Guida introduttiva al calcolo di Creepage e Clearance
nei Trasformatori e negli Alimentatori (PSU)
Argomenti trattati
- EN 61558 (Sicurezza dei trasformatori, dei reattori, delle unità di alimentazione e loro combinazioni) e le altre norme di sicurezza
- Cos’è la Clearance?
- Cos’è la Creepage?
- Rappresentazione grafica di Creepage e Clearance
- Percorsi indiretti
- Alcuni esempi comuni nei trasformatori
- Come determinare Creepage e Clearance corrette?
- Un trasformatore tipico
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Uno degli aspetti che vengono spesso trascurati durante le fasi iniziali della progettazione elettronica è la definizione delle distanze di sicurezza Creepage e Clearance richieste dalle normative.
In molti casi, ciò porta a dover effettuare tardivamente una reiterazione del progetto, che coinvolge il trasformatore, il PCB, i test EMC ecc.
Ne conseguono ritardi e costi aggiuntivi.
Quando questo aspetto non viene affrontato all’inizio della progettazione solitamente è perché se ne sottovaluta l’impatto, o semplicemente per una scarsa conoscenza dell’argomento.
Questo articolo ha lo scopo di fornire un orientamento generale e non esaustivo sui requisiti relativi alle distanze di sicurezza Creepage e Clearance nei trasformatori.
La maggior parte dei concetti qui introdotti sono validi anche per gli alimentatori (PSU – Unità di Alimentazione), quindi più categorie di lettori potranno trarne vantaggio.
Tuttavia, è importante precisare che tutti gli esempi e la terminologia in questa guida si riferiscono ai trasformatori.
Solitamente il trasformatore è uno dei pochi componenti – insieme ai fotoaccoppiatori, ai condensatori Y e ai circuiti stampati – che hanno la responsabilità di garantire un isolamento adeguato dalla rete.
Prima di entrare nel merito delle distanze di sicurezza nei trasformatori, facciamo una breve panoramica del quadro normativo.
EN 61558 (Sicurezza dei trasformatori, dei reattori, delle unità di alimentazione e loro combinazioni) e le altre norme di sicurezza
La norma tecnica EN 61558 si applica in assenza di specifici requisiti nello standard di riferimento del prodotto di interesse.
Essa definisce tutti i requisiti di sicurezza dei trasformatori, incluse le distanze Creepage e Clearance.
Va considerato che negli ultimi anni molti comitati tecnici, per quanto possibile a seconda dei prodotti e settori di riferimento, stanno adeguando i requisiti delle loro norme per allinearsi allo standard EN 60664 (Coordinamento dell’isolamento per le apparecchiature nei sistemi a bassa tensione).
Le norme “orizzontali”, come la EN 60664, fungono infatti da linee guida per i comitati tecnici con lo scopo di standardizzare il più possibile i requisiti relativi ad argomenti omogenei.
Per questo, in molti casi, i requisiti delle varie norme risultano fondamentalmente allineati tra loro.
Inoltre gli standard EN 60335, EN 62368, EN 60950, EN 61347, EN 60598, EN 62115 e molti altri includono riferimenti espliciti alla EN 61558 riguardo la conformità dei trasformatori.
Tuttavia, in alcuni casi le norme tecniche di prodotto (es.: elettromedicali, sicurezza intrinseca “Ex i”, ecc.) hanno requisiti specifici di sicurezza elettrica significativamente diversi da quelli della EN 61558.
Detto ciò, torniamo all’argomento principale di questo articolo: Creepage e Clearance.
Cos’è la Clearance?
La Clearance (Cl) è la distanza più breve, misurata in aria, tra due parti conduttive.
La valutazione della Clearance tra due parti conduttive si effettua mediante la misura della lunghezza del percorso più breve in aria, tenendo presente che questo percorso non passa attraverso corpi isolanti, quali ad esempio nastro isolante, tubetti isolanti, parti in plastica ecc.
Da notare inoltre che due parti distinte di materiale isolante unite tra loro, anche se incollate, non hanno lo stesso effetto di un isolamento composto da un singolo pezzo.
I percorsi di Creepage e Clearance, infatti, possono passare attraverso la giunzione tra le due parti.
Nella più semplice configurazione di un trasformatore, le parti conduttive (o corpi conduttivi) sono l’avvolgimento primario, l’avvolgimento secondario e il nucleo in metallo o ferrite.
Per un trasformatore di questo tipo, nella maggior parte dei casi si parla di distanze di sicurezza che devono essere garantite tra avvolgimento primario e avvolgimento secondario.
