Aspekty návrhů v náročném průmyslovém prostředí
Použití sofistikovaných elektronických a snímacích zařízení ke zlepšení a rozšíření výrobních a obráběcích procesů v průmyslových aplikacích je možné pouze tehdy, pokud všechny součásti dokáží vydržet v náročném prostředí. Systémy musí vydržet horké, vlhké a drsné podmínky a destruktivní elektrická a magnetická pole.
Specifické podmínky prostředí, ve kterých je produkt používán, ovlivňují jeho technické parametry. Tyto specifikace musí být stanoveny na začátku. Mezi obtížné podmínky v průmyslových aplikacích patří vnikání částic, extrémní teplota, fyzický dopad, elektrostatický výboj (ESD), elektromagnetické rušení (EMI) a vibrace. Všechny tyto podmínky, pokud nejsou kontrolovány, časem zničí elektronická zařízení. Tento článek pojednává o kritických aspektech návrhu v drsném průmyslovém prostředí.
Nepříznivá teplota a tepelné úvahy polovodičů.
Vysoké teploty významně přispívají k destruktivnímu prostředí. Chladné klima je nutností pro efektivní provozní výkon elektronického zařízení. Mikroklima uvnitř kapoty automobilu je nepříznivé, kde okolní teplota zřídka klesne pod 125 °C. Čidla spalování a výfukových plynů musí fungovat v horkém a drsném prostředí. Vysokoteplotní elektronika musí tvořit řídicí obvody spravující akční členy a snímače.
Při použití v prostředí s vysokou teplotou musí mít elektronika aktivní nebo pasivní chlazení, aby se součásti udržovaly v příslušných rozsazích provozní teploty. To je ve většině reálných situací nepraktické. Robustnost polovodičů (IC) zahrnuje rozsah provozních teplot, ochranu proti poruchám, správu vysokého elektrického šumu a ESD. Robustnost je rozhodujícím faktorem výkonu pro delší provoz a získává renomovaný a spolehlivý finální produkt. Odolnost je nutností v průmyslovém ekosystému charakterizovaném extrémními provozními podmínkami, kdy se teploty IC pohybují kdekoli mezi -40 °C až + 85 °C. Provoz se zvýšenou teplotou tu bude vždy a automobilový průmysl může být nakonec svědkem pracovních teplot mezi -40 °C až + 125 °C.
Tepelné problémy se objevují, když jsou elektronická zařízení uchovávána ve vzduchotěsném průmyslovém vnitřním prostředí. Zařízení rozptylují teplo a stoupající teploty poškodí zařízení v případě nesprávného zacházení. Regulátory napětí a výkonové integrované obvody používají tepelná vypnutí, aby se zabránilo takovému scénáři. Výběr balíčků se super nízkými tepelnými impedancemi pomáhá přenášet teplo pryč ze zařízení. Přidání hliníkových tepelných trubic nebo chladičů k danému případu nabízí cestu s nižší tepelnou impedancí do vzduchu. To snižuje provozní teplotu a výrazně zvyšuje dlouhodobou spolehlivost.
Správa přechodových napětí
Nesprávné zapojení nebo náhodné zkraty způsobují přechodové napětí na napájecích vedeních. Tyto přechodové jevy mohou poškodit následné obvody, pokud vstupy zůstanou nechráněné. Jednoduchý a diskrétní obvod skládající se ze sériové pojistky s diodou Transient-Voltage Suppressor (TVS) nebo Zenerovou diodou nebo varistory Metal Oxide Varistors (MOV) se obvykle používá k ochraně proti většině přechodových napětí.
Obrázek 1: Dioda MOV, Zenerova dioda a TVS (potlačení přechodového napětí)
Řízenějším přístupem k řízení přepětí a přechodných událostí je integrace reakčních obvodů a prahové hodnoty ochrany do IC. Interní diody a komparátory jsou navrženy do více ochranných a kontrolních integrovaných obvodů, aby byla vždy zajištěna definitivní odezva. Několik integrovaných obvodů obsahuje vysokonapěťové ochrany proti poruchám pro datové linky. Při překročení normálních úrovní napětí datové linky se zařízení zabezpečené proti chybám zablokuje, aby se chránilo před poškozením. Dobrým příkladem je řada multiplexerů MAX4708. Další informace o produktech potlačujících přechodné napětí získáte kliknutím zde.
Jiskrová bezpečnost
Jiskrová bezpečnost se týká navržené metody ochrany proti výbuchu chránící elektrický obvod. Jiskrově bezpečné systémy omezují energii, i když existuje několik poruchových stavů. Tyto bariéry se používají k omezení vybíjené energie, pokud selže součást nebo kabeláž. Cílem je zastavit zapalování. Několik doporučení pro návrh vnitřní bezpečnosti je popsáno v následujícím obsahu.
Použité baterie musí být dostatečně odolné, aby přežily očekávané podmínky prostředí. Mělo by docházet k minimálnímu úniku elektrolytu, ke kterému může dojít při silném zkratovém prostředí.
