Một bộ nguồn y tế qua được phép thử cao áp trong phòng lab nhưng trượt khi đo dòng rò ở tổ chức chứng nhận. Một thiết bị đo có dây nối đất đo bằng đồng hồ vạn năng chỉ vài phần mười ôm, nhưng trượt bài thử nối đất ở dòng 25 A. Cả hai trường hợp có chung nguyên nhân: dùng sai công cụ hoặc hiểu sai điều kiện đo.
Thử nghiệm an toàn điện là một chuỗi bốn phép thử: nối đất bảo vệ, cao áp (hipot), điện trở cách điện và dòng rò. Bài này tóm tắt nguyên lý và giới hạn của từng phép thử theo IEC 61010-1 (thiết bị đo lường, phòng thí nghiệm) và IEC 60601-1 (thiết bị điện y tế), rồi phân vai: việc nào cần máy thử an toàn chuyên dụng, việc nào thiết bị Keysight làm tốt trong phòng lab, và việc nào cần dịch vụ hiệu chuẩn.
Thử nghiệm an toàn điện gồm những phép thử nào
Các tiêu chuẩn yêu cầu sản phẩm có hai lớp bảo vệ chống điện giật: cách điện và dây nối đất bảo vệ. Thiết bị cấp I dùng dây nguồn ba chân, chân đất nối vào vỏ máy; thiết bị cấp II cách điện kép, dây nguồn hai chân. Bốn phép thử kiểm tra hai lớp này từ các góc khác nhau:
- Nối đất bảo vệ (ground bond): bơm dòng lớn qua mạch nối đất để xem nó chịu được dòng sự cố hay không.
- Thử cao áp hipot: đặt điện áp cao hơn nhiều so với điện áp làm việc lên lớp cách điện để phát hiện điểm yếu.
- Điện trở cách điện: đặt điện áp một chiều và tính ra điện trở cụ thể của lớp cách điện.
- Dòng rò: đo dòng chảy qua người khi chạm vào thiết bị đang chạy.
Thử nghiệm điển hình (type test) làm trên mẫu để phát hiện lỗi thiết kế và khắt khe hơn. Thử nghiệm sản xuất làm trên 100% sản phẩm để phát hiện lỗi lắp ráp. Cùng là hipot nhưng thời gian, điện áp và thiết bị cho hai loại này có thể khác nhau.
Dòng rò chạm: mạng đo mô phỏng cơ thể và giới hạn cho phép
Dòng rò chạm (touch current, trước đây gọi là dòng rò vỏ) là dòng chảy từ phần vỏ không nối đất, qua mạch đo tượng trưng cho cơ thể người, về đất. Mạch đo này không phải một điện trở shunt mà là mạng RC mô phỏng trở kháng cơ thể và mức nguy hiểm thay đổi theo tần số.
Mạng đo theo IEC 61010-1
Phụ lục A của IEC 61010-1 quy định mạch đo cho dòng xoay chiều tới 1 MHz và dòng một chiều gồm R1 = 1 500 Ω, R2 = 500 Ω, R3 = 10 kΩ, C1 = 0,22 µF và C2 = 0,022 µF; dòng điện bằng điện áp đọc trên vôn kế chia cho 500. Với dòng hình sin không quá 100 Hz và dòng một chiều, có thể dùng một điện trở 2 000 Ω, giá trị đã bao gồm trở kháng dụng cụ đo. Theo bảng tóm tắt của Associated Research, giới hạn là 0,5 mA hiệu dụng ở điều kiện bình thường và 3,5 mA hiệu dụng khi có một lỗi đơn.
Thiết bị đo MD theo IEC 60601-1
Với thiết bị y tế, thiết bị đo dòng rò (MD) tạo tải điện trở khoảng 1 kΩ, điểm nửa công suất quanh 1 kHz, bám theo nguy cơ rung thất vốn cao nhất trong dải 10 tới 200 Hz. Vôn kế đi kèm phải có trở kháng vào tối thiểu 1 MΩ, đáp ứng phẳng từ một chiều tới 1 MHz, đọc hiệu dụng thật, sai số chỉ thị không quá ±5%.
Giới hạn chặt hơn IEC 61010-1: dòng rò chạm tối đa 100 µA ở điều kiện bình thường và 500 µA khi lỗi đơn. Dòng rò bệnh nhân với phần ứng dụng loại B và BF là 0,1 mA và 0,5 mA, loại CF là 0,01 mA và 0,05 mA. Dòng rò đất được nới lên 5 mA và 10 mA từ ấn bản 2005.
