PLN | EUR | USD

Zadbaj o bezpieczeństwo projektów elektronicznych i ich odporność na długotrwały wpływ czynników atmosferycznych dzięki odpowiednim obudowom

Przez: Patrick Mannion

Przekazane przez: Północnoamerykańscy redaktorzy Digi-Key

Wielu projektantów amatorskich urządzeń lub prototypów po zaprojektowaniu elektroniki pozostawia dobór odpowiedniej obudowy na ostatnią chwilę. Nie ma w tym nic złego, jeśli urządzenie będzie użytkowane w pomieszczeniu, na biurku lub tymczasowo umieszczone na ścianie. Ale jeśli projekt jest przeznaczony do użytku na zewnątrz przez długi czas, szybko ulegnie czynnikom środowiskowym lub może zostać uszkodzony z powodu złośliwej lub nieumyślnej ingerencji, a nawet zwykłej ciekawości.

Stworzenie odpowiedniej obudowy przy użyciu dostępnych materiałów jest trudne. Dostępne gotowe obudowy mogą spełniać wymagania dotyczące wytrzymałości, jednak często cechują się niewłaściwym rozmiarem, podatnością na ingerencję i nieestetycznym wyglądem. Zwłaszcza dwa ostatnie czynniki mogą stwarzać problemy, jeśli urządzenie ma zostać zamontowane na zewnątrz domu lub budynku komercyjnego.

W przypadku małych obudów do układów elektronicznych lub obudów umieszczanych na zewnątrz najlepiej jest wybrać linię obudów poliwęglanowych z certyfikatem IP-68, które mogą skutecznie ochronić elektronikę przed wpływem czynników środowiska.

W tym artykule omówimy wpływ deszczu, ekstremalnych temperatur i światła słonecznego na układy elektroniczne i ich obudowy. Wyjaśnimy też, co oznacza stopień ochrony IP-68, a następnie przedstawimy obudowy firmy Hammond Manufacturing z uszczelkami, które spełniają zarówno wymagania fizyczne, jak i estetyczne.

Dlaczego obudowy urządzeń elektronicznych muszą zapewniać ochronę przed wpływem środowiska

Układy elektroniczne używane na zewnątrz są podatne na niszczenie z powodu ciepła, zimna, wilgoci, bezpośredniego nasłonecznienia - szczególnie promieni ultrafioletowych (UV) - drgań i fizycznych ingerencji. Są również narażone na działanie różnych źródeł zakłóceń elektrycznych i elektromagnetycznych. Projektanci mogą uwzględnić ekstremalne temperatury, odpowiednio konstruując obwody, obniżając parametry znamionowe komponentów i wykorzystując techniki odprowadzania ciepła, na przykład poprzez radiatory, wentylatory oraz minimalizację całkowitego zużycia energii. Drgania można ograniczyć, montując płytki drukowane na izolatorach drgań, natomiast zakłócenia elektryczne i radiowe można zmniejszyć za pomocą filtrów, dławików i odpowiedniego uziemienia.

Jednak szczególnie szkodliwy wpływ ma wilgoć. Wilgoć wnikająca do układu, może powodować kondensację, a następnie korozję i degradację warstw pasywacyjnych półprzewodników, połączeń lutowanych i połączeń fizycznych. Szkodliwy wpływ mogą zwielokrotnić zanieczyszczenia, takie jak kurz i pyły, które mogły dostać się do osłony przed jej zamknięciem. Wilgoć wpływa na komponenty między innymi poprzez działanie natury elektrochemicznej, galwanicznej, anodowej i katodowej. Wszystko to stwarza większe lub mniejsze zagrożenie dla niezawodności elektroniki (ilustracja 1).

Ilustracja wpływu wilgoci na komponenty elektroniczneIlustracja 1: wpływ wilgoci na komponenty elektroniczne, płytki i połączenia może z czasem doprowadzić do uszkodzenia. (Źródło ilustracji: PCFixit.au)

Skutki wnikania wilgoci można złagodzić, na przykład nakładając żywice epoksydowe lub uszczelniacze na najważniejsze elementy. W przypadku układów produkowanych masowo, powłoka konformalna o grubości od 20 do 50 mikronów, a w skrajnych przypadkach nawet do 100 mikronów, może pokryć całą płytkę drukowaną i stanowić dobre rozwiązanie. Jednak niektóre elementy, takie jak przełączniki DIP, rezystory nastawne i uchwyty baterii, nie mogą zostać w ten sposób powleczone. Ponadto powłoki konformalne mogą nie pokrywać dokładnie krawędzi, narażając ścieżki i złącza na korozję.

