Hold elektroniske prosjekter sikre og værbestandige for langtids drift sikt med de rette boksene

For mange designere av gjør det selv (DIY)-DIY eller prototypeprosjekter, blir elektronikk-komponentene først planlagt – det å finne en passende boks blir ofte overlatt til siste øyeblikk. Dette kan være rimelig hvis det midlertidig skal brukes innendørs på et skrivebord eller plassert på en vegg, men hvis prosjektet er beregnet for bruk utendørs over lengre tid vil det raskt bukke under for elementene eller bli skadet – enten med vilje eller utilsiktet av ondsinnet sabotasje eller noen nysgjerrige som ikke klarer å holde fingrene unna.

Det er vanskelig å lage en passende boks ved å bruke tilgjengelige materialer, og selv om standardbokser kanskje oppfyller kravene til robusthet, er det ikke sikkert at de er i riktig størrelse, er for sårbare for sabotasje eller mangler estetikk. De to sistnevnte kan være problematisk hvis det skal på utsiden av et hjem eller et kommersielt bygg.

For små elektroniske prosjekthus eller bokser som skal plasseres utenfor, er det best å velge en linje med offisielle IP-68-kvalifiserte polykarbonatbokser som er tette og kan beskytte elektronikken effektivt mot elementene.

Denne artikkelen vil ta for seg effekten av regn, ekstreme temperaturer og sollys på elektroniske systemer og bokser. Den vil deretter beskrive hva IP-68-beskyttelsen innebærer, før introduksjon av bokser fra Hammond Manufacturing med tilhørende pakninger som oppfyller både fysiske og estetiske krav.

Hvorfor elektronikkbokser må gi miljøbeskyttelse

Elektroniske systemer som brukes utendørs er utsatt for forringelse på grunn av varme, kulde, fuktighet, direkte sollys – spesielt ultrafiolette stråler (UV-stråler) – vibrasjon og fysisk sabotasje. De er også utsatt for mange kilder til elektrisk og elektromagnetisk støy. Designere kan redegjøre for ekstreme temperaturer gjennom riktig kretsdesign, komponent reduksjon og termiske styringsteknikker som koblinger, vifter og minimering av det totale strømforbruket. Det kan redegjøres for vibrasjoner ved å montere kretskort på vibrasjonsisolatorer, samt elektrisk støy og RF-støy kan dempes ved hjelp av filtre, drosler (spoler) og passende jordingsteknikker.

Fuktighet er imidlertid spesielt skadelig. Når vann har trengt gjennom til et system, kan den øke fuktigheten, føre til kondensering, etterfulgt av korrosjon og endelig forverring over tid for passiviseringslag for halvleder, loddeskjøter og fysiske forbindelser. Når det kombineres med forurensninger som støv og smuss som kan ha kommet inn i boksen før det ble lukket, øker de skadelige effektene. De forskjellige måtene fukt påvirker komponenter, både elektrokjemisk, galvanisk, anodisk og katodisk. Alle utgjør en fare for påliteligheten til elektronikk, noen skjulte, andre mer åpenbare (figur 1).

Figur 1: Effekten av fuktighet og fuktighet på elektroniske komponenter, kort og sammenkoblinger kan være svært skadelige over tid. (Bildekilde: PCFixit.au)

Effektene av fuktinntrenging kan dempes ved hjelp av teknikker som å plassere epoksy eller tetningsmasser (gele) over kritiske komponenter. For masseproduserte systemer kan konformt belegg på 20 til 50 mikron, eller til og med opptil 100 mikron i ekstreme tilfeller, dekke hele kretskort et og være en god løsning. Noen komponenter, for eksempel DIP-brytere, variable motstander og batteriholdere, kan imidlertid ikke motta slike belegg. Det kan hende at konforme belegg ikke helt dekker kantene (kantkryping) og utsetter spor og forbindelser til korrosjon.

Full effekt av fuktighet avhenger av varme og relativ fuktighet. Fullstendige testretningslinjer for fuktighet og fuktighet for utendørs utstyr er dekket av ETSI EN 300 019-1-4 V2.2.1 (2014-04) «Miljøteknikk (EE); Miljøforhold og miljøtester for telekommunikasjonsutstyr; Del 1-4: Klassifisering av miljøforhold; Stasjonær bruk på ikke-værbeskyttede steder ».

Dette er en nyttig testguide for hobbykonstruktører, og essensiell for profesjonelle. Den klassifiserer de forskjellige forholdene en enhet kan ha for seismikk, jordskjelv, støt, solstråling og temperatur. Den underinndeler videre miljøklasser i vann, nedbør, muggvekst, dyreangrep (som termitter) og saltholdighet i luft. Den har også noen gode definisjoner som er direkte relevante her, samt understreker viktigheten av fuktighet:

• Absolutt luftfuktighet: Masse vanndamp i gram som er assosiert med en kubikkmeter tørr luft i en luft / vanndampblanding.
• Ikke-værbeskyttet beliggenhet: Plassering der utstyret ikke er beskyttet mot direkte værpåvirkning.
• Relativ luftfuktighet: Forholdet mellom deltrykket av vanndampen i fuktig luft ved en gitt temperatur, til del-trykket av vanndampen i mettet luft ved samme temperatur.
• Stasjonær bruk: Bruk av utstyret montert godt på konstruksjonen, eller på monteringsenheter, eller det plasseres permanent på et bestemt sted.

