Considerazioni sulla progettazione in ambienti industriali difficili
L'uso di sofisticati dispositivi elettronici e di rilevamento per migliorare e ampliare i processi di fabbricazione, lavorazione e produzione nelle applicazioni industriali è possibile solo se tutti i componenti sopravvivono al difficile ambiente. I sistemi devono sopportare condizioni di caldo, umidità e rigore e campi elettrici e magnetici distruttivi.
Le condizioni ambientali specifiche in cui un prodotto viene utilizzato influenzano le sue specifiche. Tali specifiche devono essere stabilite all'inizio. Le condizioni difficili nelle applicazioni industriali includono l'ingresso di particelle, temperature estreme, impatto fisico, scariche elettrostatiche (ESD), interferenze elettromagnetiche (EMI) e vibrazioni. Tutte queste condizioni, se non controllate, distruggeranno le apparecchiature elettroniche con il passare del tempo. Questo articolo affronta alcuni aspetti critici per la progettazione in un ambiente industriale difficile.
Considerazioni su temperature estreme e semiconduttori
Le alte temperature sono uno dei principali aspetti da considerare in un ambiente gravoso. Un clima fresco è indispensabile per un'efficace performance operativa dei dispositivi elettronici. Il microclima all'interno del cofano dell'automobile è tossico, poiché la temperatura scende raramente sotto i 125°C. I sensori di combustione e di gas di scarico devono lavorare in ambienti riscaldati e difficili. Le componenti elettroniche ad alta temperatura devono costituire il circuito di controllo che gestisce gli attuatori e i sensori.
Quando vengono utilizzate in ambienti ad alta temperatura, le componenti elettroniche devono disporre di un sistema di raffreddamento attivo o passivo per mantenere le parti entro i loro rispettivi intervalli di temperatura di esercizio. Tutto ciò è irrealizzabile nella maggior parte delle situazioni quotidiane. La robustezza dei semiconduttori (IC) include la gamma di temperature di esercizio, la protezione dai guasti, la gestione di elevate interferenze elettriche e le scariche elettrostatiche. La robustezza è un fattore di rendimento fondamentale per un funzionamento prolungato e per ottenere un prodotto finale affidabile e rispettabile. La durata è un must in un ecosistema industriale caratterizzato da condizioni operative estreme, con temperature dei circuiti integrati che oscillano ovunque tra -40°C e +85°C. Il funzionamento a temperature elevate è destinato a persistere, e l'industria automobilistica potrebbe ritrovarsi con temperature di lavoro tra -40°C e +125°C.
I problemi termici emergono quando i dispositivi elettronici sono tenuti in un ambiente industriale interno a tenuta d'aria. I dispositivi dissipano il calore, e le temperature elevate danneggiano i dispositivi se gestite impropriamente. I regolatori di tensione e i circuiti integrati di gestione di potenza si servono di spegnimenti termici per evitare un tale scenario. La scelta di pacchetti con impedenze termiche estremamente basse aiuta a trasferire il calore al di fuori del dispositivo. L'aggiunta di tubi di calore in alluminio o di dissipatori di calore al case in questione garantisce un percorso di impedenza termica inferiore all'aria. Questo riduce la temperatura di esercizio, migliorando notevolmente la sua affidabilità a lungo termine.
Gestione dei transitori di tensione
Un cablaggio errato o un cortocircuito accidentale producono transitori di tensione sulle linee di alimentazione. Questi transitori possono danneggiare i circuiti a valle se gli ingressi non sono protetti. Un circuito semplice e discreto che consiste in un fusibile in serie con un diodo (TVS) o un diodo Zener, o dei varistori in ossido di metallo (MOV) viene generalmente utilizzato come protezione dalla maggior parte dei transitori di tensione.
Figura 1: MOV, diodo Zener e diodo TVS (soppressore di tensione transitoria)
Un approccio più controllato alla gestione degli eventi di sovratensione e transitori è quello di integrare il circuito di reazione e la soglia di protezione in un circuito integrato. I diodi e i comparatori interni sono progettati in circuiti integrati di protezione e supervisione multipli per garantire una risposta definitiva in ogni occasione. Alcuni circuiti integrati includono protezioni contro i guasti ad alta tensione per le linee dati. Un dispositivo di protezione dai guasti si attiva quando i normali livelli di tensione della linea dati vengono superati per proteggersi dai danni. Un ottimo esempio è la famiglia di multiplexer MAX4708. Per ulteriori informazioni sui soppressori di tensione transitoria, clicca qui.
Considerazioni sulla sicurezza intrinseca
La sicurezza intrinseca si riferisce a un metodo di protezione dalle esplosioni progettato per schermare il circuito elettrico. I sistemi a sicurezza intrinseca limitano l'energia anche quando ci sono molteplici condizioni di guasto. Queste barriere sono impiegate per limitare l'energia scaricata se un componente o un cablaggio si guasta. L'obiettivo è quello di arrestare l'accensione. Alcune raccomandazioni per la progettazione della sicurezza intrinseca sono descritte nel seguente paragrafo.
Le batterie utilizzate devono essere sufficientemente resistenti per sopravvivere alle condizioni ambientali previste. La perdita di elettrolito dovrebbe essere minima, cosa che può accadere in ambienti di cortocircuito gravi.
