Elektronische Projekte mit den richtigen Gehäusen sicher und wetterfest für die Langstrecke halten

Für viele Konstrukteure von Heimwerker- oder Prototyp-Projekten bleibt die Suche nach einem geeigneten Gehäuse nach dem Entwurf der Elektronik oft bis zur letzten Minute offen. Dies kann sinnvoll sein, wenn es vorübergehend in Innenräumen auf einem Schreibtisch verwendet oder an die Wand gestellt werden soll. Wenn das Projekt jedoch über einen längeren Zeitraum im Freien eingesetzt werden soll, wird es schnell den Elementen erliegen oder beschädigt werden, entweder absichtlich oder unabsichtlich durch böswillige Eingriffe oder aus Neugierde.

Es ist schwierig, ein geeignetes Gehäuse aus den verfügbaren Materialien herzustellen, und obwohl Standardgehäuse die Anforderungen an die Robustheit erfüllen können, haben sie vielleicht nicht die richtige Größe, sind übermäßig anfällig für Manipulationen und es mangelt ihnen an Ästhetik. Die beiden letzteren können problematisch sein, wenn sie auf die Außenseite eines Wohnhauses oder Geschäftsgebäudes gehen.

Bei Gehäusen für kleine Elektronikprojekte oder Gehäusen, die im Freien platziert werden sollen, sollten Sie sich am besten für eine Reihe von offiziell IP-68-qualifizierten Polycarbonat-Gehäusen entscheiden, die die Elektronik wirksam gegen die Elemente abdichten können.

In diesem Artikel werden die Auswirkungen von Regen, Temperaturextremen und Sonnenlicht auf elektronische Systeme und deren Gehäuse diskutiert. Anschließend wird beschrieben, was IP-68-Schutz bedeutet, bevor Gehäuse von Hammond Manufacturing mit zugehörigen Dichtungen eingeführt werden, die sowohl physikalischen als auch ästhetischen Anforderungen entsprechen.

Warum Elektronikgehäuse für den Umweltschutz sorgen müssen

Elektronische Systeme, die im Freien eingesetzt werden, sind anfällig für Verschlechterungen durch Hitze, Kälte, Feuchtigkeit, direktes Sonnenlicht - insbesondere durch Vibrationen durch ultraviolette (UV) Strahlen - und physische Manipulationen. Außerdem sind sie vielen Quellen elektrischer und elektromagnetischer Störungen ausgesetzt. Designer können Temperaturextreme durch geeignetes Schaltungsdesign, Komponenten-Derating und Wärmemanagement-Techniken wie Kühlkörper, Lüfter und durch Minimierung des Gesamtstromverbrauchs berücksichtigen. Vibrationen können durch die Montage von Leiterplatten auf Schwingungsisolatoren berücksichtigt werden, und elektrische und HF-Störungen können durch Filter, Drosseln und geeignete Erdungstechniken abgeschwächt werden.

Feuchtigkeit und Nässe sind jedoch besonders schädlich. Sobald Feuchtigkeit in ein System eingedrungen ist, kann sie die Luftfeuchtigkeit erhöhen, zu Kondensation führen, gefolgt von Korrosion und schließlich mit der Zeit zu einer Verschlechterung der Halbleiter-Passivierungsschichten, Lötverbindungen und physikalischen Verbindungen. In Kombination mit Verunreinigungen wie Staub und Schutt, die vor dem Schließen des Gehäuses in dieses eingedrungen sein könnten, vervielfachen sich die schädlichen Auswirkungen. Die verschiedenen Arten, in denen Feuchtigkeit auf Komponenten einwirkt, sind elektrochemischer, galvanischer, anodischer und kathodischer Natur. Alle stellen eine Gefahr für die Zuverlässigkeit der Elektronik dar, einige subtil, andere offensichtlicher (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die Auswirkungen von Feuchtigkeit und Nässe auf elektronische Komponenten, Platinen und Verbindungen können mit der Zeit sehr schädlich sein. (Bildquelle: PCFixit.au)

Die Auswirkungen des Eindringens von Feuchtigkeit können durch Techniken wie das Aufbringen von Epoxidharz oder Gelen auf kritische Komponenten gemildert werden. Für Massenproduktionsanlagen können konforme Beschichtungen von 20 bis 50 Mikrometer, im Extremfall sogar bis zu 100 Mikrometer, die gesamte Leiterplatte bedecken und eine gute Lösung sein. Einige Komponenten, wie DIP-Schalter, variable Widerstände und Batteriehalter können solche Beschichtungen jedoch nicht erhalten. Auch können konforme Beschichtungen die Kanten nicht ganz bedecken (Kantenkriechen), wodurch Spuren und Verbindungen der Korrosion ausgesetzt werden.

