Houd elektronische projecten veilig en weerbestendig voor de lange afstand met de juiste behuizingen

Voor veel ontwerpers van doe-het-zelf- of prototypeprojecten wordt het vinden van een geschikte behuizing vaak tot het laatste moment overgelaten als de elektronica eenmaal is opgesteld. Dit kan redelijk zijn als het binnenshuis op een bureau wordt gebruikt of tijdelijk op een muur wordt geplaatst. Maar als het project bedoeld is voor gebruik buitenshuis gedurende een lange periode, zal het snel bezwijken voor de elementen of worden beschadigd, al dan niet opzettelijk door kwaadwillige knoeierij of nutteloze nieuwsgierigheid.

Het is moeilijk om een geschikte behuizing te maken met behulp van de beschikbare materialen, en hoewel kant-en-klare behuizingen aan de eisen van robuustheid kunnen voldoen, zijn ze misschien niet de juiste grootte, zijn ze te kwetsbaar voor manipulatie en hebben ze een gebrek aan esthetiek. De laatste twee kunnen problematisch zijn als het zich aan de buitenkant van een huis of een commercieel gebouw bevindt.

Voor kleine elektronische projectbehuizingen of behuizingen die buiten worden geplaatst, kunt u het beste kiezen voor een lijn van officieel IP-68-gekwalificeerde polycarbonaatbehuizingen die de elektronica effectief kunnen afdichten tegen de elementen.

In dit artikel worden de effecten van regen, temperatuurextremen en zonlicht op elektronicasystemen en hun behuizingen besproken. Vervolgens wordt beschreven wat de IP-68-bescherming inhoudt voordat de behuizingen van Hammond Manufacturing met bijbehorende pakkingen die zowel aan de fysieke als aan de esthetische eisen voldoen.

Waarom elektronicabehuizingen moeten zorgen voor bescherming van het milieu

Elektronische systemen die buiten worden gebruikt, zijn gevoelig voor aantasting door hitte, kou, vochtigheid, direct zonlicht - met name ultraviolette (UV) stralen - en fysieke manipulatie. Ze worden ook onderworpen aan vele bronnen van elektrische en elektromagnetische ruis. Ontwerpers kunnen rekening houden met temperatuurextremen door het juiste circuitontwerp, componentenderating en thermomanagementtechnieken zoals koellichamen, ventilators en door het minimaliseren van het totale stroomverbruik. Trillingen kunnen worden opgevangen door het monteren van printplaten op trillingsisolators, en elektrische en RF-geluiden kunnen worden gedempt met behulp van filters, smoorspoelen en geschikte aardingstechnieken.

Vocht en vochtigheid zijn echter bijzonder schadelijk. Wanneer vocht eenmaal in een systeem is doorgedrongen, kan het de luchtvochtigheid verhogen, leiden tot condensatie, gevolgd door corrosie en uiteindelijke aantasting in de loop van de tijd van halfgeleider-passivatielagen, soldeerverbindingen en fysieke verbindingen. In combinatie met verontreinigingen zoals stof en puin die de behuizing zijn binnengedrongen voordat deze is gesloten, worden de schadelijke effecten vermenigvuldigd. De verschillende manieren waarop vocht de componenten beïnvloedt zijn onder andere elektrochemisch, galvanisch, anodisch en kathodisch. Allemaal vormen ze een gevaar voor de betrouwbaarheid van de elektronica, sommige subtiel, sommige meer voor de hand liggend (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: De effecten van vocht en vochtigheid op elektronische componenten, platen en onderlinge verbindingen kunnen na verloop van tijd zeer schadelijk zijn. (Bron afbeelding: PCFixit.au))

De effecten van het binnendringen van vocht kunnen worden beperkt door technieken zoals het plaatsen van epoxy of gels over kritische componenten. Voor in massa geproduceerde systemen kunnen conforme coatings van 20 tot 50 micron, of zelfs tot 100 micron in extreme gevallen, de hele printplaat bedekken en een goede oplossing zijn. Sommige componenten, zoals DIP-schakelaars, variabele weerstanden en batterijhouders kunnen echter niet worden voorzien van dergelijke coatings. Ook kunnen conformerende coatings de randen niet helemaal bedekken (rand kruipen), waardoor sporen en verbindingen bloot komen te liggen aan corrosie.

Het volledige effect van vocht is afhankelijk van de warmte en de relatieve vochtigheid. De volledige testrichtlijnen voor vocht en vochtigheid voor buitenapparatuur vallen onder ETSI EN 300 019-1-4 V2.2.1 (2014-04) "Milieutechniek (Environmental Engineering (EE)); Milieucondities en milieutests voor telecommunicatieapparatuur; Deel 1-4: Classificatie van milieuomstandigheden; Stationair gebruik op niet-weersbeschermde locaties".

Dit is een nuttige testgids voor hobbyisten, en essentieel voor professionals. Het classificeert de verschillende condities waarmee een apparaat te maken kan krijgen in seismiek, aardbeving, schok, zonnestraling en temperatuur. Verder verdeelt het de milieuklassen in water, neerslag, schimmelgroei, aanvallen van dieren (d.w.z. termieten) en het zoutgehalte van de lucht. Het heeft ook een aantal goede definities die hier direct relevant zijn en het belang van vochtigheid onderstrepen:

• Absolute vochtigheid: Massa waterdamp in gram die geassocieerd wordt met een kubieke meter droge lucht in een lucht/waterdamp mengsel.
• Niet-weersbeschermde locatie: Locatie waar de apparatuur niet beschermd is tegen directe weersinvloeden.
• Relatieve vochtigheid: Verhouding tussen de partiële druk van de waterdamp in vochtige lucht bij een bepaalde temperatuur en de partiële druk van de waterdamp in verzadigde lucht bij dezelfde temperatuur.
• Stationair gebruik: Gebruik van de apparatuur die stevig op de structuur is gemonteerd, of op montageapparatuur, of die permanent op een bepaalde locatie is geplaatst.

Voor ontwerpers is voorkomen echter altijd beter dan genezen. Hier komt de IP-rating (International Protection) IP-68 in beeld.

Wat is IP-68?

De IP-codes, ook wel ingangsbescherming genoemd, zijn afgeleid van EN 60529 en geven twee cijfers aan die de beschermingsgraad met betrekking tot stof en vocht aangeven (Afbeelding 2). De opdrachten classificeren de mate van bescherming tegen het binnendringen van vaste objecten, zoals vingers en handen, evenals stof en water. Het doel is om duidelijkheid te verschaffen over anders vage en subjectieve termen als "waterdicht".

Het eerste cijfer na IP heeft betrekking op vaste stoffen, het tweede cijfer op vloeistoffen. In het geval van IP-68 is een systeem dus conform als het volledig beschermd is tegen stof (6) en lange periodes onder waterstralen of onderdompeling onder druk (8).

Afbeelding 2: De IP-codes geven een cijfer aan om de mate van bescherming van het systeem tegen vuil (links) en vocht (rechts) aan te geven. (Bron afbeelding: focusondrives.com))

Hoe te voldoen aan de IP-68-vereisten

Hoewel het mogelijk is om een IP-68-behuizing vanaf nul te ontwerpen, is het echt niet nodig om het wiel opnieuw uit te vinden als bedrijven als Hammond Manufacturing de basis al hebben gelegd. De 1557-serie van behuizingen voor ruwe omgevingen zijn ontworpen met UV-gestabiliseerd polycarbonaat materiaal om te voldoen aan de IP-68 eisen, terwijl ook het verzorgen van de esthetiek, het verstrekken van een "moderne" look met "zachte" curven in twee kleuren: zwart en lichtgrijs (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De 1557-serie behuizingen voldoen aan zowel de IP-68-vereisten als aan de ontwerpeisen en bieden tegelijkertijd een verscheidenheid aan montagemogelijkheden. (Bron afbeelding: Hammond Manufacturing)

De 1557-serie heeft een brandbaarheidsklasse van UL94-5VA en biedt bescherming tegen het binnendringen van stof, olie en water door het gebruik van een tweedelige messing- en groefconstructie met een siliconenpakking bij hoge temperatuur, model 1557BGASKET (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: De 1557BGASKET is gemaakt van UL-geplaatste siliconen en helpt de 1557BGASKET om IP-68-conformiteit te bereiken. (Bron afbeelding: Hammond Manufacturing)

Het deksel wordt vervolgens vastgezet met M4 roestvrijstalen machineschroeven, model SC576-50 (Afbeelding 5). Deze worden in corrosiebestendige bussen geschroefd, zodat ze herhaaldelijk kunnen worden gemonteerd en gedemonteerd, bijvoorbeeld tijdens de prototypefase van een ontwerp.

Afbeelding 5: De machineschroeven van model SC576-50 M4 kunnen stevig in corrosiebestendige bussen worden geschroefd om herhaalde montage en demontage mogelijk te maken. (Bron afbeelding: Hammond Manufacturing)

De 1557-serie wordt geleverd in een breed scala aan maten om te voldoen aan een verscheidenheid aan toepassingsbehoeften, en wordt geleverd met een reeks montageopties - inclusief printplaat - voor flexibele plaatsing. De maten zijn gebaseerd op vier basisplattegronden, elk in twee hoogtes. De maten zijn:

• 80 x 80 mm plattegrond, in hoogtes van 45 millimeter (mm) of 60 mm
• 120 x 120 mm, 160 x 160 mm, en 200 x 200 mm plattegronden, in hoogtes van 45 mm of 70 mm

De montagemogelijkheden zijn zoals afgebeeld (Afbeelding 3, opnieuw):

• Zwaar uitgevoerde, wandflensmontage (montagevoeten naar buiten)
• Verzonken wandmontage (montagevoetjes als sleutelgaten)
• Bureaublad/tafelblad (rubberen voetjes inbegrepen)

Elke optie heeft een duidelijke nadruk. Het model voor zware wandmontage heeft een set van twee of vier wandbevestigingslipjes die stevig aan de achterkant van de behuizing worden vastgeschroefd. De lipjes steken uit de rand van de behuizing, zodat de gebruiker deze met zijn eigen hardware veilig aan de muur kan bevestigen. Dit is ideaal voor toepassingen waarbij de veiligheid van cruciaal belang is en de installatie permanent is.

Het inbouwmodel heeft dezelfde wandbevestigingslipjes, maar ze worden omgedraaid en in holtes aan de achterkant van de behuizing geïnstalleerd. In deze configuratie fungeren de tabbladen als sleutelgaten, waardoor een eleganter, inbouw-optiek mogelijk is. Deze configuratie is ook ideaal voor toepassingen waarbij de behuizing tijdelijk aan de wand wordt bevestigd.

Elke behuizing bevat vier zelfklevende rubberen voetjes voor gebruik in de desktop-/tabletopmodus. In deze modus worden de muurbevestigingslipjes niet meer gebruikt en worden er in elke hoek rubberen voetjes geplaatst. In elke hoek is er een verzonken gedeelte voor de voeten om een goede plaatsing te garanderen, een lager profiel te behouden en de voeten stevig op hun plaats te houden. Meer rubber voeten, model 1421T6CL, kunnen indien nodig worden besteld.

Accessoires die bij de behuizingen worden geleverd zijn onder andere vloeistofdichte koordgrepen/kabelwartels en paalmontagekits.

Conclusie

Veel ontwikkelingswerk is gericht op het ontwerp van de elektronica, in die mate dat ontwerpers kunnen onderschatten hoe belangrijk het kan zijn om de juiste behuizing te kiezen voor buitentoepassingen. Zonder passende bescherming kunnen vocht, extreme temperaturen, stof, olie en andere verontreinigingen samen de elektrische en structurele integriteit van een ontwerp in gevaar brengen.

Dergelijke behuizingen zijn echter moeilijk te ontwerpen. Door te kiezen voor kant-en-klare behuizingen die voldoen aan de IP-68-vereisten, kunnen ontwerpers snel een ontwerp op de markt brengen dat voldoet aan de uitdagingen van langdurig gebruik buitenshuis.