עיצוב מערכות אלקטרוניות חיוניות לסביבה התעשייתית השא

מבוא

העיצוב של מערכות אלקטרוניות לסביבות תעשייתיות קשות דורש עזיבה מכוונת מגישות קונבנציונאליות של צרכנים. הגדרות תעשייתיות כגון זיקוקי שמן, צמחי עיבוד כימיים, פעולות כרייה, ושטחי ייצור כפופים לציוד לטמפרטורות קיצוניות, כימיקלים קורוזיים, רטט מתמשך, וזיהום חלקי.כישלון בסביבות אלה אינו רק לא נוח - יכול להוביל לטמפרטורות יקרות, סיכונים בטיחותיים, רגולציה, ולא ציות, מספק אסטרטגיות לטווח ארוך, תוך כדי עמידה של בדיקות אלקטרוניות, תוך כדי עמידה, תוך כדי עמידה על ידי פיתוח.

הבנה של תנאים תעשייתיים

לפני תכנון עמידות, חיוני לאפיין את המתחים הסביבתיים הספציפיים הקיימים ביישומים תעשייתיים.המשחק של גורמים מרובים יוצר לעתים קרובות תנאים תובעניים הרבה יותר מכל מתח בודד.

טמפרטורה קיצונית ו-Thermal Cycling

מערכות אלקטרוניות תעשייתיות עשויות לפעול בטמפרטורות ממותגות החל מ- -40 מעלות צלזיוס במתקני אחסון קרים ליותר מ-85 מעלות C ליד פרווה או מנועים.רכיבה תרמית – חימום וקירור – גורמת להתרחבות שונה של חומרים, מה שמוביל לעייפות משותפת מכרה, רכיבים מקופצים, ומדכאות של לוחות מעגלים מודפסים (PCB) חייב חשבון עבור טמפרטורות קבועות וקצב השינוי כאשר הם משתנים ומכשירים של תאים תרמיים.

כימיקלים קורוזיים ומומנטאורים

חשיפה לחומצות, אלקליס, פותרים ולחות מאיצה את קורוזיה של עקבות מתכתיים, מחברים ומפרקים מוכרים. Condensation בתוך המתחם יכול ליצור נתיבים מוליכים שגורמים מעגלים קצרים או הגירה אלקטרוכימית. בסביבות כגון צמחי כימי או מתקני טיפול במים, נוכחות של sulfide מימן או chlorine נוסף degrads unprotected אלקטרוניקה.

כישוף וזעזוע

מכונות כבדות, משאבות, דחוסים וציוד תחבורה לייצר רטט מתמשך שיכול לשחרר את הממריצים, לשבור מפרקי מכר, ולפגוע רכיבים רגישים. אירועים מזעזעים - כגון אלה שנגרמו על ידי הטלת ציוד או כוחות נפץ בכרייה - עיצובים מהירים שיכולים לעמוד בפסגות של 50 גרם או יותר.התנגדות ויברציה היא לא רק עניין של עלייה חזקה; זה גם משפיע על פריסה, רכיב, אוריינטציה, ודגימה של חומרים הברירה.

Contaminants: Dust, Dirt, and Particulates

חומר חלקי בסביבות כמו צמחי מלט, סילוס דגנים, או מכרות פתוחות יכול גם ל clog קירור מעריצים, abrade מחבר משטחים, וליצור גשרים מוליכים על PCBs. אבק יפה כי חודרת אולמות יכול גם מלכודות, מאיץ קורוזיה. מעצבים חייבים לאזן את הצורך של קירור אוויר עם הדרישה כדי לשמור על contaminants החוצה, לעתים קרובות לבחור חום עבור חילופי אוויר או נוזל של קירור במקום קירור אוויר.

חשמל וחשמל משתנים

מתקנים תעשייתיים הם סביבות רועשות מבחינה חשמלית. מנועים בעוצמה גבוהה, ציוד מתפתל, והחלפת ציוד חשמל מזרקים, מזיקים והתערבות אלקטרומגנטית (EMI) על קווי חשמל ולכבלי אותות. Power dips, גולשי גלאזס וחום הם נפוצים.רובסטטי כוח אספקת ציוד, סינון, ומגן הם הכרחיים למניעת שחיתות, לוגיקה, תקלות או נזק.

אסטרטגיות עיצוב עבור עמידות

התייחסות לספקטרום המלא של תנאים תעשייתיים קשים דורש גישה הנדסית רב שכבתית הכוללת את המתחם, בחירת הרכיב, ניהול תרמי, הפחתה של רטט והגנה חשמלית.

