Mire kell odafigyelni, ha zord ipari környezetbe tervezünk alkalmazást
A kifinomult elektronikus és érzékelő eszközök használata a gyártási, a gépi megmunkálási és a termelő folyamatokat hivatott javítani és kibővíteni az ipari alkalmazásokban, de ez csak úgy lehetséges, ha minden alkatrész túléli ezt a kemény környezetet. A rendszereknek el kell viselniük a meleget, a párát, a zord körülményeket és az ártalmas elektromos és mágneses mezőket.
Egy termék jellemzőire hatással van, hogy milyen konkrét környezeti körülmények között használják. Ezeket a jellemzőket még a tervezés elején meg kell határozni. Az ipari alkalmazások esetén zord körülménynek számít az apró szemcsék bekerülése a dobozba, az extrém hőmérséklet, fizikai ütés, az elektrosztatikus kisülés (ESD), az elektromágneses interferencia (EMI) és a rezgés. Ezek a körülmények, ha nem figyelnek oda rájuk, idővel teljesen tönkreteszik az elektromos berendezéseket. Ez a cikk a kritikus fontosságú jellemzőkről szól, amelyekre oda kell figyelni, ha berendezést tervezünk zord ipari környezetben történő alkalmazásra.
Extrém hőmérséklet és a félvezetők hőjellemzői
A magas hőmérséklet a durva környezet kialakulásának egyik fő hozzájárulója. Az elektromos eszközök működéséhez viszont hűvös környezet szükséges. A gépjárművek motorházteteje alatti mikroklíma rendkívül toxikus, hiszen a hőmérséklet ritkán esik 125 °C alá. A robbanás- és kipufogógáz-érzékelőknek az ilyen forró, zord környezetben is működniük kell. A működtető szerkezetekét és érzékelőkért felelős vezérköröknek magas hőmérsékletű elektronikus részekből kell felépülnie.
Az elektronikus eszközöket aktív vagy passzív hűtéssel az üzemi hőmérséklet-tartományban kell tartani, ha magas hőmérsékletű környezetben használják őket. Ez a legtöbb valós helyzetben nem igazán praktikus. A félvezetők (IC) robusztusságába tartozik az üzemi hőmérsékletük tartománya, a hiba elleni védelmük, a magas szintű elektromos zajt kezelő képességük és az ESD-védelmük. A robusztusság rendkívül fontos teljesítménytényező a hosszútávú üzemeltetés szempontjából, és jó hírnevet, megbízhatóságot kölcsönöz a terméknek. A strapabírás kötelező az ipari ökoszisztémában, amelyre az extrém üzemkörülmények jellemzők: az IC-k hőmérséklete a -40 és a +85 °C között ingadozik. A magas hőmérséklet melletti üzem nem fog eltűnni, és talán idővel a gépjárműiparban a -40 és +125 °C közötti üzemi hőmérséklettel kell majd számolni.
Hőproblémák akkor merülnek fel, amikor az elektromos eszközöket egy légmentesen zárt ipari beltéri környezetben tartjuk. Az eszközök hőt adnak le, és az emelkedő hőmérséklet károsíthatja az eszközöket, ha nem figyelünk oda. A feszültségszabályozók és táp IC-k túlmelegedés esetén kikapcsolnak, hogy ez ne fordulhasson elő. Segíthet hőt elvezetni az eszközről, ha rendkívül alacsony hőimpedanciával jellemezhető csomagokat választunk. Ha alumínium hűtőcsöveket vagy hűtőbordákat szerelünk az aggodalomra okot adó eszközre, azzal egy alacsonyabb hőimpedanciájú utat nyitunk a levegő felé. Így csökken az üzemi hőmérséklet, és jócskán javul az eszköz hosszútávú megbízhatósága.
