Elektronische Projekte sicher und wetterfest machen mit den richtigen Gehäusen
Für viele Designer von Heimwerker- oder Prototypenprojekten wird die Suche nach einem geeigneten Gehäuse oft bis zur letzten Minute aufgeschoben, sobald die Elektronik fertig entwickelt ist. Das mag vernünftig sein, wenn das Projekt nur vorübergehend in Innenräumen auf einem Schreibtisch oder gut geschützt an einer Hauswand verwendet werden soll. Wenn das Projekt jedoch über einen längeren Zeitraum im Freien eingesetzt werden soll, wird es schnell den Witterungseinflüssen ausgesetzt ob absichtlich oder unabsichtlich durch böswillige Manipulationen oder unnötig tätige Neugierige beschädigt werden.
Es ist schwierig, mit den verfügbaren Materialien ein geeignetes Gehäuse zu bauen, und auch wenn die Gehäuse von der Stange die Anforderungen an die Robustheit erfüllen, haben sie möglicherweise die falsche Größe, sind zu anfällig für Manipulationen und nicht besonders ästhetisch. Die beiden letztgenannten Punkte können problematisch sein, wenn das Gehäuse an der Außenseite eines Hauses oder Geschäftsgebäudes angebracht werden soll. Für kleine elektronische Projekte mit geschlossenen Gehäusen, die im Außenbereich platziert werden sollen, ist es am Besten, sich für eine Reihe von offiziell IP-68 qualifizierten Polycarbonat-Gehäusen zu entscheiden, die die Elektronik effektiv gegen die Elemente abdichten können.
In diesem Artikel werden die Auswirkungen von Regen, Temperaturextremen und Sonnenlicht auf elektronische Systeme und ihre Gehäuse diskutiert. Anschließend wird beschrieben, was die Schutzart IP-68 bedeutet, bevor Gehäuse von Hammond Manufacturing mit den dazugehörigen Dichtungen vorgestellt werden, die sowohl die physikalischen als auch die ästhetischen Anforderungen erfüllen.
Warum Elektronikgehäuse Schutz vor Umwelteinflüssen bieten müssen
Elektronische Systeme, die im Freien eingesetzt werden, sind anfällig für Beschädigungen durch Hitze, Kälte, Feuchtigkeit, direktes Sonnenlicht – insbesondere Ultra-Violette (UV) Strahlen, Vibrationen und physische Manipulationen. Außerdem sind sie vielen Quellen elektrischer und elektromagnetischer Störungen ausgesetzt. Konstrukteure können Temperaturextreme durch ein geeignetes Schaltungsdesign, Komponenten-Unterbeanspruchung, Wärmemanagementtechniken wie Kühlkörper und Lüfter und eine Minimierung des Gesamtstromverbrauchs berücksichtigen.
Schwingungen können durch die Montage von Leiterplatten (Printed Circuit Boards – PCB) auf Schwingungsisolatoren berücksichtigt werden, und elektrische und HF-Störungen können durch Filter, Drosseln und geeignete Erdungstechniken gemildert werden.
Feuchtigkeit und Nässe sind jedoch besonders schädlich. Sobald Feuchtigkeit in ein System eingedrungen ist, kann sie die Luftfeuchtigkeit erhöhen und zu Kondensation führen. Dies kann zur Korrosion und schließlich zur Zerstörung von Halbleiter-Passivierungsschichten, Lötstellen und physikalischen Verbindungen führen. In Kombination mit Verunreinigungen wie Staub und Schmutz, die möglicherweise in das Gehäuse gelangt sind, bevor es geschlossen wurde, vervielfachen sich die nachteiligen Auswirkungen. Die verschiedenen Arten der Beeinflussung von Komponenten durch Feuchtigkeit sind elektrochemisch, galvanisch, anodisch und kathodisch. Alle stellen eine Gefahr für die Zuverlässigkeit der Elektronik dar, manche subtil, manche offensichtlich (Abbildung 1 ).
Abbildung 1: Die Auswirkungen von Feuchtigkeit und Nässe auf elektronische Komponenten, Platinen und Verbindungen können mit der Zeit sehr schädlich sein (Bildquelle: Shutterstock)
Das Anbringen von Epoxidharz oder Gelen über kritischen Komponenten kann dazu beitragen, die Auswirkungen des Eindringens von Feuchtigkeit abzuschwächen. Bei Massensystemen können konforme Beschichtungen von 20 bis 50 Mikrometern – in Extremfällen sogar bis zu 100 Mikrometern – die gesamte Leiterplatte bedecken. Einige Komponenten, wie DIP-Schalter, variable Widerstände und Batteriehalter, können jedoch nicht mit solchen Beschichtungen versehen werden.