רובוסט מבטיח והגנת התוקפנות

⁇ הם קו ההגנה הראשון.הבחירה של חומרים (פלדה ללא חתומה, אלומיניום, סיבים-reinforced פוליסטר) ושיטות חותם (גזים, צחצוח, רינג) קובע את היכולת של המערכת למנוע לחות, אבק, וכימיקלים.Ingress Protection (IP) המוגדרים על ידי LT:0IEC529Fal, LT, LT1, לספק דרך סטנדרטית ל-i-i-CDC ל-i-i-i-iOS, לדוגמה, חסימתין, ל-CDC, ל-CDC, ל-CDC, ל-CDC, ל-CDC, ל-CDC, ל-CDC, ל-CDC, ל-CDC, ל-R, ל-CDC, ל-CDC, ל-CDC, ל-R.

עיצוב Enclosure חייב גם לשקול ביצועים תרמיים.חום מלכודות צנרת חום, כך מהנדסים לעתים קרובות לשלב מעריצים פנימיים, כיור חום, או אפילו לולאות קירור נוזלי. באווירה נפץ (למשל, זיקוקי שמן), המתחם חייב לעמוד בתקני ATEX או IECEx עבור בטיחות פנימית או בנייה מאובטחת התפוצצות.

בחירה עבור מורחבת Durability

רכיבים מסחריים של כיתה פועלים בדרך כלל בין 0 מעלות צלזיוס ל 70 מעלות צלזיוס ועשויים להיכשל תחת לחץ תרמי מתמשך או רטט. רכיבים ברמה תעשייתית מדורגים עבור -40 מעלות צלזיוס ל +85 ° C או רחב יותר, ולעתים קרובות תכונה:

• סיליקון באיכות גבוהה יותר מת וחוטי אג"ח
• ציפויים מתקדמים לפני השימוש כדי להתנגד לחות
• בנייה מחדש של חבילות עבור התנגדות לטטראט
• בדיקות אמינות מורחבות (למשל, רכב AEC-Q100 או צבאי MIL-STD-883)

כאשר החלקים התעשייתיים מחוץ ל-She-the-Shelf אינם מספיקים, מעצבים עשויים לפנות למודולים היברידיים או תת-שכבות קרמיקה המציעים מוליכות תרמית גבוהה והתנגדות כימית. Connectors חייבים גם לבחור בקפידה - מחברים מעגליים מחוסנים עם דירוגים IP68 ו-corrosion-resistant plating (כגון זהב על ניקל) הם נפוצים בסביבות קשות.

אסטרטגיות ניהוליות

ניהול תרמי יעיל מונע חימום יתר ולהפחית את מתח רכיבה תרמי.

• (FLT:0) קירור נעים: 1FLT 1 כיור חום, צינורות חום וחומרי ממשק תרמי (TIM) לבצע חום ממרכיבים.
• (FLT:0) ivated Cooling: 1FLT ( 1) אוהדים או מכים אוויר על פני כיור חום, אבל הם מציגים חלקים נעים שיכולים להיכשל ויש לסנן כדי למנוע אבק.
• (FLT:0) ליקוויד קירור: 1FLT:1read צלחות קרות ו הלולאות נוזליות משאבה לספק יכולת הסרת חום גבוהה עבור מערכות ארוזות או גבוהות יותר כוח.
• (FLT:0) בידוד ובחירת חומרי:FLT:1 בסביבות קרות, בידוד מונע הדבקה ושומר על טמפרטורות הפעלה בטוחות.שימוש ב- PCBs עם עתירת עתירת עתירת משקפיים גבוהה (Tg) למנת יתר (>170 מעלות צלזיוס) מקטין את דף המלחמה ואת הסיכון לדיכאון.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

מתח מכני של שמירה כולל גם עיצוב מבני ובחירה ברמת רכיב:

• (FLT:0)הר: ⁇ 1 (הההרחבה של טט:0) להשתמש באלקטרוניקה רגישה מהאסאסאסים.וודאי PCB מאובטחים עם ברגים או ברוטבים ולא להסתמך רק על מחברים.
• (FLT:0)PCB Layoutcio:FLT:1 Placeכבד רכיבים (transformers, כופרים גדולים) ליד נקודות הרים. השתמש במפרקים מלאים ומפרקים מוכרים גדולים יותר כדי להגדיל את חיי העייפות.
• (FLT:0)Component Orientation:FLT:1eur Mount PCB רכיבים במקביל לציר הרטט הראשי כדי להפחית את הלחץ על מובילי.
• (FLT:0)Conformal Coatings:FLT:1 Acrylic, סיליקון, או ציפוי פוליאורטן לספק שכבת הגנה מכנית תוך חסימת לחות ומזהמים.

