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FFC連接器

使用合適的外殼確保電子設(shè)備的長期安全性和耐候性

發(fā)布日期:2022-04-17 點擊率:42

對于許多 DIY 或原型項目設(shè)計人員來說,一旦完成電子設(shè)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(nèi)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(xiàn)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(yè)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(shè)備殼體或外殼,最好選擇一系列經(jīng)過官方 IP-68 鑒定,能夠有效地密封電子設(shè)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(tǒng)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(guān)襯墊。

為什么電子設(shè)備外殼需要提供環(huán)境防護

戶外使用的電子系統(tǒng)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(shè)計人員可通過適當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計、元器件降額和熱管理技術(shù)(例如散熱器、風(fēng)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(dāng)?shù)慕拥丶夹g(shù),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(tǒng)中,就會增加濕度,導(dǎo)致凝結(jié)物,繼而隨著時間的推移發(fā)生腐蝕,最終導(dǎo)致半導(dǎo)體的鈍化層、焊點和物理連接發(fā)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(yīng)將會加倍。濕氣對元器件的影響體現(xiàn)在多個方面,包括電化學(xué)、電流、陽極和陰極影響。所有這些都會對電子設(shè)備的可靠性造成危害,其中有些比較細(xì)微,有些則更為明顯(圖 1)。

濕氣和濕度對電子元器件的影響圖片圖 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(guān)鍵元器件上涂覆環(huán)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(chǎn)的系統(tǒng),可以用 20 到 50 微米的保形涂層(極端情況下甚至可達(dá) 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(guān)、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(dǎo)致印制線和連接暴露在腐蝕環(huán)境之下。

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

這對業(yè)余愛好者來說是一個有用的測試指南,對專業(yè)人士而言更是不可或缺。它將設(shè)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(huán)境類別細(xì)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(guān)的實用定義,并強調(diào)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(yīng)的水蒸氣質(zhì)量(克)。

  • 無氣候防護場所:設(shè)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(jié)構(gòu)體或安裝裝置上的設(shè)備,或?qū)⒃O(shè)備永久放置在特定位置。

不過,對于設(shè)計人員而言,預(yù)防永遠(yuǎn)比治療更有效。這正是國際防護 (IP) 等級 IP-68 發(fā)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(biāo)準(zhǔn),其中分配了兩位數(shù)字來指示所提供的灰塵和濕氣防護等級(圖 2)。分配的數(shù)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(shù)語。

IP 后的第一個數(shù)字與固體有關(guān),第二個數(shù)字與液體有關(guān)。因此,就 IP-68 而言,系統(tǒng)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。

IP 代碼分配了指示系統(tǒng)防護程度的數(shù)字的表格圖 2:IP 代碼分配了指示系統(tǒng)灰塵(左)和濕氣(右)防護程度的數(shù)字。(圖片來源:focusondrives.com)

如何滿足 IP-68 要求

盡管可以從頭開始設(shè)計 IP-68 外殼,但由于 Hammond Manufacturing 等公司已經(jīng)完成相應(yīng)的基礎(chǔ)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(huán)境,采用了紫外線穩(wěn)定型聚碳酸酯材料,達(dá)到 IP-68 要求,同時還兼顧了美觀性,擁有“現(xiàn)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)。

Hammond Manufacturing 的 1557 系列外殼圖片圖 3:1557 系列外殼可滿足 IP-68 和設(shè)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(jié)構(gòu)以及通過 UL 認(rèn)證的耐高溫硅橡膠墊片(型號為 1557BGASKET),來達(dá)到防塵、防油和防水的效果(圖 4)。

Hammond Manufacturing 的 1557BGASKET 由通過 UL 認(rèn)證的硅橡膠制成圖片圖 4:1557BGASKET 由通過 UL 認(rèn)證的硅橡膠制成,有助于 1557 外殼達(dá)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(fù)拆裝(例如在設(shè)計的原型階段)。

Hammond Manufacturing 的 SC576-50 型 M4 機械螺絲圖片圖 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(fù)拆裝。(圖片來源:Hammond Manufacturing)

1557 系列具有寬尺寸范圍,可滿足各種應(yīng)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(cè)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(guān)重要且永久安裝的應(yīng)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(dāng)鎖孔槽,可實現(xiàn)更優(yōu)雅的嵌裝外觀。對于將外殼臨時固定在墻上的應(yīng)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(qū)域,以確保正確安裝,保持較低的高度并確保支腳穩(wěn)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(jié)語

設(shè)計人員將大量開發(fā)工作集中在電子設(shè)備的設(shè)計上,以至于他們可能低估了為戶外應(yīng)用選擇合適外殼的重要性。如果沒有適當(dāng)?shù)姆雷o,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(shè)計的電氣和結(jié)構(gòu)完整性。

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

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