Considerații privind proiectarea în medii industriale dure
Utilizarea unor dispozitive electronice și de detecție sofisticate pentru a îmbunătăți și a extinde procesele de fabricație, prelucrare și producție în aplicațiile industriale este posibilă numai dacă toate componentele supraviețuiesc mediului dificil. Sistemele trebuie să facă față unor condiții calde, umede și dure și unor câmpuri electrice și magnetice distructive.
Condițiile specifice de mediu în care este utilizat un produs afectează specificațiile acestuia. Aceste specificații trebuie stabilite de la început. Condițiile dificile din aplicațiile industriale includ pătrunderea particulelor, temperatura extremă, impactul fizic, descărcările electrostatice (ESD), interferențele electromagnetice (EMI) și vibrațiile. În timp, dacă nu sunt îndeplinite, toate aceste condiții vor distruge echipamentele electronice. Acest articol abordează considerații critice privind proiectarea într-un mediu industrial dur.
Considerație termică privind temperatura severă și semiconductorii
Temperaturile ridicate contribuie major la un mediu ostil. Un climat răcoros este o necesitate pentru o performanță operațională eficientă a dispozitivelor electronice. Microclimatul din capota automobilului este unul toxic, în care temperatura ambiantă scade rareori sub 125 °C. Senzorii de combustie și gaze de eșapament trebuie să funcționeze în medii încălzite și dure. Electronicele pentru temperaturi înalte trebuie să alcătuiască circuitele de comandă care administrează dispozitivele de acționare și senzorii.
Atunci când sunt utilizate în medii cu temperatură ridicată, aparatele electronice trebuie să aibă un sistem de răcire activă sau pasivă pentru a menține piesele în intervalele de temperatură de funcționare corespunzătoare. Acest lucru nu este practic în majoritatea situațiilor din lumea reală. Robustețea semiconductorilor (IC) include intervalul de temperatură de funcționare, protecția la defecțiuni, gestionarea zgomotului electric ridicat și a descărcărilor electrostatice. Robustețea este un factor de performanță crucial pentru o operație extinsă și ajută la obținerea un produs final de încredere, cu bună reputație. Durabilitatea este o necesitate într-un ecosistem industrial caracterizat de condiții de funcționare extreme, cu temperaturi ale circuitelor integrate care oscilează oriunde între -40 °C și +85 °C. Funcționarea la temperaturi ridicate nu va dispărea prea curând, iar industria auto ar putea ajunge să asiste la temperaturi de funcționare cuprinse între -40 °C și +125 °C.
Problemele termice apar atunci când dispozitivele electronice sunt păstrate într-un mediu industrial interior etanș. Dispozitivele disipează căldură, iar temperaturile în creștere vor deteriora dispozitivele dacă sunt gestionate necorespunzător. Regulatoarele de tensiune și circuitele integrate de putere utilizează închideri termice pentru a preveni un astfel de scenariu. Alegerea unor soluții de ambalare cu impedanțe termice foarte scăzute ajută la transferul căldurii departe de dispozitiv. Adăugarea unor conducte de încălzire sau radiatoare din aluminiu în carcasă oferă o cale de impedanță termică mai mică spre aer. Acest lucru reduce temperatura de funcționare, îmbunătățind considerabil fiabilitatea pe termen lung.
Gestionarea tensiunilor tranzitorii
Cablarea incorectă sau scurtcircuitele accidentale creează tensiuni tranzitorii pe liniile de alimentare. Aceste tensiuni tranzitorii pot deteriora circuitele din aval dacă intrările rămân neprotejate. Un circuit simplu și discret constând dintr-o siguranță în serie cu o diodă supresoare de tensiune tranzitorie (TVS) sau o diodă Zener, sau varistori de oxid metalic (MOV) este utilizat, în general, pentru a proteja împotriva majorității tensiunilor tranzitorii.
Figura 1: MOV, diodă Zener și diodă TVS (supresoare de tensiune tranzitorie)
O abordare mai controlată a gestionării supratensiunii și a evenimentelor tranzitorii o reprezintă integrarea circuitelor de reacție și a pragului de protecție într-un circuit integrat. Diodele și comparatoarele interne sunt încorporate în mai multe circuite integrate de protecție și supraveghere pentru a asigura un răspuns definitiv de fiecare dată. Câteva circuite integrate includ garanții în cazul avariilor de înaltă tensiune la liniile de date. Un dispozitiv de protecție împotriva defecțiunilor se blochează atunci când nivelurile normale de tensiune de la nivelul liniilor de date sunt depășite, pentru a se proteja de avarii. Un exemplu bun este familia de multiplexoare MAX4708. Pentru mai multe informații despre produsele supresoare de tensiune tranzitorie, faceți clic aici.
Considerații privind siguranța intrinsecă
Siguranța intrinsecă se referă la o metodă de protecție împotriva exploziilor, care protejează circuitul electric. Sistemele intrinsec sigure restricționează energia chiar și atunci când există mai multe condiții de avarie. Aceste bariere sunt utilizate pentru a restricționa energia descărcată în cazul în care o componentă sau un cablu se defectează. Scopul este de a opri aprinderea. Câteva recomandări pentru soluțiile intrinsec sigure sunt descrise în conținutul de mai jos.
Bateriile utilizate trebuie să fie suficient de robuste pentru a supraviețui condițiilor de mediu anticipate. Trebuie să existe scurgeri minime de electroliți, care se pot produce în medii de scurtcircuit severe.
