Was fließt in das Design robuster Elektronik ein?

Wenn Sie im Internet nach „robuster Elektronik“ suchen, finden Sie wahrscheinlich viele Videos von Menschen, die auf ihre Smartphones treten. Robuste Elektronik muss mechanisch einiges aushalten können, aber es steckt mehr in einem robusten System, als nur einen Sturz auf den Asphalt zu überleben. Dies betrifft sowohl das Design des Gehäuses als auch die Auswahl der Komponenten und die Fertigungsentscheidungen.

Militär- und Luftfahrtdesigner verwenden oft den Begriff „raue Umgebung“, um eine Reihe von Szenarien zu beschreiben, in denen die Zuverlässigkeit und Lebensdauer eines elektronischen Geräts auf die Probe gestellt wird. Wenn Sie Ihr nächstes Produkt wirklich robust machen möchten, hilft es, einige ihrer Strategien in Ihrem PCB-Layout zu übernehmen. In diesem Artikel werden wir uns einige der Designstrategien ansehen, die in militärischen und luftfahrttechnischen Entwürfen verwendet werden, sowie Strategien für industrielle Designs.

Was qualifiziert als raue Umgebung in robuster Elektronik?

Der Begriff „Umgebung“, wie er in einigen Industriestandards definiert ist, kann sich auf alles von tatsächlichen Umweltbedingungen (Temperatur, Feuchtigkeit usw.) über die mechanische Umgebung (z. B. Vibration) bis hin zur elektrischen Umgebung (Lärm, Potenzial für ESD) beziehen. Robuste Elektronik ist in der Regel darauf ausgelegt, einer oder mehreren Bedingungen standzuhalten, die typischerweise in rauen Umgebungen vorkommen:

• Übermäßig hohe oder niedrige Temperaturen
• Extreme und häufige Temperaturzyklen
• Feuchtigkeit und hoher/niedriger Druck
• Mechanische Vibration oder Schock
• Elektrische Entladung bei hoher Spannung/Strom
• Partikel, wie Staub
• Oxidierende oder explosive Gase

Dies ist eine ziemlich umfangreiche und verwirrende Liste. Generell kann man kein einzelnes Gerät entwerfen, das jedem Faktor in der obigen Liste standhält. Harte Umgebungen sind einfach deshalb schwierig zu bewältigen, weil es eine so breite Palette von Faktoren gibt, die ein elektronisches Gerät zerstören können. Diese Probleme könnten die Platine, Komponenten, die gesamte PCBA oder alles oben Genannte betreffen.

Einige Strategien zur Robustheit

Die untenstehende Tabelle fasst einige der Lösungen zusammen, die Sie in Ihrem Design implementieren können, um es robuster zu machen und die oben genannte Liste von Umweltfaktoren besser zu überstehen.

Aus der obigen Tabelle sollte klar sein, dass die Robustheit über die Platine hinausgeht. Einige Lösungen können nur auf Platinenebene implementiert werden, während andere die Berücksichtigung von allem, von der Platine über die Komponenten bis zum Gehäuse, erfordern. Einige der Industriestandards, die diese Lösungen regeln, umfassen:

• Ingress Protection (IP)-Standard, der den Feuchtigkeitseintritt in robuste Elektronik begrenzt
• MIL-S-901D, der hohe mechanische Stoßanforderungen für Ausrüstung auf Schiffen spezifiziert
• MIL-STD-810G, der Testanforderungen für militärische Ausrüstung spezifiziert, die kommerziell übernommen wurde
• National Electrical Manufacturers Association (NEMA), die Gehäuse, Schränke und Gehäuse spezifiziert
• National Fire Protection Association (NFPA), die eine Reihe von Anforderungen an Elektronik in bestimmten Umgebungen spezifiziert, um die Brandunterdrückung oder -eindämmung zu gewährleisten
• Potentiell explosive Atmosphären (ATEX), NFPA 497 und HazLoc, die Designanforderungen spezifizieren, um eine Explosion zu verhindern, wenn ein Gerät in einer Umgebung mit explosiven Gasen eingesetzt wird

Ihr Gehäuse und Montagestil sind wichtig

Bisher haben wir nur über das elektrische Design, das physische Layout und die PCBA gesprochen. Offensichtlich erfordert das Design robuster Elektronik mehr, als nur ein dickeres Kunststoffgehäuse um die Leiterplatte zu legen und es dabei zu belassen. Das Gehäuse, der Montagestil der Platine und die Befestigungen spielen eine große Rolle bei der Bestimmung der Zuverlässigkeit und bei der Bekämpfung einiger der zuvor aufgeführten Umweltfaktoren.

Eine einfache Möglichkeit, mechanischen Schock und Vibrationen neben potenziellen elektrischen/thermischen Faktoren anzugehen, ist die Verwendung einer Stoßdämpfung mit einem Vibrationsdämpfer. Der unten gezeigte Dämpfer ist von Hobby-Qualität, hat aber eine sehr ähnliche Struktur wie die Halterungen, die in Quadcopter-Drohnen verwendet werden.

Andere Aspekte des Gehäusedesigns und der Montage müssen den spezifischen Umweltfaktor berücksichtigen, den Sie ansprechen müssen. Eine Umgebung mit einem Hochdruckgas erfordert nicht dieselbe Strategie, die in einer Hochdruckflüssigkeitsumgebung verwendet wird, obwohl beide Lösungen auf Gehäuseebene sind, die auf Druckausgleich angewiesen sind. Das Design robuster Elektronik ist ein großartiges Beispiel, bei dem das Team für das elektrische Design eng mit dem mechanischen Team kommunizieren muss, um sicherzustellen, dass die Strategie zur Robustheit nicht mit den elektrischen Anforderungen interferiert.

Abschließende Gedanken zu robuster Elektronik

Der letzte Ratschlag, den ich zum Thema robuste Elektronik geben kann, ist, dass man nicht immer ein Gerät in einem Szenario einsetzen wird, das die gesamte Liste von rauen Umgebungen umfasst. Daher ist der erste Schritt beim Entwurf robuster Elektronik, die spezifischen Umweltfaktoren zu berücksichtigen, die das Produkt beschädigen könnten, und sich in Ihrem Design auf diese zu konzentrieren. Konzentrieren Sie sich beispielsweise nicht darauf, Schutz vor oxidierenden Gasen zu entwerfen, wenn Ihre Hauptbesorgnis der Temperaturwechsel ist (obwohl Sie diesen Schutz möglicherweise als Nebeneffekt erhalten). Konzentrieren Sie sich auf das, was für Ihr Design wichtig ist, und Sie können immer noch etwas produzieren, das kompakt und kosteneffektiv ist.

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