Konstruktionsöverväganden i industriell hårdmiljö
Användningen av sofistikerade elektroniska apparater och avkänningsanordningar för att förbättra och utöka tillverknings-, bearbetnings- och produktionsprocesser i industriella applikationer är endast möjligt om alla komponenter överlever den svåra miljön.Systemen måste tåla heta, fuktiga och hårda förhållanden och destruktiva elektriska och magnetiska fält.
De specifika miljöförhållanden som en produkt använder påverkar dess specifikationer.Sådana specifikationer måste bestämmas i början.Svåra förhållanden i industriella applikationer inkluderar partikelintrång, extrem temperatur, fysisk påverkan, elektrostatisk urladdning (ESD), elektromagnetisk störning (EMI) och vibrationer.Om de inte är markerade kommer alla dessa förhållanden att förstöra elektronisk utrustning över tiden.Denna artikel diskuterar kritiska konstruktionsöverväganden i en hård industriell miljö.
Hård temperatur och termiskt övervägande för halvledare
Höga temperaturer är en viktig bidragsgivare till en straffande miljö.Ett kallt klimat är en nödvändighet för effektiv drift av elektroniska apparater.Mikroklimatet inuti bilhuven är giftigt där omgivningstemperaturen sällan sjunker under 125 °C. Förbrännings- och avgassensorer måste fungera i uppvärmda, tuffa miljöer.Elektronik med hög temperatur måste utgöra styrkretsarna som administrerar ställdonen och sensorerna.
Vid användning i miljöer med hög temperatur måste elektronik ha aktiv eller passiv kylning för att hålla delar inom respektive driftstemperaturområde.Detta är opraktiskt i de flesta verkliga situationer.Semiconductor (IC) robusthet inkluderar driftstemperaturområde, felskydd, hantering av högt elektrisk brus och ESD.Robusthet är en avgörande prestationsfaktor för en förlängd drift och för att tillhandahålla en ansedd, pålitlig slutprodukt.Hållbarhet är ett måste i ett industriellt ekosystem som kännetecknas av extrema driftsförhållanden, med IC temperaturer som rör sig mellan -40 °C och + 85 °C. Drift med förhöjd temperatur är här för att stanna och bilindustrin kan så småningom bevittna arbetstemperaturer mellan -40 °C och + 125 °C.
Termiska problem dyker upp när elektroniska enheter förvaras i en lufttät industriell inomhusmiljö.Enheterna släpper ut värme och stigande temperaturer kommer att skada enheter om de hanteras felaktigt.Spänningsregulatorer och IC kretsar använder termiska avstängningar för att förhindra ett sådant scenario.Att välja paket med superlåga termiska impedanser hjälper till att överföra värme från enheten.Tillsatsen av aluminiumvärmeledningar eller kylflänsar i det aktuella fallet tillhandahåller en lägre värmeimpedansväg till luft.Detta minskar drifttemperaturen och förbättrar dess långsiktiga tillförlitlighet.
Hantera spänningstransienter
Felaktig kabeldragning eller oavsiktliga kortslutningar gör spänningstransienter på strömförsörjningsledningar.Dessa transienter kan skada nedströms kretsar om ingångarna förblir oskyddade.En enkel och diskret krets som består av en seriesäkring med en Transient-Voltage Suppressor (TVS) diod eller Zener diod eller Metal Oxide Varistors (MOV) används vanligtvis för att skydda mot de flesta spänningstransienter.
Figur 1:MOV, Zener diod och TVS diod (spänningsövergående dämpare)
Ett mer kontrollerat tillvägagångssätt för att hantera överspänning och övergående händelser är att integrera reaktionskretsarna och skyddströskel i en IC.Interna dioder och komparatorer är utformade i flera skydds- och övervaknings ICs för att säkerställa ett definitivt svar varje gång.Några IC apparater inkluderar högspänningsfelsäkerhetsåtgärder för datalinjer.En felsäkerhetsanordning låses fast när normala dataledningars spänningsnivåer överskrids för att skydda sig själva från skador.Ett bra exempel är MAX4708 multiplexerfamiljen.För mer information om produkter för transient spänningsdämpare, klicka här.
Inneboende säkerhetsöverväganden
Inre säkerhet avser en designad explosionsskyddsmetod som skyddar den elektriska kretsen.Egensäkra system begränsar energi även när det finns flera felförhållanden.Dessa barriärer används för att begränsa den urladdade energin om en komponent eller ledningar misslyckas.Målet är att stoppa tändningen.Några rekommendationer för inneboende säkerhetsdesign beskrivs i följande innehåll.
Batterier som används måste vara tillräckligt robusta för att överleva förväntade miljöförhållanden.Det ska vara minimalt elektrolytläckage vilka kan inträffa under svåra kortslutningsmiljöer.