Le eventuali parti conduttive di altri avvolgimenti o componenti elettricamente connessi all’avvolgimento primario, devono garantire le stesse distanze minime verso l’avvolgimento secondario che sono richieste tra il primario e il secondario (e viceversa).
Cos’è la Creepage?
La Creepage (Cr) è la distanza minima misurata lungo la superficie di un materiale isolante tra due parti conduttive.
Le stesse considerazioni fatte sopra riguardo la Clearance valgono anche per la Creepage, con l’unica differenza che il percorso di Creepage non passa attraverso l’aria, ma è vincolato alla superficie dei corpi isolanti.
Rappresentazione grafica di Creepage e Clearance
Percorsi indiretti
Nella valutazione di Creepage e Clearance serve considerare anche i “percorsi indiretti”.
Un tipico “percorso diretto” in un trasformatore è quello tra avvolgimento primario e avvolgimento secondario.
Un percorso indiretto, invece, può essere: avvolgimento primario – nucleo – avvolgimento secondario, in quanto anche il nucleo è quasi sempre un corpo conduttivo.
Alcuni esempi comuni nei trasformatori
Per definizione, Creepage e Clearance sono le distanze più brevi individuate tra tutti i possibili percorsi tra le parti conduttive di interesse.
I seguenti disegni mostrano alcuni esempi di percorsi che spesso devono essere presi in considerazione nella valutazione di Creepage e Clearance tra avvolgimento primario e avvolgimento secondario nei trasformatori.
Ma prima, serve una precisazione riguardo il tipo di filo usato per gli avvolgimenti:
nel semplice filo smaltato, lo smalto che riveste il filo non ha alcuna rilevanza ai fini delle distanze di sicurezza, pertanto è come se il filo non fosse affatto isolato, quindi interamente conduttivo;
al contrario, i fili con isolamento solido e continuo, come ad esempio quello con isolante multistrato solido (TIW), quello con smaltatura sicura di elevato spessore (FIW) o i cavetti per uso elettrico con adeguato indice termico, sono da considerare isolati ai fini della valutazione di Creepage e Clearance.
Ne consegue che le uniche parti di un avvolgimento fatto con filo isolato pertinenti alla valutazione di Creepage e Clearance, sono quelle in cui l’isolamento è rimosso: tipicamente le saldature sui pin e i pin stessi.
Per semplicità, nei seguenti esempi verrà citato solo il filo TIW ad esemplificare qualsiasi tipo di filo con isolamento solido.
Esempio 1
Il disegno mostra un trasformatore con avvolgimento primario (filo arancione) e secondario (filo giallo) separati tra loro da nastro isolante giallo, rappresentati in sezione.
In questo caso per entrambi gli avvolgimenti è stato usato un semplice filo smaltato.
L’unico isolamento che separa le spire dei due avvolgimenti ai fini di Creepage e Clearance è dunque il nastro isolante.
Sono quindi da considerare i percorsi più brevi tra le spire dei due avvolgimenti girando attorno al nastro isolante, come ad esempio quelli identificati con Cr1 e Cl1.
Esempi 2 e 3
Questo disegno mostra una terminazione dell’avvolgimento primario isolata tramite un tubetto e saldata a un pin.
Come nell’esempio precedente, il filo usato per l’avvolgimento secondario non è TIW.
Possono essere invece distinti due casi per l’avvolgimento primario:
- oltre al tubetto, il filo è semplicemente smaltato;
- oltre al tubetto, è stato usato un filo TIW.
Nel primo caso, le distanze più brevi (Cr2 e Cl2) potrebbero essere quelle che vanno dal punto più vicino sulle spire dell’avvolgimento secondario alla fine del tubetto sulla terminazione dell’avvolgimento primario.
Nel secondo caso, invece, la terminazione dell’avvolgimento primario è completamente isolata fino alla saldatura sul pin, quindi le distanze più brevi (Cr3* e Cl3*) potrebbero essere quelle che vanno dal punto più vicino sulle spire dell’avvolgimento secondario al pin del lato primario.
Cl3* è rappresentata da due diverse frecce ad indicare che i percorsi di Creepage e Clearance che vanno verificati possono essere numerosi.
Esempio 4
Questo disegno rappresenta un caso di percorsi indiretti.
Può capitare che le distanze più brevi siano quelle che vanno dalle terminazioni dell’avvolgimento primario a quelle del secondario passando attraverso il nucleo.
