שמרו על פרוייקטים אלקטרוניים מאובטחים וחסיני מזג-אוויר לאורך זמן עם המארזים הנכונים

עבור מתכננים רבים של פרוייקטים מסוג עשו-זאת-בעצמכם (DIY) או בניית אב-טיפוס, לאחר שממקמים את הרכיבים האלקטרוניים, מציאת המארז המתאים מושארת לעיתים קרובות לרגע האחרון. זה עשוי להיות סביר אם הפרוייקט הוא לשימוש פנים על שולחן עבודה או יוצב זמנית על קיר. אך אם הפרויקט מיועד עבור שימוש חוץ לאורך תקופה ארוכה, הוא ייפגע או יינזק מהר מאוד מהגורמים השונים, במכוון או שלא-במכוון, או כתוצאה מהשחתה זדונית או מסתם סקרנות. 

קשה ליצור מארז מתאים באמצעות חומרים זמינים, ובעוד שהמארזים מן-המדף עשויים לעמוד בדרישות העמידות, יתכן שהם לא בגודל המתאים, פגיעים מדי להשחתה ונטולי אסתטיקה. שני האחרונים יכולים להיות בעייתיים אם השימוש הוא בחלק החיצוני של בית או של בניין משרדים או מסחר.

עבור בתים או מארזים קטנים של פרויקטי אלקטרוניקה שימוקמו בחוץ, עדיף לבחור קו של מארזי פוליקרבונאט עם דירוג IP-68 רשמי היכולים לאטום את האלקטרוניקה ביעילות מפני הגורמים השונים.

מאמר זה ידון בהשפעות הגשם, טמפרטורות קיצוניות ואור השמש על מערכות האלקטרוניקה והמארזים שלהן. הוא גם יתאר את המשמעות של הגנת IP-68 לפני הצגת המארזים מבית Hammond Manufacturing עם אטמים נלווים העומדים בדרישות הפיזיות והאסתטיות כאחד.

מדוע מארזי אלקטרוניקה צריכים לספק הגנה מהסביבה

מערכות אלקטרוניות המשמשות בחוץ חשופות להידרדרות כתוצאה מחום, קור, לחות, אור שמש ישיר - במיוחד קרני אולטרה-סגול (UV) - רעידות והשחתה פיזית. הם גם חשופים למקורות רבים של רעש חשמלי ואלקטרומגנטי. המתכננים יכולים להתחשב בטמפרטורות הקיצוניות באמצעות תכנון נכון של המעגלים, הורדת הערך הנומינלי (Derating) של הרכיבים וטכניקות ניהול תרמי כמו צלעות-קירור ומאווררים, וכן על ידי הקטנה למינימום של צריכת ההספק הכוללת. ניתן להתחשב ברעידות על ידי הרכבת לוחות המעגלים המודפסים על מבדדי רעידות, ואת הרעשים החשמליים וה- RF ניתן לשכך באמצעות מסננים, משנקים וטכניקות הארקה מתאימות.

עם זאת, הרטיבות והלחות הן הרסניות במיוחד. ברגע שרטיבות חדרה למערכת, היא יכולה להגדיל את הלחות, להוביל לעיבוי ולאחריו לקורוזיה ולהתדרדרות אולטימטיבית לאורך זמן של שכבות הפסיבציה של המוליכים-למחצה, נקודות ההלחמה והחיבורים הפיזיים. בשילוב עם מזהמים כמו אבק ופסולת שיתכן וחדרו למארז לפני סגירתו, ההשפעות המזיקות מוכפלות. ההשפעות השונות של הרטיבות על הרכיבים כוללות אלקטרוכימיות, גלווניות, אנודיות וקתודיות. כולן מהוות סכנה לאמינות האלקטרוניקה, חלקן קלות וחלקן ברורות יותר (איור 1).

איור 1: השפעות הרטיבות והלחות על רכיבים אלקטרוניים, לוחות וחיברורים יכולות להיות מזיקות ביותר לאורך זמן. (מקור התמונה: PCFixit.au)

ניתן למתן את השפעות חדירת הרטיבות באמצעות טכניקות כמו כיסוי רכיבים קריטיים באפוקסי או בג'ל. עבור מערכות בייצור-המוני, ציפויים קונפורמליים של 20 עד 50 מיקרון, או אפילו עד 100 מיקרון במקרים קיצוניים, יכולים לכסות את לוח המעגלים המודפסים כולו ולהוות פיתרון טוב. עם זאת, רכיבים מסוימים, כמו מתגי DIP, נגדים משתנים ומחזקי סוללות אינם יכולים לקבל ציפויים כאלו. כמו כן, ציפויים קונפורמליים עשויים לא ממש לכסות את הקצוות (זחילת קצה), תוך חשיפת הפסים המוליכים והחיבורים לקורוזיה.

ההשפעה המלאה של הרטיבות תלויה בחום ובלחות היחסית. הנחיות הבדיקה המלאות עבור רטיבות ולחות עבור ציוד חוץ מכוסות על ידי (‏ETSI EN 300 019-1-4 V2.2.1 (2014-04 “הנדסת סביבה (EE); תנאים סביבתיים ובדיקות סביבתיות עבור ציוד טלקומוניקציה; חלקים 1-4: סיווג התנאים הסביבתיים; שימוש נייח במיקומים שאינם מוגנים מפני מזג-אוויר ".

זהו מדריך בדיקות שימושי עבור חובבים, וחיוני עבור מקצוענים. הוא מסווג את התנאים השונים העשויים לעמוד בפני ההתקנים לפי סייסמיים, רעידות אדמה, זעזועים, קרינה סולארית וטמפרטורה. בנוסף הוא מגדיר תת-סיווגים סביבתיים לפי מים, משקעים, התפתחות עובש, התקפות בעלי-חיים (לדוגמה, טרמיטים) ומליחות האוויר. יש לו גם כמה הגדרות טובות הרלוונטיות ישירות לכאן ומדגישות את חשיבות הלחות:

• לחות מוחלטת: המסה של אדי המים בגרמים בתוך מטר מעוקב אחד של אוויר יבש בתערובת של אדי אוויר/מים.
• מיקום שאינו מוגן מפני מזג-אוויר: המיקום שבו הציוד אינו מוגן מפני השפעות ישירות של מזג-האוויר.
• לחות יחסית: היחס בין הלחץ החלקי של אדי המים באוויר רטוב בטמפרטורה נתונה לבין הלחץ החלקי של אדי המים באוויר רווי באותה טמפרטורה.
• שימוש נייח: השימוש בציוד המורכב היטב בתוך מבנה, או בהתקני הרכבה, או שהוא ממוקם באופן קבוע באתר מסוים.

עם זאת, עבור המתכננים, מניעה היא תמיד טובה יותר מאשר ריפוי. כאן נכנס לתמונה דירוג ההגנה הבינלאומי (International Protection‏=IP‏) IP-68.

מהו IP-68?

נקראים גם קןדי הגנת חדירות (Ingress Protection), קודי IP נגזרים מתקן EN 60529 והם מציינים על-ידי שתי ספרות את דרגת ההגנה המסופקת ביחס לאבק ולרטיבות (איור 2). הספרות מסווגות את מידת ההגנה הניתנת מפני חדירה של חפצים מוצקים, כמו אצבעות וידיים, כמו גם אבק ומים. המטרה היא לספק בהירות סביב מונחים שאחרת הם מעורפלים וסובייקטיביים כמו "אטום למים".

הספרה הראשונה אחרי ה- IP מתייחסת למוצקים, ואילו הספרה השנייה מתייחסת לנוזלים. לכן, במקרה של IP-68, מערכת היא תואמת אם היא מוגנת לחלוטין מפני אבק (6) ומפני פרקי זמן ארוכים תחת סילוני מים או טבילה תחת לחץ (8). 

איור 2: קודי ה- IP מקצים שתי ספרות כדי לציין את מידת ההגנה של המערכת מפני לכלוך (משמאל) ומפני רטיבות (מימין). (מקור התמונה: focusondrives.com)

כיצד לעמוד בדרישות IP-68

אמנם ניתן לתכנן מארז IP-68 מאפס, אך ממש אין צורך להמציא מחדש את הגלגל כאשר חברות כמו Hammond Manufacturing כבר עשו את העבודה. סדרת 1557 שלה של מארזים עבור סביבות קשות מתוכננת עם חומר פוליקרבונט מיוצב-UV כדי לעמוד בדרישות IP-68, תוך הקפדה על האסתטיקה והענקת מראה "מודרני" עם קימורים "רכים" בשני צבעים - שחור ואפור בהיר (איור 3).

איור 3: סדרת המארזים 1557 מתאימה הן לדרישות IP-68 והן לאסתטיקה של העיצוב, תוך מתן מגוון של אפשרויות הרכבה. (מקור התמונה: Hammond Manufacturing)

סדרת 1557 היא בעלת דירוג דליקות של UL94-5VA ומשיגה הגנה מפני חדירת אבק, שמנים ומים על ידי שימוש במבנה של לשון-וחריץ משתי-יחידות עם אטם סיליקון לטמפרטורה גבוהה שברשימת UL, דגם 1557BGASKET (איור 4).

