An toàn điện 220 V khi tự làm mạch: cách ly, cầu chì, varistor, khoảng cách cách điện trên mạch in

An toàn điện 220 V khi tự làm mạch ESP32, Arduino: chia hai phía cách ly, cầu chì, varistor, khoảng cách cách điện và khe phay trên mạch in, bề rộng đường mạch theo dòng, kiểm tra trước khi cắm điện.

Mạch ESP32, Arduino điều khiển đèn, máy bơm, quạt thường có một phần nối thẳng vào điện lưới 220 V: cầu đấu, cầu chì, module nguồn, tiếp điểm relay. Phần này làm sai thì không chỉ hỏng mạch mà có thể gây giật điện, cháy. Bài này nói về an toàn điện 220 V khi tự làm mạch: chia mạch thành hai phía cách ly, chọn cầu chì và varistor, khoảng cách cách điện và khe phay trên mạch in, bề rộng đường mạch theo dòng, và bảy việc phải kiểm tra trước lần cắm điện đầu tiên. Khái niệm điện xoay chiều, vì sao điện giật nguy hiểm, CB chống giật trong nhà có ở bài điện DC, AC và an toàn khi làm việc gần điện 220 V.

Trước hết: khi có thể, dùng module đã có chứng nhận (module nguồn cách ly, module relay, ổ cắm thông minh) thay vì tự vẽ phần 220 V. Mọi thao tác hàn, đấu dây làm khi đã rút phích cắm. Người chưa có kinh nghiệm điện không tự làm mạch 220 V một mình.

1. Chia mạch thành hai phía

• Phía 220 V: cầu đấu, cầu chì, varistor, đầu vào module nguồn, tiếp điểm relay, dây tới tải. Không ai được chạm vào phía này khi có điện.
• Phía điện áp thấp: ESP32, cảm biến, nút nhấn, cổng USB. Người dùng chạm vào được nên phải cách ly hoàn toàn với 220 V.
• Linh kiện vắt qua rào: module nguồn có biến áp cách ly (loại như HLK-PM01; không dùng mạch nguồn không biến áp kiểu tụ giảm áp), relay (cuộn ở phía thấp, tiếp điểm ở phía 220 V), optocoupler, SSR. Đây là những chỗ duy nhất hai phía đứng gần nhau.
• Tiếp điểm relay và cầu chì đặt trên dây pha L, để khi relay ngắt hay cầu chì đứt thì tải không còn điện áp so với đất.

Chọn relay, module relay và cách nối với ESP32 xem bài module relay: opto cách ly, jumper JD-VCC; tách tín hiệu bằng opto xem bài optocoupler PC817.

2. Cầu chì, varistor, NTC

• Cầu chì ở ngay sau cầu đấu, trên dây L, trước mọi linh kiện khác. Dòng định mức khoảng 1,5 lần dòng làm việc của cả mạch và tải đi qua nó. Tải có dòng khởi động lớn (động cơ, nguồn xung có tụ lớn) dùng cầu chì chảy chậm (T); mạch điện tử nhỏ dùng chảy nhanh (F). Cầu chì có nắp hoặc đế che.
• Varistor (MOV) nối giữa L và N sau cầu chì, ví dụ loại 14D471 cho lưới 220 V: hấp thụ xung điện áp do sét lan truyền, đóng cắt tải cảm. Khi có xung quá lớn, varistor chập và làm cầu chì đứt, nên varistor luôn đứng sau cầu chì.
• Điện trở nhiệt NTC nối tiếp đầu vào nguồn tự làm có tụ lọc lớn để hạn dòng lúc cắm điện. Module nguồn mua sẵn thường đã có.

3. Khoảng cách cách điện trên mạch in

Có hai loại khoảng cách. Khe hở không khí đo thẳng qua không khí giữa hai phần dẫn điện; khoảng cách bề mặt đo dọc theo mặt mạch in, vì bụi và hơi ẩm bám trên mặt mạch tạo thành đường dẫn điện. Giữa phía 220 V và phía người chạm được phải dùng cách điện tăng cường, khoảng cách lớn gấp đôi giữa L và N. Số liệu chính xác theo điện áp, độ cao lắp đặt, mức bẩn, vật liệu nằm trong tiêu chuẩn IEC 62368-1; khi tự làm, chừa 6–8 mm giữa hai phía là mức an toàn thường dùng.

• Gom toàn bộ phần 220 V về một góc mạch, đường mạch ngắn và rộng.
• Không để mặt đồng GND, đường tín hiệu của phía thấp chạy vào vùng 220 V, kể cả ở mặt dưới và lớp trong.
• Khe phay (rãnh cắt xuyên mạch in, rộng 1–2 mm) dưới relay, module nguồn, opto: bụi ẩm không bắc cầu qua được, khoảng cách bề mặt dài ra.
• Dùng cầu đấu có ốc kẹp chặt, không hàn dây 220 V trực tiếp lên mạch. Dây 220 V đi trong vỏ, có kẹp giữ dây để kéo dây không giật được mối nối.