In questo esempio
- le distanze Cr4-A e Cl4-A sono quelle tra un’uscita dell’avvolgimento primario e il punto del nucleo più vicino a questa uscita, rispettivamente in linea d’aria e percorrendo la superficie del rocchetto;
- le distanze Cr4-B e Cl4-B sono quelle tra un’uscita dell’avvolgimento secondario e il punto del nucleo più vicino a questa uscita, rispettivamente in linea d’aria e percorrendo la superficie del rocchetto;
- le lunghezze dei percorsi vanno calcolate come Cr4 = Cr4-A + Cr4-B e Cl4 = Cl4-A + Cl4-B.
Esempio 5
Questo altro esempio di percorsi indiretti vale in caso di avvolgimenti fatti con semplici fili smaltati.
In questo caso i percorsi più brevi potrebbero essere dalle spire dell’avvolgimento primario a quelle del secondario, passando per il nucleo.
Anche in questo esempio, le lunghezze dei percorsi si calcolano come Cr5 = Cr5-A + Cr5-B e Cl5 = Cl5-A + Cl5-B.
Esempio 6
Altri possibili percorsi da considerare sono quelli tra le spire dell’avvolgimento primario e i pin dell’avvolgimento secondario.
Il disegno mostra due percorsi di questo tipo, che vanno da un pin del lato secondario al punto più vicino dell’avvolgimento primario (sotto il nastro isolante) fatto con semplice filo smaltato.
In questo esempio il filo usato per l’avvolgimento secondario è TIW, mentre se fosse semplicemente smaltato il percorso più breve sarebbe dalle spire del primario a quelle del secondario girando intorno al nastro isolante, come nell’esempio 1.
I percorsi di Clearance coincidono con quelli di Creepage perché non vi sono distanze in aria più brevi rispetto a quelle lungo la superficie del rocchetto.
Esempio 7
Posizionare altri componenti vicino al trasformatore può pregiudicare la conformità di Creepage e Clearance.
Nel valutare le distanze di sicurezza è necessario considerare anche le parti conduttive di eventuali altri componenti elettricamente collegati agli avvolgimenti.
In questo esempio
- per l’avvolgimento primario è stato usato un filo smaltato;
- il filo usato per l’avvolgimento secondario è TIW;
- un condensatore è elettricamente collegato all’avvolgimento secondario.
Un possibile percorso da considerare nel valutare la Clearance in questo caso è dalle spire dell’avvolgimento primario (sotto il nastro) verso la sommità non isolata del condensatore, passando dal nucleo.
Come determinare Creepage e Clearance corrette?
Ora che sappiamo cosa sono Creepage e Clearance, resta da capire come determinare la lunghezza delle distanze di sicurezza corretta per la nostra applicazione.
Questa guida non fornisce indicazioni per definire le distanze effettivamente necessarie.
Per fare ciò è necessario riferirsi ai requisiti delle norme tecniche di riferimento per il prodotto di interesse.
Tuttavia, sono di seguito descritti i fattori che vanno considerati, e come questi influiscono sulle Creepage e Clearance richieste.
Questi fattori sono:
- Tensioni sviluppate sugli avvolgimenti, tra avvolgimenti adiacenti e tra circuito primario e circuito secondario;
- Tipo di isolamento richiesto (funzionale, principale, supplementare, doppio/rinforzato);
- Categoria di sovratensione (I, II, III, IV);
- Grado di inquinamento (P1, P2, P3);
- CTI dei materiali isolanti;
- Altitudine massima, se maggiore di 2000m;
- Frequenza di funzionamento;
- Campo elettrico omogeneo o disomogeneo.
I prossimi paragrafi trattano ciascuno di questi fattori ad eccezione degli ultimi due che, per le più comuni frequenze di commutazione, hanno un impatto ridotto o trascurabile.
Tensioni sviluppate sugli avvolgimenti e tra di essi
Prima di tutto, la Creepage e la Clearance richieste dipendono dalle tensioni che si sviluppano sugli avvolgimenti e attraverso gli isolamenti interposti tra gli avvolgimenti.
Maggiori sono queste tensioni, maggiori saranno la Creepage e la Clearance richieste.
In particolare, le tensioni che impattano su Creepage e Clearance sono:
- La tensione RMS massima e la tensione di picco ripetitiva massima misurate sugli avvolgimenti o sulle serie di avvolgimenti.
- La tensione RMS massima e la tensione di picco ripetitiva massima misurate attraverso l’isolamento tra ingresso e uscita, cioè tra qualsiasi pin del lato primario e qualsiasi pin del lato secondario, sia alla tensione principale nominale massima (per es. nel wide range 90-264V questa tensione è solitamente 230V o 240V, non 264V), sia a vuoto che a carico massimo. Durante i test deve essere messo a terra il polo dell’uscita in cui si misura la tensione maggiore.
