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絶縁体、絶縁、および作業電圧

2020年2月18日、Bruce Rose著 - 6分の閲読

絶縁体、絶縁、および作業電圧

電源は、適切な電力レベルで必要な電圧または電流を提供することによって、電気システムを動作させることができます。電源は、電気システムの電力供給だけでなく、エンドユーザーに対する負傷リスクを最小限に抑える方法で設計する必要があります。この投稿では、私たちは「電源の安全性に対する懸念に対処する際に、絶縁タイプ、絶縁電圧、作業電圧のコンセプトがどのように適用されるのか」という問いに答えていきます。

  • 絶縁タイプは、電源で電気の絶縁がどのように利用されるかを表します。
  • 絶縁電圧は、電源が短時間危険な電圧を防止する最大電圧に関連しています。
  • 作業電圧は、長時間にわたり電源に推奨される動作条件を表します。

絶縁タイプ

電子機器の世界では、絶縁体は電流を流さない材料として定義されています。5種類の絶縁体に対するそれぞれの目的を定義する基準が存在します。

  1. 機能
  2. 基本
  3. 補強
  4. 二重
  5. 加強

機能絶縁

機能絶縁は、動作絶縁とも呼ばれます。この絶縁体の目的は、製品の正しい機能または動作を確保することであり、ユーザーを危険な電圧から分離するために使用されるわけではありません。一般的な例としては、コイルを巻き付けるために使用されるワイヤー周辺にあるエナメル質の絶縁体です。この絶縁体は、コイルに隣接する巻線の短絡を防ぐのに十分な強度を備えている必要があります。もう1つの例としては、低電圧駆動PCBのトレース間の絶縁です。これらのPCBトレース間の絶縁はトレースが互いに短絡しないように機能し、回路が適切に機能し、安全に関する懸念がないようにします。安全規制は、機能絶縁の性能には対処しません。

基本絶縁

基本絶縁は、危険電圧からの保護を提供する絶縁体の単層です。基本絶縁の例としては、共通のAC電源コードの各導体の周囲にあるプラスチック絶縁体があります。基本絶縁の単層は、電気ショックからユーザーを十分に保護することができます。しかし、この基本絶縁に何らかの故障がある場合は、ユーザーは危険な電圧に曝される可能性があります。

補強絶縁

補強絶縁は、基本絶縁体とは独立した絶縁体の二次層です。この絶縁層の目的は、基本絶縁に問題があった場合に危険電圧から保護することです。電源に安全な接地が存在しない場合、基本絶縁に加えて補強絶縁が含まれます。補強絶縁の例としては、外部電源のプラスチックケースがあります。

二重絶縁

二重絶縁は、1つの設計で基本絶縁と補強絶縁の両方の混在で、絶縁の種類ではなく、安全性のレベルとして表示することができます(ほとんどの文書では、絶縁体の一種として二重絶縁を掲載しています)。基本絶縁層および補助絶縁層が両方とも施される理由は、基本絶縁が破損していることがあり、ユーザーが危険電圧に曝される可能性があるためです。

加強絶縁

加強絶縁は、二重絶縁と同じレベルの安全性を有しますが、単一絶縁層で実装されます。加強として分類される絶縁の要件は、基本絶縁や補強絶縁と比較するとより厳格なものとなっています。

製品保護クラス

規制基準により、危険電圧から作業者を保護する手段によって特徴付けられた製品の保護クラスが作成されています。クラスI製品には、安全アースがに接続された導電性シャーシがあります。従って、保護クラスI製品には安全なアース付きの導体を使った入力電源コードが必要です。保護クラスIIの製品は、入力電源コードに安全アースが付いていません。そのため、接地シャーシが存在しなくても作業者を保護するために、絶縁の二次層が含まれています。

電源の絶縁タイプと共通の保護クラスを示すチャート
図1:電源の絶縁タイプと共通の保護クラス

絶縁電圧

絶縁電圧は、高い印加電圧を伴う電流の流れを最小化するための絶縁体の能力の試験を参照します。ほとんどの絶縁体は、印加電圧(そして結果として得られる電圧界の強度)が絶縁体を「破壊」するのに十分な高さになるまで、非常に高いインピーダンス(非常に低い電流流量)を示します。絶縁が破壊すると、絶縁体は良い絶縁としては機能しなくなり、お粗末な導体と化してしまいます。絶縁が破壊されると、危険なレベルの電流が絶縁バリア全域で流れる可能性があります。

絶縁の破壊は、適用される電圧ストレスの大きさと持続時間の両方に依存します。この理由から、絶縁電圧の仕様には、テスト電圧の電圧の大きさ、テスト電圧の持続時間、およびテスト電圧ストレス中に許容される最大電流が含まれます。絶縁電圧テストに使用する電圧波形は、正弦波交流電圧またはDC電圧のいずれかを使用できます。正弦波形状のRMSとピーク値との間の2つの平方根の比率は、AC電圧またはDC電圧のいずれかとしてテスト電圧を指定することができます。電源に指定された共通の安全に関する絶縁電圧には、入力から接地、入力から出力、出力から接地が含まれます。

異なる絶縁電圧を示す図
図2:入力から接地、入力から出力、出力から接地への絶縁電圧

作業電圧

絶縁電圧の概念は、短時間に高電圧を適用し、絶縁体の動作を観察することです。作業電圧の概念は、長期間存在する可能性のある電圧レベルで絶縁体の動作に適用されます。作業電圧に適用される電圧ストレスは、通常適用されるACまたはDC入力電圧、入力と出力電圧間の電圧オフセット、またはそれらの電圧と安全アース接地のどちらかの間にあります。 作業電圧から発現する電圧フィールド強度では絶縁材の品質が維持され、時間が経過しても劣化しません。テスト済みのより低い分離電圧では、推奨される作業電圧は、テスト済みの絶縁電圧の1/10程度である場合があります。テスト済みのより高い分離電圧では、作業電圧はテスト済みの分離電圧の半分より大きくなることがあります。

テスト済み分離電圧と比較して作動電圧をグラフ化する
図3:テスト済み分離電圧と比較して推奨される作業電圧

結論

電子製品では、異なる種類の絶縁体が様々な機能を実行するために使用されます。絶縁体の目的は、時には回路を適切に機能させることであり、またユーザーを危険電圧から保護することでもあります。長期間に高電圧が適用されると、絶縁体は故障したり破壊されたりします。絶縁体の故障に対する試験結果は、絶縁体の絶縁電圧としてラベル付けされます。絶縁電圧テストの結果から、推奨される作業電圧が得られます。作業電圧は、製品に組み込まれた絶縁体が電気ショックの危険からユーザーを保護する推奨レベルです。

カテゴリ: 基礎安全とコンプライアンス

その他のリソース


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Bruce Rose

Bruce Rose

主席アプリケーションエンジニア

Bruce Rose は、エレクトロニクス業界で長年にわたり、設計、販売、マーケティングを担当し、アナログ回路と電力供給に重点を置いてきました。国際的なワークショップを開催し議長を務め、40以上の技術会議で論文の出版や発表をするなどの職務経験に加え、7件の特許を取得しています。Bruce は自分の仕事はもちろん、家族でハイキング、サイクリング、カヌーを楽しみ、また本格的な模型飛行機にも情熱を注いでいます。

 
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