EUR | USD

Käytä oikeanlaisia koteloita elektroniikkaprojektien suojaamiseen ja pitkäikäiseen sääsuojaukseen

Kirjoittaja Patrick Mannion

Julkaisija Digi-Keyn kirjoittajat Pohjois-Amerikassa

Monet DIY- tai prototyyppiprojektien suunnittelijat jättävät sopivan kotelon löytäminen usein viime hetkeen elektroniikkasuunnittelun jälkeen. Tämä voi olla järkevää, jos sitä aiotaan käyttää sisätiloissa pöydällä tai asettaa se väliaikaisesti seinälle. Mutta jos projektia on tarkoitus käyttää ulkotiloissa pitkäkestoisesti, ympäristötekijät vaikuttavat siihen nopeasti tai se voi vaurioitua joko tahallaan tai tahattomasti joko ilkivallan tai pelkän uteliaisuuden seurauksena.

On vaikeaa suunnitella sopivaa koteloa käytettävissä olevista materiaaleista, ja vaikka valmiina saatavat kotelot saattavat täyttää kestävyysvaatimukset, ne eivät välttämättä ole oikean kokoisia, eivät kestä ilkivaltaa tai eivät ole esteettisiä. Kaksi viimeksi mainittua voi olla ongelmallista, jos laite asennetaan kodin ulkopuolelle tai liiketiloihin.

Pienien ulos sijoitettavien elektroniikkaprojektien kotelot on parasta valita virallisesti IP-68-hyväksytyistä polykarbonaattikoteloista, jotka voivat suojata elektroniikan tehokkaasti ympäristötekijöitä vastaan.

Tässä artikkelissa käsitellään sateen, äärilämpötilojen ja auringonvalon vaikutuksia elektroniikkajärjestelmiin ja niiden koteloihin. Tämän jälkeen artikkelissa kuvataan, mitä IP-68-suojaus tarkoittaa, ja siinä esitellään sekä fyysiset että esteettiset vaatimukset täyttäviä Hammond Manufacturing -yrityksen koteloita ja niiden tiivisteitä.

Miksi elektroniikkakoteloiden on tarjottava suojaus ympäristötekijöiltä

Ulkona käytettävät elektroniikkajärjestelmät ovat alttiita kuumuudelle, kylmälle, kosteudelle, suoralle auringonvalolle - etenkin ultraviolettisäteille (UV) - sekä tärinälle ja fyysiselle ilkivallalle. Ne altistuvat myös erilaisille sähkö- ja sähkömagneettisen häiriön lähteille. Suunnittelijat voivat ottaa huomioon äärilämpötilat asianmukaisella piirisuunnittelulla, komponenttien alimitoituksella ja lämmönhallintatekniikoilla, esimerkkinä jäähdytyselementit, ja tuulettimet, sekä minimoimalla kokonaisenergiankulutuksen. Tärinä voidaan ottaa huomioon kiinnittämällä piirilevyt tärinäneristimiin, ja sähkö- sekä RF-häiriöitä voidaan vähentää suodattimien, kuristimien ja asianmukaisten maadoitusmenetelmien avulla.

Kosteus on kuitenkin erityisen vahingollisia. Kun kosteus on tunkeutunut järjestelmään, se voi lisätä ilmankosteutta, johtaa kondensoitumiseen, sitä seuraavaan korroosioon ja lopulta puolijohteiden passivointikerrosten, juotosliitosten ja fysikaalisten liitosten heikkenemiseen ajan myötä. Kun kosteus yhdistetään epäpuhtauksiin, kuten pölyyn ja roskiin, jotka ovat voineet päästä koteloon ennen sen sulkemista, haitalliset vaikutukset moninkertaistuvat. Eri tapoihin, joilla kosteus vaikuttaa komponentteihin, sisältyvät sähkökemialliset, galvaaniset, anodiset ja katodiset vaikutukset. Kaikki nämä vaarantavat elektroniikan luotettavuuden, jotkut hienovaraisesti, jotkut selvemmin (kuva 1).

Kuva kosteuden vaikutuksista elektronisiin komponentteihin Kuva 1: Kosteuden vaikutukset elektroniikkakomponentteihin, kortteihin ja liitäntöihin voivat olla ajan myötä erittäin haitallisia. (Kuvan lähde: PCFixit.au)

Kosteuden vaikutuksia voidaan vähentää esimerkiksi sijoittamalla epoksia tai geelejä kriittisten komponenttien päälle. Massatuotetuissa järjestelmissä suojapinnoitteet, joiden paksuus on 20–50 mikronia tai jopa 100 mikronia, voivat peittää koko piirilevyn ja olla hyvä ratkaisu. Jotkin komponentit, kuten DIP-kytkimet, säätövastukset ja akunpitimet, eivät kuitenkaan sovellu tällaisien pinnoitteiden käyttöön. Lisäksi suojapinnoitteet eivät välttämättä kata reunoja (reunojen ryömintä), vaan johtimet ja liittimet voivat jäädä alttiiksi korroosiolle.