Piesele de stocare a energiei, cum ar fi condensatoarele, inductoarele și perlele de ferită, pot fi vulnerabile la respectarea parametrilor de aprindere prin scânteie. Energia disponibilă stocată în ele trebuie restricționată, astfel încât să nu existe suficientă energie pentru a aprinde o atmosferă explozivă. Încapsularea se utilizează pentru a proteja circuitele împotriva oricăror riscuri de aprindere prin scânteie.
Straturi de protecție
Straturile de protecție sunt esențiale pentru a spori performanța și fiabilitatea pe termen lung a ansamblurilor electronice. Produsul oferă o protecție sporită împotriva prafului, șocurilor, vibrațiilor, substanțelor chimice, murdăriei, abraziunii, ciupercilor, umezelii și stresului mecanic. Straturile de protecție includ: formule de întărire UV cu o singură componentă, siliconi cu una și cu două componente, rășini epoxidice cu una și cu două componente și un sistem de latex specializat, eficient din punct de vedere al costurilor. Pentru a afla mai multe despre sfaturile de siguranță în medii industriale dure, descărcați cartea electronică Cel mai bun ghid pentru evaluare și proiectare în medii dure (The Ultimate Guide to Harsh Environment Ratings & Design).
Standardele privind pătrunderea factorilor externi (IP) și NEMA
O incintă etanșă este utilizată pentru a preveni pătrunderea apei sau a prafului. Volumul de spațiu etanș este utilizat pentru a proteja electronicele în medii dificile. Standardul contextual este IEC 60529, așa cum este definit de Comisia Electrotehnică Internațională (IEC). Acest standard desemnează numărul de tipuri și grade de protecție oferite de o incintă echipamentelor electrice. Codul IP în sine este prezentat sub forma „IP XY”, unde X și Y denotă protecția împotriva pătrunderii particulelor și, respectiv, a apei. Sunt utilizate în mod obișnuit pentru aplicații expuse intemperiilor, dar și prafului sau umidității. Industriile în care sunt utilizate în mod obișnuit includ sectorul maritim, platformele de petrol și gaze din larg, sectoarele securității, iluminatului, agrementului și procesării alimentelor.
Asociația Națională a Producătorilor de Electrice (National Electrical Manufacturers Association - NEMA) oferă incinte de protecție apreciate, similare cu codul IP (IEC 60529). NEMA 250 acoperă un interval mai larg de condiții dure decât codul IP. De asemenea, include evaluări, atât periculoase, cât și nepericuloase, pentru locații interioare și exterioare. Astfel de condiții includ pătrunderea de obiecte străine (cum ar fi praful sau fibrele), apă și agenți corozivi, inclusiv diverse gaze și atmosfere. AE1360 este un exemplu de incintă metalică IP66, NEMA 4 pentru uz electric într-un mediu industrial dur. Pentru mai multe informații despre produsele IP și NEMA, faceți clic aici.
Figura 2: Incintă din metal, IP66, NEMA 4, electrică/industrială, oțel, 600 mm, 600 mm, 350 mm, IP66
Considerații privind conectorii
Proiectanții trebuie să ia în considerare mai mulți factori, cum ar fi influența temperaturii, solvenții, jivrajul, expunerea la sare, umezeala, coroziunea și ciupercile, în momentul alegerii conectorilor. O alegere greșită poate afecta integritatea, performanța și durata de viață a aplicației. Câțiva factori trebuie luați în considerare la alegerea conectorilor pentru medii dure.
Protocoalele de comunicare reprezintă o considerație esențială pentru aplicația de comunicare. Conectorii transmit semnale diferite precum interfețe seriale RS232 sau I2C, transmisii RF, semnale audio și video, energie sau comunicații de date de mare viteză. Trebuie să se ia în considerare nivelul ratelor de transfer al datelor și caracteristicile. Când vine vorba despre necesități în materie de energie, proiectantul trebuie să verifice cerințele de tensiune și curent.
Cerințele de spațiu sunt exigente în era miniaturizării. Toate aplicațiile moderne continuă să treacă la cipuri și tehnologii care oferă funcționalități avansate în factori de formă mici. Inginerii proiectanți trebuie să fie atenți să opteze pentru conectori conform cerințelor.
Stilul terminalelor constituie un alt aspect. Conectorii pentru medii dure asigură o etanșare metalică împreună cu o conexiune electrică. Această conexiune electrică se realizează prin sudarea conectorului direct la placă sau printr-o terminație a cablului. Conectorii trebuie să protejeze componentele de toate radiațiile de interferență electromagnetice (EMI). Aceste radiații pot trece în cutie și pot împiedica funcționalitatea dispozitivului sau pot ieși din cutie și pot interfera cu alte dispozitive. Câțiva conectori special aleși, prevăzuți cu o garnitură conductivă și cu carcase metalice placate, asigură performanțe EMI optime în medii dure.
Conectorii din seria MRD sunt un exemplu excelent de conectori pentru medii industriale dure, disponibili în factori de formă cu 2, 3 și 4 poziții. Opțiunile de incinte includ construcții integral din plastic, dar și corpuri de blocare din metal pentru o durabilitate mai mare. Opțiunile cu montare pe panou și terminate cu cablu sunt disponibile cu sau fără protecție pentru degete. Sunt rezistente la apă/praf conform standardului IP67 și îndeplinesc cerințele de mediu, sănătate și siguranță. Pentru mai multe informații despre conectori, faceți clic aici.