הגנה חשמלית ופגיעה ב

איכות הכוח התעשייתית היא ענייה לשמצה בעיצוב חוסן חשמלי כולל:

• (FLT:0) Power Supply Design:FLT:1 השתמש במרמרים DC-DC-DC רחבים הנבלים על קירות וגביעים. Include Transient Stressors (TVS diodes), מעצורים חד-חמצני מתכת-חמצני (MOVs), ופילטרים קלט כדי לדגום את הספינים.
• (ב) ⁇ :0) סביב ו-Switching: FLT:1 , יישום כוכבים המתבסס על מנת להימנע מכבלי מגן על לוחות מחוסנים או מחוסנים, ולסיים מגינים בנקודה אחת כדי למנוע רעש משותף.
• (FLT:0)Isolation:0) בידוד גאלובן (באמצעות Optocouplers, ממירים או הפיכה כרצבית) בין תחומי כוח ודרכי אות מגן מפני הבדלים אפשריים קרקעיים וטראנסים בעלי מתח גבוה.
• (ב) ⁇ :0 (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

בדיקה ואימות לסביבה הרודפת

בדיקות תורניות תחת תנאים קשים מדומים הן הכרחיות.תקני התקנים כגון הנציבות האלקטרונית הבינלאומית (IEC) והמכון למדעי הסביבה וטכנולוגיה (IEST) מספקים פרוטוקולי מבחן המנחים את הכישורים.

בדיקות סביבתיות

• (FLT:0) מוצרי Temperature Cycling:FLT:1) הם חשופים לשינויים מהירים בטמפרטורה בין קיצוניות (למשל, 40 מעלות צלזיוס ל +85 ° C) עבור מאות מחזורים כדי לחשוף את הכשלים המשותפים וחומריים.
• (FLT:0)Humidity and Corrosion Testing:ראה LT:1) בדיקות כגון IEC 60068-2-30 לחשוף מערכות לחות גבוהה (85% RH או גבוה יותר) עם רכיבה על טמפרטורה כדי להעריך condensation ו-corrosion התנגדות ערפל.S.S.S.S.S.S.S.S.F.S.S.S.S. ערפל בדיקות ערפל ערפל המלח (IEC 60068-2-11-2-11-2) מדמייתות את האווירה החוף או קורוזיאו אטמוספירה.
• (FLT:0) ו-Haze:FLT:1hil ובדיקות רטט אקראיות וסינוסואידיות ל-IEC 60068-2-64 ובדיקות זעזוע מכניות ל-IEC 60068-2-27 לאמת את השלמות המבנית.
• בדיקה אחרונה ב-6 ביולי 2010. ^ Enclosures are test for Dust-tigence (IP6X) and water ingress (IPX7, IPX9K) באמצעות ננומטרים ותאים סטנדרטיים.

בדיקת מתח חשמלי

סימולציה איכותית כוחית, כגון דיפוס מתח, גורדות (IEC 61000-4-11), ו transients מהירים חשמליים (IEC 61000-4-4), מאשרת את החסינות של המערכת.דרד וערוך בדיקות EMI (IEC 61000-4-3,6), להבטיח שהמערכת אינה תואמת את הסביבה האלקטרומגנטית התעשייתית.

בדיקות חיים

בדיקות חיים מואצות (ALT) ליישם רמות מתח גבוהות (temperature, מתח, רטט) כדי למנוע מצבי כישלונות הצפויים ייקח שנים להופיע בתנאים רגילים.מודלים מתמטיים, כגון Arrhenius או Coffin-Manson, משמשים כדי להרחיב את החיים הצפויים בתחום.

חומרים נבחרים לזמינות ארוכת טווח

מעבר למתחים ורכיבים, החומרים המשמשים באסיפה עצמה ממלאים תפקיד קריטי בחוסנות.

מועצת המנהלים של ה-Laminates

סטנדרטי FR-4 מלוטש מעל 130 מעלות צלזיוס ויכול לספוג לחות, המוביל לדחמנציה. עבור סביבות עתיריות גבוהות או לחות, גבוה-Tg-4 (Tg >170 ° C), פולימידיד, או כימות מלאות קרמיקה הם מועדפים.חומרים עם אפקטיביות נמוכה של התרחבות תרמית (CTE) להפחית את הלחץ על פני השטח ועל משטחים לפני השטח תרמי במהלך רכיבה על אופניים תרמיים.

