Zastosowanie skomplikowanych urządzeń elektronicznych i czujników do ulepszania i rozszerzania procesów produkcji, obróbki skrawaniem i procesów produkcyjnych w zastosowaniach przemysłowych jest możliwe tylko wtedy, gdy wszystkie komponenty przetrwają w trudnym środowisku. Systemy muszą wytrzymywać gorące, wilgotne i trudne warunki oraz niszczące pola elektryczne i magnetyczne. Specyficzne warunki środowiskowe, w których produkt jest używany, wpływają na jego specyfikacje. Takie specyfikacje należy określić na początku. Trudne warunki w zastosowaniach przemysłowych obejmują wnikanie cząstek stałych, ekstremalne temperatury, uderzenia fizyczne, wyładowania elektrostatyczne (ESD), zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) i wibracje. Wszystkie te warunki, jeśli nie zostaną powstrzymane, z czasem zniszczą sprzęt elektroniczny. W tym artykule omówione zostały krytyczne kwestie związane z projektowaniem w trudnym środowisku przemysłowym.

Kwestie związane z wysoką temperaturą i temperaturą półprzewodników:

Wysokie temperatury są głównym czynnikiem przyczyniającym się do niszczenia środowiska. Chłodny klimat jest niezbędny do efektywnego działania urządzenia elektronicznego. Mikroklimat wewnątrz maski samochodu jest toksyczny, w którym temperatura otoczenia rzadko spada poniżej 125 ° C. Czujniki spalania i spalin muszą pracować w gorących, trudnych warunkach. Elektronika wysokotemperaturowa musi stanowić obwód sterujący zarządzający elementami wykonawczymi i czujnikami.

W przypadku stosowania w środowiskach o wysokiej temperaturze elektronika musi mieć aktywne lub pasywne chłodzenie, aby utrzymać części w odpowiednich zakresach temperatur roboczych. Jest to niepraktyczne w większości rzeczywistych sytuacji. Odporność półprzewodników (IC) obejmuje zakres temperatur roboczych, ochronę przed usterkami, zarządzanie wysokim szumem elektrycznym i ESD. Mocna budowa jest kluczowym czynnikiem wpływającym na długotrwałą pracę i pozwala uzyskać renomowany, niezawodny produkt końcowy. Trwałość jest koniecznością w ekosystemie przemysłowym charakteryzującym się ekstremalnymi warunkami pracy, gdzie temperatura IC waha się w zakresie od -40 ° C do + 85 ° C. Praca w podwyższonych temperaturach ma pozostać, a przemysł motoryzacyjny może ostatecznie doświadczyć temperatur roboczych od -40 ° C do + 125 ° C.

Problemy termiczne pojawiają się, gdy urządzenia elektroniczne są przechowywane w hermetycznym środowisku przemysłowym. Urządzenia rozpraszają ciepło, a wzrost temperatury może uszkodzić urządzenia, jeśli są niewłaściwie zarządzane. Regulatory napięcia i układy scalone mocy wykorzystują wyłączniki termiczne, aby zapobiec takim scenariuszom. Wybór pakietów o super niskich impedancjach cieplnych pomaga odprowadzić ciepło z dala od urządzenia. Dodanie aluminiowych rurek cieplnych lub radiatorów do omawianej obudowy zapewnia niższą ścieżkę impedancji cieplnej do powietrza. Zmniejsza to temperaturę pracy, znacznie poprawiając jej długoterminową niezawodność.

Zarządzanie przejściami napięcia:

Nieprawidłowe okablowanie lub przypadkowe zwarcia powodują stany nieustalone napięcia na przewodach zasilających. Te stany nieustalone mogą uszkodzić dalsze obwody, jeśli wejścia pozostają niezabezpieczone. Prosty i dyskretny obwód składający się z bezpiecznika szeregowego z tłumikiem napięcia przejściowego , diodą (TVS) lub diodą Zenera lub warystorami z tlenku metalu (MOV) jest zwykle używany do ochrony przed większością stanów nieustalonych napięcia.