- La tensione RMS massima e la tensione di picco ripetitiva massima misurate tra qualsiasi coppia di avvolgimenti fisicamente adiacenti (separati solo da materiale isolante) e non interconnessi, alla tensione principale nominale massima, a vuoto o a carico massimo.
La tensione di picco ripetitiva influisce su Creepage e Clearance solo se maggiore di 750Vpk e se l’isolamento doppio (vedi paragrafo “Tipi di isolamento”) è ottenuto tramite fili isolati.
In questo caso sono richieste anche prove di tipo di scarica parziale.
Le tensioni transitorie casuali devono essere ignorate.
Tipi di isolamento
Esistono cinque tipi di isolamento con quattro diversi livelli di sicurezza.
Più il livello di sicurezza del tipo di isolamento richiesto è alto, maggiore saranno la Creepage e la Clearance da applicare.
L’isolamento tra gli avvolgimenti collegati sul lato rete e quelli di uscita, o tra qualunque avvolgimento e un altro, possono essere dei seguenti tipi:
- Funzionale: non richiede alcun valore minimo di Creepage, Clearance o spessore dell’isolamento.
Il comune smalto del filo degli avvolgimenti è un esempio di isolamento funzionale.
Questo tipo di isolamento può essere applicato tra avvolgimenti destinati ad essere connessi tra loro o per componenti che non hanno funzioni di sicurezza. - Principale: requisito normativo di base; l’isolamento richiesto non ha requisiti di spessore minimo.
- Supplementare: ulteriore isolamento per cui è richiesto uno spessore minimo, atto a mantenere un certo grado di sicurezza in caso di guasto dell’isolamento principale.
- Doppio: isolamento principale + supplementare.
- Rinforzato: un singolo sistema di isolamento per cui è richiesto uno spessore minimo maggiore, con lo scopo di garantire lo stesso livello di sicurezza di un isolamento doppio.
I trasformatori di sicurezza, che sono di gran lunga i più utilizzati nell’elettronica di potenza, devono essere conformi alle norme EN 61558-1 e EN 61558-2-6, e anche alla EN 61558-2-16 se si tratta di trasformatori switching.
Tutti i trasformatori di sicurezza richiedono l’isolamento doppio o rinforzato.
Per esempio, l’isolamento doppio o rinforzato è richiesto nel tipico caso di trasformatori alimentati dalla rete con un’uscita in bassissima tensione (ELV – Extra Low Voltage) che può entrare in contatto con le persone.
Per bassissima tensione (ELV) si intende fino a 50VAC o 120VDC. Queste tensioni sono considerate non pericolose dagli standard europei.
Altre comuni definizioni sono:
• SELV (Safety Etra Low Voltage): sistema ELV con isolamento doppio o rinforzato verso la rete;
• PELV (Protection Extra Low Voltage): sistema ELV collegato a terra e con isolamento doppio o rinforzato verso la rete;
• FELV (Functional Extra Low Voltage): sistema ELV senza isolamento doppio o rinforzato.
Categorie di sovratensione
Il trasformatore sarà connesso all’impianto fisso a valle del contatore?
Sarà in un’apparecchiatura mobile?
La categoria di sovratensione, quindi la Creepage e la Clearance richieste, dipendono da questo.
Maggiore è la categoria di sovratensione, maggiore saranno la Creepage e la Clearance richieste.
Ma ecco quali sono e come si determinano le categorie di sovratensione (OVC – Overvoltage Categories):
- OVC-I: categoria di sovratensione delle apparecchiature per il collegamento a circuiti in cui vengono prese misure per limitare le sovratensioni transitorie ad un livello adeguatamente basso (alimentato da trasformatore di isolamento).
Esempi di tali apparecchiature sono quelle contenenti circuiti elettronici protetti a questo livello.
Tuttavia, a meno che i circuiti non siano progettati per tenere conto delle sovratensioni temporanee, le apparecchiature di categoria di sovratensione I non possono essere collegate direttamente alla rete elettrica. - OVC-II: categoria di sovratensione delle apparecchiature che vengono alimentate dall’impianto elettrico fisso, ma non permanentemente collegate ad esso.
Tipicamente si tratta di apparecchiature mobili collegate alla rete tramite spina.
Esempi di tali apparecchiature sono trasformatori per elettrodomestici, telecomunicazioni, giocattoli e altre apparecchiature simili. - OVC-III: categoria di sovratensione delle apparecchiature utilizzate negli impianti fissi e nei casi in cui la loro affidabilità e disponibilità sono soggette a requisiti speciali.
