Des projets électroniques sécurisés et résistants aux intempéries sur le long terme grâce à des boîtiers adaptés

Pour de nombreux concepteurs de projets DIY ou de prototypes, dès lors que l'électronique est mise en place, la recherche d'un boîtier adapté est souvent laissée à la dernière minute. Cela est sans doute raisonnable si l'application est destinée à une utilisation en intérieur sur un bureau ou placée sur un mur, temporairement. Mais si le projet est conçu en vue d'une utilisation en extérieur sur une longue période, il se dégradera rapidement sous l'effet des éléments ou subira des dommages, intentionnels ou non par une altération malveillante ou même par simple curiosité.

Il est difficile de concevoir un boîtier approprié en utilisant les matériaux disponibles, et si les boîtiers disponibles sur le marché peuvent répondre aux exigences de robustesse, ils ne présentent pas toujours la bonne taille, sont trop vulnérables aux manipulations et manquent d'esthétique. Dans les deux derniers cas, cela peut poser problème si le dispositif est placé à l'extérieur d'une maison ou d'un bâtiment commercial.

Pour les boîtiers ou logements compacts de projets électroniques devant être placés à l'extérieur, il est préférable d'opter pour une gamme de boîtiers en polycarbonate homologués IP-68 qui peuvent protéger efficacement l'électronique contre les intempéries.

Cet article traite des effets de la pluie, des températures extrêmes et de la lumière du soleil sur les systèmes électroniques et leurs boîtiers. Il décrit ensuite ce qu'implique la protection IP-68 avant de présenter des modèles de boîtiers de Hammond Manufacturing équipés de joints qui répondent à la fois aux exigences physiques et esthétiques.

Pourquoi les boîtiers électroniques doivent-ils assurer une protection environnementale

Les systèmes électroniques utilisés à l'extérieur sont susceptibles de se détériorer en raison de la chaleur, du froid, de l'humidité, de la lumière directe du soleil, en particulier des rayons ultraviolets (UV), des vibrations et des altérations physiques. Ils sont également soumis à de nombreuses sources de bruit électrique et électromagnétique. Les concepteurs peuvent tenir compte des températures extrêmes grâce à une conception appropriée des circuits, à une réduction du nombre de composants et à des techniques de gestion thermique, telles que les dissipateurs et les ventilateurs, et grâce à une limitation de la consommation d'énergie globale. Les vibrations peuvent être compensées par un montage des cartes à circuit imprimé sur des isolateurs de vibrations, tandis que le bruit électrique et RF peut être atténué à l'aide de filtres, de bobines d'arrêt et de techniques de mise à la terre appropriées.

Cependant, l'humidité est particulièrement pernicieuse. Une fois qu'elle a pénétré dans un système, elle peut augmenter le taux d'humidité, conduire à de la condensation, puis à la corrosion et enfin à la détérioration dans le temps des couches de passivation des semi-conducteurs, des joints de soudure et des connexions physiques. Si l'on ajoute à cela la présence de contaminants tels que la poussière et les débris qui peuvent avoir pénétré dans le boîtier avant sa fermeture, les effets néfastes sont alors multipliés. Au nombre des différentes façons dont l'humidité affecte les composants figurent les effets électrochimiques, galvaniques, anodiques et cathodiques. Tous représentent des risques pour la fiabilité de l'électronique, certains étant relativement insidieux, d'autres plus évidents (Figure 1).

Figure 1 : Les effets de l'humidité sur les composants électroniques, les cartes et les interconnexions peuvent être très préjudiciables au fil du temps. (Source de l'image : PCFixit.au)

Les effets de la pénétration d'humidité peuvent être atténués par des techniques telles que le placement de résine époxy ou de gels sur les composants critiques. Pour les systèmes produits en série, des revêtements conformes de 20 à 50 microns, voire 100 microns dans les cas extrêmes, peuvent couvrir la totalité du circuit imprimé et constituer une bonne solution. Cependant, certains composants, tels que les commutateurs DIP, les résistances variables et les supports de piles ne peuvent pas bénéficier de tels revêtements. De plus, les revêtements conformes peuvent ne pas tout à fait couvrir les bords (« edge crawling » ou rétractation en périphérie), exposant ainsi les pistes et les connexions à la corrosion.