Rysunek 1: MOV, Dioda Zenera i dioda TVS (tłumik napięć przejściowych)

Bardziej kontrolowane podejście do zarządzania przepięciami i zdarzeniami przejściowymi polega na zintegrowaniu obwodu reakcyjnego i progu ochronnego w układzie scalonym. Diody wewnętrzne i komparatory są zaprojektowane w wielu układach zabezpieczających i nadzorczych, aby zapewnić ostateczną odpowiedź za każdym razem. Kilka układów scalonych zawiera zabezpieczenia przed wysokim napięciem dla linii danych. Urządzenie zabezpieczające przed uszkodzeniem włącza się, gdy normalne poziomy napięcia linii danych są przekroczone, aby chronić się przed uszkodzeniem. Dobrym przykładem jest rodzina multiplekserów MAX4708. Aby uzyskać więcej informacji na temat produktów do tłumienia przejściowych napięć,  proszę kliknąć tutaj.

Względy dotyczące iskrobezpieczeństwa:

Iskrobezpieczeństwo odnosi się do zaprojektowanej metody ochrony przeciwwybuchowej osłaniającej obwód elektryczny. Systemy iskrobezpieczne ograniczają energię nawet w przypadku wielu awarii. Bariery te służą do ograniczania uwalnianej energii w przypadku awarii komponentu lub okablowania. Celem jest zatrzymanie zapłonu. Poniżej opisano kilka zaleceń dotyczących projektowania iskrobezpieczeństwa.

Używane baterie muszą być wystarczająco wytrzymałe, aby przetrwać przewidywane warunki środowiskowe Wyciek elektrolitu powinien być jak najmniejszy, co może się zdarzyć w warunkach silnego zwarcia.

Części magazynujące energię, takie jak kondensatory, cewki i kulki ferrytowe, mogą być podatne na zgodność z parametrami zapłonu iskrowego. Zgromadzona w nich dostępna energia musi być ograniczona, aby nie było wystarczającej energii do zapalenia atmosfery wybuchowej. Hermetyzacja służy do ochrony obwodów przed możliwością zapłonu iskrowego.

Powłoki konformalne:

Powłoki konformalne mają zasadnicze znaczenie dla zwiększenia długoterminowej wydajności i niezawodności podzespołów elektronicznych. Produkt zapewnia zwiększoną ochronę przed kurzem, wstrząsami, wibracjami, chemikaliami, brudem, ścieraniem, grzybem, wilgocią i naprężeniami mechanicznymi. Powłoki konformalne obejmują: jednoskładnikowe preparaty utwardzane promieniami UV, jedno- i dwuskładnikowe silikony, jedno- i dwuskładnikowe epoksydy oraz wyspecjalizowany, ekonomiczny system lateksowy. Aby dowiedzieć się więcej o wskazówkach dotyczących bezpieczeństwa w trudnych warunkach przemysłowych, należy pobrać e-book The Ultimate Guide to Harsh Environment Ratings & Design  [ Kompletny przewodnik po ocenach i projektach w trudnych warunkach środowiskowych]

Stopień ochrony (IP) i oceny NEMA:

Szczelna obudowa służy do zapobiegania wnikaniu wody lub kurzu. Zamknięta objętość przestrzeni służy do bezpiecznego przechowywania elektroniki w trudnych warunkach. Normą kontekstową jest IEC 60529, zgodnie z definicją Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC). Norma ta określa liczbę typów i stopni ochrony zapewnianej przez obudowę do jej wyposażenia elektrycznego. Sam kod IP ma postać „IP XY”, gdzie cyfry X i Y oznaczają odpowiednio ochronę przed wnikaniem cząstek stałych i wody. Są powszechnie używane do zastosowań narażonych na działanie czynników atmosferycznych, a także kurzu lub wilgoci. Typowe branże użytkowników obejmują morskie, przybrzeżne platformy naftowe i gazowe, bezpieczeństwo, oświetlenie, rekreację i przetwórstwo żywności.