Kosteuden täysi vaikutus riippuu lämpötilasta ja suhteellisesta kosteudesta. Ulkotiloihin tarkoitettujen laitteiden kattavat testausohjeet kosteuden osalta on esitetty ETSI EN 300 019-1-4 V2.2.1 (2014-04) -standardissa ”Ympäristötekniikka (EE); Televiestintälaitteiden ympäristöolosuhteet ja ympäristötestit; Osa 1-4: Ympäristöolosuhteiden luokittelu; Stationaarinen käyttö säältä suojaamattomissa sijaintipaikoissa.

Tämä on hyödyllinen testausopas harrastajalle ja se on välttämätön ammattilaisille. Se luokittelee erilaiset olosuhteet, joille laite voi altistua: seismiset tapahtumat, maanjäristykset, iskut, auringon säteily ja lämpötila. Standardi jakaa ympäristöluokat edelleen veteen, sateeseen, homeen kasvuun, eläinten hyökkäyksiin (ts. termiitteihin) ja ilman suolapitoisuuteen. Standardissa on myös joitain hyviä määritelmiä, jotka liittyvät suoraan käsiteltävään aiheeseen ja jotka korostavat kosteuden merkitystä:

  • Absoluuttinen kosteus: Vesihöyryn massa grammoina suhteessa yhteen kuutiometriin kuivaa ilmaa ilma/vesihöyryseoksessa.
  • Suojaamaton sijaintipaikka: Sijaintipaikka, jossa laitetta ei ole suojattu suoria sääolosuhteita vastaan.
  • Suhteellinen kosteus: Kosteassa ilmassa olevan vesihöyryn osapaineen suhde annetussa lämpötilassa suhteessa kyllästetyn ilman vesihöyryn osapaineeseen samassa lämpötilassa.
  • Stationaarinen käyttö: Laite on kiinnitetty tiukasti rakenteeseen tai kiinnityslaitteisiin tai se on pysyvästi sijoitettu tiettyyn kohtaan.

Suunnittelijoiden kannalta ennaltaehkäisy on kuitenkin aina parempi kuin korjauskeino. Tässä peliin mukaan tulee kansainvälinen suojausluokka (IP) IP-68.

Mikä on IP-68?

Myös tunkeutumissuojaukseksi kutsutut IP-koodit on johdettu standardista EN 60529 ja niiden kaksi numeroa osoittavat suojausasteen pölyä ja kosteutta vastaan (kuva 2). Määrityksessä luokitellaan suojausaste kiinteiden esineiden, kuten sormet ja kädet, sekä pölyn ja veden tunkeutumisen suhteen. Tavoitteena on selkeyttää muuten epämääräisiä ja subjektiivisia termejä, kuten ”vesitiivis”.

Ensimmäinen numero IP-kirjaimien jälkeen koskee kiinteitä aineita, toinen numero nesteitä. Joten järjestelmä täyttää IP-68-vaatimukset jos se on täysin suojattu pölyltä (6) ja suojattu vedeltä pitkäkestoisten vesisuihkujen alaisena sekä upotettaessa paineen alaisena (8).

IP-kooditaulukko määrittää numeron, joka osoittaa järjestelmän suojausastetta Kuva 2: IP-koodit määrittävät numeron, joka ilmaisee järjestelmän suojausasteen likaa (vasen) ja kosteutta (oikea) vasten. (Kuvan lähde: focusondrives.com)

Kuinka täyttää IP-68-vaatimukset

Vaikka IP-68-kotelo onkin mahdollista suunnitella tyhjästä, pyörää ei tarvitse keksiä uudestaan, koska Hammond Manufacturingin kaltaiset yritykset ovat jo tehneet perustyön. Yrityksen haastaviin olosuhteisiin tarkoitetun 1557-sarjan kotelot on suunniteltu UV-stabiloidusta polykarbonaatista IP-68-vaatimuksien mukaisesti. Samalla ne ovat esteettisiä ja tarjoavat “modernin” ulkonäön käyttäen “pehmeitä” ulkoviivoja. Koteloissa on kaksi värivaihtoehtoa - musta ja vaaleanharmaa (kuva 3).

Kuvassa Hammond Manufacturing 1557 -sarjan koteloita Kuva 3: 1557-sarjan kotelot tarjoavat sekä IP-68-luokituksen että esteettisen ulkonäön. Ne tarjoavat myös lukuisia asennusvaihtoehtoja. (Kuvalähde: Hammond Manufacturing)

1557-sarjan syttyvyysluokka on UL94-5VA ja se suojaa pölyltä, öljyltä ja vedeltä käyttämällä kaksiosaista tiivisteurarakennetta korkeita lämpötiloja kestävällä, UL-luokitellulla silikonitiivisteellä, malli 1557BGASKET (kuva 4).