Wpływ wilgoci zależy od temperatury i wilgotności względnej. Pełne wytyczne dotyczące wilgotności wyposażenia zewnętrznego podano w normie ETSI EN 300 019-1-4 V2.2.1 (2014-04) „Inżynieria środowiskowa (EE); Warunki środowiskowe i badania środowiskowe urządzeń telekomunikacyjnych - Część 1-4: Klasyfikacja warunków środowiskowych; Stacjonarne użytkowanie w lokalizacjach niezabezpieczonych przed wpływami pogody”.

Jest to przydatny przewodnik do testów dla hobbystów i niezbędny dla profesjonalistów. Klasyfikuje różne warunki, w jakich może się znaleźć urządzenie na czynniki sejsmiczne, trzęsienia ziemi, wstrząsy, promieniowanie słoneczne i temperaturę. Ponadto dzieli klasy środowiskowe na wodę, opady, rozwój pleśni, ataki zwierząt (np. termity) i zasolenie powietrza. Zawiera również kilka przydatnych definicji, które mają tutaj bezpośrednie znaczenie i podkreślają rolę wilgotności:

  • Wilgotność bezwzględna: masa pary wodnej wyrażona w gramach odpowiadająca jednemu metrowi sześciennemu suchego powietrza w mieszaninie powietrza i pary wodnej.
  • Lokalizacja niezabezpieczona przed czynnikami pogody: miejsce, w którym urządzenie nie jest chronione przed bezpośrednim wpływem pogody.
  • Wilgotność względna: stosunek ciśnienia cząstkowego pary wodnej w wilgotnym powietrzu w danej temperaturze do ciśnienia cząstkowego pary wodnej w powietrzu nasyconym o tej samej temperaturze.
  • Użytkowanie stacjonarne: użytkowanie sprzętu zamocowanego na stałe na konstrukcji lub na urządzeniach mocujących lub na stałe umieszczonego w określonej lokalizacji.

Jednak projektant zawsze powinien zapobiegać, a nie leczyć. Tutaj pojawia się międzynarodowe oznaczenie stopnia ochrony IP-68.

Czym jest IP-68?

Klasyfikacja IP, czyli system oznaczania stopni ochrony, wywodzi się z normy EN 60529 i składa się z dwóch cyfr wskazujących stopień ochrony przed pyłem i wilgocią (ilustracja 2). Cyfry charakterystyczne określają stopień ochrony zapewnianej przed ciałami obcymi, np. palcami i dłońmi, a także kurzem i wodą. Celem jest zapewnienie klarownego oznaczenia, w przeciwieństwie do niejasnych i subiektywnych określeń, takich jak „wodoodporność”.

Pierwsza cyfra po IP odnosi się do ciał stałych, druga cyfra do cieczy. Tak więc stopień ochrony IP-68 jest zachowany wtedy, gdy system zapewnia całkowitą ochronę przed pyłem (6) oraz przed długotrwałym działaniem strumieni wody lub zanurzeniem pod ciśnieniem (8).

Tabela kodów IP z opisem cyfr oznaczających stopień ochrony układuIlustracja 2: klasyfikacja IP zawiera cyfry wskazujące stopień ochrony układu przed pyłem (po lewej) i wilgocią (po prawej). (Źródło ilustracji: focusondrives.com)

Jak spełnić wymagania IP-68

Co prawda możliwe jest zaprojektowanie obudowy IP-68 od podstaw, jednak nie ma potrzeby ponownego wynajdowania koła, skoro już zrobiły to firmy takie jak Hammond Manufacturing. Obudowy serii 1557 firmy Hammond Manufacturing przeznaczone do trudnych warunków środowiskowych są wykonane z poliwęglanu odpornego na promienie UV. Spełniają one wymagania IP-68, a jednocześnie zachowują estetyczny, „nowoczesny” wygląd z gładkimi krzywiznami. Obudowy są oferowane w dwóch kolorach - czarnym i jasnoszarym (ilustracja 3).

Wygląd obudowy z serii 1557 firmy Hammond ManufacturingIlustracja 3: obudowy z serii 1557 spełniają wymagania normy IP-68 oraz zapewniają estetyczny wygląd konstrukcji, jednocześnie oferując różnorodne opcje montażu. (Źródło ilustracji: Hammond Manufacturing)

Seria 1557 ma klasę palności UL94-5VA i zapewnia ochronę przed wnikaniem pyłu, oleju i wody dzięki dwuczęściowej konstrukcji na pióro i wpust z odporną na wysokie temperatury silikonową uszczelką z certyfikatem UL, model 1557BGASKET (ilustracja 4).

