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        使用合適的外殼確保電子設備的長期安全性和耐候性

        發布時間:2022-3-25 10:28    發布者:eechina
        關鍵詞: 外殼 , 安全性 , 耐候性 , IP-68
        對于許多 DIY 或原型項目設計人員來說,一旦完成電子設備的布局,往往要到最后一刻才會去尋找合適的外殼。如果項目是放在室內桌子上或掛在墻壁上短時間使用,這種做法合情合理。但是,如果該項目打算長時間在戶外使用,那么很快就會受到氣候的影響,或因為惡意破壞或無聊的獵奇心而遭受有意或無意的破壞。

        若使用可用的材料制作合適的外殼,這會非常困難,而且雖然現成的外殼可能符合耐用性要求,但它們的尺寸可能不合適,很容易被破壞,或者缺乏美觀。如果要在住宅或商業建筑的外部使用,后兩者可能會成為問題。

        對于將要放置在外面的小型電子設備殼體或外殼,最好選擇一系列經過官方 IP-68 鑒定,能夠有效地密封電子設備的聚碳酸酯外殼,以免受氣候影響。

        本文將討論雨水、極端溫度和日光對電子系統及其外殼的影響;接著介紹 IP-68 防護的含義,之后再介紹 Hammond Manufacturing 提供的同時符合物理和美觀要求的外殼及相關襯墊。

        為什么電子設備外殼需要提供環境防護

        戶外使用的電子系統容易受熱、冷、濕氣、直射陽光(尤其是紫外線 (UV))、振動和物理破壞的影響,從而引起性能下降。它們還會受到許多電氣和電磁噪聲源的影響。設計人員可通過適當的電路設計、元器件降額和熱管理技術(例如散熱器、風扇),并通過最大限度地降低總功耗,來解決極端溫度問題。通過將印刷電路板安裝在隔振器,可以解決振動問題;使用濾波器、扼流圈和適當的接地技術,可以減少電氣和射頻噪聲。

        不過,濕氣和濕度極為有害。一旦濕氣滲透到系統中,就會增加濕度,導致凝結物,繼而隨著時間的推移發生腐蝕,最終導致半導體的鈍化層、焊點和物理連接發生性能退化。再加上可能在外殼封閉前就進入外殼的污染物(如灰塵和碎屑等)時,損害效應將會加倍。濕氣對元器件的影響體現在多個方面,包括電化學、電流、陽極和陰極影響。所有這些都會對電子設備的可靠性造成危害,其中有些比較細微,有些則更為明顯(圖 1)。


        圖 1:隨著時間的推移,濕氣和濕度對電子元器件、電路板和互連器件可能會造成非常大的傷害。(圖片來源:PCFixit.au)

        若采用在關鍵元器件上涂覆環氧樹脂或凝膠之類的材料,則可以緩解濕氣侵入的影響。對于大批量生產的系統,可以用 20 到 50 微米的保形涂層(極端情況下甚至可達 100 微米)覆蓋整個印制電路板,這是一種很好的解決方案。但是,某些元器件如 DIP 開關、可變電阻器和電池座,卻無法使用此類涂層。此外,保形涂層可能無法完全覆蓋邊緣(邊緣涂布不均),導致印制線和連接暴露在腐蝕環境之下。

        濕氣的全部作用取決于熱量和相對濕度。有關室外設備完整的濕氣和濕度測試準則,請參閱 ETSI EN 300 019-1-4 V2.2.1 (2014-04)“環境工程 (EE);電信設備的環境條件和環境測試;第 1-4 部分:環境條件的分類;在無氣候防護場所固定使用”。

        這對業余愛好者來說是一個有用的測試指南,對專業人士而言更是不可或缺。它將設備可能面臨的各種條件分類為地震、沖擊、太陽輻射和溫度,并進一步將環境類別細分為水、降雨、霉菌生長、動物攻擊(即白蟻)和空氣鹽度。此外,還包含一些與本文直接相關的實用定義,并強調了濕度的重要性:

        · 絕對濕度:空氣/水蒸氣混合物中,一立方米干燥空氣對應的水蒸氣質量(克)。
        · 無氣候防護場所:設備所在場所未針對直接氣候影響提供防護。
        · 相對濕度:在給定溫度下,濕空氣中的水蒸氣分壓與相同溫度下飽和空氣中的水蒸氣分壓之比。
        · 固定使用:使用固定安裝在結構體或安裝裝置上的設備,或將設備永久放置在特定位置。

        不過,對于設計人員而言,預防永遠比治療更有效。這正是國際防護 (IP) 等級 IP-68 發揮作用的地方。

        什么是 IP-68?

