Прежде чем перейти к статье, хочу вам представить, экономическую онлайн игру Brave Knights, в которой вы можете играть и зарабатывать. Регистируйтесь, играйте и зарабатывайте!
brandName1 убил россиянку ударом тока! brandName2 на секунду упал на живот: сына известной блогерши убило током в ванне! Россиянка уронила в ванну телефон и погибла. Четырнадцатилетнюю москвичку убило током в ванной. В Красноярске школьница погибла от упавшего в ванну смартфона. Жертв все больше: почему не стоит брать телефон в ванну?
Это лишь несколько заголовков на новостных сайтах. Журналисты любят жареные факты, но как бы то ни было, случаи гибели людей от смартфона на зарядке отмечаются. В этой статье я попробую провести небольшое расследование возможных причин подобных несчастных случаев.
Может ли убить 5 В?
Определенно можно сказать, что это крайне маловероятно. При таком напряжении, да еще и при постоянном токе для достижения опасного для жизни тока нужно, чтобы сопротивление в цепи снизилось ниже 100 Ом, при том, что ток должен течь по "опасному" пути через грудную клетку. То есть, придется как минимум оторвать от адаптера разъем и прикрутить провода к плотным металлическим браслетам, надетым на руки жертвы, лежащей в ванне с соленой водой. Или еще лучше -- к двум гвоздям, забитым в грудную клетку. Такие случаи бывали: при неисправностях медицинских приборов, в гальванических цехах. В остальных случаях ток пойдет, минуя жизненно-важные органы и скорее всего вообще будет необнаружим за пределами корпуса телефона.
Для зануд:
Да, я в курсе, что ток не течет по пути наименьшего сопротивления, а по всем возможным путям. Но здесь разница минимум в пару порядков.
Для зануд-2
В смартфоне есть и более высокие напряжения, чем пять вольт. На подсветке, например, 18 В. А за счет ШИМа и опасность этого напряжения существенно выше. Но выводов это не меняет: лишь малая доля тока будет течь снаружи корпуса, к тому же у источника, питающего подсветку, этот ток стабилизирован на уровне 20 мА.
Нет, причину смерти определенно надо искать в другом месте.
Блок питания без гальванической развязки?
В обсуждениях подобных случаев часто проскакивает идея, что "из экономии китайцы не делают гальваническую развязку".
Да, существует такой класс вторичных источников питания. В первую очередь это схема с гасящим конденсатором, в прошлом достаточно популярная для питания маломощных потребителей из-за своей дешевизны. Опасность этой схемы в том, что несмотря на безопасное выходное напряжение, между выходными клеммами и землей присутствует опасное напряжение. Если повезет, ток, протекающий через тело, ограничивается гасящим конденсатором, но величина этого тока близка к максимальному выходному току блока питания и в большинстве случаев опасна для жизни. В худшем -- ток вообще пойдет мимо этого конденсатора.
К счастью, для телефонных зарядных устройств такая схема малопригодна, так как потребляет ток, почти равный выходному. Этот ток -- реактивный, но с таким реактивным током можно мириться, пока он не превышает 100-200 мА, но не когда он 1-2 ампера. Ну а другая причина -- солидные габариты конденсатора. Можно, конечно, совместить конденсаторный блок питания с понижающим импульсным преобразователем, но сложность такого устройства не будет сильно уступать стандартному импульсному блоку питания.
Все встречавшиеся мне телефонные "зарядки", включая примитивные зарядки кнопочных "Нокий" без стабилизации и еще более примитивные их китайские подделки, были обратноходовыми ИБП. Гальваническая развязка в таких блоках питания обеспечивается импульсным трансформатором. Обратная связь для стабилизации напряжения организуется либо через оптрон, либо через дополнительную обмотку трансформатора , либо по импульсам на первичной обмотке, либо вообще отсутствует, как в вышеупомянутых примитивных китайских поделках (впрочем, оригинальная зарядка от Nokia тоже не имела стабилизации). Экзотические решения типа контроллера ADP1071 или INN3264C со встроенной развязкой встречаются все чаще в связи с Quick Charge. Во всех случаях как таковая гальваническая развязка присутствует и нарушается она только Y-конденсатором, соединявшим "высокую" и "низкую" стороны по высокой частоте. Без этого конденсатора наводка на низковольтную сторону через межобмоточную емкость импульсного трансформатора слишком велика. Например, у смартфона с сенсорным экраном от нее сходит с ума сенсор. Но он и создает условия для легкого "пощипывания" при прикосновении к низковольтной стороне. А может ли ток через него убить, если одновременно схватиться за трубу или лежать в ванне?