Le componenti che immagazzinano energia come i condensatori, gli induttori e le perle di ferrite possono essere soggette ai parametri di accensione a scintilla. L'energia disponibile immagazzinata in esse deve essere limitata in modo che non ci sia energia sufficiente per innescare un'atmosfera esplosiva. L'incapsulamento è utilizzato per schermare i circuiti da qualsiasi rischio di formazione di scintille.
Rivestimenti Conformi
I rivestimenti conformi sono essenziali per migliorare le prestazioni a lungo termine e l'affidabilità degli assemblaggi elettronici. Il prodotto offre una maggiore protezione contro polvere, urti, vibrazioni, sostanze chimiche, sporco, abrasione, funghi, umidità e stress meccanici. I rivestimenti conformi includono: formulazioni a polimerizzazione UV in una parte, siliconi in una e due parti, epossidici in una e due parti, e un sistema di lattice specifico ed economico. Per saperne di più sui consigli di sicurezza in ambienti industriali difficili, scarica l'e-book La guida definitiva alla classificazione e alla progettazione per ambienti difficili.
Grado di protezione IP (Ingress Protection) e NEMA
Un contenitore sigillato è utilizzato per prevenire l'ingresso di acqua o polvere. Il volume di spazio sigillato è usato per mettere al sicuro le componenti elettroniche in ambienti difficili. Lo standard contestuale è IEC 60529, come definito dalla Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC). Questo standard designa il numero di tipi e gradi di protezione forniti da un contenitore al suo equipaggiamento elettrico. Il codice IP stesso ha la forma "IP XY", dove le cifre X e Y indicano rispettivamente la protezione dall'ingresso di particelle e dall'acqua. Sono comunemente usati per applicazioni esposte agli elementi, insieme a polvere o umidità. Le tipiche industrie utilizzatrici includono il settore marino, le piattaforme petrolifere e di gas offshore, la sicurezza, l'illuminazione, il tempo libero e la trasformazione alimentare.
La National Electrical Manufacturers Association (NEMA) fornisce un noto standard di contenitori protettivi simile al codice IP (IEC 60529). Il NEMA 250 copre una gamma più ampia di condizioni difficili rispetto al codice IP. Include anche valutazioni, sia pericolose che non pericolose, per luoghi interni ed esterni. Tali condizioni includono l'ingresso di oggetti estranei (come polvere o fibre), acqua e agenti corrosivi, compresi numerosi gas e atmosfere. AE1360 è un esempio di contenitore metallico IP66, NEMA 4 per uso elettrico in un ambiente industriale difficile. Per ulteriori informazioni sui prodotti con classificazione IP e NEMA, clicca qui.
Figura 2: Contenitore metallico, IP66, NEMA 4, elettrico/industriale, acciaio, 600 mm, 600 mm, 350 mm, IP66
Considerazioni sui connettori
I progettisti devono prendere in considerazione molteplici fattori come l'influenza della temperatura, dei solventi, del ghiaccio, dell'esposizione al sale, dell'umidità, della corrosione e dei funghi durante la selezione dei connettori. Una scelta sbagliata può influenzare l'integrità, le prestazioni e la durata dell'applicazione. Alcuni fattori devono essere considerati quando si selezionano i connettori per ambienti difficili.
I protocolli di comunicazione sono una considerazione chiave per l'applicazione di comunicazione. I connettori trasportano diversi segnali come interfacce seriali RS232 o I2C, trasmissioni RF, segnali audio e video, alimentazione o comunicazioni di dati ad alta velocità. Il livello di velocità e le caratteristiche dei dati devono essere prese in considerazione. Quando si tratta di esigenze di alimentazione, il progettista dovrebbe controllare i requisiti di tensione e corrente.
I requisiti di spazio sono esigenti nell'era della miniaturizzazione. Tutte le applicazioni moderne continuano a muoversi verso chip e tecnologie che forniscono funzionalità avanzate all'interno di piccoli fattori di forma. I progettisti devono fare attenzione a scegliere i connettori in base alle esigenze.
Lo stile di terminazione è un'altra considerazione. I connettori per ambienti difficili forniscono una tenuta metallica oltre a una connessione elettrica. Questa connessione elettrica si ottiene saldando il connettore direttamente alla scheda o attraverso una terminazione del cavo. Iconnettori devono schermare i componenti da tutte le radiazioni di interferenza elettromagnetica (EMI). Queste radiazioni possono passare all’interno della scatola e ostacolare la funzionalità del dispositivo o uscire dalla scatola e interferire con altri dispositivi. Alcuni connettori scelti appositamente, dotati di una guarnizione conduttiva e di gusci in metallo placcato, assicurano prestazioni EMI ottimali in ambienti difficili.
I connettori della serie MRD sono un perfetto esempio di connettori industriali per ambienti difficili, disponibili in fattori di forma a 2, 3 e 4 posizioni. Le opzioni di alloggiamento includono tutte le costruzioni in plastica così come i corpi di bloccaggio in metallo per una maggiore durata. Le opzioni di montaggio a pannello e di terminazione dei cavi sono disponibili con o senza protezione a prova di dita. Sono resistenti all'acqua e alla polvere IP67 e soddisfano i requisiti ambientali, sanitari e di sicurezza. Per maggiori informazioni sui connettori, clicca qui.
