Основні відомості про корпуси для електронних пристроїв

Корпус є завершальним елементом пристрою, який впливає на його функційність, тому він є важливим етапом конструювання приладу.

Під час конструювання необхідно враховувати такі основні чинники як умови експлуатації пристрою та параметри робочого середовища:

робочу температуру;

діапазон зміни температури;

вібрації при експлуатації;

стійкість до вологи;

кліматичні умови (помірний клімат, тропічний, умови пустині, робота за полярним кругом);

пристрій експлуатуватиметься як стаціонарний чи переносний;

протипожежну безпеку;

стійкість до завад (екранування).

При конструюванні пристрою слід враховувати групу клієнтів, до котрих буде скеровано остаточний виріб та ціну, яку вони можуть за нього заплатити. Це визначає естетику вигляду, виконання та якість. виготовлення конструкції і корпусу.

При виготовленні корпусів невигідно робити власну механічну конструкцію. Краще скористатись фабрично виготовленим корпусом чи системою корпусів, чи рам до монтування. Це зекономить багато часу, а, відповідно, і коштів.

Матеріали корпусів. Матеріал корпусу в значній мірі впливає на його властивості. Сталь є дуже витривалою, але важка і, якщо не захищена поверхнево, то легко піддається корозії. Зі значно легших алюмінієвих профілів, чи формочок, відлитих під тиском, чи з бляхи можна будувати функціональні корпуси. Штучні матеріали - це широка гама виробів, котрі мають дуже добрі властивості щодо механічної стійкості, можливість легкої обробки, термостійкість і теплостійкість.

Більшість штучних матеріалів, які використовуються для виготовлення корпусів є нестійкими до сонячного світла (ультрафіолетове випромінювання). Це з часом призводить до тріскання корпусів. До деяких матеріалів додаються послаблювачі ультрафіолетового світла, що значно збільшує стійкість до впливу сонячного світла.

Рекомендації щодо пожежостійкості корпусів. Небезпека пожежі може статися як у нормальних умовах, так і в умовах перевантаження внаслідок порушення працездатності компонентів, пробою ізоляції, високого опору або порушення з'єднань. Полум'я, що виникло всередині обладнання, не повинно поширюватися за межі джерела загоряння і викликати пошкодження поза устаткуванням.

Для зменшення таких небезпек:

використовувати конструктивні матеріали відповідного класу вогнестійкості там, де це необхідно;

правильно обирати конструктивні елементи та компоненти для запобігання появи високої температури, яка може викликати загоряння;

обмежити кількість використовуваних горючих матеріалів;

екранувати або відокремити використовувані горючі матеріали;

Застосувати для обмеження поширення полум'я всередині обладнання захисні кожухи або екрани.

Відведення тепла з корпусів. Відведення тепла з корпусу відіграє важливу роль. Важливо звернути увагу, що зниження температури тільки на кілька градусів може продовжити міжаварійний час служби на тисячі годин. Тепло може відводитись натуральною конвекцією або через вимушене охолодження (див. також розділ “Вентилятори”).

Вентилятори

Великий ступінь інтеграції і збільшена густина упакування електронних та електричних елементів спричиняють те, що навіть малі витрати потужності в окремих елементах спричиняють проблеми із відведенням тепла.

При збільшеній робочій температурі зростає аварійність і зменшується час служби пристроїв і напівпровідникових елементів. Тому дуже важливою проблемою є відведення надміру тепла. Найпростішим вирішенням є використання вентилятора. Він може навіювати холодне повітря або витягати тепле повітря з об’єму. Найкориснішим вирішенням з точки зору максимального терміну служби вентилятора є навіювання холодного повітря. Охолоджується також вентилятор, а в пристрої виникає певний надлишковий тиск. Найчастіше використовуваними видами вентиляторів є:

Осьові вентилятори, котрі домінують в електричних пристроях. Їх виготовляють в різних виконаннях, з різною продуктивністю, з різними рівнями надлишкового тиску, рівня шуму і т.д. Осьові вентилятори виготовляються також з кульковими підшипниками або підшипниками ковзання. Вентилятори із підшипниками ковзання зазвичай використовуються у пристроях широкого вжитку, але там, де ставляться високі вимоги щодо часу служби, надійності і роботи при високих температурах застосовуються кулькові підшипники. Вентилятори із кульковими підшипниками необхідно монтувати у горизонтальному положенні. З метою збільшення продуктивності можна застосовувати два вентилятори розташовані паралельно близько один від одного, на тій самій стіні. Якщо натомість вимагається вищий надлишковий тиск повітря, потрібно використати два вентилятори, розміщені послідовно в тому самому каналі.

Рис. 1. Осьовий вентилятор: висока швидкість обдування

при середньому тиску.