Krajowe Stowarzyszenie Producentów Elektrycznych (NEMA) (NEMA) oferuje popularny standard obudów ochronnych podobny do kodu IP (IEC 60529). NEMA 250 obejmuje szerszy zakres trudnych warunków niż kod IP. Zawiera również oceny, zarówno niebezpieczne, jak i bezpieczne, dla lokalizacji wewnątrz i na zewnątrz. Takie warunki obejmują wnikanie ciał obcych (takich jak kurz lub włókna), wody i czynników korozyjnych, w tym różnych gazów i atmosfery.  AE1360 to przykład metalowej obudowy IP66 NEMA 4 do zastosowań elektrycznych w trudnych warunkach przemysłowych. Aby uzyskać więcej informacji na temat produktów z klasyfikacją IP i NEMA, proszę kliknąć tutaj.

Rysunek 2: Metalowa obudowa, IP66, NEMA 4, Elektryczna / Przemysłowa, Stal, 600 mm, 600 mm, 350 mm, IP66

Uwagi dotyczące złączy:

Podczas doboru łączników projektanci muszą wziąć pod uwagę wiele czynników, takich jak rozpuszczalniki, oblodzenie, wpływ temperatury, ekspozycja na sól, wilgoć, korozję i grzyby. Zły wybór może wpłynąć na integralność, wydajność i żywotność aplikacji. Wybierając złącza do trudnych warunków, należy wziąć pod uwagę kilka czynników.

Protokoły komunikacyjne mają kluczowe znaczenie dla aplikacji komunikacyjnych. Złącza przenoszą różne sygnały, takie jak interfejsy szeregowe RS232 lub I2C, transmisje RF, sygnały audio i wideo, zasilanie lub transmisję danych o dużej szybkości. Należy wziąć pod uwagę poziom szybkości transmisji danych i charakterystykę. Jeśli chodzi o potrzeby energetyczne, projektant powinien sprawdzić wymagania dotyczące napięcia i prądu.

Wymagania przestrzenne są wysokie w dobie miniaturyzacji. Wszystkie nowoczesne aplikacje nadal przechodzą na chipy i technologie, które zapewniają zaawansowane funkcjonalności w czynnikach o małych formach. Inżynierowie projektanci powinni uważać, aby wybrać złącza zgodnie z zapotrzebowaniem.

Styl końcówki to kolejna kwestia.  Złącza do pracy w trudnych warunkach zapewniają metalowe uszczelnienie wraz z połączeniem elektrycznym. To połączenie elektryczne uzyskuje się poprzez przylutowanie złącza bezpośrednio do płytki lub przez końcówkę kablową.

Złącza muszą chronić komponenty przed wszelkimi promieniami zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). Promieniowanie to może albo przedostać się do skrzynki i utrudnić działanie urządzenia, albo wyjść ze skrzynki i zakłócać działanie innych urządzeń. Kilka specjalnie dobranych złączy wyposażonych w przewodzącą uszczelkę i platerowane metalowe osłony zapewniają optymalne działanie EMI w trudnych warunkach.

Złącza serii MRD są doskonałym przykładem złączy przemysłowych do trudnych warunków, dostępnych czynnikach form o 2, 3 i 4 pozycjach. Opcje obudowy obejmują wszystkie konstrukcje z tworzywa sztucznego, a także metalowe korpusy blokujące dla większej trwałości. Opcje montażu panelowego i końcówek kablowych są dostępne z ochroną przed dotykiem lub bez niej. Są wodoodporne / pyłoszczelne IP67 i spełniają wymagania środowiskowe, zdrowotne i bezpieczeństwa. Aby uzyskać więcej informacji na temat tych produktów, proszę kliknąć tutaj.

Rysunek 3: Złącze serii MRD do pracy w trudnych warunkach