איור 4: ה- 1557BGASKET עשוי מסיליקון שברשימת UL ועוזר למארז 1557 להשיג תאימות IP-68. (מקור התמונה: Hammond Manufacturing)

המכסה מאובטח עם ברגי מכונה מפלב"ם M4, דגם SC576-50 (איור 5). הם מוברגים לתוך תותבים חסיני-קורוזיה כדי לאפשר הרכבה ופירוק חוזרים ונשנים, כמו למשל בשלב האב-טיפוס של התכן.

איור 5: ברגי מכונה M4 דגם SC576-50 מוברגים באופן מאובטח לתוך תותבים חסיני-קורוזיה כדי לאפשר הרכבה ופירוק חוזרים ונשנים. (מקור התמונה: Hammond Manufacturing)

סדרת 1557 מגיעה במגוון רחב של גדלים העונים למגוון צורכי היישומים, והיא מגיעה עם מספר אפשרויות הרכבה - כולל לוח מעגלים מודפסים - עבור גמישות במיקום. הגדלים מבוססים על ארבעה גודלי מתאר בסיסיים, כל אחד בשני גבהים. הגדלים הם:

• מתאר רצפה 80‏ x‏ 80 מ"מ, בגבהים של 45 מילימטרים (מ"מ) או 60 מ"מ
• מתארי רצפה של 120‏ x‏ 120 מ"מ, 160‏ x‏ 160 מ"מ ו- 200‏ x‏ 200 מ"מ, בגבהים של 45 מ"מ או 70 מ"מ

אפשרויות הרכבה מוצגות (איור 3, שוב):

• הרכבת אוגן על קיר לעומס כבד (רגלי ההרכבה כלפי חוץ)
• הרכבת קיר במישור פני השטח (Flush) (רגלי ההרכבה כחריצי חור מפתח)
• שולחן עבודה/משטח עליון של שולחן (רגלי גומי כלולות)

לכל אפשרות יש דגש ברור. לדגם הרכבת-קיר לעומס-כבד יש מערך של שתיים או ארבע לשוניות הרכבת-קיר המוברגות באופן מאובטח לגב המארז. הלשוניות בולטות מקצה המארז ומאפשרות למשתמש להרכיב אותו באופן מאובטח לקיר באמצעות חומרה משלו. זה אידיאלי עבור יישומים בהם הביטחון הוא קריטי וההתקנה היא קבועה.

לדגם במישור פני השטח (Flush) יש את אותן לשוניות הרכבת-קיר, אך הן מסובבות ומותקנות לתוך חללים בגב המארז. בתצורה זו הלשוניות משמשות כחריצי חור-מפתח ומאפשרות מראה אלגנטי יותר במישור פני השטח (Flush). תצורה זו היא אידיאלית גם עבור יישומים בהם המארז מקובע לקיר באופן זמני.

כל מארז כולל ארבע רגלי גומי נדבקות לשימוש באופן שולחן עבודה/משטח עליון של שולחן. באופן זה לא משתמשים בלשוניות הרכבת-קיר, ורגלי הגומי ממוקמות בכל פינה. בכל פינה יש אזור משוקע עבור הרגל בגודל שיבטיח מיקום נכון, ישמור על פרופיל נמוך יותר ויבטיח את מיקום הרגל במקומה באופן מאובטח. במידת הצורך ניתן להזמין עוד רגלי גומי, דגם 1421T6CL.

האביזרים המגיעים עם המארזים כוללים תופסני כבל/בלוטות כבל וערכות הרכבת-עמוד, כולם אטומים-לנוזלים.

סיכום

מרבית עבודת הפיתוח מתמקדת בתכנון האלקטרוניקה, עד כדי כך שהמתכננים עלולים לשגות בהערכת-חסר של חשיבות בחירת המארז המתאים עבור יישומי חוץ. ללא הגנה מתאימה, לחות, טמפרטורות קיצוניות, אבק, שמנים ומזהמים אחרים עלולים לחבור יחד כדי לפגוע בשלמות החשמלית והמבנית של התכן.

עם זאת, קשה לתכנן מארזים כאלו. על ידי בחירת מארזים מן-המדף העונים על דרישות IP-68, המתכננים יכולים להוציא לשוק במהירות תכנים שיעמדו באתגרים של שימושי חוץ נרחבים.