Esempi di tali apparecchiature sono i trasformatori in installazioni fisse o i trasformatori per uso industriale con collegamento permanente all’installazione fissa.
Tipicamente appartengono a questa categoria le apparecchiature fisse collegate a impianti a valle del contatore di un’utenza in bassa tensione (<500Vac). - OVC-IV: categoria di sovratensione delle apparecchiature installate all’origine dell’impianto.
Sono in questa categoria, ad esempio, i trasformatori in installazioni fisse di centrali elettriche o nelle vicinanze di tali installazioni.
La norma EN 61558 richiede la categoria OVC-III per i trasformatori per uso generale.
Grado di inquinamento
Il trasformatore è installato in un ambiente sempre secco e pulito, o possono essere presenti polveri conduttive e umidità?
Questi elementi hanno un effetto sulla Creepage richiesta.
Più l’ambiente è soggetto a inquinamento, maggiore è la Creepage richiesta.
Non vi sono invece effetti sulla Clearance.
Le norme definiscono tre gradi di inquinamento:
- P1: assenza d inquinamento o solo inquinamento secco e non conduttivo.
Il grado P1 si applica a trasformatori incapsulati o simili.
I requisiti di Creepage per questo grado di inquinamento sono ovviamente poco restrittivi, ma per poter applicare queste distanze è necessario effettuare prove di tipo particolarmente dispendiose in termini di tempo. - P2: è presente solo inquinamento non conduttivo, ma possono verificarsi occasionalmente conduttività temporanee dovute alla condensa.
Il grado P2, che è la condizione più frequente, è assegnato ai trasformatori con una custodia ragionevolmente ermetica, ma non completamente sigillata. - P3: è presente inquinamento conduttivo, o vi è un’elevata probabilità che l’inquinamento secco e non conduttivo diventi conduttivo a causa della condensa.
Riferirsi all’intero trasformatore, però, non è propriamente corretto.
Sarebbe più preciso citare le parti del trasformatore per cui i requisiti di Creepage e Clearance sono realmente rilevanti.
Ad esempio, per un trasformatore resinato (e adeguatamente testato) può essere applicata una Creepage P1 anche in un ambiente P3.
Questo perché gli avvolgimenti e il nucleo, essendo totalmente inglobati in resina, non entreranno mai in contatto con l’inquinamento presente nell’ambiente.
CTI dei materiali isolanti
Alcuni materiali isolanti sono soggetti a scariche superficiali a tensioni più basse rispetto ad altri.
Il CTI (Comparative Tracking Index) è il parametro che definisce la capacità di un materiale di sostenere la tensione senza dare luogo a scariche superficiali.
Il CTI è correlato a questa tensione.
A seconda del CTI, i materiali sono classificati per gruppi:
| Gruppo I | Gruppo II | Gruppo IIIa | Gruppo IIIb |
| CTI ≥ 600 | 400 ≤ CTI < 600 | 175 ≤ CTI < 400 | 100 ≤ CTI < 175 |
Un CTI più alto consente Creepage minori, mentre la Clearance non ne è influenzata.
Altitudine
Se il trasformatore deve poter funzionare anche ad un’altitudine superiore a 2000m, la Clearance necessaria aumenta all’aumentare dell’altitudine.
Se invece l’altitudine a cui il trasformatore deve funzionare non supera i 2000m, non vi sono prescrizioni riguardo le distanze di sicurezza.
Un trasformatore tipico
Ora che abbiamo visto quali sono i parametri principali e come questi influiscono sulle Creepage e Clearance richieste, vediamo un esempio tipico di trasformatore switching:
- collegato alla rete da 230V nominali e con uscita SELV (Safety Extra Low Voltage), quindi con isolamento doppio o rinforzato;
- categoria di sovratensione OVC-III;
- grado di inquinamento P2;
- materiale del rocchetto con CTI = 175, come per la maggior parte dei rocchetti per trasformatori switching per circuito stampato;
- adatto ad un’altitudine massima di 2000m;
- con frequenza di funzionamento nel range più diffuso (circa 50-200kHz).
In questo caso, Creepage e Clearance leggermente inferiori a 6mm sono sufficienti secondo la maggior parte degli standard.
Questa situazione copre la stragrande maggioranza dei casi nell’elettronica di potenza.
Tuttavia è importante comprendere che è sempre necessario svolgere valutazioni specifiche, in quanto possono esserci caratteristiche particolari che vanno considerate, oltre a prescrizioni normative minori non trattate in questo articolo.