        IP 是英文 Ingress Protection(侵入防護)的首字母縮寫,IP 編碼源自 EN 60529 標準,其中分配了兩位數字來指示所提供的灰塵和濕氣防護等級(圖 2)。分配的數字就針對固體物(例如手指和手)以及灰塵和水提供的防護程度進行了分類。目的是明確地闡述“防水”之類模糊且主觀的術語。

        IP 后的第一個數字與固體有關,第二個數字與液體有關。因此,就 IP-68 而言,系統如果能夠針對灰塵 (6) 以及長時間的水流噴射或受壓沉浸 (8) 提供完全防護,則表明其符合要求。


        圖 2:IP 代碼分配了指示系統灰塵(左)和濕氣(右)防護程度的數字。(圖片來源:focusondrives.com)

        如何滿足 IP-68 要求

        盡管可以從頭開始設計 IP-68 外殼,但由于 Hammond Manufacturing 等公司已經完成相應的基礎工作,實際上并不需要重起爐灶。該公司的 1557 系列外殼適用于惡劣環境,采用了紫外線穩定型聚碳酸酯材料,達到 IP-68 要求,同時還兼顧了美觀性,擁有“現代化”的外觀和“柔和”曲線,并提供兩種顏色(黑色和淺灰色)選擇(圖 3)。


        圖 3:1557 系列外殼可滿足 IP-68 和設計美觀性要求,同時提供多種安裝選擇。(圖片來源:Hammond Manufacturing)

        1557 系列具有 UL94-5VA 可燃性等級,并通過采用兩件式榫槽結構以及通過 UL 認證的耐高溫硅橡膠墊片(型號為 1557BGASKET),來達到防塵、防油和防水的效果(圖 4)。


        圖 4:1557BGASKET 由通過 UL 認證的硅橡膠制成,有助于 1557 外殼達到 IP-68 要求。(圖片來源:Hammond Manufacturing)

        然后,用 M4 不銹鋼機械螺絲(型號為 SC576-50)固定蓋子(圖 5)。它們被旋入耐腐蝕的襯套中,允許重復拆裝(例如在設計的原型階段)。


        圖 5:SC576-50 型 M4 機械螺絲牢固地旋入耐腐蝕的襯套中,可允許重復拆裝。(圖片來源:Hammond Manufacturing)

        1557 系列具有寬尺寸范圍,可滿足各種應用需求,并附帶多種安裝選件(包括印制電路板),因此安裝靈活。尺寸基于四種基本平面尺寸,并分別具有兩種高度。尺寸包括:

        · 80 x 80 mm 平面圖,高度為 45 mm 或 60 mm
        · 120 x 120 mm、160 x 160 mm 和 200 x 200 mm 平面圖,高度為 45 mm 或 70 mm

        安裝選件如下所示(同樣參見圖 3):

        · 重型墻壁法蘭安裝(安裝支腳向外)
        · 齊平壁裝(將安裝支腳作為鎖孔插槽)
        · 臺式/桌面式安裝(包括橡膠支腳)

        每個選項都有明確的側重點。重型壁裝型號帶有一組兩個或四個壁裝凸耳,可以用螺釘牢固地安裝于外殼的背面。凸耳從外殼的邊緣突出,以便用戶使用他們選擇的五金件將外殼牢固地安裝到墻上。對于安全性至關重要且永久安裝的應用來說,這就是理想的選擇。

        齊平壁裝型號具有相同的壁裝凸耳,不同的是它們可以翻過來并將外殼背面安裝到空腔中。在此配置中,凸耳充當鎖孔槽,可實現更優雅的嵌裝外觀。對于將外殼臨時固定在墻上的應用,此配置也是理想的選擇。

        每個外殼均包含四個用于臺式/桌面式安裝的粘性橡膠支腳。在這種模式下,不再使用壁裝凸耳,而是在每個角上安裝橡膠支腳。每個角都有一個與橡膠支腳大小匹配的凹陷區域,以確保正確安裝,保持較低的高度并確保支腳穩固就位。如有必要,可以訂購更多的橡膠支腳(型號為 1421T6CL)。

        外殼附帶的配件包括液密性電線夾/電纜密封套和立桿安裝套件。

        結語

        設計人員將大量開發工作集中在電子設備的設計上,以至于他們可能低估了為戶外應用選擇合適外殼的重要性。如果沒有適當的防護,濕度、極端溫度、灰塵、油污和其他污染物組合在一起,可能會損害設計的電氣和結構完整性。

        不過,設計這種外殼非常困難。設計人員可以選擇滿足 IP-68 要求的現成外殼,迅速將設計推向市場,以應對長期戶外使用面臨的挑戰。


        來源:Digi-Key
        作者:Patrick Mannion
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