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電路板設(shè)計(jì)防水安全
但是，如果您設(shè)計(jì)的出色新設(shè)備需要在潮濕，潮濕或滴水潮濕的環(huán)境中工作，該怎么辦？也許是在潮濕的溫室中的自動(dòng)開窗器。也許天氣傳感器安裝在院子里。如果您幸運(yùn)地生活在一個(gè)溫暖的國家，它甚至可能是一個(gè)機(jī)器人清潔工，會(huì)在游泳池的底部徘徊。乍一看，讓水遠(yuǎn)離電氣設(shè)備可能看起來令人生畏，但是有了正確的外殼和一些簡單的技巧，這是孩子的游戲。
有什么大不了的？
希望這不會(huì)引起什么大的意外，但是水和電不會(huì)將液態(tài)形式的水引起短路或以蒸氣形式引起金屬零件腐蝕而混合。結(jié)果將永遠(yuǎn)損壞精心設(shè)計(jì)的設(shè)備。
最常見的損壞原因是濕度，而不是直接暴露于水。當(dāng)溫度變化時(shí)，潮濕的空氣會(huì)進(jìn)入看似密封的外殼，并因冷凝作用而形成水。
術(shù)語介紹
首先，讓我們從一些基本術(shù)語開始。您可能會(huì)看到描述為防水，拒水或防水的物品。理解差異至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈儾皇羌夹g(shù)術(shù)語，而是經(jīng)?；Q使用，作為模糊的營銷術(shù)語。
防水是指在非挑戰(zhàn)性的條件下，例如小雨淋或少量水濺，使水難以進(jìn)入內(nèi)部。這并不意味著水不能進(jìn)入。在我們這里討論的所有術(shù)語中，這是某些東西可以擁有的最低保護(hù)級別。
疏水性是指某種東西已經(jīng)用疏水性材料或物質(zhì)進(jìn)行了有效處理，以排斥與之接觸的任何水。實(shí)際上，它提供與防水保護(hù)類似的保護(hù)，在非挑戰(zhàn)性條件下表現(xiàn)出色，但不適合在大雨中或浸入水中。
防水是最高的保護(hù)形式，其保護(hù)程度取決于其防水程度。范圍從僅防小雨到類似于防水，再到能夠浸入數(shù)千碼深的范圍內(nèi)。要注意的關(guān)鍵是，如果將某種東西描述為防水的，只要接觸不超過防水極限，該設(shè)備就不會(huì)因與水接觸而失效。在這里，我們可以呼吁使用國際保護(hù)標(biāo)記標(biāo)準(zhǔn)來精確定義邊界，并解決“防水”一詞實(shí)際上意味著什么的問題。可以為項(xiàng)目分配IP代碼，該IP代碼準(zhǔn)確描述了使用此標(biāo)準(zhǔn)可以提供多少保護(hù)。
IP代碼有兩個(gè)數(shù)字；第一個(gè)數(shù)字是指防止固體（灰塵，沙子等）進(jìn)入，第二個(gè)數(shù)字是指防止液體進(jìn)入。在本文中，我們只對防止液體濺入感興趣，因此我們將第一個(gè)數(shù)字設(shè)置為“ X”來忽略它。共有9種可能的保護(hù)級別，從0到9。從數(shù)量上講，保護(hù)級別越高，對定向射流的抵抗力和對靜水浸泡的抵抗力之間的差異就越細(xì)微，這意味著您需要謹(jǐn)慎對待。需要為您的特定應(yīng)用選擇正確的等級。
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IP代碼 |
提供的保護(hù)摘要 |
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IPX0 |
沒有保護(hù) |
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IPX1 |
保護(hù)直立的物品免受垂直落下的水滴（例如冷凝水）的影響，以免損壞或組件功能中斷。 |