A tranziens feszültségek kezelése
A hibás kábelezés vagy a véletlen rövidzárlatok tranziens feszültségeket keltenek a tápellátás vezetékeiben. Ezek a tranziensek károsíthatják a downstream köröket, ha a bemeneteket nem védjük le. Egy egyszerű, diszkrét áramkört használnak a legtöbb tranziens feszültség elleni védelemre, amely kör egy tranziensfeszültség-szupresszor (TVS) diódából vagy Z-diódából vagy fém-oxid varisztorokból (MOV) és egy soros biztosítékból áll.
1. ábra: MOV, Z-dióda és TVS (tranziensfeszültség-szupresszor) dióda
A túlfeszültség és a tranziens események kezelésének sokkal szabályozottabb megközelítése az, ha a reagáló kört és a védelmi küszöbértéket beépítjük az IC-be. A belső diódák és komparátorok úgy vannak megtervezve, hogy többszörös védelmi és felügyeleti IC-ként is szolgáljanak, így minden alkalommal biztosan tudnak reagálni. Egy pár IC adatkábelek esetén nagyfeszültség elleni védelmekkel is rendelkezik. Egy hibavédelmi eszköz csatlakozik, ha a normál adatkábel feszültségének szintje olyannyira megemelkedik, hogy már nem tudja magát megvédeni a károsodástól. Erre jó példa a MAX4708 multiplexer-termékcsalád. További részletekért a tranziensfeszültség-szupresszor termékekkel kapcsolatban kattintson ide.
A belső biztonság figyelembevétele
A belső biztonság a megtervezett robbanásvédelmi módszerre utal, amely az elektromos áramkört védi. A belsőleg biztonságos rendszerek korlátozzák az energiát, még több hibakörülmény fennállása esetén is. Ezek a gátak arra használatosak, hogy korlátozzák a kisülő energiát, amely egy alkatrész vagy kábel hibája esetén lép fel. A céljuk az, hogy megakadályozzák a gyulladást. A következőkben leírunk néhány javaslatot a belső biztonsági dizájnra vonatkozóan.
A használt akkumulátoroknak megfelelően robusztusnak kell lenniük, hogy túléljék a várt környezeti állapotokat. A rövidzárlattal komolyan fenyegető környezetekben az elektrolitszivárgásnak minimálisnak kell lennie.
Az energiatároló részek, mint a kondenzátorok, induktivitások és ferritgyöngyök, sebezhetők lehetnek a szikragyújtási paramétereknek való megfelelés szempontjából. A bennük tárolt rendelkezésre álló energiát korlátozni kell, hogy ne legyen elég energia a robbanékony légkör lángra lobbantásához. Az áramköröket a szikragyújtás kockázatával szemben általában valamiféle kapszulabevonattal védik.
Formatartó bevonatok
A formatartó bevonatok alapvetőek az elektronikus szerelvények hosszútávú teljesítményének és megbízhatóságának fejlesztéséhez. A termék fejlett védelmet kínál a porral, ütéssel, rezgéssel, vegyszerekkel, kosszal, kopással, gombával, párával és mechanikai hatásokkal szemben. A formatartó bevonatok közé tartoznak: egykomponensű UV fényre kötő gyanták, egy- és kétkomponensű szilikonok, egy- és kétkomponensű epoxigyanták, illetve egy speciális, költséghatékony latextejrendszer. Ha szeretne a zord környezetekkel kapcsolatos biztonsági tippeket kapni, töltse le The Ultimate Guide to Harsh Environment Ratings & Design (Útmutató a zord környezeti besorolásokhoz és dizájnhoz) e-könyvet.
IP-védettség és NEMA-besorolások
A lezárt burkolat feladata megakadályozni a víz vagy por bejutását. A lezárt térfogat magában foglalja az elektronikákat és védelmezi őket a zord környezetektől. A vonatkozó szabvány az IEC 60529 a Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság (IEC) megfogalmazása szerint. Ez a szabvány írja le a burkolat által az elektromos berendezéseknek nyújtott védelem típusait és fokozatait. Az IP-kód „IP XY” alakjában az X és Y számjegyek az apró szemcsék és a víz behatolása elleni védelmet jelölik. Általában a környezeti viszonyoknak, illetve pornak és párának kitett alkalmazások esetén használatosak. Tipikusan a tengeri berendezések, a tengeri olaj- és gázfúrótornyok, a biztonság, a világítás, a szabadidős tevékenységek és az élelmiszer-feldolgozás iparága használja.