Повітряний потік в осьових вентиляторах з круглим пропелером проходить в основному паралельно осі обертання. При відсутності зустрічного повітряного потоку осьові вентилятори при постійній швидкості обертання мають саму низьку споживану потужність. Але вона збільшується при виникненні зустрічного повітряного потоку. Осьові вентилятори найчастіше застосовуються для охолодження електронної апаратури. Вони мають зовнішній кожух і електродвигун, вбудований в стакан вентилятора. Ця компактна конструкція дозволяє заощадити місце для розміщення інших вузлів устаткування. Кожух вентилятора містить монтажні отвори для кріплення.

Діагональні вентилятори. На перший погляд діагональні вентилятори тільки злегка відрізняються від осьових вентиляторів (рис. 2). Забір повітря відбувається в осьовому напрямку, а випуск його - в діагональному. Кругова швидкість повітряного потоку в концентраторі пропелера вентилятора збільшується завдяки конічній формі кожуха. У порівнянні з осьовими вентиляторами того ж самого розміру і ефективності, ці вентилятори мають низчий рівень шуму.

Рис. 2. Діагональні вентилятори: висока швидкість обдування

при відносно високому тиску.

Радіальні вентилятори. Якщо охолоджуючий повітряний потік необхідний повернути на 90 °, або якщо потрібний високий тиск, радіальні вентилятори ефективніші від осьових та діагональних (рис. 3).

Рис. 3. Радіальні вентилятори: Обмежена швидкість потоку

при високому тиску.

Поперечні (перехресні) вентилятори Перехресні вентилятори (рис. 4) найчастіше використовуються для обдування приладів з великою поверхнею. Повітря проходить в радіальному напрямку через лопаті двічі: при заборі у внутрішню порожнину і при випуску його назовні. Закручування потоку формується лопатями у внутрішніх повітроводах, що гарантує стійкий потік повітря через вентилятор. Перехресним вентиляторам властива висока швидкість потоку при низькому тиску та дуже низькому рівні шуму.

Рис. 4. Перехресні вентилятори: висока швидкість потоку

при низькому тиску

Вибір вентилятора. З метою наближеного визначення здатності охолодження вентилятора, тобто визначення яку кількість повітря потрібно винести, щоб охолодити даний пристрій, можна використати таку спрощену формулу (рис. 1.33)

V=3,0·P/(T₂-T₁), (1.18)

де V - кількість повітря в м³/год;

Р - потужність у Вт;

Т₁ - температура середовища в ⁰С;

Т₂ - максимально дозволена температура у градусах ⁰С на поверхні конструкції.

Чи обраний вентилятор виконає завдання, потрібно перевірити практично, наприклад, вимірюванням рівня приросту температури всередині корпусу. Якщо не отримано бажаного результату, можна поміняти вентилятор на інший із більшою результативністю, або як альтернатива, паралельно з’єднати більшу кількість вентиляторів.

Радіатори. Під час роботи потужні напівпровідникові прилади виділяють в навколишнє середовище тепло. Якщо не подбати про їх охолодження, то транзистори та діоди можуть вийти з ладу через перегрів робочого кристала. Забезпечення нормального теплового режиму транзисторів (і діодів) - одне з важливих завдань. Для правильноо вирішення цього завдання потрібно розуміти призначення радіатора і технічно грамотному його застосовувати.

Як відомо, будь який нагрітий предмет охолоджуючись віддає тепло навколишньому середовищу. Поки кількість тепла, що виділяється в транзисторі, більша від тепла, що віддається (розсіюється) у середовище - температура корпусу транзистора буде безперервно зростати. При деякому її значенні настає так званий тепловий баланс, тобто рівність розсіюваного та виділеного тепла. Якщо температура теплового балансу менша максимально допустимої для транзистора - він буде надійно працювати. Якщо ця температура вища - транзистор вийде з ладу. Для того, щоб тепловий баланс наступав при більш низькій температурі, необхідно збільшити тепловіддачу транзистора. Кількість тепла, що віддається нагрітим предметом, пропорційно різниці температур предмета і повітря, площі поверхні та швидкості повітряного потоку, що омиває тіло.

Для забезпечення ефективного відводу тепла від кристала напівпровідника застосовують тепловідвід (радіатори).

Рис. 1. Радіатори для потужних напівпровідникових приладів.

Площу та розміри радіатора можна приблизно визначити у відповідно до графіків зображених на рис. 3. По вертикальній осі відкладено площу радіатора в квадратних сантиметрах. По горизонтальній осі – потужність, що виділяється у вигляді тепла на напівпровідниковому елементі, а похилі лінії відповідають температурі перегріву напівпровідникового елемента. Наприклад: температура перегріву 70 ^оС, значить температура радіатора буде 90 ^оС враховуючи, що температура при нормальних умовах 20 ^оС..

Рис. 2. Залежність площі радіатора від потужності

та температури перегріву напівпровідникового приладу.