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IPX2 |
保護(hù)與垂直方向傾斜最多15°的物品以防垂直落下的水滴。 |
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IPX3 |
保護(hù)物品免受與垂直線成60°角的直接濕氣噴霧。 |
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IPX4 |
防止物品從任何方向?yàn)R到水至少10分鐘。 |
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IPX5 |
保護(hù)物品免受任何角度的定向水的低壓噴射 |
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IPX6 |
保護(hù)物品免受任何角度的高壓水的噴射。 |
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IPX7 |
防止物品完全浸入水中，最深3英尺。 |
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IPX8 |
防止物品完全浸入水中超過3英尺的深度。防護(hù)規(guī)范應(yīng)詳細(xì)說明最大深度，溫度，流速和其他必要的其他因素。 |
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IPX9 |
保護(hù)物品免受任何角度的高壓高溫射流的傷害，包括蒸汽清潔。 |
如我們所見，IP等級使您可以為貴重的電氣設(shè)備選擇最佳的防水外殼，同時(shí)要記住，防護(hù)等級越好，外殼的價(jià)格就可能越昂貴。
我們應(yīng)該提及的是，沒有使用IP等級的規(guī)定，而且制造商通常會(huì)使用不完全徹底或結(jié)論性的方法對產(chǎn)品進(jìn)行自我測試。像術(shù)語防水一樣，IP等級可以用作營銷術(shù)語，應(yīng)謹(jǐn)慎對待。務(wù)必仔細(xì)研究IP等級項(xiàng)目的數(shù)據(jù)表，并運(yùn)用工程師的最大資產(chǎn)，這是您的常識(shí)！
它們?nèi)绾喂ぷ鳎?span>
任何具有較高IP防護(hù)等級的外殼都將包括主體，一些蓋子或開口以進(jìn)入內(nèi)部，以及兩者之間的密封。您的電氣設(shè)備需要牢固地安裝在外殼內(nèi)部，然后所有開口（包括所有連接器）都必須密封。如果正確完成，外部環(huán)境將無法進(jìn)入內(nèi)部。聽起來不錯(cuò)，但是請耐心等待，如果電氣設(shè)備上有您需要查看的顯示屏或需要按的按鈕怎么辦？或者，如果發(fā)出警報(bào)音，該怎么辦？聲音如何從密封盒中發(fā)出？電子元件產(chǎn)生的所有熱量又如何呢？那去哪兒了？
用戶控件
設(shè)備帶有按鈕和開關(guān)供用戶操作的情況并不少見。將它們結(jié)合到防水外殼中的最簡單方法是使用諸如薄塑料或橡膠之類的柔性材料，該材料允許用戶將力施加到直接位于柔性材料下方和附近的按鈕上。另一種選擇是將具有正確IP等級的防水開關(guān)和按鈕安裝到外殼上，并通過電線或帶狀圖將它們連接到電路。
假設(shè)您的設(shè)備將浸入水中。在這種情況下，如果預(yù)算允許，使用IR等技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作是一個(gè)很好的解決方案，并且信號將可靠地傳輸?shù)侥脑O(shè)備。例如，藍(lán)牙不是一種選擇，因?yàn)樾盘柌粫?huì)在水中傳播，因?yàn)樗畷?huì)吸收電磁輻射以藍(lán)牙使用的頻率。另一方面，IR會(huì)在水中短距離傳播，如果您決定不弄濕手，這對于您的應(yīng)用可能就足夠了。較便宜的解決方案是將防水電纜從浸入水中的設(shè)備連接到稍干的地方，以便在其中安裝用戶控件。這也可能為解決向用戶顯示信息的問題提供解決方案?？梢栽谟脩艨丶咸峁╋@示，而不是用戶試圖通過渾濁的水注視安裝在浸沒式外殼上的LED。
