10 wskazówek dotyczących doboru obudowy urządzenia elektronicznego

Rozpoczynając nowy projekt, należy wziąć pod uwagę wiele rzeczy - między innymi obudowę, w której zostaną umieszczone komponenty użytkownika. Konsumenci widzą obudowę i wchodzą z nią w interakcję, a użytkownik chce mieć pewność, że posiada ona wszystkie cechy potrzebne do danego zastosowania.

Na podstawie doświadczenia producenta obudów - firmy Hammond Manufacturing - wyróżniliśmy 10 powszechnych, ale istotnych kryteriów, o których należy pamiętać przy wyborze obudowy.

1. Rozmiar

W idealnym świecie dobór obudowy następuje przed zaprojektowaniem płytki drukowanej. Gwarantuje to, że płytka będzie miała idealnie pasujące rozmiary, a jeśli obudowa posiada słupki mocujące, że otwory montażowe będą znajdować się we właściwym miejscu. Czasami sytuacja odwrotna jest nieunikniona i użytkownik musi dopasować swoją płytkę do obudowy.

Jak duża jest płytka drukowana? Czy ma być montowana poziomo czy pionowo? Wiele obudów plastikowych posiada szczeliny uformowane po bokach obudowy do bezpośredniego montażu pionowego lub uformowane w górnej i dolnej części występy do montażu poziomego płytki drukowanej. Obudowy z aluminium ekstrudowanego zazwyczaj posiadają po bokach pełnej długości szczeliny do poziomego montażu na płytce drukowanej. Ile miejsca na powierzchniach zewnętrznych, o ile w ogóle, potrzeba na wskaźniki, przełączniki, złącza, wejścia kablowe i tym podobne komponenty? Jaka wysokość jest wymagana dla komponentów montowanych na płytce lub dla wielu płytek poziomych?

Ilustracja 1: plastikowe obudowy z serii 1591T firmy Hammond z uformowanymi wewnętrznymi prowadnicami kart. (Źródło ilustracji: Hammond Manufacturing)

Ilustracja 2: obudowa z serii 1455 firmy Hammond, wykonana z aluminium ekstrudowanego z gniazdami na płytki drukowane. (Źródło ilustracji: Hammond Manufacturing)

2. Środowisko instalacji

Gdzie produkt będzie używany? Wewnątrz, na zewnątrz, czy może i tu, i tu? W przypadku instalacji na zewnątrz, stabilność UV jest potencjalnym problemem dla obudów plastikowych, dlatego domyślnym wyborem jest poliwęglan. Czy wstrząsy i drgania będą stanowić problem w zastosowaniach mobilnych, takich jak transport drogowy i kolejowy? Czy istnieje ryzyko wniknięcia wody lub pyłu (patrz punkt 5 poniżej)? Czy prawdopodobna jest obecność zanieczyszczeń, takich jak olej lub chemikalia? Czy problemem może być odporność na uderzenia? Czy spodziewane są szczególnie wysokie lub niskie temperatury?

Kopolimer akrylonitrylo-butadieno-styrenowy (ABS) doskonale sprawdza się w zastosowaniach wewnętrznych i przenośnych. Poliwęglan, ze względu na dobrą odporność na temperaturę, promieniowanie UV i odporność na uderzenia, jest dobrym materiałem do zastosowań zewnętrznych i bardziej przemysłowych. Metale, na przykład odlewy aluminiowe, mają doskonałą odporność na uderzenia i temperaturę.

Ilustracja 3: obudowa poliwęglanowa z przezroczystą pokrywą z serii 1554 firmy Hammond. (Źródło ilustracji: Hammond Manufacturing)

3. Materiał

W przypadku niewielkich obudów, zazwyczaj wybór jest pomiędzy tworzywem sztucznym (np. kopolimerem akrylonitrylo-butadieno-styrenowym (ABS) lub poliwęglanem) a metalem (aluminium lub stalą w postaci odlewanej, giętej lub ekstrudowanej). Do stosowania na zewnątrz zwykle zaleca się użycie poliwęglanu, ponieważ posiada on większą odporność na kruszenie i jest bardziej odporny na działanie promieni słonecznych niż kopolimer akrylonitrylo-butadieno-styrenowy (ABS).