Části akumulující energii, jako jsou kondenzátory, induktory a feritové korálky, mohou být citlivé na dodržování parametrů zapalování. Uložená dostupná energie v nich musí být omezena, aby nebylo dost energie na zapálení výbušné atmosféry. Zapouzdření se používá ke stínění obvodů před jakoukoli pravděpodobností vznícení.
Konformní povlaky
Konformní povlaky jsou nezbytné pro zvýšení dlouhodobého výkonu a spolehlivosti elektronických sestav. Produkt nabízí zvýšenou ochranu proti prachu, nárazům, vibracím, chemikáliím, špíně, otěru, plísním, vlhkosti a mechanickému namáhání. Konformní povlaky zahrnují: jednosložkové formule vytvrzované UV zářením, jedno a dvousložkové silikony, jedno a dvousložkové epoxidy a specializovaný a nákladově efektivní latexový systém. Chcete-li se dozvědět více o bezpečnostních tipech v náročném průmyslovém prostředí, stáhněte si elektronickou knihu The Ultimate Guide to Harsh Environment Ratings & Design.
Ochrana proti vniknutí (IP) a hodnocení NEMA
K zabránění vniknutí vody nebo prachu se používá uzavřený kryt. Uzavřený objem prostoru se používá k uložení elektroniky v náročném prostředí. Kontextovou normou je IEC 60529, jak ji definuje Mezinárodní elektrotechnická komise (IEC). Tato norma stanoví počet typů a stupňů ochrany, které poskytuje kryt elektrického zařízení. Samotný kód IP nese tvar „IP XY“, kde číslice X a Y označují ochranu před vniknutím částic a vody. Obvykle se používají pro aplikace vystavené povětrnostním vlivům spolu s prachem nebo vlhkostí. Typická odvětví uživatelů zahrnují námořní, ropné a plynové platformy na moři, bezpečnost, osvětlení, volný čas a zpracování potravin.
Národní asociace výrobců elektřiny (NEMA) nabízí populární standard ochranných krytů podobný předpisu IP (IEC 60529). NEMA 250 pokrývá širší škálu náročných podmínek než IP kód. Zahrnuje také bezpečné i nebezpečné hodnocení pro vnitřní i venkovní prostředí. Mezi takové podmínky patří vniknutí cizích předmětů (například prachu nebo vláken), vody a korozivních látek, včetně různých plynů a atmosféry. AE1360 je příkladem kovového krytu IP66, NEMA 4 pro elektrické použití v náročném průmyslovém prostředí. Další informace o produktech s hodnocením IP a NEMA získáte kliknutím sem.
Obrázek 2: Kovový kryt, IP66, NEMA 4, elektrické/průmyslové, ocel, 600 mm, 600 mm, 350 mm, IP66
Pokyny pro konektory
Designéři musí při výběru konektorů vzít v úvahu několik faktorů, jako je vliv teploty, rozpouštědel, námrazy, vystavení solím, vlhkosti, korozi a plísním. Špatná volba může ovlivnit integritu, výkon a životnost aplikace. Při výběru konektorů pro náročná prostředí je třeba vzít v úvahu několik faktorů.
Komunikační protokoly jsou klíčovým hlediskem komunikační aplikace. Konektory přenášejí různé signály, jako jsou sériové rozhraní RS232 nebo I2C, vysokofrekvenční přenosy, zvukové a obrazové signály, napájení nebo vysokorychlostní datová komunikace. Měla by být zohledněna úroveň datových rychlostí a technické specifikace. Pokud jde o energetické potřeby, měl by konstruktér zkontrolovat požadavky na napětí a proud.
V době miniaturizace jsou nároky na prostor obtížné. Všechny moderní aplikace nadále přecházejí na čipy a technologie, které poskytují pokročilé funkce v malých provedeních. Konstruktéři by měli být opatrní při výběru konektorů podle požadavků.
Typ koncovek je další faktor ke zvážení. Konektory v náročném prostředí zajišťují kovové těsnění spolu s elektrickým připojením. Toto elektrické připojení je dosaženo pájením konektoru přímo na desku nebo kabelovým zakončením. Konektory musí chránit komponenty před veškerým elektromagnetickým rušením (EMI). Toto záření může buď procházet do skříňky a bránit funkčnosti zařízení, nebo opouštět skříň a rušit ostatní zařízení. Několik speciálně vybraných konektorů vybavených vodivým těsněním a pokovenými kovovými kryty zajišťuje optimální výkon EMI v náročném prostředí.
Konektory řady MRD jsou vynikajícím příkladem konektorů pro náročné průmyslové prostředí, které jsou k dispozici ve 2, 3 a 4 polohových provedeních. Možnosti krytu zahrnují všechny plastové konstrukce a kovová uzamykací tělesa pro větší odolnost. Možnosti montáže na panel a kabelové zakončení jsou k dispozici s ochranou proti otiskům prstů nebo bez ní. Jsou odolné vůči vodě a prachu (IP67) a splňují požadavky na ochranu životního prostředí, zdraví a bezpečnost. Další informace o konektorových produktech najdete zde.