Außerdem kann es vorkommen, daß konforme Beschichtungen die Kanten nicht ganz abdecken (Edge Crawling), wodurch Leiterbahnen und Anschlüsse der Korrosion ausgesetzt sind.
Die volle Wirkung von Feuchtigkeit hängt auch von der Wärme und der relativen Luftfeuchtigkeit ab. Vollständige Prüfrichtlinien für Feuchtigkeit und Feuchte bei Geräten im Außenbereich sind in der 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: Klassifizierung der Umgebungsbedingungen; Stationärer Einsatz an nicht wettergeschützten Orten”.
Dies ist ein nützlicher Prüfleitfaden für Bastler und unverzichtbar für Profis. Sie klassifiziert die verschiedenen Bedingungen, denen ein Gerät ausgesetzt sein kann, in seismische, Erdbeben-, Schock-, Sonneneinstrahlungs- und Temperaturbedingungen. Es unterteilt die Umgebungsklassen weiter in Wasser, Niederschlag, Schimmelpilzwachstum, Tierbefall (z.B. Termiten) und Salzgehalt der Luft. Es hat auch einige gute Definitionen, die hier direkt relevant sind und die Bedeutung der Luftfeuchtigkeit unterstreichen:
-
Absolute Luftfeuchtigkeit: Masse des Wasserdampfes in Gramm, die einem Kubikmeter trockener Luft in einem Luft-Wasserdampf-Gemisch zugeordnet ist.
-
Nicht wettergeschützter Ort: Ort, an dem das Betriebsmittel nicht vor direkten Witterungseinflüssen geschützt ist.
-
Relative Luftfeuchtigkeit: Verhältnis des Partialdrucks des Wasserdampfes in feuchter Luft bei einer bestimmten Temperatur zum Partialdruck des Wasserdampfes in gesättigter Luft bei gleicher Temperatur.
-
Stationärer Einsatz: Verwendung des Geräts, das fest am Bauwerk oder an Montagevorrichtungen angebracht ist oder sich dauerhaft an einem bestimmten Ort befindet.
Für Konstrukteure ist jedoch Vorbeugung immer besser als eine Nacharbeit. An dieser Stelle kommt die internationale Schutzart (IP – International Ingress Protection) IP-68 ins Spiel.
Was ist IP-68?
Die IP-Codes, die auch als Schutzart bezeichnet werden, leiten sich von der EN 60529 ab und weisen zwei Ziffern zu, die den Grad des Schutzes gegen Staub und Feuchtigkeit angeben (Abbildung 2).
IP-Schutzartentabelle
Abbildung 2: Die IP-Codes weisen eine Ziffer zu, die den Schutzgrad eines Systems gegen Schmutz (links) und Feuchtigkeit (rechts) angibt. (Bildquelle: focusondrives.com)
Die Zuordnungen klassifizieren den Grad des Schutzes gegen das Eindringen von festen Gegenständen, wie Finger und Hände, sowie Staub und Wasser. Das Ziel ist es, Klarheit über ansonsten vage und subjektive Begriffe wie “wasserdicht” zu schaffen.
Die erste Ziffer nach IP bezieht sich auf Festkörper, 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 Strahlwasser oder Eintauchen unter Druck (8) geschützt ist.
Wie man die IP-68-Anforderungen erfüllt
Es ist zwar möglich, ein IP-68-Gehäuse von Grund auf neu zu entwerfen, aber man muß das Rad ja nicht neu erfinden, wenn Unternehmen wie Hammond Manufacturing die Vorarbeit bereits geleistet haben. Die Gehäuse der Serie 1557 für raue Umgebungen sind aus UV-stabilem Polycarbonat gefertigt und erfüllen die Anforderungen der Schutzart IP-68. Gleichzeitig wird auf die Ästhetik geachtet, indem ein modernes “Aussehen mit weichen” Kurven in zwei Farben – Schwarz und Hellgrau – angeboten wird (Abbildung 3).
Abbildung 3: Die Gehäuse der Serie 1557 erfüllen sowohl die Anforderungen der Schutzart IP-68 als auch die Ästhetik des Designs und bieten gleichzeitig eine Vielzahl von Montagemöglichkeiten. (Bildquelle: Hammond Manufacturing)
Die Serie 1557 verfügt über die Brennbarkeitsklasse UL94-5VA gemäß Underwriter Laboratories (UL.com) und erreicht den Schutz gegen das Eindringen von Staub, Öl und Wasser durch die Verwendung einer zweiteiligen Nut- und Federkonstruktion mit einer hochtemperaturbeständigen, UL-gelisteten Silikondichtung, Modell 1557BGASKET (Abbildung 4).