Obudowy aluminiowe zapewniają dobrą odporność na uderzenia i samoistnie przewodzą prąd elektryczny, przy czym lakierowane lub anodowane wykończenia nie mogą zakrywać obszarów połączeniowych, aby zapewnić ciągłość ścieżki prądowej w całej obudowie. Niektóre konstrukcje obudów ekstrudowanych mają na przykład wiele żeber, które zwiększają pole powierzchni i poprawiają rozpraszanie ciepła. Obudowy z odlewu aluminiowego są mocne i wytrzymałe, nie ulegają korozji, przewodzą prąd elektryczny, mają samoistnie wysoki poziom tłumienia elektromagnetycznego i są łatwe w obróbce mechanicznej. Obudowa odlewana jest idealnym i niedrogim wyborem w zastosowaniach, w których ważna jest ochrona przed uszkodzeniami spowodowanymi wstrząsami, gdzie problem może stanowić kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) lub gdzie przewiduje się obecność wysokiej temperatury, pyłu lub wody.

4. Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC)

Obudowy plastikowe mają jedną konkretną wadę: nie zapewniają tłumienia na potrzeby kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). Jeśli zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) lub zakłócenia o częstotliwościach radiowych (RFI) emitowane przez układy elektroniczne wewnątrz obudowy stanowią potencjalny problem, bądź też ich podatność na pola zewnętrzne może stanowić problem, kwestią, którą trzeba się zająć może być brak ekranowania. Na wewnętrzne powierzchnie obudowy z tworzywa sztucznego można nakładać powłoki wewnętrzne z różnych materiałów, aby uzyskać różne stopnie tłumienia w zależności od wymagań projektu. Oferując różne materiały o różnych grubościach, można zapewnić najbardziej ekonomiczne i odpowiednie technicznie rozwiązanie.

Obudowy metalowe, zaprojektowane w sposób zapewniający ciągłość elektryczną pomiędzy górną częścią, podstawą i zdejmowanymi panelami, zapewniają poziom kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) prawdopodobnie więcej niż wystarczający dla większości zastosowań komercyjnych. Do elektrycznego połączenia obu połówek obudowy służy uszczelka przewodząca.

5. Uszczelnienie chroniące przed czynnikami środowiskowymi

Czy obudowa będzie narażona na czynniki środowiskowe, takie jak woda lub pył? Odpowiednią normą międzynarodową jest EN 60529, co oznacza stopień ochrony zapisany jako IPXX, gdzie pierwsza cyfra określa ochronę przed ciałami stałymi, a druga ochronę przed wnikaniem wody.

Zazwyczaj obudowy o stopniu ochrony IP54 są odpowiednie do użytku ogólnego. W przypadku instalacji w środowiskach, w których mogą występować pył i woda, zwykle wymagane jest zapewnienie stopnia ochrony IP66, 67 lub 68, co można uzyskać z użyciem uszczelki. Najwyższy stopień ochrony IP69K zapewnia ochronę przed czyszczeniem parą pod wysokim ciśnieniem. W Ameryce Północnej szczelność obudów zapewniająca ochronę przed wpływem czynników środowiskowych jest zwykle określana za pomocą numerów NEMA (Krajowego Stowarzyszenia Producentów Urządzeń Elektrycznych, ang. National Electrical Manufacturers Association). Klasyfikacja NEMA wymaga również dodatkowych funkcji i prób produktu, takich jak działanie w warunkach oblodzenia, zaślepki w połączeniach kablowych i inne, nieuwzględnione w klasach IP.

Ilustracja 4: niektóre obudowy, na przykład ukazana obudowa z serii 1551SNAP, są przeznaczone do wpuszczania czynników zewnętrznych w takich zastosowaniach, jak pomiary warunków środowiskowych. (Źródło ilustracji: Hammond Manufacturing)

6. Mocowania

Panele i pokrywy obudów muszą być przymocowane do współpracujących połówek. Istnieją dwie główne metody dla obudów z tworzyw sztucznych i odlewanych. Wkręt samogwintujący jest mocowany bezpośrednio do materiału podstawy, albo wkręt maszynowy łączy się z gwintowaną wkładką (lub tuleją) umieszczoną w podstawie. Wkręty maszynowe są preferowane, jeśli przewiduje się wielokrotne otwieranie i zamykanie obudowy w całym okresie użytkowania urządzenia, podczas gdy wkręt samogwintujący jest wystarczający do zastosowań typu „wkręć i zapomnij”.