Kuvassa UL-luokitellusta silikonista valmistettu Hammond Manufacturing 1557BGASKET Kuva 4: 1557BGASKET on valmistettu UL-luokitellusta silikonista ja sen ansiosta 1557-kotelo täyttää IP-68-vaatimukset. (Kuvalähde: Hammond Manufacturing)

Kansi kiinnitetään ruostumattomasta M4-teräksestä valmistetuilla koneruuveilla mallia SC576-50 (kuva 5). Ne on kierretty korroosionkestäviin holkkeihin, jotka mahdollistavat toistuvan kokoamisen ja purkamisen esimerkiksi mallin prototyyppivaiheessa.

Kuvassa Hammond Manufacturing -koneruuvit mallia SC576-50  M4 Kuva 5: SC576-50 M4 -mallin koneruuvit pitävät tiukasti kiinni korroosionkestävistä holkeista ja mahdollistavat toistuvan kokoamisen ja purkamisen. (Kuvalähde: Hammond Manufacturing)

1557-sarja tarjoaa laajan kokovalikoiman ja se vastaa monenlaisiin sovellustarpeisiin. Sarja sisältää useita sijoittelujoustavuutta lisääviä kiinnitysvaihtoehtoja - piirilevy mukaan lukien. Koot perustuvat neljään peruskokoon joista kutakin saa kahdessa korkeudessa. Koot ovat:

  • 80 x 80 mm pohja-ala, korkeus 45 millimetriä (mm) tai 60 mm
  • 120 x 120 mm, 160 x 160 mm ja 200 x 200 mm pohja-alat, korkeus 45 mm tai 70 mm

Asennusvaihtoehdot esitetään kuvassa (kuva 3 uudelleen):

  • Raskas käyttö, seinälaippakiinnitys (asennus jalat ulospäin)
  • Uppoasennettava seinäkiinnitys (kiinnitysjalat kuten avaimenreiän aukko)
  • Pöytäasennus (sisältää kumijalat)

Jokaisella vaihtoehdolla on selkeä painotus. Raskaaseen käyttöön tarkoitetussa seinäkiinnitysmallissa on kaksi tai neljä seinäasennuskiinnikettä, jotka kiinnitetään ruuveilla tiukasti kotelon taakse. Kiinnikkeet ulottuvat kotelon reunan ulkopuolelle, jolloin käyttäjä voi kiinnittää sen turvallisesti seinälle käyttäen haluamiansa kiinnikkeitä. Tämä on ihanteellinen sovelluksiin, joissa turvallisuus on tärkeää ja asennus on pysyvä.

Uppoasennusmallissa on samat seinäasennuskiinnikkeet, mutta ne on käännetty ympäri ja ne asennetaan kotelon takana sijaitseviin aukkoihin. Tässä konfiguraatiossa kiinnikkeet toimivat avaimenreikäaukkoina, mikä tekee uppoasennuksesta tyylikkään. Tämä konfiguraatio on ihanteellinen myös sovelluksiin, joissa kotelo kiinnitetään väliaikaisesti seinälle.

Jokainen kotelo sisältää neljä tarrallista kumijalkaa pöytäkäyttöä varten. Tässä tilassa seinäkiinnikkeitä ei enää käytetä vaan kumijalat asetetaan kuhunkin nurkkaan. Kussakin nurkassa on upotus jalkoja varten. Näillä varmistetaan kunnollinen kiinnitys, alhaisempi profiili ja ne pitävät jalat tukevasti paikoillaan. Mallin 1421T6CL kumijalkoja on mahdollista tilata tarvittaessa lisää.

Kotelon mukana toimitettaviin tarvikkeisiin kuuluvat nestetiiviit läpiviennit/kaapelitiivisteet sekä tankoasennussarjat

Yhteenveto

Suuri osa kehitystyöstä keskittyy elektroniikkasuunnitteluun, jopa siinä määrin, että suunnittelijat voivat aliarvioida sen miten tärkeää on valita oikea kotelo ulkokäyttöön. Ilman sopivaa suojausta kosteus, äärilämpötilat, pöly, öljy ja muut epäpuhtaudet voivat yhdessä vaarantaa projektin sähköisesti ja rakenteellisesti.

Tällaisia koteloita on kuitenkin vaikea suunnitella. Valitsemalla valmiit kotelot, jotka täyttävät IP-68-vaatimukset, suunnittelijat voivat tuoda nopeasti markkinoille tuotteita, jotka vastaavat pitkäaikaisen ulkokäytön haasteisiin.

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.

Tietoja kirjoittajasta

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.

Tietoja tästä julkaisijasta

Digi-Keyn kirjoittajat Pohjois-Amerikassa