Energilagringsdelar som kondensatorer, induktorer och ferritpärlor kan vara sårbara för överensstämmelse med gnisttändningsparametrar.Den lagrade tillgängliga energin i dem måste begränsas så att det inte finns tillräckligt med energi för att antända en explosiv atmosfär.Inkapsling används för att skydda kretsar mot eventuella risker för gnisttändning.
Konforma beläggningar
Konforma beläggningar är viktiga för att förbättra den långsiktiga prestandan och tillförlitligheten hos elektroniska enheter.Produkten erbjuder förbättrat skydd mot damm, stötar, vibrationer, kemikalier, smuts, nötning, svamp, fukt och mekanisk belastning.Konforma beläggningar inkluderar: en del UV härdande formuleringar, en och två delar silikon, en och två delar epoxier, och ett specialiserat, kostnadseffektivt latexsystem.För att lära dig mer om säkerhetstips i tuffa industriella miljöer, hämta hem e-boken The Ultimate Guide to Harsh Environment Ratings & Design.
Ingress Protection (IP) och NEMA Ratings
Ett förseglat hölje används för att förhindra inträngande av vatten eller damm.Den förseglade volymen av utrymmet används för att skydda elektronik i tuffa miljöer.Den kontextuella standarden är IEC 60529, enligt definitionen av International Electrotechnical Commission (IEC).Denna standard anger antalet typer och skyddsgrader som en kapsling tillhandahåller den elektriska utrustningen.IP koden i sig har formen "IP XY" där siffrorna X och Y betecknar skydd mot partikelintrång respektive vatten.De används ofta för applikationer som utsätts för elementen tillsammans med damm eller fukt.Typiska användarindustrier inkluderar marina, offshore olje- och gasplattformar, säkerhet, belysning, fritid och livsmedelsbearbetning.
National Electrical Manufacturers Association (NEMA) erbjuder en populär standard för skyddshöljen som liknar IP koden (IEC 60529).NEMA 250 täcker ett bredare område av svåra förhållanden än IP koden.Det inkluderar även klassificeringar, både farliga och icke farliga, för platser inomhus och utomhus.Sådana förhållanden inkluderar intrång av främmande föremål (som damm eller fibrer), vatten och frätande ämnen, inklusive olika gaser och atmosfärer.AE1360 är ett exempel på IP66, NEMA 4 metallhölje för elektrisk användning i en hård industriell miljö.Klicka här för mer information om IP och NEMA klassificeringsprodukter.
Figur 2:Metallhölje, IP66, NEMA 4, elektriskt/industriellt, stål, 600 mm, 600 mm, 350 mm, IP66
Överväganden för kontakter
Designers måste ta hänsyn till flera faktorer som påverkan av temperatur, lösningsmedel, glasyr, salt exponering, fukt, korrosion och svamp under val av kontaktdon.Ett felaktigt val kan påverka applikationens integritet, prestanda och livslängd.Några faktorer måste beaktas när du väljer kontakter för tuffa miljöer.
Kommunikationsprotokoll är en viktig faktor för kommunikationsapplikationen.Kontaktdon har olika signaler som RS232 eller I2C seriella gränssnitt, RF överföringar, ljud- och videosignaler, kraft eller höghastighetsdatakommunikation.Nivån av datahastigheter och egenskaper bör beaktas.När det gäller strömbehov bör designern kontrollera spänning och strömkrav.
Utrymmeskraven är höga i miniatyriseringens era.Alla moderna applikationer fortsätter att växla till chips och tekniker som tillhandahåller avancerade funktioner inom små formfaktorer.Designingenjörer bör vara noga med att välja kontakter enligt behov.
Uppsägningsstil är ett annat övervägande.Kontaktdon för hård miljö tillhandahåller metallisk tätning tillsammans med en elektrisk anslutning.Denna elektriska anslutning uppnås genom att lödda kontakten direkt på kortet eller genom en kabelavslutning.Kontaktdon måste skydda komponenter från alla strålningar från elektromagnetisk störning (EMI).Denna strålning kan antingen passera in i lådan och hindra enhetens funktionalitet eller lämna lådan och störa andra enheter.Några speciellt utvalda kontakter som är utrustade med en ledande packning och pläterade metallskal säkerställer optimal EMI prestanda i tuffa miljöer.
MRD seriekontakter är ett utmärkt exempel på industriella hårda miljökontakter, tillgängliga i 2, 3 och 4 läges formfaktorer.Kapslingsalternativen inkluderar alla plastkonstruktioner samt metallkroppar för större hållbarhet.Panelfäste och kabelavslutningsalternativ finns med eller utan fingerskydd.De är IP67 vatten-/dammtäta och uppfyller miljö-, hälso- och säkerhetskraven.Klicka här för mer information om anslutningsprodukter.