4. Bề rộng đường mạch theo dòng

Đường mạch dẫn dòng tải (tiếp điểm relay tới cầu đấu) phải đủ rộng để không nóng. Script dưới đây tính theo công thức của IPC-2221 cho lớp đồng ngoài và chọn cỡ cầu chì theo công suất tải; chạy bằng Python 3:

# PYWORLD.VN - Tính nhanh cho mạch có phần 220 V: bề rộng đường mạch theo dòng (công thức IPC-2221) và dòng định mức cầu chì
# PYWORLD.VN - Đường mạch lớp ngoài: I = 0,048 × ΔT^0,44 × A^0,725 (A: tiết diện mil²); đồng 1 oz dày 35 µm
# PYWORLD.VN - Chạy: python tinh_mach_220v.py          hoặc  python tinh_mach_220v.py --tai 600 --he-so-cos 0.9
"""Kết quả là mức tối thiểu để đường mạch không nóng quá ΔT; mạch 220 V nên rộng hơn và chừa khoảng cách cách điện riêng."""
import argparse

MIL_MM = 0.0254
DAY_1OZ_MIL = 1.378                                   # 35 µm
CAU_CHI = [0.5, 1, 1.6, 2, 2.5, 3.15, 4, 5, 6.3, 8, 10, 12, 15, 16, 20]   # dòng định mức thường gặp (A)


def be_rong_mm(dong_a: float, tang_nhiet: float = 10, oz: float = 1, lop_ngoai: bool = True) -> float:
    k = 0.048 if lop_ngoai else 0.024
    tiet_dien = (dong_a / (k * tang_nhiet ** 0.44)) ** (1 / 0.725)      # mil²
    return tiet_dien / (DAY_1OZ_MIL * oz) * MIL_MM


def chon_cau_chi(cong_suat_w: float, dien_ap: float = 220, he_so_cos: float = 1.0, du: float = 1.5) -> tuple[float, float]:
    """Dòng làm việc và cỡ cầu chì nhỏ nhất không dưới du × dòng làm việc."""
    i = cong_suat_w / (dien_ap * he_so_cos)
    return i, next((c for c in CAU_CHI if c >= du * i), CAU_CHI[-1])


if __name__ == "__main__":
    ap = argparse.ArgumentParser(description=__doc__)
    ap.add_argument("--tai", type=float, help="công suất tải (W) để chọn cầu chì")
    ap.add_argument("--he-so-cos", type=float, default=1.0, help="hệ số công suất cos φ của tải (động cơ khoảng 0,8)")
    a = ap.parse_args()
    print("Be rong duong mach toi thieu (dong 1 oz, lop ngoai):")
    for i in (0.5, 1, 2, 5, 10):
        print(f"  {i:>4} A: tang 10 do C -> {be_rong_mm(i):.2f} mm; tang 20 do C -> {be_rong_mm(i, 20):.2f} mm;"
              f" dong 2 oz, 10 do C -> {be_rong_mm(i, 10, 2):.2f} mm")
    for p, cos in ([(a.tai, a.he_so_cos)] if a.tai else [(60, 1.0), (300, 0.9), (750, 0.8), (1500, 1.0)]):
        i, cc = chon_cau_chi(p, he_so_cos=cos)
        print(f"Tai {p:g} W, cos {cos:g}: dong {i:.2f} A -> cau chi {cc:g} A (loai chay cham neu co dong khoi dong lon)")

Tải 10 A cần đường mạch đồng 1 oz rộng hơn 7 mm; với dòng lớn như vậy nên đi dây trực tiếp từ cầu đấu tới tiếp điểm relay, hoặc phủ thêm thiếc, thay vì chỉ dựa vào đường mạch. Relay trên module bán sẵn ghi 10 A nhưng đường mạch, cầu đấu trên module có khi không chịu nổi 10 A liên tục: tải lớn nên dùng contactor.

5. Kiểm tra trước lần cắm điện đầu tiên

Lần cắm đầu tiên: cắm qua ổ có CB chống giật (RCD), đóng vỏ hoặc đặt mạch trong hộp, đứng xa, quan sát vài phút (mùi khét, tiếng nổ lách tách, linh kiện nóng). Không bao giờ nối kẹp đất của que đo máy hiện sóng vào phía 220 V: kẹp đất nối thẳng với dây đất của ổ cắm, sẽ tạo ngắn mạch.

6. Lỗi hay gặp

7. Xem thêm

• Công tắc, nút nhấn, cầu chì và relay: cách chọn, cách nối với ESP32
• Tìm lỗi mạch điện tử từng bước

Bài cùng cụm chủ đề: aptomat và RCD chống giật; chọn tiết diện dây điện; relay hay SSR; nguồn HLK-PM01.