Überlegungen zum Design für raue Industrieumgebungen

Der Einsatz komplexer Elektronik- und Sensorgeräte zur Verbesserung und Erweiterung von Fertigungs-, Bearbeitungs- und Produktionsprozessen in industriellen Anwendungen ist nur möglich, wenn alle Komponenten und Bauelemente für die anspruchsvolle Umgebung geeignet sind. Systeme müssen heißen, feuchten und rauen Bedingungen sowie zerstörerischen elektrischen und magnetischen Feldern standhalten.

Die spezifischen Umweltbedingungen, unter denen ein Produkt verwendet wird, wirken sich auf seine Spezifikationen aus. Solche Spezifikationen müssen zu Beginn festgelegt werden. Anspruchsvolle Bedingungen in industriellen Anwendungen umfassen Partikeleintritt, extreme Temperatur, physische Einwirkung, elektrostatische Entladung (ESD), elektromagnetische Störung (EMI) und Vibration. Wenn diese Bedingungen nicht kontrolliert werden, werden elektronische Geräte im Laufe der Zeit zerstört. Dieser Artikel geht auf kritische Überlegungen zum Design für raue Industrieumgebungen ein.

Extreme Temperaturbedingungen und thermische Auslegung von Halbleitern

Hohe Temperaturen sind ein wichtiger Einflussfaktor in aggressiven Umgebungen. Ein kühles Klima ist für eine effiziente Betriebsleistung von elektronischen Geräten erforderlich. Das Mikroklima im Motorraum, wo die Umgebungstemperatur selten unter 125 °C fällt, ist toxisch. Verbrennungs- und Abgassensoren müssen in heißen, rauen Umgebungen funktionieren. Die Steuerschaltung zur Ansteuerung von Aktoren und Sensoren muss also aus Hochtemperaturelektronik bestehen.

Beim Einsatz in Hochtemperaturumgebungen muss Elektronik über eine aktive oder passive Kühlung verfügen, damit die jeweiligen Teile in ihrem entsprechenden Betriebstemperaturbereich gehalten werden. Das ist in den meisten realen Situationen unpraktisch. Die Robustheit von Halbleitern (IC) erstreckt sich auf den Betriebstemperaturbereich, den Ausfallschutz, die Handhabung eines hohen Maßes an elektrischem Rauschen und ESD. Robustheit ist ein entscheidender Leistungsfaktor für einen längeren Betrieb und stellt ein seriöses, zuverlässiges Endprodukt sicher. Beständigkeit ist ein Muss in einem industriellen Ökosystem, das durch extreme Betriebsbedingungen gekennzeichnet ist, mit IC-Temperaturen, die zwischen -40 °C und +85 °C schwanken. Einen Betrieb mit erhöhter Temperatur wird es weiterhin geben und in der Kfz-Industrie werden schließlich Betriebstemperaturen zwischen -40 °C und +125 °C zu sehen sein.

Thermische Probleme treten auf, wenn elektronische Geräte in einer luftdichten industriellen Innenumgebung verwendet werden. Die Geräte leiten Wärme ab, und steigende Temperaturen schädigen Geräte, wenn keine ausreichende Abhilfe geschaffen wird. Spannungsregler und Leistungs-ICs verwenden einen Überhitzungsschutz, um ein solches Szenario zu verhindern. Die Wahl von Gehäusen mit äußerst niedrigem Wärmewiderstand hilft, Wärme vom Gerät weg zu leiten. Wird das betreffende Gehäuse mit Aluminium-Wärmeleitrohren oder Kühlkörpern versehen, so wird ein geringerer Wärmewiderstandspfad zur Luft erreicht. Dadurch wird die Betriebstemperatur gesenkt und die längerfristige Zuverlässigkeit des Geräts erheblich verbessert.

Umgang mit Spannungstransienten

Falsche Verkabelung oder versehentliche Kurzschlüsse führen zu Spannungstransienten an Stromversorgungsleitungen. Diese Transienten können nachgelagerte Schaltungen schädigen, wenn die Eingänge ungeschützt bleiben. Eine einfache und diskrete Schaltung, bestehend aus einer Seriensicherung mit einer TVS-Diode (Überspannungsbegrenzung) oder Zenerdiode oder MOVs (Metalloxidvaristoren), wird in der Regel zum Schutz gegen die meisten Spannungstransienten verwendet.