用戶顯示
與顯示有關(guān)的問題與控件在很大程度上遵循相同的模式。機(jī)箱中的透明面板允許用戶查看機(jī)箱中的所有燈或顯示器（如果可行），并且可以查看它們?；蛘?，將具有正確IP等級的防水燈安裝到外殼體本身中，并用電線或帶子將其連接到電路，以使其更明顯。
產(chǎn)生聲音
我們可以看到，將蜂鳴器或揚(yáng)聲器安裝在標(biāo)準(zhǔn)的防水外殼中并不是很有效。最好的情況下，聲音會(huì)被抑制，最壞的情況下，它會(huì)變得太安靜而無法聽到。防水蜂鳴器和揚(yáng)聲器隨時(shí)可用，并且可以通過導(dǎo)線連接到設(shè)備上，也可以連接到您的設(shè)備，也可以作為一個(gè)包裝固定到設(shè)備的外殼上。
我們無需指出，如果將設(shè)備浸入水中，則這些解決方案是不合適的，除非您計(jì)劃將頭部貼在水面下嘗試并聽到任何聲音。但是，對于將設(shè)備放置在暴露于雨水之外的設(shè)備，這些IP等級的設(shè)備將令人滿意地工作。
散熱性
所有電氣設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生一定程度的熱量。效率越高，產(chǎn)生的熱量越低，但是沒有一種效率是100％的-熱力學(xué)第二定律告訴我們。如果您有效率相當(dāng)?shù)偷牡凸β试O(shè)備，那么產(chǎn)生的熱量可能就不會(huì)成為問題。密封外殼內(nèi)的溫度會(huì)上升，但可能會(huì)穩(wěn)定在遠(yuǎn)低于您的組件的最高溫度額定值和PCB的溫度。但是，如果您的電子設(shè)備產(chǎn)生多余的熱量以消除過熱，您該怎么辦呢？
我們通常依靠對流來散熱。設(shè)備上循環(huán)的空氣將熱量帶走到較冷的環(huán)境。有時(shí)我們會(huì)添加風(fēng)扇或散熱器以加快對流過程。但是，我們不能在外殼上鉆孔以允許空氣流動(dòng)，這反而會(huì)破壞首先具有密封外殼的目的！
下一個(gè)選擇是依靠輻射熱，這非常適合在數(shù)百度下運(yùn)行的電室內(nèi)加熱器，但在我們的電子組件將要運(yùn)行的溫度下效果不是很好。
這使傳導(dǎo)成為可行的選擇，將熱量通過外殼壁傳遞到環(huán)境中。唯一的問題是確保外殼由導(dǎo)熱良好的材料制成，例如鋁或鋼。
仔細(xì)考慮如何以及在何處安裝組件可以幫助將所有熱量從組件中散發(fā)出去，并進(jìn)入機(jī)柜的主體。導(dǎo)熱材料可用于將組件直接橋接至外殼或通過PCB。一旦熱能到達(dá)外殼的外部，就可以增強(qiáng)傳導(dǎo)效果。這可以通過最大程度地增加表面積（金屬散熱片）或使用機(jī)械設(shè)備（例如風(fēng)扇或葉輪）來增加空氣或水流量（取決于外殼是否被浸沒）以帶走熱量來完成。
那么，問題就解決了嗎？
不幸的是，將電路放置在IP防護(hù)等級的外殼中并不能自動(dòng)解決所有問題。請記住，IP額定值與設(shè)置的測試條件相對應(yīng)，可能與您所使用的實(shí)際環(huán)境不完全匹配。例如，使用高壓水槍進(jìn)行測試時(shí)提供保護(hù)的IPX6外殼可能仍然允許空氣進(jìn)入和離開外殼。這意味著如果外殼處于高濕度環(huán)境中，則其內(nèi)部可能會(huì)受到潮濕空氣的影響。然后，潮濕的空氣會(huì)在箱體內(nèi)凝結(jié)為水。隨著時(shí)間的流逝，濕氣可能會(huì)逐漸積累，直到引起短路。選擇外殼時(shí)，請仔細(xì)檢查規(guī)格，并考慮其是否氣密。