Die volle Wirkung der Feuchtigkeit hängt von der Wärme und der relativen Luftfeuchtigkeit ab. Vollständige Prüfrichtlinien für Feuchtigkeit und Feuchte für Geräte im Freien werden durch ETSI EN 300 019-1-4 V2.2.1 (2014-04) "Environmental Engineering (EE); Environmental conditions and environmental tests for telecommunications equipment; Part 1-4 abgedeckt: Klassifikation von Umweltbedingungen; Stationärer Einsatz an nicht wettergeschützten Standorten".

Dies ist ein nützlicher Testleitfaden für Hobbyisten und unverzichtbar für Fachleute. Sie klassifiziert die verschiedenen Bedingungen, denen ein Gerät ausgesetzt sein kann, in seismische, Erdbeben-, Erschütterungs-, Sonnenstrahlungs- und Temperaturbedingungen. Sie unterteilt die Umweltklassen weiter in Wasser, Niederschlag, Schimmelpilzwachstum, Tierangriffe (d.h. Termiten) und den Salzgehalt der Luft. Es enthält auch einige gute Definitionen, die hier direkt relevant sind und die Bedeutung der Feuchtigkeit unterstreichen:

• Absolute Feuchtigkeit: Masse des Wasserdampfes in Gramm, die einem Kubikmeter trockener Luft in einem Luft/Wasserdampf-Gemisch zugeordnet ist.
• Nicht wettergeschützter Ort: Ort, an dem das Gerät nicht vor direkten Witterungseinflüssen geschützt ist.
• Relative Feuchte: Verhältnis des Partialdrucks des Wasserdampfes in feuchter Luft bei einer gegebenen Temperatur zum Partialdruck des Wasserdampfes in gesättigter Luft bei gleicher Temperatur.
• Stationäre Verwendung: Verwendung des Geräts, das fest an der Struktur oder an Montagevorrichtungen montiert ist oder das dauerhaft an einem bestimmten Ort aufgestellt wird.

Für Designer ist Vorbeugen jedoch immer besser als Heilen. Hier kommt die internationale Schutzklasse IP-68 ins Spiel.

Was ist IP-68?

Die IP-Codes, die auch als Eindringschutz bezeichnet werden, leiten sich von EN 60529 ab und weisen zwei Ziffern auf, die den Schutzgrad in Bezug auf Staub und Feuchtigkeit angeben (Abbildung 2). Die Zuordnungen klassifizieren den Grad des Schutzes gegen das Eindringen von festen Gegenständen wie Fingern und Händen sowie Staub und Wasser. Ziel ist es, Klarheit über ansonsten vage und subjektive Begriffe wie "wasserdicht" zu schaffen.

Die erste Ziffer nach IP bezieht sich auf Feststoffe, die zweite Ziffer auf Flüssigkeiten. Im Fall von IP-68 ist ein System also konform, wenn es vollständig gegen Staub (6) und lange Zeiträume unter Wasserstrahlen oder Eintauchen unter Druck (8) geschützt ist.

<Abbildung 2: Die IP-Codes weisen eine Ziffer zu, die den Schutzgrad eines Systems gegen Schmutz (links) und Feuchtigkeit (rechts) angibt. (Bildquelle: focusondrives.com)

Wie man IP-68-Anforderungen erfüllt

Es ist zwar möglich, ein IP-68-Gehäuse von Grund auf neu zu entwerfen, aber es besteht wirklich keine Notwendigkeit, das Rad neu zu erfinden, wenn Unternehmen wie Hammond Manufacturing bereits die Vorarbeit geleistet haben. Seine 1557 Serie von Gehäusen für raue Umgebungen sind mit UV-stabilisiertem Polycarbonat-Material konstruiert, um die IP-68-Anforderungen zu erfüllen, wobei auch auf Ästhetik geachtet wird und ein "modernes" Aussehen mit "weichen" Kurven in zwei Farben - Schwarz und Hellgrau - geboten wird (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die Gehäuse der Serie 1557 erfüllen sowohl die IP-68-Anforderungen als auch das ästhetische Design und bieten gleichzeitig eine Vielzahl von Montageoptionen. (Bildquelle: Hammond Manufacturing)

Die Serie 1557 hat eine Entflammbarkeitsklasse von UL94-5VA und erreicht Schutz gegen das Eindringen von Staub, Öl und Wasser durch die Verwendung einer zweiteiligen Nut- und Feder-Konstruktion mit einer UL-gelisteten Hochtemperatur-Silikondichtung, Modell 1557BGASKET (Abbildung 4).