Le véritable effet de l'humidité dépend de la chaleur et de l'humidité relative. Des directives complètes relatives aux tests d'humidité pour les équipements extérieurs sont couvertes dans la norme ETSI EN 300 019-1-4 V2.2.1 (2014-04) « Ingénierie de l'environnement (EE) ; conditions et essais d'environnement des équipements de télécommunications ; partie 1-4 : classification des conditions d'environnement ; utilisation fixe dans des sites non protégés contre les intempéries ».

Il s'agit d'un guide utile pour les amateurs, et essentiel pour les professionnels. Il classifie les différentes conditions auxquelles un dispositif peut être confronté en termes de sismicité, de tremblement de terre, de choc, de rayonnement solaire et de température. Il subdivise en outre les classes environnementales dans les catégories suivantes : eau, précipitations, croissance de moisissures, attaques d'animaux (c'est-à-dire de termites) et salinité de l'air. Il contient également quelques définitions intéressantes qui nous concernent directement et qui soulignent l'importance de l'humidité :

• Humidité absolue : Masse de vapeur d'eau, en grammes, qui est associée à un mètre cube d'air sec dans un mélange air/vapeur d'eau.
• Site non protégé contre les intempéries : Lieu où l'équipement n'est pas protégé des influences directes des intempéries.
• Humidité relative : Rapport entre la pression partielle de la vapeur d'eau dans l'air humide à une température donnée, et la pression partielle de la vapeur d'eau dans l'air saturé à la même température.
• Utilisation fixe : Utilisation de l'équipement monté fermement sur sa structure, ou sur des dispositifs de montage, ou placé de façon permanente à un certain endroit.

Pour les concepteurs, cependant, il vaut toujours mieux prévenir que guérir. C'est là qu'intervient l'indice IP-68 de protection internationale (IP).

Qu'est-ce que l'indice IP-68 ?

Appelés aussi indices de protection contre les infiltrations, les indices IP dérivent de la norme EN 60529 et attribuent deux chiffres qui indiquent le degré de protection fourni contre la poussière et l'humidité (Figure 2). Ces attributions classifient le degré de protection fourni contre la pénétration d'objets solides, tels qu'un doigt ou une main, ainsi que la poussière et l'eau. L'objectif est de clarifier des termes par ailleurs vagues et subjectifs tels que le terme « étanchéité ».

Le premier chiffre après IP concerne les solides, le second les liquides. Ainsi, dans le cas de l'indice IP-68, un système est conforme s'il est totalement protégé contre la poussière (6) et qu'il résiste à une exposition prolongée à des jets d'eau ou à une immersion sous pression (8).

Figure 2 : Les codes IP attribuent un chiffre pour indiquer le degré de protection d'un système contre la saleté (à gauche) et l'humidité (à droite). (Source de l'image : focusondrives.com)

Comment satisfaire aux exigences IP-68

S'il est possible de concevoir un boîtier IP-68 de toutes pièces, il n'est toutefois pas nécessaire de réinventer la roue alors que des entreprises comme Hammond Manufacturing ont déjà effectué le travail de base. Leur série 1557 de boîtiers pour environnements difficiles est conçue avec un matériau en polycarbonate stabilisé aux UV afin de répondre aux exigences IP-68, tout en veillant à l'esthétique, en offrant un aspect « moderne » avec des courbes « douces » en deux couleurs : noir et gris clair (Figure 3).

Figure 3 : Les boîtiers série 1557 répondent à la fois aux exigences IP-68 et à l'esthétique de la conception, tout en offrant une variété d'options de montage. (Source de l'image : Hammond Manufacturing)

Les produits de la série 1557 affichent un indice d'inflammabilité conforme à UL94-5VA et assurent une protection contre la poussière, l'huile et l'eau grâce à une construction à rainures et languettes en deux parties, avec un joint en silicone homologué UL pour les hautes températures, modèle 1557BGASKET (Figure 4).