如果有凝結(jié)的危險(xiǎn)，考慮在外殼內(nèi)使用吸水材料（例如硅膠），但請記住，這種材料不能永遠(yuǎn)工作。它吸收的水分有一個(gè)極限，一旦達(dá)到該極限，它將停止工作。在商業(yè)世界中，另一個(gè)常見的解決方案是用氮?dú)獾雀稍锏亩栊詺怏w填充外殼，以防止潮濕的空氣進(jìn)入。僅當(dāng)惰性氣體不會(huì)隨時(shí)間泄漏時(shí)才有效。在石化行業(yè)中，他們在外殼內(nèi)使用緩釋氣體罐，以穩(wěn)定地替代惰性氣體。但是，這是一個(gè)占用大量空間的昂貴解決方案，因此，除非您擔(dān)心將潛在的爆炸性氣體排除在外殼之外，否則這是不切實(shí)際的。它吸收的水分有一個(gè)極限，一旦達(dá)到該極限，它將停止工作。在商業(yè)世界中，另一個(gè)常見的解決方案是用氮?dú)獾雀稍锏亩栊詺怏w填充外殼，以防止潮濕的空氣進(jìn)入。僅當(dāng)惰性氣體不會(huì)隨時(shí)間泄漏時(shí)才有效。在石化行業(yè)中，他們在外殼內(nèi)使用緩釋氣體罐，以穩(wěn)定地替代惰性氣體。但是，這是一個(gè)占用大量空間的昂貴解決方案，因此，除非您擔(dān)心將潛在的爆炸性氣體排除在外殼之外，否則這是不切實(shí)際的。它吸收的水分有一個(gè)極限，一旦達(dá)到該極限，它將停止工作。在商業(yè)世界中，另一個(gè)常見的解決方案是用氮?dú)獾雀稍锏亩栊詺怏w填充外殼，以防止潮濕的空氣進(jìn)入。僅當(dāng)惰性氣體不會(huì)隨時(shí)間泄漏時(shí)才有效。在石化行業(yè)中，他們在外殼內(nèi)使用緩釋氣體罐，以穩(wěn)定地替代惰性氣體。但是，這是一個(gè)占用大量空間的昂貴解決方案，因此，除非您擔(dān)心將潛在的爆炸性氣體排除在外殼之外，否則這是不切實(shí)際的。僅當(dāng)惰性氣體不會(huì)隨時(shí)間泄漏時(shí)才有效。在石化行業(yè)中，他們在外殼內(nèi)使用緩釋氣體罐，以穩(wěn)定地替代惰性氣體。但是，這是一個(gè)占用大量空間的昂貴解決方案，因此，除非您擔(dān)心將潛在的爆炸性氣體排除在外殼之外，否則這是不切實(shí)際的。僅當(dāng)惰性氣體不會(huì)隨時(shí)間泄漏時(shí)才有效。在石化行業(yè)中，他們在外殼內(nèi)使用緩釋氣體罐，以穩(wěn)定地替代惰性氣體。但是，這是一個(gè)占用大量空間的昂貴解決方案，因此，除非您擔(dān)心將潛在的爆炸性氣體排除在外殼之外，否則這是不切實(shí)際的。
如果您有電線從外面進(jìn)入密封的外殼，您很可能會(huì)發(fā)現(xiàn)由于毛細(xì)作用水沿著電線流過，并通過這種方法進(jìn)入外殼。外殼上安裝的所有連接器必須具有正確的IP等級；它們必須至少與機(jī)箱具有相同的額定值。不要忘記，更大的數(shù)字并不意味著在IP等級方面會(huì)更好。如果您要防止浸入，噴霧，噴射或潮濕，那么哪個(gè)等級優(yōu)于其他哪個(gè)等級？另外，請確保正確安裝它們，并確保所有密封裝置（例如O形圈）均處于良好狀態(tài)并正確安裝。
另一個(gè)關(guān)鍵因素是水不是您需要考慮的唯一環(huán)境因素。例如，如果您的外殼要放置在陽光直射的室外，則必須使用抗紫外線的材料制成。塑料產(chǎn)品可能會(huì)為防水外殼提供出色的低成本解決方案，但是陽光不會(huì)很快使材料變脆，從而損害了其防水能力。另一方面，位于陽光直射的金屬外殼可以很好地吸收紅外線并在白天加熱，然后在晚上冷卻。溫度變化的這種日常膨脹和收縮周期可能會(huì)隨著時(shí)間的推移損害任何防水密封。
最后是外殼本身的組裝。如果使用螺釘或螺栓將零件密封在一起以將它們連接在一起，則擰緊不足或擰得過緊都會(huì)使外殼或任何密封零件變形。