Håll elektroniska projekt säkra och väderbeständiga för långa transporter med rätt kapslingar

För många konstruktörer av hobby- eller prototypprojekt lämnas ofta kapslingen till sista stund, när elektroniken väl är klar. Detta kan vara rimligt om produkten ska användas temporärt inomhus på ett skrivbord eller placeras på en vägg. Men om projektet är avsett att användas utomhus under längre tid kommer det snabbt att utsättas för väderelementen eller ta skada, avsiktligt eller oavsiktligt, genom vandalism eller bara ren nyfikenhet.

Det är svårt att bygga en lämplig kapsling med lättillgängliga material, och även om höljen som är tillgängliga i handeln kan uppfylla kraven på robusthet, kanske de har fel dimensioner, är alltför sårbara för manipulation eller saknar önskade estetiska kvaliteter. De två senare kan vara problematiska om produkten ska sitta på utsidan av ett bostadshus eller en kommersiell byggnad.

För höljen till små elektroniska projekt eller kapslingar som ska placeras utomhus, är det bäst att välja bland officiellt IP 68-klassade polykarbonatkapslingar som effektivt kan isolera elektroniken mot vädrets element.

Denna artikel går igenom effekterna från regn, extrema temperaturer och solljus på elektroniksystem och deras inneslutningar. Den beskriver sedan vad IP68-skyddet innebär och går vidare till att presentera kapslingar från Hammond Manufacturing med tillhörande packningar som uppfyller både fysiska och estetiska krav.

Varför elektronikhöljen måste ge skydd mot omgivningen

Elektroniska system som används utomhus är känsliga för påverkan från värme, kyla, fukt, direkt solljus - särskilt ultravioletta (UV) strålar - vibrationer och fysisk åverkan. De utsätts också för många källor till elektriskt och elektromagnetiskt brus. Konstruktörer kan ta hänsyn till extrema temperaturer genom noggrann kretskonstruktion, att använda komponenterna under dess maxgränser, termiska tekniker som kylflänsar och fläktar, samt genom att minimera den totala energiförbrukningen. Vibrationer kan kompenseras för genom att montera kretskort på vibrationsdämpare, och elektriskt och RF-brus kan mildras med hjälp av filter, drosslar och lämpliga jordningsmetoder.

Dock är vätska och luft särskilt skadligt. När fukt har trängt in i ett system kan det öka luftens fukthalt och leda till kondens, vilket följs av korrosion och, i slutändan, försämring över tid av halvledares passiveringslager, lödfogar och fysiska anslutningar. I kombination med föroreningar som damm och skräp som kan ha trängt in i höljet innan det stängts, mångfaldigas de skadliga effekterna. Fukten kan påverka komponenter på olika sätt - elektrokemiskt, galvaniskt, anodiskt och katodiskt. Alla utgör en faror för tillförlitligheten hos elektroniken, vissa subtila, vissa mer uppenbara (figur 1).

Bild 1: Effekterna av vätska och fukt på elektroniska komponenter, kort och förbindningar kan vara mycket skadliga över tid. (Bildkälla: PCFixit.au)

Effekterna av fuktinträngning kan mildras genom tekniker som att placera epoxi eller geler över kritiska komponenter. För massproducerade system kan konventionella beskiktningar på 20 till 50 mikron, eller till och med upp till 100 mikron i extrema fall, täcka hela kretskortet och fungera väl. Vissa komponenter, som dip-switchar, variabla motstånd och batterihållare, kan dock inte överdras med sådana beläggningar. Dessutom kan jämna beläggningar inte riktigt täcka kanterna (kantkrypning) och utsätta ledningsbanor och anslutningar för korrosion.

Den totala effekten av fukt beror på värme och relativ fuktighet. Fullständiga testriktlinjer för vätska och fukt för utomhusutrustning hittas i 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: Classification of environmental conditions; Stationary use at non-weatherprotected locations.

Detta är en användbar testguide för entusiaster och oumbärlig för yrkesverksamma. Den klassificerar de olika förhållandena som en anordning kan utsättas för beträffande seismik, jordbävningar, stötchocker, solstrålning och temperatur. Vidare delar den in miljöklasser i vatten, nederbörd, mögeltillväxt, djurattacker (t.ex. termiter) och luftsalthalt. Den har också några bra definitioner som är direkt relevanta här och understryker vikten av fuktighet:

• Absolutt luftfuktighet: Massan av vattenånga i gram som finns i en kubikmeter torr luft i en blandning av luft/vattenånga.
• Ej väderbeskyddad plats: Plats där utrustningen inte är skyddad från direkt väderpåverkan.
• Relativ luftfuktighet: Förhållandet mellan det partiella trycket av vattenångan i fuktig luft vid en given temperatur, till partikeltrycket för vattenångan i mättad luft vid samma temperatur.
• Stationär användning: Användning av utrustningen monterad stadigt på strukturer eller monteringsanordningar, eller placerad permanent på en viss plats.

För konstruktörer är emellertid alltid förebyggande åtgärder bättre än avhjälpande. Det är här International Protection (IP)-klassificeringen IP68 kommer in i bilden.

Vad är IP68?

