Gli involucri adatti per garantire progetti elettronici sicuri e resistenti alle intemperie a lungo termine

Per molti progettisti fai-da-te o di prototipazione, una volta definita la componente elettronica del progetto, la ricerca di un involucro adatto è spesso rimandata fino all'ultimo minuto. Non è un male se il progetto è destinato all'uso al chiuso, su una scrivania o contro una parete, almeno temporaneamente. Ma se è destinato all'uso all'aperto per lunghi periodi, soccomberà rapidamente alle intemperie o subirà danni, intenzionali o meno, dovuti a manomissioni dolose o vandalismo.

È difficile realizzare un involucro appropriato utilizzando i materiali disponibili, e anche se gli involucri pronti all'uso possono soddisfare i requisiti di robustezza, potrebbero non essere della giusta dimensione, essere troppo vulnerabili alle manomissioni e mancare di criteri estetici accettabili. Questi ultimi due fattori possono essere problematici se sono destinati all'esterno di un'abitazione o di un edificio commerciale.

Per i piccoli involucri per progetti elettronici di dimensioni contenute o destinati all'esterno, è meglio optare per una linea in policarbonato ufficialmente qualificata IP68 in grado di sigillare i componenti elettronici in modo efficace contro le intemperie.

In questo articolo si parlerà degli effetti della pioggia, delle temperature estreme e della luce solare sui sistemi elettronici e sui loro involucri. Descriverà poi le implicazioni della protezione IP68 prima di introdurre gli involucri di Hammond Manufacturing con guarnizioni che soddisfano esigenze sia fisiche che estetiche.

Perché gli involucri elettronici devono garantire la protezione dall'ambiente

I sistemi elettronici utilizzati all'esterno sono suscettibili di deterioramento a causa del calore, del freddo, dell'umidità, della luce solare diretta - in particolare i raggi ultravioletti (UV) - e delle manomissioni fisiche. Sono inoltre soggetti a molte sorgenti di rumore elettrico ed elettromagnetico. I progettisti possono tener conto degli estremi di temperatura progettando circuiti adeguati, valutando il declassamento dei componenti e le tecniche di gestione termica, ad esempio usando dissipatori, ventole e riducendo al minimo il consumo energetico complessivo. Le vibrazioni possono essere compensate montando le schede elettroniche su isolatori di vibrazioni e il rumore elettrico e RF può essere mitigato utilizzando filtri, bobine di arresto e tecniche di messa a terra opportune.

Tuttavia, l'umidità è particolarmente pericolosa. Se le particelle d'acqua penetrano in un sistema possono aumentare l'umidità e portare alla condensazione, seguita dalla corrosione e dal deterioramento finale nel tempo degli strati di passivazione dei semiconduttori, dei giunti di saldatura e dei collegamenti fisici. Se combinati con altri contaminanti come polvere e detriti che possono infiltrarsi nell'involucro prima della chiusura, gli effetti dannosi si moltiplicano. L'umidità influisce sui componenti in vari modi, di natura elettrochimica, galvanica, anodica e catodica. Tutti rappresentano un pericolo per l'affidabilità dei componenti elettronici, alcuni impercettibili, altri più evidenti (Figura 1).

Figura 1: Gli effetti dell'umidità sui componenti elettronici, sulle schede e sulle interconnessioni possono essere molto dannosi nel tempo. (Immagine per gentile concessione di PCFixit.au)

Gli effetti dell'ingresso di umidità possono essere mitigati con tecniche come il posizionamento di resine epossidiche o gel su componenti critici. Per i sistemi prodotti in serie, la tropicalizzazione da 20 a 50 micron, o anche fino a 100 micron in casi estremi, può rivestire l'intera scheda CS ed essere una buona soluzione. Tuttavia, alcuni componenti, come gli interruttori DIP, i resistori variabili e i portabatterie non sono adatti alla tropicalizzazione. Inoltre, la tropicalizzazione può non ricoprire completamente i bordi, lasciando esposte le tracce e le connessioni alla corrosione.

L'effetto dell'umidità dipende dal calore e dall'umidità relativa. Le linee guida dei test completi di umidità per le apparecchiature esterne sono affrontate dalla norma ETSI EN 300 019-1-4 V2.2.1 (2014-04) "Ingegneria ambientale (EE); Condizioni ambientali e prove ambientali per apparecchiature di telecomunicazione; Parte 1-4: Classificazione delle condizioni ambientali; Uso stazionario in luoghi non protetti dalle intemperie".

Si tratta di una guida utile per gli hobbisti, essenziale per i professionisti, che classifica le varie condizioni cui può essere soggetto un dispositivo: sismico, terremoto, scossa, radiazione solare e temperatura. Suddivide inoltre le classi ambientali in acqua, precipitazioni, formazione di muffe, infestazione da parte di animali (es., termiti) e salinità dell'aria. Include anche alcune buone definizioni che sono direttamente rilevanti a questo caso e sottolineano l'importanza dell'umidità:

• Umidità assoluta: massa di vapore acqueo in grammi associata a un metro cubo di aria secca in una miscela di aria e vapore acqueo.
• Posizione non protetta dalle intemperie: posizione in cui l'apparecchiatura non è protetta dalle influenze meteorologiche dirette.
• Umidità relativa: rapporto tra la pressione parziale del vapore acqueo in aria umida a una data temperatura e la pressione parziale del vapore acqueo in aria satura alla stessa temperatura.
• Uso stazionario: utilizzo dell'apparecchiatura montata saldamente sulla struttura o su dispositivi di montaggio, oppure posizionata in modo permanente in un determinato luogo.

Per i progettisti, tuttavia, la prevenzione è sempre meglio della cura. Qui entra in gioco il grado di protezione internazionale (IP) IP68.