Abbildung 4: Das 1557BGASKET besteht aus UL-gelistetem Silikon und verhilft dem 1557-Gehäuse zu IP-68-Konformität. (Bildquelle: Hammond Manufacturing)

Der Deckel wird dann mit Maschinenschrauben aus rostfreiem Stahl M4, Modell SC576-50 befestigt (Abbildung 5). Diese werden in korrosionsbeständige Buchsen eingeschraubt, um eine wiederholte Montage und Demontage zu ermöglichen, z.B. während der Prototyping-Phase einer Konstruktion.

Abbildung 5: Die Maschinenschrauben des Modells SC576-50 M4 werden sicher in korrosionsbeständige Buchsen eingeschraubt, um eine wiederholte Montage und Demontage zu ermöglichen. (Bildquelle: Hammond Manufacturing)

Die Serie 1557 ist in einer Vielzahl von Größen erhältlich, um eine Vielzahl von Anwendungsanforderungen zu erfüllen, und verfügt über eine Reihe von Montageoptionen - einschließlich einer Leiterplatte - für eine flexible Platzierung. Die Größen basieren auf vier Grundplangrößen, jeweils in zwei Höhen. Die Größen sind:

• 80 x 80 mm Grundriss, in Höhen von 45 Millimeter (mm) oder 60 mm
• 120 x 120 mm, 160 x 160 mm und 200 x 200 mm Grundrisse, in Höhen von 45 mm oder 70 mm

Die Montageoptionen sind wie abgebildet (Abbildung 3):

• Hochbelastbar, Wandflanschmontage (Montagefüße nach außen)
• Bündige Wandmontage (Montagefüße als Schlüssellochschlitze)
• Schreibtisch/Tischplatte (einschließlich Gummifüße)

Jede Option hat einen klaren Schwerpunkt. Das Modell für schwere Wandmontage verfügt über einen Satz von zwei oder vier Wandmontagelaschen, die fest an der Rückseite des Gehäuses verschraubt sind. Die Laschen ragen aus dem Rand des Gehäuses heraus, so dass der Benutzer es mit seiner eigenen Hardware sicher an der Wand befestigen kann. Dies ist ideal für Anwendungen, bei denen es auf Sicherheit ankommt und die Installation dauerhaft ist.

Das Einbaumodell hat die gleichen Laschen zur Wandmontage, aber sie werden umgedreht und in Hohlräume auf der Rückseite des Gehäuses eingebaut. In dieser Konfiguration fungieren die Laschen als Schlüssellochschlitze, was ein eleganteres, bündig eingelassenes Erscheinungsbild ermöglicht. Diese Konfiguration ist auch ideal für Anwendungen, bei denen das Gehäuse vorübergehend an der Wand befestigt wird.

Jedes Gehäuse enthält vier selbstklebende Gummifüße für den Einsatz im Desktop-/Tabletop-Modus. Bei dieser Montageversion kommen die Wandhalterungen nicht zum Einsatz, stattdessen Gummifüße an den Gehäuseecken. An den Gehäuseecken befindet sich jeweils eine Vertiefung für die Füße, um eine ordnungsgemäße Positionierung zu gewährleisten, ein niedrigeres Profil beizubehalten und die Füße sicher in Position zu halten. Weitere Gummifüße, Modell 1421T6CL, können bei Bedarf bestellt werden.

Zu den Zubehörteilen, die mit den Gehäusen geliefert werden, gehören flüssigkeitsdichte Kabelklemmen/Kabelverschraubungen und Mastbefestigungssätze.

Fazit

Ein Großteil der Entwicklungsarbeit konzentriert sich auf das Design der Elektronik, so dass die Designer unterschätzen können, wie wichtig es sein kann, das richtige Gehäuse für Außenanwendungen zu wählen. Ohne geeigneten Schutz können Feuchtigkeit, extreme Temperaturen, Staub, Öl und andere Verunreinigungen zusammenwirken und die elektrische und strukturelle Integrität eines Designs beeinträchtigen.

Solche Gehäuse sind jedoch schwierig zu entwerfen. Durch die Auswahl von Standardgehäusen, die die Anforderungen der Schutzart IP-68 erfüllen, können Designer schnell ein Design auf den Markt bringen, das den Herausforderungen des erweiterten Außeneinsatzes gerecht wird.