IP-klasserna härrör från EN 60529 och är tilldelade två siffror som indikerar skyddsgraden med avseende på damm respektive fukt (figur 2). Tilldelningarna klassificerar graden av skydd som ges mot intrång av fasta föremål, såsom fingrar och händer, samt damm och vatten. Målet är att ge tydlighet kring annars vaga och subjektiva termer som ”vattentät”.

Den första siffran efter IP avser fasta ämnen, den andra siffran avser vätskor. Så när det gäller IP68 är ett system kompatibelt om det är helt skyddat mot damm (6) och under långa perioder mot vattenstrålar eller vattennedsänkning under tryck (8).

Bild 2: IP-koderna består av två siffror som anger ett systems respektive skyddsgrad mot smuts (vänster) och fukt (höger). (Bildkälla: focusondrives.com)

Hur man uppfyller IP68-kraven

Även om det är möjligt att konstruera en IP68-kapsling från början, finns det verkligen inget behov att uppfinna hjulet på nytt när företag som Hammond Manufacturing redan har gjort grundarbetet. Dess 1557-serie med kapslingar för hårda miljöer är utformade med UV-stabiliserat polykarbonatmaterial för att uppfylla IP68-kraven, samtidigt som hänsyn har tagits för estetik och att få ett ”modernt” utseende med ”mjuka” kurvor i två färger - svart och ljusgrått (figur 3).

Bild 3: 1557-serien med kapslingar tillgodoser både IP68-kraven och designaspekter, samtidigt som de erbjuder en mängd olika monteringsalternativ. (Bildkälla: Hammond Manufacturing)

1557-serien har en antändbarhetsklassificering på UL94-5VA och uppnår skydd mot damm, olja och vatteninträngning genom att använda en tvådelad not- och-spont-konstruktion med en UL-klassad silikontätning för höga temperaturer, modell 1557BGASKET (figur 4).

Bild 4: 1557BGASKET är tillverkad av UL-klassad silikon och hjälper 1557-kapslingen att klara IP68-kraven. (Bildkälla: Hammond Manufacturing)

Locket fixeras sedan med M4-skruvar i rostfritt stål, modell SC576-50 (figur 5). Dessa är gängade i korrosionsbeständiga bussningar för att möjliggöra repetitiv montering och demontering, exempelvis under prototypstadiet av en konstruktion.

Bild 5: M4-maskinskruvar till modellen SC576-50 gängas ordentligt i korrosionsbeständiga bussningar för att möjliggöra repetitiv montering och demontering. (Bildkälla: Hammond Manufacturing)

1557-serien levereras i en mängd olika storlekar för att tillgodose olika tillämpningsbehov och har ett antal monteringsalternativ - inklusive kretskort - för flexibilitet i placeringen. Storlekarna är baserade på fyra grundläggande planstorlekar, var och en i två höjder. Storlekarna är:

• 80 x 80 mm ytplan, i höjder på 45 eller 60 mm
• 120 x 120 mm, 160 x 160 mm och 200 x 200 mm ytplan, i höjder på 45 eller 70 mm

Monteringsalternativen är som visas (figur 3 igen):

• Tungt väggflänsfäste (monteringsfötter utåt)
• Infällt väggfäste (monteringsfötter som nyckelhålsspår)
• Bords-/bänkplacering (gummifötter ingår)

Varje alternativ har en tydlig visuell betoning. Den kraftiga väggmonteringsmodellen har en uppsättning av två eller fyra väggmonteringsflikar som är ordentligt fastskruvade på baksidan av höljet. Flikarna sticker ut från höljets kant, vilket gör det möjligt för användaren att montera den stabilt på väggen med sina egna monteringsdetaljer. Detta är idealiskt för tillämpningar där säkerheten är kritisk och installationen är permanent.

Inbyggnadsmodellen har samma väggmonteringsflikar, men de har vänts på och är installerade i hålrum på baksidan av höljet. I denna konfiguration fungerar flikarna som nyckelhålsspår, vilket möjliggör ett mer elegant, infällt utseende. Denna konfiguration är också idealisk för tillämpningar där höljet tillfälligt kommer att fästas på väggen.

Varje kapsling innehåller fyra självhäftande gummifötter för användning i bords-/bänkplacering. I detta läge används inte längre väggmonteringsflikarna, och gummifötter placeras i varje hörn. Det finns ett infällt område i varje hörn som är dimensionerat för foten för att säkerställa korrekt placering, hålla en lägre profil och för att hålla fötterna säkert på plats. Fler gummifötter av modell 1421T6CL kan beställas vid behov.

Tillbehör som levereras med kapslarna inkluderar vätsketäta sladdgrepp/kabelförskruvningar och polmonteringssatser.

Slutsats

Mycket utvecklingsarbete är inriktat på konstruktion av elektroniken, till den grad att konstruktörer kan underskatta hur viktigt det kan vara att välja rätt kapsling för utomhustillämpningar. Utan lämpligt skydd kan fukt, extrema temperaturer, damm, olja och andra föroreningar samverka och äventyra den elektriska och strukturella integriteten i en konstruktion.

Sådana kapslingar är emellertid svåra att utforma. Genom att välja höljen som uppfyller IP68-kraven kan konstruktörerna snabbt få ut en konstruktion på marknaden som klarar utmaningarna med långvarigt utomhusbruk.