Anforderungen an Elektronikgehäuse systematisch analysieren

Neben der schützenden Eigenschaft eines Gehäuses muss es auch in punkto Design und Technik stimmen. Fischer Elektronik

Die schützende Eigenschaft eines Gehäuses muss auch in punkto Design und Technik stimmen. Um diese Faktoren schnell und kostensparend umzusetzen, ist es für einen Anwender sinnvoll, die Anforderungen an sein Gehäuse vorab in einer Liste zusammenzustellen. Denn solange die Anforderungen an das Gehäuse nicht bekannt sind, kann man auch nicht gezielt nach einer Lösung suchen. Deshalb ist es wichtig diese möglichst früh und klar zu definieren. Für die Suche eignen sich Kataloge und Internetseiten von Gehäuseherstellern.

Ort des Geschehens

Bei der Auswahl des Gehäuses spielt der Einsatzort des Endproduktes eine wichtige Rolle. Die Anforderungen an Gehäuse, die beispielsweise in einem Schaltschrank eingesetzt werden, sind durch die bereits reduzierte Gefahr aus der Umgebung eher gering. Dagegen müssen Gehäuse im Freien auch rauen Umwelteinflüssen wie Schmutz und Wasser standhalten können. Ein nachträglicher Versuch, die Gehäuseschutzklasse zu erhöhen, ist in den meisten Fällen mit großem Aufwand und Kosten verbunden. Daher ist es wichtig, frühzeitig genau zu wissen, wo das Endprodukt seinen Einsatz findet.

Tabelle 1: Die Ziffern in den Codes der International Protection (IP) stehen je für den Berührungs- und Fremdkörperschutz sowie für den Wasserschutz.Fischer Elektronik

Der Schutz durch Gehäuse ist genormt und wird mit einem sogenannten IP-Code angegeben. IP bedeutet „International Protection“ und wird in der europäischen Norm „DIN EN 60 529“ behandelt. Darin ist, anhand einer Tabelle, der Schutzgrad für elektrische Betriebsmittel mit einem zweistelligen IP-Code angegeben. Hierbei steht die erste Ziffer für den Berührungs- und Fremdkörperschutz, die zweite für den Wasserschutz. Der in der Norm am höchsten angegebene Schutzgrad ist IP68. Demnach ist ein IP68-klassifiziertes Gehäuse staub- und bei dauerhaftem Untertauchen wasserdicht geschützt. Eine Übersicht zu den Schutzklassen fasst Tabelle 1 zusammen.

Eine Gefahr für andere?

Die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) wird durch die EMV-Richtlinie und der -Norm geregelt. EMV kennzeichnet den störungsfreien Betrieb von elektrischen Betriebsmitteln in unmittelbarer Nähe zueinander. Ein elektrisch betriebenes Gerät darf keine Gefahr für andere Geräte darstellen und muss ebenso gegen mögliche fremde Störquellen geschützt sein. Die Gefahr oder Störgrößen stellen die elektromagnetischen Felder oder Wellen dar.

Führungsschienen, Gitter und Befestigungsmaterial: Dem Gehäusezubehör sind kaum Grenzen gesetzt. Fischer Elektronik

Für einen störungsfreien Betrieb reichen meist schon ein durchdachtes Platinenlayout, elektrische Filter und Abschirmung der Bauteile. Mithilfe eines EMV-gerechten Gehäuses wird die Abschirmung ergänzt. Ideal sind dabei Gehäuse aus elektrisch leitenden und ferromagnetischen Werkstoffen, bei denen die Einzelteile miteinander leitend kontaktiert sind. Um eine gute Schirmdämpfung zu erreichen, müssen Spalten – wie zwischen Deckelplatte und dem Gehäuserumpf – mittels EMV-Dichtungen abgedichtet werden. Unternehmen, die sich in dieser Branche spezialisiert haben, bieten unterschiedliche Arten von Abschirmmaterialien an: Neben Dichtungen mit elektrisch leitenden Füllstoffen wie Aluminium, Graphit, Kupfer, Nickel oder Silber gibt es auch Dichtungen aus Schaumstoff, die mit einem Metallgewebe ummantelt sind.

Die Mittel

Kunststoff und Metall haben ihre Vor- und Nachteile: So produzieren Hersteller die Gehäuse aus Kunststoff meist aus den amorphen Thermoplasten Acrylnitrilbutadienstyrol (ABS) oder Polycarbonat (PC). Diese Kunststoffe sind chemisch widerstandsfähig und glasfaserverstärkt (GFK) sowie mechanisch stark belastbar. Zudem sind sie elektrisch isolierend und durch die geringe Materialdichte von 1 bis 1,2 g/cm³ besonders leicht. Kunststoffgehäuse können in beliebigen Formen und Farben gefertigt werden, sind jedoch je nach Fertigungsverfahren mit hohen Stückzahlen und Werkzeugkosten verbunden. Für die elektromagnetische Verträglichkeit beschichtet man die Kunststoffgehäuse mit elektrisch leitenden Lacken oder thermoplastischen Harzen. Diese Beschichtungen sind mit Graphit-, Nickel-, Kupfer- oder Silberpigmenten verfüllt, die mit steigender Schichtstärke eine bessere Abschirmung erzielen.