Ilustracja 5: ekonomiczna obudowa plastikowa bez mosiężnych wkładek (po lewej) i ogniotrwała obudowa plastikowa z mosiężnymi wkładkami (po prawej) z serii 1591 firmy Hammond. (Źródło ilustracji: Hammond Manufacturing)

7. Wygląd

Chociaż estetyka z pewnością może być subiektywna, użytkownik prawdopodobnie ma przynajmniej ogólne pojęcie o tym, jak produkt powinien wyglądać i działać. Obudowy plastikowe dostępne są z materiałów nieprzezroczystych i półprzezroczystych, w różnych kolorach i są lekkie. Wiele z nich posiada wgłębione pokrywy przeznaczone na klawiatury membranowe i wyświetlacze. Obudowy ekstrudowane mają stylowe anodowane wykończenie, które można łączyć z takimi akcesoriami, jak kolorowe plastikowe ramki, aby uzyskać atrakcyjny wygląd. Obudowy z odlewów aluminiowych mogą być lakierowane na różne kolory i są preferowane w wysoce niestandardowych produktach, takich jak np. pedały gitarowe. Czasami wszystko, czego potrzebuje użytkownik, to wytrzymała, niewykończona obudowa odlewana!

Ilustracja 6: lakierowane obudowy z odlewanego aluminium z serii 1590 firmy Hammond. (Źródło ilustracji: Hammond Manufacturing)

8. Dostępność produktów i wsparcia

Wielu wyspecjalizowanych producentów wytwarza standardowe obudowy dla przemysłu elektronicznego i elektrycznego w różnorodnych rozmiarach, stylach i typach. Obudowa formowana, ekstrudowana lub odlewana może wydawać się tylko prostą obudową, ale w rzeczywistości jest to wynik ogromnej wiedzy fachowej, która zaowocowała bogatymi w funkcje obudowami, odpowiednimi do użycia w szerokiej gamie zastosowań i środowisk. Dystrybutorzy przechowują na półkach obfite zapasy standardowych obudów, a najnowszym trendem jest to, że dystrybutorzy dołączają teraz do producentów, zapewniając wsparcie techniczne dla ich klientów, współpracując z nimi na etapie projektowania, aby pomóc w doborze obudowy najbardziej odpowiedniej do danego zastosowania.

9. Rysunki do pobrania i materiały pomocnicze

Każdy renomowany producent i dystrybutor obudów udostępnia w swojej witrynie internetowej obszerną bibliotekę informacji technicznych. Zazwyczaj pośród zasobów dostępnych do pobrania znajdują się m.in. zwymiarowane rysunki w formatach PDF i CAD, które pomagają w określeniu wymagań dotyczących projektowania i modyfikacji, szczegółów technicznych oraz kluczowych atrybutów produktów.

Ilustracja 7: zwymiarowane rysunki wszystkich obudów firmy Hammond są dostępne do pobrania. (Źródło ilustracji: Hammond Manufacturing)

10. Rozwiązania niestandardowe

Wszystkie obudowy, aby zapewnić użyteczność, wymagają pewnych modyfikacji, na przykład poprzez dodanie otworów na złącza lub wydrukowanie etykiet i logotypów. Firma Hammond oferuje usługi obróbki skrawaniem i drukowania we własnym zakresie przy niewielkich minimalnych ilościach zamówienia. Od rodzaju obudowy zależą charakterystyczne dla niej możliwości dostosowywania. W obudowach metalowych możemy na przykład instalować wciskane elementy, takie jak dystanse, w obudowach z aluminium ekstrudowanego można dostosowywać długość, a obudowy formowane z tworzywa sztucznego można tworzyć w niestandardowych kolorach. Więcej informacji na temat modyfikowanych obudów można znaleźć na stronie Obudowy niestandardowe w witrynie DigiKey.

Ilustracja 8: obudowa z serii 1455 wykonana z aluminium ekstrudowanego jest wyposażona w kolorowe ramki, wycięcia i nadruki. (Źródło ilustracji: Hammond Manufacturing)

Podsumowanie

Nie wszystkie te wskazówki dotyczą każdego projektu, ale uwzględnienie ich pomoże projektantom zyskać pełniejszy obraz - zrozumieć krótkoterminową i długoterminową dostępność konkretnej obudowy, jak i dobrać idealną obudowę do następnego projektu. Uwzględnienie wymagań wymiarowych i technicznych, a także wykonalności i estetyki zapewnia płynność realizacji każdego projektu, od prototypu do wdrożenia.