Figure 4 : Le modèle 1557BGASKET est fabriqué en silicone homologué UL et permet au boîtier série 1557 d'atteindre la conformité IP-68. (Source de l'image : Hammond Manufacturing)

Le couvercle est ensuite fixé à l'aide de vis mécaniques en acier inoxydable M4, modèle SC576-50 (Figure 5). Ces dernières sont vissées dans des bagues résistantes à la corrosion pour permettre un montage et un démontage répétitifs, comme lors de la phase de prototypage d'une conception.

Figure 5 : Les vis mécaniques M4 modèle SC576-50 se vissent solidement dans des bagues résistantes à la corrosion pour permettre un montage et un démontage répétitifs. (Source de l'image : Hammond Manufacturing)

La série 1557 se décline dans un large éventail de dimensions afin de répondre à une variété de besoins d'application, et est fournie avec une gamme d'options de montage, y compris un circuit imprimé, pour une grande flexibilité de placement. Les dimensions sont basées sur quatre tailles de plan de base, chacune en deux hauteurs. Ces dimensions sont les suivantes :

• Schéma d'implantation de 80 mm x 80 mm, de 45 mm ou 60 mm de hauteur
• Schémas d'implantation de 120 mm x 120 mm, 160 mm x 160 mm et 200 mm x 200 mm, de 45 mm ou 70 mm de hauteur

Les options de montage sont elles aussi illustrées à la Figure 3 :

• Montage par bride murale à usage intensif (pieds de montage vers l'extérieur)
• Montage mural encastré (pieds de montage en trous de serrure)
• Bureau/table (pieds en caoutchouc inclus)

Chaque option revêt une importance particulière. La version à montage mural à usage intensif utilise un ensemble de deux ou quatre languettes de montage mural qui sont solidement vissées à l'arrière du boîtier. Les languettes dépassent du bord du boîtier, ce qui permet à l'utilisateur de le fixer au mur en toute sécurité à l'aide de son propre matériel. Cette solution est idéale pour les applications où la sécurité est essentielle et l'installation permanente.

Le modèle encastré utilise les mêmes languettes de montage mural, mais ces dernières sont retournées et installées dans des cavités à l'arrière du boîtier. Dans cette configuration, les languettes font office de trous de serrure, ce qui confère un aspect plus élégant au montage encastré. Cette configuration est également idéale pour les applications où le boîtier doit être fixé au mur de manière temporaire.

Chaque boîtier comprend quatre pieds en caoutchouc adhésif pour une utilisation en version bureau/table. Dans ce mode, les languettes de montage mural ne sont plus utilisées et des pieds en caoutchouc sont placés à chaque coin. Une zone en retrait à chaque coin, dimensionnée à la taille des pieds, assure un placement correct, permet de conserver un profil extra-plat et de maintenir les pieds en place en toute sécurité. D'autres pieds en caoutchouc, modèle 1421T6CL, peuvent être commandés si nécessaire.

Les accessoires fournis avec les boîtiers comprennent des brides de cordon/presse-étoupes étanches aux liquides, ainsi que des kits de montage sur un montant.

Conclusion

Une grande partie du travail de développement est consacrée à la conception de l'électronique, à tel point que les concepteurs peuvent sous-estimer l'importance de choisir le bon boîtier pour les applications extérieures. Sans protection appropriée, l'humidité, les températures extrêmes, la poussière, l'huile et d'autres contaminants peuvent se combiner pour compromettre l'intégrité électrique et structurelle d'une conception.

Toutefois, ces boîtiers sont difficiles à concevoir. En choisissant des boîtiers prêts à l'emploi qui répondent aux exigences IP-68, les concepteurs peuvent rapidement mettre sur le marché une conception qui répondra aux défis d'une utilisation prolongée en extérieur.