Екранувальні властивості корпусів. Екранування є дуже важливою характеристикою, оскільки швидкоплинні зміни імпульсів у логічних і цифрових пристроях, генерують електромагнітні завади в широкій частотній смузі. В деяких пристроях екранування є необхідним, з огляду на чутливість пристроїв до перешкод від зовнішнього електромагнітного поля.

До зменшення випромінювання перешкод у більшості випадків достатньо встановлення фільтрів на вхідних і вихідних дротах. При частотах вищих від 1 МГц корпус повинен бути електропровідним. Для цього добре використовувати алюмінієві стопи, оскільки вони є легкими і легко обробляються. Коли вимагається краще екранування, використовуються стопи цинку.

При наявності чисто магнітних полів з низькою частотою, потрібно використовувати феромагнітні матеріали, наприклад, стопи заліза. Дуже добрим матеріалом є стоп мюметал, котрий використовується для виробництва корпусів для низькочастотних трансформаторів. Алюміній проводить струм набагато краще, ніж залізо і часто використовується для реалізації екранів, котрі замикають розпорошене поле.

З метою отримання доброго послаблення шкідливих сигналів, окремі елементи корпусів повинні бути добре допасовані, повинні також мати електричне з’єднання між частинами. Наявність щілин і якість з’єднань є дуже істотним на високих частотах. Потрібно зважати на ізоляційні властивості анодованого або оксидованого алюмінію, поверхневий опір якого має дуже великі значення порядку десятків мегом.

Якщо загальні вимоги щодо послаблення завад є помірними, то можна використовувати корпуси зі штучних матеріалів з провідним шаром, який може виготовлятися як наклеєна плівка, напилений алюміній, нікелевий лак чи напилений вугільний порошок. За даними виробника РасТес є велика різниця в послабленні завад в залежності від матеріалу, наприклад, при частоті завад 5 МГц шар епоксидного з міддю лаку товщиною 0,5 мм дає коефіцієнт послаблення 60 дБ, акриловий лак з міддю - також 60 дБ, акриловий лак з нікелем - 50 дБ, срібний лак з акрилом - 45 дБ, срібне покриття - 35 дБ, а графітний лак на базі з акрилу - 15 дБ.

Корпуси стандартного типоряду 19"(19 дюймів 1”=25,4 мм). В часи, коли ще не існували норми, що стосуються механічних елементів в електроніці, фірма Schroff зі США почала застосовувати постійну ширину лицевих панелей корпусів розміром 19" (482,6±0,4 мм). Широке застосування цього розміру послужило основою створення певного стандарту. За широкого поширення виробів фірми Schroff і у Європі в європейській системі Europac прийнято розмір 19" як стандартний. Зараз цей розмір відповідає з обов’язковими міжнародними нормами: DIN 41 494, IEC 297, BS 5954, EIA RS 310-C (рис. 1.35).

для застосування в електроніці.

З метою спрощення конструкції систем промислової електроніки, окрім ширини 19" лицевої панелі, прийнято стандартні одиниці висоти НЕ (1 НЕ=44,45 мм). Такий спосіб нормалізації уможливлює створення модульних систем корпусів.

Поодинока і подвійна карта “Європа” (інакше єврокарта) є широко застосовуваним форматом друкованих плат. Вони придатні до встановлення на рамах та корпусах для плат висотою відповідно 3 і 6 НЕ.

Степінь захисту корпусу (Ingress Protection Rating). Норми ІР. Система класифікації ступенів захисту оболонки електрообладнання від проникнення твердих предметів і води у відповідності з міжнародним стандартом IEC 60529 (DIN 40050, ГОСТ 14254-96).

Під ступенем захисту розуміється спосіб захисту, що перевірявся стандартними методами випробувань, який забезпечується оболонкою від доступу до небезпечних частин (небезпечним струмоведучих і небезпечним механічним частинам), попадання зовнішніх твердих предметів і (або) води всередину оболонки.

Маркування ступеня захисту оболонки електрообладнання здійснюється за допомогою міжнародного знака захисту (IP) і двох цифр, перша з яких означає захист від попадання твердих предметів, друга - від проникнення води.

Код має вигляд IPxx, де на позиціях X знаходяться цифри, або символ X, якщо ступінь не визначена. За цифрами можуть йти один або дві букви, що дають допоміжну інформацію. Наприклад, побутова електрична розетка може мати ступінь захисту IP22 - вона захищена від проникнення пальців і не може бути пошкоджена вертикально або майже вертикально краплями води. Максимальний захист з цієї класифікації - IP68: пилонепроникний прилад, що витримує тривале занурення у воду.

Приклад: позначення ІР44

Таблиця 1

Перша цифра: описує рівень механічного захисту.

Таблиця 2

Друга цифра: описує ступінь захисту від води.

Символи

Лекція 6

Поиск по сайту: