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Anforderungen an Alu-Gehäuse

Elektronik muss gut geschützt werden

Fischer Elektronik
© Fischer Elektronik

Bestandteile eines Embedded-Systems sind nicht nur spezifische Hard- und Software, sondern meist auch ein Gehäuse. Welche Anforderungen solche Gehäuse erfüllen müssen und worauf Embedded-Entwickler bei deren Auswahl achten sollten, zeigt dieser Beitrag.

Eine der Aufgaben von Gehäusen besteht darin, die Elektronik vor äußeren Einflüssen zu schützen. Darunter fallen beispielsweise Staub, Berührungen oder Wasser. Ein genau definierter Schutz wird durch die Norm für die IP-Schutzart nach DIN EN 60529 gekennzeichnet. Der zweistellige IP-Grad (International Protection oder auch Ingress Protection) beschreibt durch die erste Ziffer den Schutz gegen Fremdkörper und Berührung sowie durch die zweite Ziffer den Schutz gegen Wasser.

Die erste Ziffer variiert zwischen 0 und 6. Die Zahl 0 bedeutet den geringsten – also keinen – Schutz, während ein Gehäuse mit einer 6 als erster Ziffer die Elektronik auch gegen feinste Staubteilchen (staubdicht) schützt. Auch bei der zweiten Ziffer bedeutet eine höhere Zahl einen höheren Schutz; hier wird zwischen 0 und 9 variiert. Gehäuse mit der Zahl 0 an zweiter Stelle besitzen gar keinen Schutz gegen Wasser, während die Ziffer 9 sogar gegen Wasser bei Hochdruck- und Dampfstrahlreinigung schützt.
Gehäuse mit IP-Schutzart kommen beispielsweise zum Einsatz in industriellen Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit und Staub, aber auch bei einer Montage in abgeschlossenen, dichten Schränken mit geringer Feuchtigkeit und wenig Staub oder im Freien unter verschiedenen Wetterbedingungen.

Um einen bestimmten IP-Schutz bei Gehäusen zu erreichen, eignen sich unterschiedliche Dichtungen. Flachdichtungen aus Polyurethan lassen sich zwischen zwei parallelen Flächen verwenden. Für Nuten und Feder-Nut-Systeme eignen sich Schnurdichtungen. Dichtmassen können für unterschiedlichste Konturen flexibel genutzt werden. Anbieter wie Fischer Elektronik können mit einem umfangreichen Portfolio an Zubehörmaterial aufwarten.

Entwärmung der Elektronik

Eine weitere Aufgabe von Gehäusen ist die Entwärmung der Elektronik, die Entwickler immer als Auswahlkriterium für ein Gehäuse betrachten sollten. Das thermische Management wird immer wichtiger, da die Miniaturisierung der Elektronik immer weiter voranschreitet und sich durch die immer kleineren Oberflächen die Verlustleistung (Wärme) nicht aus­reichend schnell abführen lässt. Überschreitet die Betriebstemperatur einer elek­tronischen Komponente den spezifizierten Maximalwert, kann die Elektronik dauerhaft geschädigt werden.

Da Embedded-Systeme häufig im Dauerbetrieb laufen, ist die Entwärmung umso wichtiger. Dass ein solches System ausfällt, ist in jedem Fall zu vermeiden.
Verlustleistung wird durch freie oder erzwungene Konvektion von den elek­tronischen Komponenten abgeführt. Bei der freien Konvektion entsteht durch die aufsteigende, warme Luft ein Druckunterschied, wodurch kühlere Luft aus der Umgebung nachströmt. Diese Art der Entwärmung wird von Kühlkörpern genutzt, die sich auf der Oberfläche von elektronischen Komponenten befinden. Auch Wärmeableitgehäuse bieten diese Art der Entwärmung, indem eine der Außenwände eines Gehäuses die Form eines Kühlkörpers besitzt.

Relevante Anbieter

Temperaturverlauf in einem Gehäuse, dargestellt mittels computergestützter Wärmesimulation
Bild 1: Temperaturverlauf in einem Gehäuse, dargestellt mittels computergestützter Wärmesimulation.
© Fischer Elektronik

Die erzwungene Konvektion nutzt Lüfter, die ebenfalls einen Druckunterschied erzeugen. Dieser entsteht jedoch schneller als bei der freien Konvektion, weswegen durch den erhöhten Volumenstrom mehr kalte Luft die zu kühlende Komponente erreicht. In Kombination mit einem Kühlkörper auf der Oberfläche der elektronischen Komponente ist diese Art der Entwärmung die effizienteste. Voraussetzung hierfür sind Lüftungsöffnungen im Gehäuse, damit kalte Luft jederzeit in das Gehäuse strömen kann.