Емкость этого конденсатора обычно не более 2200 пФ (часто -- еще ниже, в районе 1000 пФ). Реактивное сопротивление на частоте 50 Гц, соответствующая емкости 2,2 нФ -- 1,45 МОм, и соответственно, ток в цепи "сеть-конденсатор-жертва в ванне-земля" не превысит 150 мкА, что абсолютно безопасно. На самом деле, ток будет несколько больше из-за присутствия в цепи диодов, а значит и высших гармоник, но принципиально ничего не меняется: и это не причина летальных исходов. Также прикосновение в момент пикового напряжения при одновременном заземлении тела приводит к разряду конденсатора через тело, но энергия этого разряда -- 0,1 мДж. Достаточно, чтобы слегка "куснуло", но совершенно недостаточно для убийства (для этого нужна энергия хотя бы в тысячу раз больше, 0,1 Дж).
Итак, исправный адаптер, включенный в сеть, ни при каких условиях убить не может. Значит, дело в неисправностях.
А теперь заглянем внутрь китайской зарядки
На этом фото -- плата, извлеченная из классической китайской зарядки под российским брендом за 250 рублей, купленной когда-то в ларьке в подземном переходе. На первый взгляд, ничего особенного. Обратноход на микросхеме "все в одном" со встроенным ключом в восьминогом корпусе. Оптрон для обратной связи -- на своем месте. Не самый плохой экземпляр -- по крайней мере, перед разборкой она без вопросов прослужила года три, и заявленные два ампера она держит. Но... что это? Где на плате помехоподавляющий конденсатор? Он должен быть: проблем с помехами на сенсоре не наблюдалось. Да вот он, SMD-конденсатор на обратной стороне (C2).
А должен быть вот таким.
В качестве Y-конденсаторов принято использовать специализированные конденсаторы, сделанные с упором на максимальную электробезопасность, с очень солидным запасом по напряжению. Они рассчитаны на работу при 250 В переменного тока, но способны надежно выдерживать несколько киловольт. Пробой такого конденсатора случается, пожалуй, только при прямом попадании ато́мной бомбы молнии. Характерным визуальным признаком таких конденсаторов является то, что они окуклены толстым слоем изолирующей пластмассы, их маркировка имеет явное указание на применение (Y2) и включает массу значков всевозможных стандартов и сертификатов безопасности.
Поскольку такие конденсаторы не самые дешевые (не в последнюю очередь из-за стоимости прохождения этих бесчисленных сертификаций и одобрений), велик соблазн заменить их на что попроще. И в дешевых блоках питания частенько стоит какая-нибудь безымянная керамика на 630 В или киловольт. Этого мало, так как в сети иногда проскакивают импульсы, наводимые молниями, короткими замыканиями на высоковольтных ЛЭП и другими аварийными ситуациями. Несколько таких импульсов вполне способны "подпробить" такой конденсатор, особенно при его невысоком качестве, и самое страшное, что это никак не повлияет на работоспособность блока питания. При заземлении низковольтной части (например, через жертву, лежащую в ванне и пока ничего не подозревающую) через конденсатор потечет уже не только емкостный ток, но и ток утечки. Сначала незначительный, доли миллиампера, но вызывающий локальный нагрев диэлектрической керамики. С ростом температуры он тоже растет, и еще сильнее греет. Развивается тепловой пробой и цепь окончательно замыкается со всеми печальным последствиями.
Как оказалось, такой конденсатор -- это еще не худший вариант. Ставить в такое место SMD-компонент вообще безрассудство. Такие миниатюрные многослойные конденсаторы гораздо менее устойчивы к импульсным перегрузкам, гораздо сильнее подвержены тепловому пробою, могут треснуть при тепловой деформации платы, с большой вероятностью давая полное КЗ. И в целом многослойные конденсаторы менее надежны из-за эффектов электромиграции. Маленькое расстояние между выводами и предположительно не смытый флюс под корпусом тоже не способствуют надежности и безопасности такого решения.
Y-конденсатор -- не единственная проблема этого БП. Здесь нет практически никакого конструктивного разделения низковольтной части и высоковольтной. Нет даже прорезей в плате, предотвращающих пробой по стеклотекстолиту из-за его перегрева или налипания пыли на поверхность, и даже просто увеличенного зазора между их печатными проводниками, не говоря уж о каких-либо барьерах, которые могли бы предотвратить перебрасывание дуги между ними. Здесь также нет ни варистора на входе, ни предохранителя, так что он опасен не только в плане поражения током, но и тем, что выйдя из строя, он загорится. Помехоподавляющих элементов здесь тоже и близко нет, хотя это уже не про безопасность, а про, скажем так, культуру поведения в обществе.