Điều kiện thử quyết định kết quả
IEC 60601-1 dùng nguồn bằng 110% điện áp định mức cao nhất, ở tần số định mức cao nhất: sản phẩm ghi 115 V 60 Hz và 230 V 50 Hz được thử ở 253 V, 60 Hz. Đảo pha và trung tính được coi là điều kiện bình thường; lỗi đơn gồm hở dây đất và hở lần lượt từng dây nguồn. Với vỏ nhựa, người thử áp lá kim loại không lớn hơn 20 × 10 cm và dịch chuyển để tìm giá trị lớn nhất.
Máy phân tích an toàn chuyên dụng có sẵn mạng đo, chuyển mạch đảo cực, tạo lỗi đơn và nguồn 110%. Trong phòng lab phát triển, kỹ sư vẫn có thể lắp mạng đo theo sơ đồ tiêu chuẩn và đọc điện áp bằng đồng hồ vạn năng để bắt lỗi thiết kế sớm, với điều kiện hiểu giới hạn của đồng hồ, như phân tích ở phần sau.
Thử cao áp hipot và đo điện trở cách điện
Khi thử cao áp hipot, điện áp cao được đặt lên pha và trung tính nối chung, đầu hồi nối vào vỏ kim loại. Lớp cách điện đóng vai trò điện môi của một tụ, máy thử đo dòng rò qua nó; dòng cao vọt so với bình thường là dấu hiệu đánh thủng.
Điện áp và thời gian thử
Quy tắc kinh nghiệm là hai lần điện áp định mức cộng 1000 V; quạt 120 VAC thử ở 1240 VAC. Thời gian thông dụng là 1 phút cho thử nghiệm điển hình, 1 giây cho sản xuất, và khi rút xuống 1 giây thì điện áp thường nâng thêm 20%. Con số cuối cùng phải lấy từ tiêu chuẩn sản phẩm: IEC 61010-1 quy định 5 giây tăng áp, 60 giây giữ; IEC 60601-1 quy định 10 giây tăng áp, 60 giây giữ, 10 giây giảm áp, và phụ lục L cho thử thường quy yêu cầu tối thiểu 1500 V hiệu dụng với cách điện cơ bản, 3000 V hiệu dụng với cách điện tăng cường.
AC hay DC
Thử DC phải dùng điện áp bằng đỉnh của mức AC, tức nhân 1,414. Thử AC tác động theo cả hai cực nên khắt khe hơn và không cần xả điện, nhưng máy phải cấp cả dòng điện dung. Thử DC cần dòng nhỏ hơn và là lựa chọn duy nhất cho mạch có diode hoặc tụ lớn, nhưng phải tăng áp từ từ, phải xả điện và không phải tổ chức nào cũng chấp nhận. Phần lớn tiêu chuẩn không quy định ngưỡng dòng khi thử hipot; Associated Research gợi ý đo một loạt mẫu tốt, lấy trung bình và đặt ngưỡng cách trung bình ±25%.
Điện trở cách điện
Điện trở cách điện được đo bằng điện áp một chiều, thường 500 V hoặc 1000 V. Vì mẫu mang tính điện dung, cần 1 tới 10 phút để số đọc ổn định. Khi tiêu chuẩn không ghi con số, mức tham khảo là tối thiểu 1 MΩ ở điện áp thử không quá 1000 V. Một số tiêu chuẩn yêu cầu đo lại sau hipot để chắc cách điện không bị tổn thương. Trong kiểm tra định kỳ thiết bị y tế, EBME dẫn khuyến nghị HEI 95: 500 V DC, kết quả thường trên 50 MΩ.
Với vật liệu có điện trở hàng trăm GΩ trở lên, bài toán chuyển thành đo dòng cực nhỏ ở điện áp cao, cần kỹ thuật guard và đảo cực, đã trình bày trong bài đo dòng rò cao thế cho vật liệu bán dẫn.
Kiểm tra nối đất bảo vệ: vì sao đồng hồ vạn năng chưa đủ
Thử liên tục chỉ xác nhận có kết nối, số đọc theo ôm. Thử ground bond xác nhận kết nối chịu được dòng sự cố, số đọc theo miliôm. Ví dụ của Associated Research: dây nguồn có lõi đất 64 sợi, đứt hết chỉ còn một sợi, vẫn qua thử liên tục nhưng sẽ trượt ground bond.