Che cos'è IP68?

Chiamati anche protezione dalle infiltrazioni, i codici IP derivano dalla norma EN 60529 e assegnano due cifre a indicare il grado di protezione fornito rispetto alla polvere e all'umidità (Figura 2). Le assegnazioni classificano il grado di protezione fornito contro l'intrusione di oggetti solidi, come le dita e le mani, così come la polvere e l'acqua. L'obiettivo è quello di far chiarezza su termini altrimenti vaghi e soggettivi come "impermeabile".

La prima cifra dopo IP si riferisce ai solidi, la seconda ai liquidi. Quindi, nel caso di IP68, un sistema è conforme se è totalmente protetto dalla polvere (6) e da lunghi periodi sotto getti d'acqua o immersione sotto pressione (8).

Figura 2: I codici IP assegnano una cifra a indicare il grado di protezione di un sistema contro la sporcizia (sinistra) e l'umidità (destra). (Immagine per gentile concessione di focusondrives.com)

Come soddisfare i requisiti IP68

Anche se è possibile progettare un involucro IP68 da zero, non c'è davvero bisogno di reinventare la ruota quando aziende come Hammond Manufacturing hanno già fatto il lavoro di base. Gli involucri serie 1557 per ambienti difficili sono progettati con materiale in policarbonato stabilizzato UV per soddisfare i requisiti IP68, pur curando anche l'aspetto estetico, con un look "moderno" e curve "morbide" in due colori: nero e grigio chiaro (Figura 3).

Figura 3: Gli involucri serie 1557 soddisfano sia i requisiti IP68 che l'estetica, offrendo al contempo una varietà di opzioni di montaggio. (Immagine per gentile concessione di Hammond Manufacturing)

La serie 1557 ha una classe di infiammabilità UL94-5VA e assicura la protezione contro l'infiltrazione di polvere, olio e acqua utilizzando una costruzione a incastro in due pezzi con una guarnizione in silicone elencato UL per alte temperature, modello 1557BGGASKET (Figura 4).

Figura 4: 1557BGASKET è realizzata in silicone elencato UL e aiuta il contenitore 1557 nella conformità IP68. (Immagine per gentile concessione di Hammond Manufacturing)

Il coperchio viene poi fissato con viti a macchina M4 in acciaio inox, modello SC576-50 (Figura 5). Queste viti sono filettati in boccole resistenti alla corrosione che ne consentono ripetutamente il montaggio e lo smontaggio, ad esempio durante la fase di prototipazione del progetto.

Figura 5: Le viti a macchina modello SC576-50 M4 si filettano saldamente in boccole resistenti alla corrosione per consentire ripetutamente il montaggio e lo smontaggio. (Immagine per gentile concessione di Hammond Manufacturing)

La serie 1557 è disponibile in un'ampia gamma di dimensioni per soddisfare svariate esigenze applicative ed è fornita in numerose opzioni di montaggio, anche per scheda CS, per la flessibilità di posizionamento. Le dimensioni si basano su quattro misure di base, ciascuna in due altezze e sono:

• Pianta 80 x 80 mm, in altezza di 45 mm o 60 mm
• Pianta 120 x 120 mm, 160 x 160 mm e 200 x 200 mm, in altezze di 45 mm o 70 mm

Le opzioni di montaggio sono illustrate (sempre Figura 3):

• Montaggio con flangia a parete, per impieghi gravosi (piedini di montaggio verso l'esterno)
• Montaggio a parete incassato (piedini di montaggio simili a fori a buco di serratura)
• Da banco/scrivania (piedini in gomma inclusi)

Ogni opzione ha una destinazione d'uso specifica. Il modello per montaggio a parete per impieghi gravosi prevede una serie di due o quattro linguette di montaggio che sono avvitate saldamente sul retro dell'involucro. Le linguette sporgono dal bordo dell'involucro consentendo all'utente di montare saldamente l'involucro sulla parete utilizzando la minuteria di propria scelta. Questa configurazione è ideale per applicazioni in cui la sicurezza è fondamentale e l'installazione è permanente.

Il modello incassato prevede le stesse linguette del montaggio a parete, salvo che queste sono capovolte e installate nelle cavità sul retro dell'involucro. In questa configurazione, le linguette fungono da foro a buco di serratura offrendo un aspetto più elegante e incassato. Questa configurazione è ideale anche per le applicazioni in cui l'involucro verrà temporaneamente fissato al muro.

Ogni involucro include quattro piedini in gomma adesivi per l'utilizzo in modalità da banco/scrivania. In questa modalità, le linguette per il montaggio a parete non vengono più utilizzate e i piedini di gomma vengono posizionati in ciascun angolo. In ogni angolo è presente un'area incassata, dimensionata per i piedini, per garantire il corretto posizionamento, mantenere un profilo più ribassato e mantenere saldamente in posizione i piedini. Se necessario, è possibile ordinare altri piedini in gomma, modello 1421T6CL.

Gli accessori forniti con gli involucri includono serrafili/pressacavi a tenuta di liquido e kit di montaggio su asta.

Conclusione

Molto del lavoro di sviluppo si concentra sulla progettazione dei componenti elettronici, al punto che i progettisti possono sottovalutare l'importanza della scelta di un contenitore appropriato per applicazioni destinate all'aperto. Senza una protezione adeguata, l'umidità, le temperature estreme, la polvere, l'olio e altri contaminanti possono compromettere l'integrità elettrica e strutturale di un progetto.

Tuttavia, questi involucri sono difficili da progettare. Scegliendo involucri pronti all'uso che soddisfano i requisiti IP68, i progettisti possono realizzare rapidamente un progetto che soddisfi le sfide per l'uso all'aperto prolungato nel tempo.