Это то, что можно увидеть глазом. Никто, однако, не может гарантировать, что, например, импульсный трансформатор сделан с качественной межобмоточной изоляцией. Требования к ней ничуть не меньше требования к изоляции Y-конденсатора и оптрона, а последствия пробоя столь же опасны.
Надо сказать, это не худший вариант. "Классика жанра" выглядит как-нибудь так:
А зарядка "здорового человека" выглядит изнутри вот так:
Хорошо видна прорезь на плате, надежно разделяющая высоковольтную и низковольтную части в самом опасном месте, и вставленная в нее пластиковая перегородка. С другой стороны платы эта перегородка тоже есть. И есть хороший зазор на плате, в котором нет ничего, кроме оптрона и трансформатора.
Что делать?
Если вы -- владелец смартфона, то в первую очередь внимательнее относитесь к тому, что пихаете в свой телефон. Зарядные устройства, подобные описанным выше, могут убить не только человека. Часто у них на выходе творится черте-чего: напряжение "гуляет" и "плавает", уровень пульсаций -- запредельный. В случае выхода из строя они запросто утянут за собой и ваш гаджет. Ну и даже с самым лучшим и оригинальным зарядным устройством держитесь подальше от воды. Вода и 220 вольт -- вещи малосовместимые.
Если же вы разработчик блока питания, то ваша задача -- сделать хорошо. Если же от вас хотят сделать дешево, то урезать бюджет за счет безопасности -- самое последнее дело.
А "хорошо" в данном случае означает надежную изоляцию низковольтной части от высоковольтной. Основа этой изоляции -- расстояние. Если предполагается, что низковольтная часть доступна для прикосновения к ее токоведущим частям, расчетное напряжение изоляции должно быть 2,5-4 кВ. Достаточным минимум можно считать 6-8 мм, причем в этом зазоре не должно быть ничего, кроме элементов гальванической развязки. Желательно предусмотреть в этой зоне окно в маске, которое может быть закрыто "валиком" изоляционного компаунда, удлиняющим путь утечки по поверхности. Пробой по поверхности предотвращается прорезями на наиболее нагруженных участках платы. Особенно велик риск такого пробоя, если барьерная зона подвергается излишнему нагреву от сильно греющихся компонентов: их необходимо переместить подальше.
Зазор должен выдерживаться и между компонентами. При плотном монтаже нужно организовать дополнительную изоляцию: установить глухую перегородку из изоляционного материала между "высокой" и "низкой" сторонами, закрыть выводы и корпусы компонентов, находящихся под высоким напряжением, термоусадкой, принять меры против взаимного смещения крупногабаритных элементов при толчках и ударах, дополнительно закрепив их компаундом. Хорошим вариантом, хоть и приводящим к неремонтопригодности, является и полная заливка блока теплопроводным компаундом.
Особое внимание нужно уделить выбору элементов, "перекрывающих" барьер гальванической изоляции. Ни о какой "самодеятельности" и применении компонентов не предназначенных для работы под сетевым напряжением и не имеющих соответствующей сертификации, не может идти речи, даже если это ваш любительский проект. Вообще же при разработке блоков питания для мобильных устройств, которые в процессе зарядки могут держать в руках, в идеале стоило бы ориентироваться на стандарт безопасности медицинского оборудования IEC60601-1 , рассматривая мобильный гаджет, как рабочую часть класса BF с доступной металлической частью. В соответствии с этим стандартом напряжение, на которое должна быть рассчитана изоляция, составляет ~ 4000 Вэфф, при этом ток утечки на пациента не должен превышать 100 мкА при штатной работе и 500 мкА при аварии. Впрочем, я реалист и прекрасно понимаю... Именно поэтому даже пользуясь качественным зарядным устройством, следует дополнительно избегать опасной ситуации.
Заключение
Предпосылки к несчастным случаям со смартфонами и водой создаются не самим фактом наличия напряжения. Для того, чтобы случилась трагедия, нужно стечение обстоятельств: конструктивные недостатки зарядного устройства, его неисправность и заземление тела жертвы посредством воды. Устранение хотя бы одного из этих факторов значительно снижает риск несчастного случая. Нет необходимости относиться к телефону, подключенному к сети, как к высоковольтному проводу под напряжением, но следует учитывать вероятность поломки сетевого адаптера и соблюдать определенную осторожность в тот момент, когда этот телефон оказывается у вас в руках, а в первую очередь -- избегать использования зарядок непонятного происхождения из ближайшего ларька. Их опасность заключается не только в возможности получить электрический удар, но и в возможности возгорания.