Oberflächen bestimmen nicht nur das Design des Gehäuses, sie müssen auch zu den Einsatzorten passen. Fischer Elektronik

Metallgehäuse lassen sich aus den Werkstoffen Aluminium oder Stahl herstellen. Aluminium ist mit 2,7 g/cm³ etwa doppelt so schwer wie PC oder ABS und besitzt eine hohe Wärmleitfähigkeit von etwa 220 W/(m·K). Es lässt sich besonders gut formen und spanend bearbeiten. Aus Aluminiumstrangpressprofilen lassen sich Gehäuse mit unterschiedlichen Konturen fertigen. Aluminiumbleche eignen sich gut für Schalengehäuse oder Frontplatten. Für EMV-Anwendungen lässt sich die leitende Oberfläche passivieren beziehungsweise eine Konversionsschicht auf dem Aluminium erzeugen.

Stahl eignet sich ebenso gut für den Gehäusebau wie Aluminium. Durch die hohe Werkstofffestigkeit lassen sich geringe Materialstärken einsetzen. In der Lebensmittel- und der chemischen Industrie wird gern Edelstahl wie V2A oder V4A verwendet, die hoch korrosionsbeständig, hygienisch und sowohl thermisch als auch mechanisch stark belastbar sind. Nachteilig ist der erhöhte Aufwand bei der mechanischen Bearbeitung des Materials. Allerdings ist ein besonderer Vorteil, dass sich Stahl durch die magnetische und elektrisch leitende Eigenschaft ohne Nachbehandlung in EMV-Gehäusen einsetzen lässt.

Cool bleiben

Es ist nachgewiesen, dass durch erhöhte Bauteiltemperaturen die Alterung an Halbleitern stark zunimmt. Damit es nicht zu ungeplanten Ausfällen kommt, muss die Wärmeerzeugende Verlustleistung aus dem Gehäuseinneren sicher abgeführt werden. Mittels Lüftungsschlitze lässt sich die erzeugte Wärme durch eine natürliche Konvektion nach Außen führen. Die natürliche Konvektion reicht nicht immer für eine ausreichende Entwärmung aus. In diesem Fall hilft der Einsatz von Axial- oder Radiallüftern. Hierbei wird von einer erzwungenen Konvektion oder einer aktiven Kühlung gesprochen.

Die thermische 3D-Simulation stellt Baugruppen unter realitätsnahen Bedingungen dar. Fischer Elektronik

Eine weitere Möglichkeit ist es die Wärme am Entstehungspunkt durch thermische Hilfsmittel an die Gehäuseoberfläche weiterzuleiten. Über die Gehäuseoberfläche wird diese aufgenommene Wärme, großflächig an die Umgebung abgeführt. Durch Kühlrippen lässt sich die Gehäuseoberfläche weiter vergrößern und somit die Kühlleistung steigern. Für diese Art von passiver Kühlung werden Wärmeleitrohre (auch „heatpipes“ genannt) oder Metallblöcke („heatspreader“) eingesetzt. Da Luft ein schlechter thermischer Leiter ist, empfiehlt es sich für die Kontaktierung zweier Komponenten, Wärmeleitmaterialien wie Pasten, Kleber oder Folien zu verwenden. Die thermische Simulation ist eine PC-gestützte Evaluierung, bei der Baugruppen dreidimensional dargestellt und unter realitätsnahen Bedingungen simuliert werden. Problemzonen lassen sich so frühzeitig erkennen und beheben. Nachträgliche kostenintensive Korrekturmaßnahmen bleiben damit meist erspart.

Das Finish

Da der erste Eindruck meist zählt, spielt das Gehäusedesign durchaus eine wichtige Rolle. Bei der Oberflächenbearbeitung sind dem Kunden nahezu keine Grenzen gesetzt. Angefangen vom Schleifen, Strahlen, Lackieren, Eloxieren bis hin zum Lasern ist alles möglich. Soll das Gehäuse doch am Ende in einem Schaltschrank verschwinden, so reicht die vom Hersteller angebotene und oft kostengünstige Standardoberfläche meist aus.

Mithilfe von 3D-Modellen lassen sich Elektronik und Mechanik bereits in der Entwicklungsphase erproben. Hierzu bieten die meisten Gehäusehersteller 3D-Daten zum Download an. Die an die Elektronik angepassten 3D-Modelle können anschließend beim Gehäusehersteller als Grundlage für die Anfrage dienen. Wer sich die Mühe macht und Zeichnungen für die Fertigung bereitstellt, kann sogar Kosten sparen, die sich bei geringen Stückzahlen durchaus bemerkbar macht.

(jck)