Gut geschützt – Elektronik in Alugehäusen

Nicht nur die spezifische Hard- und Software stellen Bestandteile eines Embedded-Systems dar, sondern auch das Gehäuse. Gehäuse müssen gewisse Anforderungen erfüllen und Embedded-Entwickler müssen auf gewisse Dinge achten.

Der Schutz vor äußeren Einflüssen

Gehäuse haben vor allem eine Aufgabe: Sie sollen die enthaltene Elektronik vor äußeren Einflüssen schützen, wie bspw. Wasser, Berührungen und Staub. Gekennzeichnet wird der Schutz genau definiert durch die Norm der IP-Schutzart DIN EN 60529. Durch die erste Ziffer beschreibt der zweistellige IP-Grad den Schutz gegen Fremdkörper und Berührung. Die Zweite hingegen beschreibt den Schutz gegen Feuchtigkeit bzw. Wasser.

Es gibt sechs Zahlen zwischen 0 und 6, wobei die Null den geringsten Schutz- sprich keinen Schutz gewährt, im Gegensatz zu einem Aluminiumgehäuse mit der Schutzklasse 6. Diese schützt die Elektronik gegen feinste Staubteilchen – sprich es ist staubdicht. Selbst bei der zweiten Ziffer bedeutet eine höhere Zahl einen höheren Schutz, wobei die Zahl hier zwischen 0 und 9 variiert. Während die Zahl Null an der zweiten Stelle keinen Schutz gegen Wasser aufweist, sind Gehäuse mit der Zahl Neun, die Elektronik sogar gegen Wasser aus Hochdruck- und Dampfstrahlreinigung schützt.

Zum Beispiel kommen Gehäuse mit IP-Schutzart beispielsweise in industriellen Umgebungen eingesetzt mit hoher Luftfeuchtigkeit und Staub zum Einsatz. Ebenfalls werden diese benötigt bei einer Montage in abgeschlossenen, dichten Schränken, in denen eine geringe Feuchtigkeit und wenig Staub vorhanden ist sowie im Freien unter verschiedenen Wetterbedingungen.

Damit es möglich ist, einen bestimmten IP-Schutz bei Aluminiumgehäusen zu erreichen, sind unterschiedliche Dichtungen geeignet. Während Flachdichtungen aus Polyurethan zwischen zwei parallelen Flächen zur Anwendung kommen können, sind Schnurdichtungen für Nuten und Feder-Nut-Systeme geeignet. Für unterschiedliche Konturen können Dichtmassen flexibel genutzt werden. Die Fachanbieter für Aluminiumgehäuse warten mit einem umfangreichen Portfolio auf.

Aluminiumgehäuse können weitaus mehr

Nicht nur der Schutz vor äußeren Einflüssen ist eine Aufgabe von Aluminiumgehäusen, sondern sie dienen ebenfalls einer Entwärmung der Elektronik. Wird ein Gehäuse ausgewählt, gilt es dieses Auswahlkriterium zu beachten. Aufgrund dessen, dass die Miniaturisierung der Elektronik immer weiter voranschreitet, wird der thermische Magnet immer wichtiger, damit die immer kleiner werdenden Oberflächen die Verlustleistung (Wärme) schneller abführen können. Kommt es zu einer Überschreitung der Betriebstemperatur in einer elektronischen Komponente über den spezifischen Maximalwert, dann ist es möglich, dass die Elektronik dauerhaft geschädigt wird.

Aufgrund dessen, dass Embedded-Systeme in der Regel im Dauerbetrieb laufen, ist das Kriterium der Entwärmung umso wichtiger. Ein Ausfall eines solchen Systems ist in jedem Fall zu vermeiden.

Durch eine freie oder erzwungene Konvektion wird die Verlustleistung von den elektronischen Komponenten abgeführt. Durch die aufsteigende, warme Luft entsteht bei der freien Konvektion ein Druckunterschied. Dadurch strömt kühlere Luft aus der Umgebung nach. Genutzt wird diese Art der Entwärmung von Kühlkörpern. Diese befinden sich auf der Oberfläche der elektronischen Komponenten. Diese Art der Entwärmung wird auch von Wärmeableitgehäusen geboten. Dabei besitzen die Außenwände des Gehäuses die Form eines Kühlkörpers.

Lüfter werden von der erzwungenen Konvektion genutzt, von denen ebenfalls ein Druckunterschied erzeugt wird. Allerdings entsteht dieser schneller als bei der freien Konvektion. Daher erreicht mehr kalte Luft durch den erhöhten Luftstrom die zu kühlende Komponente. Besonders effizient ist die Kombination mit einem Kühlkörper auf der Oberfläche der elektronischen Komponente, wenn es um die Entwärmung geht. Lüftungsöffnungen im Gehäuse sind dafür eine Voraussetzung, denn nur so kann die kalte Luft zu jederzeit in das Gehäuse strömen.

Geht es darum, mehr Wärme von der Elektronik zum Kühlkörper zu leiten, setzen Hersteller ein Wärmeleitmaterial ein, wie bspw. Wärmeleitpasten, -Folien oder -kleber.

Zusätzliche Anforderungen

Es gibt neben den bereits genannten Kriterien für die Wahl eines Gehäuses noch weitere und diese sollten bereits in der Entwicklungsphase eines Embedded-Systems betrachtet werden. Dazu zählen z.B. die Wartungsfreundlichkeit sowie die schnelle Erreichbarkeit der Elektronik. Aber ebenso ist eine schnelle Montage der Elektronik im Gehäuse wichtig.

Eine weitere Anforderung sind die Oberfläche und die Farbe des Gehäuses. Sollte dieses auf der Innenseite elektrisch leitend passiviert sein, dann ist eine Lackierung oder Pulverbeschichtung auf der Außenseite empfehlenswert. Der Grund ist, dass die Passivierung äußerst empfindlich gegenüber mechanischen Beschädigungen ist. Das Eloxieren ist eine weitere übliche Behandlung der Aluminiumoberflächen, wodurch eine kratzfeste und robuste Oberfläche entsteht. Des Weiteren ist es möglich, die Gehäuse zu bedrucken, um so dem Nutzer notwendige Informationen zu übermitteln.

Fazit: Die Anforderungen sind vorab zu priorisieren

Entwickler von Embedded-Systemen sollten bereits früh in der Planung die Anforderungen auf das Gehäuse genau priorisieren. Denn einige Anforderungen können sich widersprechen, wodurch ein Kompromiss notwendig wird. So eignet sich ein staubdichtes Gehäuse nicht für eine Entwärmung der Elektronik mittels erzwungener Konvektion, da es keine Lüftungsöffnungen aufweist.

Letztendlich bieten Aluminiumgehäuse eine gute thermische und elektrische Leitfähigkeit. Der Vorteil von Aluminium ist, dass es sich leicht verarbeiten lässt und sich so hervorragend für kundenspezifische Gehäuse eignet. Was den IP-Schutz angeht, so lässt sich dieser ebenso realisieren wie weitere Anforderungen an Aufstellort und Oberfläche.

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