Az Országos Elektromos Gyártók Szövetsége (NEMA) az IP-kódhoz (IEC 60529) hasonló, népszerű védelmi szabványt kínál. A NEMA 250 az IP-kódnál a zord környezeti viszonyok szélesebb tartományát fedi le. Ezenfelül besorolja a bel- és kültéri helyszíneket is, mind a veszélyeseket, mind a nem veszélyeseket. Néhány körülmény magában foglalja az idegen tárgyak (pl. por vagy rostok), víz, korrodáló anyagok behatolását, beleértve a különböző gázokat és légköri anyagokat. Az AE1360példa az IP66-os, NEMA 4-es fémdobozra, amelyet zord ipari környezetben történő elektronikus használatra terveztek. További részletekért a termékek IP- és NEMA-besorolásával kapcsolatban kattintson ide.
2. ábra: Fémdoboz, IP66, NEMA 4, elektromos/ipari, acél, 600 mm, 600 mm, 350 mm, IP66
Fontos szempontok a csatlakozókra vonatkozóan
A tervezőknek számos tényezőt figyelembe kell venniük, például a hőmérséklet, a tisztítószerek, a jegesedés, a sók, a pára, a korrózió és a gombák hatásait, a csatlakozók kiválasztásakor. A rossz választás hatással lehet az alkalmazás épségére, teljesítményére és élettartamára. Egy pár tényezőt muszáj megfontolni, amikor csatlakozót választunk zord környezetben történő használatra.
A kommunikációs protokoll kulcsfontosságú szempont kommunikációs alkalmazások esetén. A csatlakozók különböző jeleket hordoznak, például RS232 vagy I2C soros kapcsolatokat, RF adásokat, hang- és képjeleket, energiát vagy nagy sebességű adatkommunikációkat. Az adatsebességre és az adatok karakterisztikájára figyelmet kell fordítani. Ha energiaellátási igényekről van szó, a tervezőnek ellenőriznie kell a feszültség- és áramerősség-követelményeket.
A helyigénynek rendkívül pontosnak kell lennie a miniatürizálás korában. A modern alkalmazások folyamatosan lapkákra és olyan technológiákra váltanak, amelyek fejlett funkcionalitásuk mellett apró méretűek. A tervezőmérnököknek ügyelniük kell arra, hogy az igényeknek megfelelő csatlakozót válasszák.
A végelzáró típusa is fontos szempont. A zord környezeti csatlakozók fémes tömítéssel rendelkeznek az elektromos csatlakozás mellett. Az elektromos csatlakozást úgy érik el, hogy a csatlakozást közvetlenül vagy egy végelzárón keresztül a panelhez forrasztják. A csatlakozóknak árnyékolniuk kell az elektromágneses interferenciát (EMI) okozó sugárzásokat. Ez a sugárzás behatolhat a dobozba, és hátráltathatja az eszköz működését, vagy kiszökhet a dobozból, és zavarhatja a többi eszközt. Az optimális EMI-teljesítményt a zord környezetben néhány, külön erre a célra kiválasztott és vezetőképes tömítéssel és bevonatolt fémhüvellyel felszerelt csatlakozó biztosítja.
Az MRD sorozatú csatlakozók kiváló példák a zord ipari környezetben használt csatlakozókra, és elérhetők 2, 3, és 4-féle pozíciójú formában. A dobozopciók közé tartozik a teljesen műanyag szerkezet, valamint a nagyobb strapabírású fémzáras házak. A panelre szerelhető és kábelvégelzáró-opciók elérhetők ujjvédelemmel és anélkül is. IP67 víz és por elleni védelemmel bírnak, valamint megfelelnek a környezeti, egészségi és biztonsági követelményeknek is. További részletekért a csatlakozótermékekkel kapcsolatban kattintson ide.