Abbildung 1: MOV, Zenerdiode und TVS-Diode (Überspannungsbegrenzung)

Ein kontrollierterer Ansatz zum Umgang mit Überspannungs- und transienten Ereignissen besteht darin, die Reaktionsschaltung und den Schutzschwellenwert in einen IC zu integrieren. Interne Dioden und Komparatoren werden in mehreren Schutz- und Überwachungs-ICs ausgeführt, um jedes Mal ein definitives Ansprechen zu gewährleisten. Einige ICs enthalten Hochspannungsausfallsicherungen für Datenleitungen. Wenn normale Spannungspegel der Datenleitung überschritten werden, wird eine Ausfallsicherungseinrichtung aktiviert, um vor Beschädigungen zu schützen. Ein gutes Beispiel sind die Multiplexer der Baureihe MAX4708. Für weitere Informationen zu TVS-Produkten klicken Sie bitte hier.

Überlegungen zur Eigensicherheit

Eigensicherheit bezieht sich auf eine konstruierte Explosionsschutzmethode, welche die elektrische Schaltung abschirmt. Eigensichere Systeme schränken die Energie auch bei mehreren Ausfallbedingungen ein. Diese Barrieren werden verwendet, um die Energieabgabe zu begrenzen, wenn ein Bauelement oder ein Kabel ausfällt. Ziel ist es, eine Zündung zu unterbinden. Im Folgenden werden einige Empfehlungen zur Gestaltung von Eigensicherheitslösungen gegeben.

Die verwendeten Batterien müssen robust genug für die erwarteten Umgebungsbedingungen sein. Es darf nur eine minimale Menge Elektrolyt austreten, was im Umfeld schwerer Kurzschlüsse auftreten kann.

Energiespeichernde Teile wie Kondensatoren, Induktivitäten und Ferritperlen können die Einhaltung von Funkenzündparametern beeinträchtigen. Die darin gespeicherte verfügbare Energie muss begrenzt werden, damit nicht so viel Energie vorhanden ist, dass sich eine explosionsfähige Atmosphäre entzünden kann. Die Verkapselung dient zur Abschirmung von Schaltungen gegen die Gefahr einer Funkenzündung.

Schutzbeschichtungen

Schutzbeschichtungen sind unerlässlich, um die langfristige Leistung und Zuverlässigkeit elektronischer Baugruppen zu verbessern. Das Produkt bietet einen verbesserten Schutz vor Staub, Stößen, Vibrationen, Chemikalien, Schmutz, Abrieb, Pilzen, Feuchtigkeit und mechanischer Beanspruchung. Schutzbeschichtungen umfassen: UV-härtende Einkomponenten-Formulierungen, Ein- und Zweikomponenten-Silikone, Ein- und Zweikomponenten-Epoxide und ein spezialisiertes, kostengünstiges Latexsystem. Für weitere Sicherheitstipps für raue Industrieumgebungen laden Sie das E-Book The Ultimate Guide to Harsh Environment Ratings & Design (Der ultimative Leitfaden für Auslegung & Design für raue Umgebungen) herunter.

Auslegung von Schutzart (IP) und NEMA-Einstufung

Ein abgedichtetes Gehäuse wird verwendet, um das Eindringen von Wasser oder Staub zu verhindern. Das abgedichtete Raumvolumen dient dazu, Elektronik in rauen Umgebungen sicher unterzubringen. Die in diesem Zusammenhang anwendbare Norm ist die IEC 60529 der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC). Diese Norm legt die Anzahl der Schutzarten und Schutzgrade fest, die ein Gehäuse seinem elektrischen Gerät bietet. Der IP-Code selbst hat die Form „IP XY“, wobei die Ziffern X und Y den Schutz vor dem Eindringen von Partikeln bzw. Wasser bezeichnen. Sie werden häufig für Anwendungen verwendet, die Witterung, Staub oder Feuchtigkeit ausgesetzt sind. Typische Anwenderindustrien sind der Marinebereich, Offshore-Öl- und Gasplattformen, Sicherheit, Beleuchtung, Freizeit und Lebensmittelverarbeitung.

