izolații fără a opri alimentarea sau a deconecta echipamentul.
Pentru echipamente de prelucrare a informațiilor, conexiunea la pământ este deschisă și se măsoară curentul pe firul neutru al liniei de alimentare. Pentru echipamentele medicale, se măsoară curentul care curge în pământ. Măsurarea poate fi făcută, de asemenea, între ieșirile sursei de alimentare și pământ. Condițiile de testare includ interschimbarea liniei de fază cu linia neutră, și măsurarea curentului de scurgere cu sursa de putere oprită.
Testul se efectuează cu echipamentul aflat la temperatura normală de funcționare sau temperaturi mai ridicate pentru a identifica și măsura curentul de scurgere în cel mai rău caz.
Pentru curenți de scurgere foarte mici, aparatul de măsură a curentului de scurgere este înlocuit cu un rezistor sau un rezistor combinat cu un condensator. Căderea de tensiune pe aceste componente se măsoară folosind un voltmetru AC sensibil. Echipamentele fără împământare sau dublu izolate se verifică prin conectarea aparatului de măsură între o parte conductoare tangibilă și pământ. În cazul carcaselor neconductive, o folie de cupru de dimensiune adecvată este plasată pe carcasă, iar curentul care curge de la acesta la pământ este măsurat.
Reducerea curentului de scurgere
Multe dintre sursele de alimentare de astăzi au cerințe pentru valorile de curent de scurgere mai mici din cauza interacțiunii umane cu produsele alimentate. Prin urmare, producătorii de surse de alimentare cer eliminarea sau reducerea mărimii condensatoarelor Y pe care le folosesc pentru a satisface cerințele EMC/EMI. Prin folosirea transformator cu ecranări între înfășurări, valorile condensatoarelor Y pot fi semnificativ reduse sau eliminate, pentru a scădea curentul de scurgere în timp ce încă este realizată încadrarea în limitele EMI cu marjă adecvată.
Filtrul se montează astfel ca să existe un contact pe arie cât mai mare cu partea care se leagă la pământ.
Filtrele EMC/EMI EPCOS permit noi aplicații datorită curenților de scurgere foarte mici
Creșterea numărului de aparate electronice și interacțiunea lor înseamnă că filtrele EMC adecvate sunt mai importante decât oricând înainte.
Ele sunt necesare pentru a respecta limitele impuse la echipamente pentru interferențe radiate și pentru a asigura o funcționare sigură a echipamentului în condiții dificile. Trebuie asigurată și protecția împotriva interferențelor provenind de la alte echipamente și la perturbații de la linia de alimentare.
În filtre se folosesc capacitoare tip X și tip Y.
Capacitoarele tip X sunt conectate între faze, respectiv între faze și conductorul neutru, pentru a suprima interferențele diferențiale. Capacitoarele tip Y conectate între fază și pământ, respectiv nul și pământ, suprimă perturbațiile de mod comun. Funcție de calitatea și toleranța valorilor, capacitoarele hotărăsc caracteristicile de filtrare și curenții de scurgere.
Filtrele din noua serie SIFI® de la EPCOS sunt acum folosite cu succes în cele mai diverse aplicații.
Datorită materialelor inovatoare, dimensiunile noii serii SIFI au fost reduse și mai mult în comparație cu tipurile precedente, păstrând aceeași capabilitate de curent. În plus, îmbunătățirile constructive au condus, de asemenea, la creșterea fiabilității și la reducerea prețurilor.
Ghid de selecție pentru filtre – EMC EPCOS din familiile SIFI®
EPCOS oferă în prezent trei familii de filtre SIFI: SIFI-F (B84111F), SIFI-G (B84112G)
și SIFI-H (B84113H). Ele au fost dezvoltate ca filtre modulare standard pentru sistemele monofazate (2 linii), cu diferite caracteristici de atenuare. Ghidul de selecție ajută la alegerea corectă a filtrelor EMC ca proprietăți și dimensiuni, pentru a găsi o soluție eficientă în câțiva pași. Noile familii de SIFI diferă în principal în proprietățile lor de atenuare și dimensiuni. SIFI-F (B84111F) are cele mai mici dimensiuni și acoperă întreaga gamă de cerințe normale de antiparazitare. SIFI-F are versiunea 10-A, care are amprenta de numai 60 mm × 60 mm, inclusiv terminalele și clipsurile de fixare. În cazul cerințelor mai mari de atenuare, este recomandat SIFI-G (B84112G). La frecvențe mai mici de 1 MHz, acesta oferă o caracteristici de frecvență îmbunătățite la filtrarea de mod comun, comparativ cu SIFI-F. Dacă filtrul SIFI-G nu este suficient de eficient, atunci SIFI-H (B84113H) ar trebui utilizat. Acest filtru cu două etaje reduce fiabil tensiunile de interferență conduse simetrice și asimetrice, între aprox. 0,1 MHz până la circa 50 MHz.
NIVELE DE SIGURANȚĂ
Pentru echipamente non-medicale și respectiv cele medicale, nivelele de siguranță au fost stabilite de IEC (International Electrotechnical Commission) în standardele de siguranță IEC60950, IEC60601-1. Standarde specifice în Europa sunt EN 60939 și VDE 106.
ECAS
ELECTRO este distribuitor autorizat al produselor EPCOS:
Capacitoare aluminiu, Capacitoare film, Capacitoare de putere, Ferite, Filtre absorbante de curenţi mari, Inductoare, Supresoare ceramice pentru tensiuni tranzitorii, Termistoare NTC, Termistoare PTC, Transformatoare, Varistoare.
www.epcos.com
www.ecas.ro
Autor:
Ing. Emil Floroiu
ECAS ELECTRO
emil.floroiu@ecas.ro
www.ecas.ro