For designere er forebygging imidlertid alltid bedre enn en reparasjon. Det er her IP-klassifiseringen – IP-68 kommer inn i bildet.

Hva er IP-68?

Også kalt kapslingsgrad (inntrengningsbeskyttelse), IP-kodene stammer fra EN 60529 og tilordner to sifre som indikerer graden av beskyttelse gitt med hensyn til støv og fuktighet (figur 2). Oppgavene klassifiserer graden av beskyttelse gitt mot inntrenging av faste gjenstander, for eksempel fingre og hender, samt støv og vann. Målet er å gi klarhet rundt ellers vage og subjektive termer som “vanntett”.

Det første sifferet etter IP gjelder faste stoffer, det andre sifferet gjelder væsker. Så når det gjelder IP-68, er et system kompatibelt hvis det er fullstendig beskyttet mot støv (6) og i lange perioder under vannstråler eller nedsenking under trykk (8).

Figur 2: IP-kodene tilordner et siffer som indikerer grad av beskyttelse for et system mot smuss (venstre) og fuktighet (høyre). (Bildekilde: focusondrives.com)

Hvordan oppfylle kravene til IP-68

Selv om det er mulig å konstruere en IP-68-boks fra bunnen av, er det virkelig ikke nødvendig å finne opp hjulet på nytt når selskaper som Hammond Manufacturing allerede har gjort grunnarbeidet. Det er 1557-serien av bokser for tøffe omgivelser er designet med UV-stabilisert polykarbonatmateriale for å oppfylle kravene til IP-68, samtidig som de ivaretar estetikk, og gir et «moderne» utseende med «myke» kurver i to farger – svart og lys grå (figur 3).

Figur 3: 1557-serien bokser imøtekommer både IP-68-krav og utformingstetikk, mens de gir en rekke monteringsalternativer. (Bildekilde: Hammond Manufacturing)

1557-serien har en brennbarhetsvurdering av UL94-5VA og oppnår beskyttelse mot inntrenging av støv, olje og vann ved å bruke en todelt tunge-og-rille-konstruksjon med en høy-temperatur, UL-listet silikonpakning, modell 1557BGASKET (Figur 4).

Figur 4: 1557BGASKET er laget av UL-listet silikon og hjelper 1557-bokset med å oppnå IP-68-samsvar. (Bildekilde: Hammond Manufacturing)

Lokket festes deretter med M4 rustfrie stålskruer, modell SC576-50 (Figur 5). Disse er gjenget inn i korrosjonsresistente gjennomføringer for å gi repeterende montering og demontering, for eksempel i prototypetrinnet til en design.

Figur 5: Modellen SC576-50 M4-maskin skruer sikkert inn i korrosjonsbestandige gjennomføringer for å gi repeterende montering og demontering. (Bildekilde: Hammond Manufacturing)

1557-serien leveres i et bredt spekter av størrelser for å imøtekomme en rekke behov for utrustningen, samt den kommer med en rekke monteringsalternativer – inkludert kretskort – for fleksibilitet i plasseringen. Størrelsene er basert på fire grunnleggende planstørrelser, hver i to høyder. Størrelsene er:

• 80 x 80 mm grunnflate, høyder på 45 mm eller 60 mm
• 120 x 120 mm, 160 x 160 mm og 200 x 200 mm grunnflate, høyder på 45 mm eller 70 mm

Monteringsalternativene er som vist (figur 3, igjen):

• Kraftig, flensmontert påvegg (føttene utover)
• Innfelt veggmontering (monteringsføtter som nøkkelhullsspor)
• Skrivebord / bordplate (gummiføtter inkludert)

Hvert alternativ har en tydelig visuell betoning. Den robuste veggmonteringsmodellen har et sett med to eller fire veggfester som er skrudd fast på baksiden av boksen. Flikene stikker ut fra kanten av boksen, slik at brukeren kan montere den sikkert på veggen ved hjelp av sitt eget monteringsutstyr. Dette er ideelt for utrustninger der sikkerheten er kritisk og installasjonen er permanent.

Innfellingsmodellen har de samme veggfesterne, men de blir vendt rundt og installert i hulrom på baksiden av bokset. I denne konfigurasjonen fungerer kategoriene som nøkkelhullsspor, noe som gir et mer elegant, innfelt utseende. Denne konfigurasjonen er også ideell for utrustninger der boksen blir festet midlertidig til veggen.

Hver boks har fire klebende gummiføtter for bruk i modus for skrivebord / bordplate. I denne modusen brukes ikke lengre veggfeste, og gummiføtter plasseres i hvert hjørne. Det er et innfelt område i hvert hjørne for føttene for å sikre riktig plassering, opprettholde en lavere profil og for å holde føttene trygt på plass. Flere gummiføtter, modell 1421T6CL, kan bestilles om nødvendig.

Tilbehør som følger med bokser inkluderer væsketette ledningsholdere / kabelgjennomføringer og polmonteringssett.

Konklusjon

Mye utviklingsarbeid er fokusert på design av elektronikken, i den grad designere kan undervurdere hvor viktig det kan være å velge riktig innkapsling til utendørs applikasjoner. Uten passende beskyttelse kan luftfuktighet, ekstreme temperaturer, støv, olje og andre forurensninger kombineres for å kompromittere den elektriske og strukturelle integriteten til en design.

Slike bokser er imidlertid vanskelig å utforme. Ved å velge hyller som oppfyller IP-68-kravene, kan designere raskt få et design til markedet som vil møte utfordringene ved utvidet utendørs bruk.