Abbildung 4: Die 1557BGASKET besteht aus UL-gelistetem Silikon und hilft dem 1557-Gehäuse, die Schutzart IP-68 zu erreichen. (Bildquelle: Hammond Manufacturing)
Der Deckel wird dann mit M4-Edelstahl-Maschinenschrauben, Modell SC576-50, befestigt (Abbildung 5).
Abbildung 5: Die M4-Maschinenschrauben des Modells SC576-50 werden sicher in korrosionsbeständige Buchsen eingeschraubt, um eine wiederholte Montage und Demontage zu ermöglichen. (Bildquelle: Hammond Manufacturing)
Diese werden in korrosionsbeständige Buchsen eingeschraubt, um eine wiederholte Montage und Demontage zu ermöglichen, z.B. während der Prototyping-Phase eines Designs.
Die Serie 1557 ist in einer Vielzahl von Größen erhältlich, um eine Vielzahl von Anwendungsanforderungen zu erfüllen, und bietet eine Reihe von Montageoptionen – einschließlich PCB – für eine flexible Platzierung. Die Größen basieren auf vier Grundrissen, jeweils in zwei Höhen.
Die Größen sind:
-
80 x 80mm Grundriß, in Höhen von 45mm oder 60mm
-
120 x 120mm, 160 x 160mm und 200 x 200mm Grundriß, in Höhen von 45mm oder 70mm
Die Montagemöglichkeiten sind wie dargestellt (siehe wieder Abbildung 3):
-
Schwere, flanschartige Wandmontage (Montagefüße nach außen)
-
Bündige Wandmontage (Montagefüße als Schlüssellochschlitze)
-
Tischplatte (Desktop/Tabletop mit Gummifüßen, die im Lieferumfang enthalten sind)
Jede Option hat einen klaren Schwerpunkt. Das Modell für die Schwerlast-Wandmontage hat einen Satz von zwei oder vier Wandbefestigungslaschen, die fest mit der Rückseite des Gehäuses verschraubt sind. Die Laschen ragen aus dem Gehäuserand heraus, sodaß der Anwender das Gehäuse mit eigenen Befestigungsmitteln sicher an der Wand montieren kann.
Dies ist ideal für Anwendungen, bei denen es auf Sicherheit ankommt und die Installation dauerhaft sein soll.
Das Modell für die Unterputzmontage hat die gleichen Laschen für die Wandmontage, aber sie werden umgedreht und in Vertiefungen auf der Rückseite des Gehäuses installiert. In dieser Konfiguration fungieren die Laschen als Schlüssellochschlitze und ermöglichen ein eleganteres, bündiges Erscheinungsbild.
Diese Konfiguration ist auch ideal für Anwendungen, bei denen das Gehäuse vorübergehend an der Wand befestigt werden soll.
Jedes Gehäuse enthält vier selbstklebende Gummifüße für die Verwendung im Desktop-/Tabletop-Modus. In diesem Modus werden die Wandbefestigungslaschen nicht mehr verwendet, und die Gummifüße werden in jeder Ecke angebracht. In jeder Ecke befindet sich eine Aussparung für die Füße, um eine korrekte Platzierung zu gewährleisten, ein niedrigeres Profil zu erhalten und die Füße sicher an ihrem Platz zu halten.
Weitere Gummifüße, Modell 1421T6CL, können bei Bedarf nachbestellt werden.
Das mit den Gehäusen gelieferte Zubehör umfaßt flüssigkeitsdichte Kabelklemmen, Kabelverschraubungen und Bausätze für die Mastmontage.
Fazit
Ein Großteil der Entwicklungsarbeit konzentriert sich auf das Design der Elektronik, sodaß die Konstrukteure oft unterschätzen, wie wichtig die Wahl des richtigen Gehäuses für Außenanwendungen sein kann.
Ohne geeigneten Schutz können Feuchtigkeit, Temperaturextreme, Staub, Öl und andere Verunreinigungen die elektrische und strukturelle Integrität eines Designs beeinträchtigen.
Solche Gehäuse sind jedoch schwierig zu konstruieren.
Durch die Wahl von Standardgehäusen, die die JP-68-Anforderungen erfüllen, können Konstrukteure schnell ein Design auf den Markt bringen, das den Herausforderungen eines längeren Außeneinsatzes gerecht wird.