Um mehr Wärme von der Elektronik zum Kühlkörper zu leiten, kommt Wärmeleitmaterial zum Einsatz, etwa in Form von Wärmeleitpasten, -folien oder -kleber. Anbieter wie Fischer Elektronik können umfassend zu allen Aspekten des thermischen Managements beraten. Mithilfe computergestützter Wärmesimulationen lassen sich für den jeweiligen Einsatzzweck des Kunden optimierte Lösungen erarbeiten (Bild 1).

  • Elektromagnetische Verträglichkeit

Gehäuse eignen sich auch dafür, vor elektromagnetischer Strahlung zu schützen. Sie entsteht überall dort, wo Strom fließt, und kann die Funktion elektronischer Kom-ponenten beeinflussen und damit kompletter Geräte. Eine EMV-Abschirmung soll verhindern, dass ein Embedded-System andere Systeme sowohl beeinflusst (Störab-strahlung) als auch durch Störungen von außen beeinflusst wird (Störeinstrahlung).

Durch eine leitende Gehäuseoberfläche wird eine Abschirmung vor elektromagnetischer Strahlung erreicht. Dabei fungiert die Oberfläche wie ein Faradayscher Käfig. Damit die Aluminiumoberfläche leitfähig bleibt, erhält diese eine elektrisch leitende, transparente Passivierung. Diese verhindert, dass die Aluminiumoberfläche oxidiert und damit elektrisch isolierend wirkt. Zusätzliche elek­trisch leitende Dichtungen garantieren den Kontakt zwischen den einzelnen Gehäuseteilen. Diese bestehen aus Elastomeren oder Silikon und sind mit elektrisch leitenden Materialien wie Nickel, Kupfer oder Silber versehen oder ummantelt.

  • Zusätzliche Anforderungen

Neben den oben genannten drei wichtigen Themen für die Gehäuseauswahl gibt es auch noch weitere Kriterien, die bereits in der Entwicklungsphase eines Embedded-Systems betrachtet werden sollten. So können die Wartungsfreundlichkeit und die schnelle Erreichbarkeit der Elektronik wichtig sein. Auch eine schnelle Montage der Elektronik im Gehäuse kann eine Rolle spielen. Diese Kriterien beeinflussen die Konstruktion ebenso wie die Befestigung am Einsatzort.

Eine Anforderung, die ebenfalls von Anfang an berücksichtigt werden sollte, ist die Oberfläche und Farbe des Gehäuses. Ist dieses auf der Innenseite elektrisch leitend passiviert, empfiehlt sich eine Lackierung oder Pulverbeschichtung auf der Außenseite, denn Passivierung ist sehr empfindlich gegenüber mechanischen Beschädigungen. Eine weitere übliche Behandlung der Aluminiumoberfläche ist das Eloxieren, das eine kratzfeste und robuste Oberfläche erzeugt. Diese hochwertige Oberfläche kann in verschiedenen Farben hergestellt werden.

Zusätzlich können Gehäuse bedruckt werden, um dem Nutzer eines Geräts die nötigen Informationen zur Nutzung zu vermitteln. Auch Logos oder Corporate Designs in bestimmten Farben lassen sich so auf das Gehäuse aufbringen.

Fazit

Embedded-Entwickler sollten bereits früh in der Planung die Anforderungen an das Gehäuse priorisieren, weil einige Anforderungen sich widersprechen können und daher einen Kompromiss nötig machen. Beispielsweise eignet sich ein staubdichtes Gehäuse für eine Entwärmung der Elektronik mittels erzwungener Konvektion nicht, da dort keine Lüftungsöffnungen eingebracht werden dürfen.

Insgesamt bieten Aluminiumgehäuse eine gute thermische und auch elektrische Leitfähigkeit. Da sich dieses Material auch gut bearbeiten lässt, eignet es sich für kundenspezifische Gehäuse. Der IP-Schutz lässt sich ebenso realisieren wie unterschiedliche Anforderungen an den Aufstellort und die Oberfläche. Fischer Elektronik als Gehäusehersteller bietet seinen Kunden nicht nur Standardgehäuse, auch individuelle Konstruktionen gehören zum Angebot.


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