קידודים ו- Encapsulants

ציפויים קונפוראליים (קריאל, סיליקון, urethane, parylene) מספקים מחסום נגד לחות, אבק וכימיקלים. Parylene, החל באמצעות vaapor deposition, מציע אחידות יוצאת דופן וחוסר כימיקלים אבל הוא יקר יותר. Encapsulation (pot) עם epoxy או סיליקון resinsinsinsin לחלוטין להטביע את ה- PCB, המציע רמה גבוהה ביותר של הגנה אך הוא מסבך כמו IF-8.

קישורים וכבלים

יש לבחור עם הגנה נאותה על תוקפנות, נעילה מנגנונים (למשל, המפרץ, חוטף), ואת קורוזיון עמיד בפני סיום.מגעים זהב מסווג הם סטנדרטיים עבור יושרה אות והתנגדות קורוזיה, בעוד כסף או tin pling עשוי להיות מקובל על חיבורי כוח בסביבות פחות אגרסיביות.

יישומים אמיתיים ומקריות

נפט וגז קידוח ציוד

אלקטרוניקה של דאחור חייבת לפעול בטמפרטורות מעל 175 מעלות צלזיוס ולחצים של 20,000 מהנדסים psi. להשתמש ברכיבים בעלי מבנה גבוה, מעגלים היברידיים עב-סרט, ודיור מתכת שנועדו לעמוד בדחיסה קיצונית:0SchlumbergerFLT:1 וחברות שירות אחרות בתחום הנפט פיתחו טכנולוגיות קנייניות עבור תנאים אלה, כולל מערכות קירור פעיל באמצעות אפקט Joule-Thomson.

מערכות Mining

משאיות הובלה אוטונומיות ושקיות קידוח פועלות בסביבות לגונה עם אבק, רטט, ותנודות טמפרטורה מ -20 מעלות צלזיוס ל +50 מעלות צלזיוס. המערכות האלה מסתמכות על מחשבים מחוסנים עם קירור פסיבי, מצופים באופן עקבי PCB, ומחברים חתמים.

עיבוד מזון וקווי Beverage

סביבות Washdown דורשות מחסניות IP69K שיכולים לעמוד על מטוסי מים 80 מעלות צלזיוס בלחץ גבוה.בקרות אלקטרוניות לעתים קרובות רכובות פלדה אל-חלד עם משטחים חלק כדי למנוע צמיחה חיידקית.המגמה לעבר חיישנים תעשייתיים של דברים (I) בסביבות אלה הובילה לפיתוח של מודולים אלחוטיים עם אלקטרוניקה שורדים מחזורי סניפיוס חוזרים.

מגמות עתידיות ב-Harsh Environment Electronics

דחיפה לכיוון תעשייה 4.0 וחיישנים מתפשטים מעלה את הבר לחוסנות אלקטרונית.מגמות מתפתחות כוללות:

• (ב) ,0) ,Additively Manufactured Enclosures:FLT:1 הדפסה 3D מאפשר פיזור מהיר של מחסנים מותאמים אישית עם ערוצי קירור משולבים או ג'ממטות מדגימות רטט.
• (FLT:0Wide Bandgap Semiconductors: OVAF1) סיליקון קרבייד (SiC) ומכשירי הריבון ניטריד (GaN) פועלים בטמפרטורות גבוהות יותר והחלפת תדרים מאשר סיליקון, צמצום דרישות קירור ושיפור יעילות ביישומים תעשייתיים בעלי עוצמה גבוהה.
• (FLT:0) מעגלי ההולינג: אנדרל 1 (FLT:1) מחקר לתוך פולימרים עצמיים ונתיבים מוליכים יכול יום אחד לאפשר מעגלים להתאושש מסדקים קטנים או אירועי קורוזיה, להאריך את חיי השירות.
• (FLT:0)Edge AI עבור תחזוקה חיזוי: ההרחבה 1 (בטבעת אלגוריתמי למידת מכונה על הסיפון, אלקטרוניקה תעשייתית יכולה לפקח על בריאותם - מעקב אחר טמפרטורה, רטט וחתימות חשמל - ולנבא כישלונות לפני שהם מתרחשים.

מסקנה

תכנון מערכות אלקטרוניות חיוניות לסביבות תעשייתיות קשות הוא מאמץ רב תחומי הדורש תשומת לב קפדנית למכנית, תרמית, חשמלית וכימיקלית, אין פתרון בגודל אחד מתאים לכל; כל יישום דורש שילוב מותאם של בחירת רכיב, עיצוב דחוס, ניהול תרמי, ובדיקה קפדנית.על ידי טיפול שיטתי בכל גורם סביבתי ומינוף חומרים מודרניים וסטנדרטים, מהנדסים יכולים לבנות ביצועים אמינים על פני תקופות חיים נמדדות, ולא שיפור של עלויות תעשייתיות במשך עשורים.