Die US-amerikanische Vereinigung National Electrical Manufacturers Association (NEMA) bietet einen gängigen Schutzgehäuse-Standard ähnlich dem IP-Code (IEC 60529). Der NEMA 250 deckt eine größere Anzahl rauer Bedingungen ab als der IP-Code. Er enthält zudem sowohl gefährliche als auch ungefährliche Nennwerte für Innen- und Außenbereiche. Solche Bedingungen umfassen das Eindringen von Fremdkörpern (wie Staub oder Fasern), Wasser und korrosiven Mitteln, einschließlich verschiedener Gase und Atmosphären. AE1360 ist ein Beispiel für Metallgehäuse (IP66, NEMA 4) für Elektrik in rauen Industrieumgebungen. Weitere Informationen zu Produkten gemäß IP und NEMA finden Sie hier.

Abbildung 2: Metallgehäuse, IP66, NEMA 4, Elektrik/Industrie, Stahl, 600 mm, 600 mm, 350 mm, IP66

Überlegungen zu Steckverbindern

Entwickler müssen bei der Auswahl von Steckverbindern mehrere Faktoren wie Temperatur, Lösungsmittel, Vereisung, Salzbelastung, Feuchtigkeit, Korrosion und Pilze berücksichtigen. Eine falsche Wahl kann sich auf die Integrität, Leistung und Lebensdauer der Anwendung auswirken. Bei der Auswahl von Steckverbindern für raue Umgebungen müssen einige Faktoren berücksichtigt werden.

Kommunikationsprotokolle sind für die Kommunikationsanwendung von zentraler Bedeutung. Steckverbinder übertragen verschiedene Signale, z. B. serielle RS232- oder I2C-Schnittstellensignale, HF-Übertragungen, Audio- und Videosignale, Leistung oder Hochgeschwindigkeitsdatenkommunikation. Die Höhe der Datenraten und die Eigenschaften müssen berücksichtigt werden. Wenn es um den Strombedarf geht, muss der Entwickler die Spannungs- und Stromanforderungen überprüfen.

Der Platzbedarf ist im Zeitalter der Miniaturisierung ein wesentlicher Aspekt. Alle modernen Anwendungen setzen weiterhin auf Chips und Technologien, die fortschrittliche Funktionalitäten in kleinen Formfaktoren bieten. Elektronikentwickler sollten darauf achten, Steckverbinder stets genau nach dem jeweiligen Bedarf auszuwählen.

Eine weitere Überlegung ist die Art des Anschlusses. Steckverbinder für raue Umgebungen sorgen neben der elektrischen Verbindung auch für eine metallische Abdichtung. Die elektrische Verbindung wird durch direktes Verlöten des Steckverbinders mit der Platine oder durch einen Kabelanschluss hergestellt. Steckverbinder müssen Bauelemente und Geräte vor allen elektromagnetischen Störungen (EMI) schützen. Diese Strahlung kann entweder in das Gehäuse gelangen und die Funktionalität des Geräts beeinträchtigen oder aus dem Gehäuse austreten und andere Geräte stören. Einige speziell ausgewählte Steckverbinder mit leitfähiger Dichtung und beschichteten Endgehäusen aus Metall sorgen für eine optimale EMI-Leistung in rauen Umgebungen.

Steckverbinder der Baureihe MRD sind ein hervorragendes Beispiel für industrielle Steckverbinder in rauen Umgebungen, die in Formfaktoren mit 2, 3 und 4 Positionen erhältlich sind. Zu den Gehäusemöglichkeiten gehören alle Kunststoffkonstruktionen sowie metallische Verschlusskörper für eine bessere Beständigkeit. Optionen zur Panelmontage und für Kabelabschlüsse sind mit oder ohne Fingerschutz erhältlich. Sie sind wasser-/staubdicht gemäß IP67 und erfüllen Umwelt-, Gesundheits- und Sicherheitsanforderungen. Für weitere Informationen zu Steckverbinder-Produkten klicken Sie bitte hier.

Abbildung 3: Steckverbinder der Baureihe MRD für raue Umgebungen