IEC 60601-1 yêu cầu 25 A hoặc 1,5 lần dòng định mức lớn nhất, lấy giá trị lớn hơn, ở 50 hoặc 60 Hz. IEC 61010-1 cho thiết bị cắm điện yêu cầu 25 A hoặc 2 lần dòng định mức trong 60 giây. Cả hai giới hạn trở kháng 100 mΩ, và 200 mΩ nếu dây nguồn không tháo rời. Với dòng từ 10 A trở lên, nên chạy ít nhất 5 tới 10 giây. Trong kiểm tra định kỳ thiết bị y tế, người ta thường dùng dòng 1 A trở xuống để tránh làm hỏng thiết bị, với giới hạn 0,2 Ω.
Phân vai thiết bị trong thử nghiệm an toàn điện
Cần nói thẳng: Keysight không sản xuất máy thử hipot, máy thử ground bond hay máy phân tích an toàn điện, và cửa hàng Keysight của Techmaster không có mặt hàng này. Thử cao áp và đo dòng rò chạm trên dây chuyền phải dùng máy thử an toàn chuyên dụng, có nguồn cao áp, mạng đo theo tiêu chuẩn, chuyển mạch tạo lỗi, khoá liên động và mạch xả điện. Thiết bị Keysight tham gia ở ba vị trí khác.
Vị trí 1: đặc tính hoá điện trở rất cao
Khi cần biết vật liệu cách điện hay đế mạch in có điện trở cụ thể bao nhiêu, vượt xa ngưỡng 1 MΩ, điện kế kiêm máy đo điện trở cao có nguồn áp tích hợp là công cụ phù hợp. Nó không thay máy thử trên dây chuyền mà giúp kỹ sư hiểu biên độ an toàn của thiết kế.
Vị trí 2: đọc tín hiệu trên mạng đo khi phát triển sản phẩm
Trở kháng vào ở chế độ AC của 34465A và 34470A là 1 MΩ ±1% song song dưới 100 pF, đạt mức tối thiểu 1 MΩ của vôn kế MD. Nhưng băng thông AC của hai máy giới hạn ở 300 kHz, thấp hơn yêu cầu phẳng tới 1 MHz, nên kết quả chỉ dùng để đánh giá kỹ thuật, không thay phép thử chứng nhận. Chế độ AC cũng chỉ đo thành phần xoay chiều, thành phần một chiều phải đo riêng.
Vị trí 3: hiệu chuẩn chính máy thử an toàn
Điện áp đặt ra và ngưỡng dòng cắt của máy thử phải được hiệu chuẩn định kỳ thì kết quả đạt hay không đạt mới có giá trị. Techmaster cung cấp dịch vụ hiệu chuẩn máy thử cao áp hipot và máy đo điện trở cách điện tại phòng hiệu chuẩn ISO/IEC 17025.
Chọn thiết bị Keysight cho phòng lab an toàn điện
Keysight B2985C là điện kế kiêm máy đo điện trở cao dòng B2980C: đo dòng từ 0,01 fA tới 20 mA (dải nhỏ nhất 2 pA), điện trở tới 10 PΩ, có nguồn áp tích hợp tới ±1 000 V, đo điện áp từ 1 µV tới 20 V với trở kháng vào trên 200 TΩ, đo nhiệt độ và độ ẩm, tốc độ 20 000 số đọc mỗi giây.
Keysight B2987C có cùng thông số đo nhưng chạy được bằng pin, loại bỏ nhiễu nguồn lưới ở mức dòng cực nhỏ. Cả hai máy có nguồn tối đa ±1 000 V và dòng tối đa 20 mA: đây là công cụ đặc tính hoá, không phải máy thử hipot.
Keysight 34465A là đồng hồ vạn năng 6½ chữ số, độ chính xác DCV cơ bản 30 ppm, đo dòng AC từ 100 µA tới 10 A; ở các dải 100 µA tới 1 A, băng 3 Hz tới 5 kHz, sai số cho chu kỳ 1 năm là 0,10% số đọc cộng 0,04% dải. Keysight 34470A nâng lên 7½ chữ số, 16 ppm, cùng các dải dòng.
Kết luận
Một chương trình thử nghiệm an toàn điện chắc chắn bắt đầu từ việc đọc đúng tiêu chuẩn sản phẩm, vì giới hạn dòng rò chạm, mạng đo, dòng ground bond và thời gian hipot của IEC 61010-1 và IEC 60601-1 khác nhau. Phép thử chứng nhận và thử sản xuất dùng máy thử chuyên dụng; phòng lab dùng điện kế và đồng hồ vạn năng chính xác để hiểu biên độ thiết kế; và mọi máy thử đều cần được hiệu chuẩn.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam, vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho máy thử cao áp, máy đo điện trở cách điện, đồng hồ vạn năng và điện kế. Để được tư vấn hoặc đặt lịch hiệu chuẩn, vui lòng liên hệ hotline 0908 173 345.