Wygląd uszczelki 1557BGASKET firmy Hammond Manufacturing wykonanej z silikonu z certyfikatem ULIlustracja 4: uszczelka 1557BGASKET jest wykonana z silikonu z certyfikatem UL i umożliwia obudowie 1557 osiągnięcie zgodności z IP-68. (Źródło ilustracji: Hammond Manufacturing)

Pokrywa jest mocowana wkrętami maszynowymi M4 ze stali nierdzewnej, model SC576-50 (ilustracja 5). Są one wkręcane w odporne na korozję tuleje, co umożliwia wielokrotny montaż i demontaż, na przykład na etapie prototypowania projektu.

Wygląd wkrętów maszynowych M4 firmy Hammond Manufacturing, model SC576-50 Ilustracja 5: wkręty maszynowe M4, model SC576-50, są solidnie wkręcane w tuleje odporne na korozję, aby umożliwić wielokrotny montaż i demontaż. (Źródło ilustracji: Hammond Manufacturing)

Aby sprostać różnorodnym zastosowaniom, seria 1557 jest dostępna w szerokiej gamie rozmiarów i opcji montażu, w tym z płytą drukowaną, co zapewnia swobodę w rozmieszczeniu. Są dostępne cztery podstawowe wymiary w płaszczyźnie podstawowej, każdy w dwóch wysokościach. Wymiary to:

  • 80 x 80mm, o wysokości 45mm lub 60mm
  • 120 x 120mm, 160 x 160mm i 200 x 200mm, o wysokości 45mm lub 70mm

Opcje montażu są następujące (patrz ilustracja 3):

  • wysokowytrzymały uchwyt ścienny z kołnierzem (wystające nóżki montażowe),
  • montaż wpuszczany w ścianę (nóżki montażowe w postaci otworów),
  • na biurko lub blat (w zestawie gumowe nóżki).

Każda z tych opcji ma konkretne przeznaczenie. Wysokowytrzymały model do montażu naściennego ma zestaw dwóch lub czterech zaczepów naściennych, które są solidnie przykręcone do tylnej części obudowy. Zaczepy wystają z krawędzi obudowy, umożliwiając użytkownikowi bezpieczny montaż na ścianie przy użyciu własnych mocowań. Jest to idealne rozwiązanie do zastosowań, w których kluczowe znaczenie ma bezpieczeństwo, a instalacja jest trwała.

Model do montażu wpuszczanego również ma zaczepy do montażu na ścianie, ale są one odwrócone i zainstalowane we wpustach z tyłu obudowy. W tej konfiguracji zaczepy działają jak zatrzaski, co zapewnia bardziej elegancki wygląd przy montażu wpuszczanym. Taka konfiguracja jest również idealna do zastosowań, w których obudowa jest przymocowana do ściany tymczasowo.

Każda obudowa jest dostarczana z czterema samoprzylepnymi gumowymi nóżkami do użytku w opcji stołowej lub biurkowej. W tej opcji zaczepy do montażu ściennego nie są wykorzystywane, natomiast w każdym rogu znajduje się gumowa nóżka. W każdym narożniku znajduje się wgłębienie o rozmiarze odpowiadającym nóżkom, aby zapewnić prawidłowe rozmieszczenie, niższy profil i stabilność nóżek. W razie potrzeby można zamówić więcej gumowych nóżek: model 1421T6CL.

Akcesoria dostarczane z obudowami obejmują wodoszczelne uchwyty i dławiki kablowe oraz zestawy do montażu na słupach.

Podsumowanie

Wielu projektantów koncentruje się na projektowaniu elektroniki do tego stopnia, że mogą nie doceniać znaczenia doboru odpowiedniej obudowy do stosowania na zewnątrz budynków. Bez odpowiedniej ochrony czynniki takie jak wilgoć, skrajne temperatury, pył, olej i inne zanieczyszczenia mogą zagrażać integralności elektrycznej i strukturalnej urządzenia.

Obudowy zapewniające taką ochronę są jednak trudne do zaprojektowania. Dzięki gotowym obudowom spełniającym wymagania stopnia ochrony IP-68, projektanci mogą szybko wprowadzić na rynek projekt, który sprosta wyzwaniom związanym z intensywnym użytkowaniem na zewnątrz budynków.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Informacje o autorze

Patrick Mannion

After starting in engineering, Patrick Mannion has been analyzing the electronics industry for over 25 years, with a focus on informed editorial to help engineers manage risk, contain costs, and optimize designs. Formerly brand director and vice president of UBM Tech's electronics group, he now provides custom content services.

Informacje o wydawcy

Północnoamerykańscy redaktorzy Digi-Key