Robuste Outdoor-Gehäuse trotzen Umwelteinflüssen

Es gibt Gehäuse und es gibt Schränke, und zwischen Systemtechnik und Gerätetechnik wird ebenfalls unterschieden. Während ein Gehäuse – sprich Elektronikgehäuse – die bestückte Elektronik-Leiterplatte aufnimmt und dadurch zum Gerät wird, dient der Schaltschrank vorrangig zur Aufnahme des Gerätes auf der darin befindlichen Hutschiene. Damit fungiert er auch als eine weitere Schutzhülle gegenüber Umwelteinflüssen.

Es gibt aber auch Elektronikgehäuse, die die Leiterplatte beherbergen und direkt im Außenbereich zum Einsatz kommen. In diese Kategorie Outdoor-Gehäuse – mit ihren Eigenschaften für den sicheren Betrieb beispielsweise in Mobilfunknetzen oder in den regenerativen Energien – gehört das ECS-Gehäusesystem von Phoenix Contact.

In einigen Branchen gelten besondere Betriebsvorschriften – etwa in der chemischen Industrie hinsichtlich des Explosionsschutzes. In der Lebensmittelindustrie werden eine besonders dichte Kapselung und Beständigkeit gegenüber Reinigungsmitteln sowie die Eignung zur Dampfstrahlreinigung gefordert. Wieder andere Bedingungen herrschen in Photovoltaik-Anlagen oder beim Betrieb von Mobilfunkantennen. Derartige Anwendungsfelder stellen hohe Anforderungen an die Industrieelektronik im Außenbereich.

Schutz vor Berührung und Fremdkörpern

Die Kennzeichnung der Schutzarten für Fremdkörper und Wasserschutz erfolgt üblicherweise nach IEC/EN 60529 über die Kennung IP (International Protection) gefolgt von zwei Kennziffern. Dabei gibt die erste Kennziffer Berührungs- und Fremdkörperschutz und die zweite den Schutz gegen Eindringen von Wasser an. In Nordamerika gelten spezifische Normen und Standards. Für Geräte mit einer Betriebsspannung von bis zu 1000 V ist die relevante Standardisierung für den Berührschutz in der Nema 250 dokumentiert. Diese berück­sichtigt – anders als die EN 60529 – auch Einflüsse wie Korrosion, Rost, Vereisung, Öl und Kühlflüssigkeiten. Die Gehäuse der Baureihe ECS erfüllen Nema Klasse 6 und IP69. Somit bieten sie wirksamen Schutz vor herunter­fallendem Schmutz, vor Strahl- und Tauchwasser sowie vor Eisbildung. So schützen die Gehäuse zuverlässig und dauerhaft die Elektronik vor schädlichen Einflüssen.

Nächste Seite: Einfluss von Umweltmedien und UV-Strahlung

Einerseits beaufschlagt Feuchtigkeit in Form von Regen, Hagel oder Schnee das Gehäuse. Im anderen Extremfall ist die Trockenheit dadurch gekennzeichnet, dass die Luft vermehrt feinste Staubpartikel und Umweltschadstoffe wie Salznebel oder Schwefelsäure transportiert, die sich am Gehäuse dauerhaft absetzen können. Dann ist das System durch Korrosion an metallischen Teilen gefährdet. Und permanente Sonneneinstrahlung mit Ultraviolett-Anteilen lässt insbesondere Kunststoffe schneller altern. Speziell ausge­rüstete hochtemperatur- und UV–beständige Isoliergehäuse, zum Beispiel aus Polycarbonat, widerstehen dieser Dauerbelastung typischerweise über Einsatz-Zeiträume von 20 Jahren (Bild 2).

Betrieb bei Temperaturwechsel und Kondensation

Betrachtet man die Anforderungen an ein Gehäuse für den Einsatz in PV-Anlagen, darf der zulässige Bereich der Umgebungstemperatur gemäß IEC/EN 61215 nur innerhalb bestimmter Grenzen liegen. 365 Tage im Jahr der direkten Witterung ausgesetzt zu sein, impliziert Umgebungs­temperaturen von -40 bis + 85 °C, und das im ständigen Wechsel von Tag zu Nacht. Hinzu kommt noch die Eigenerwärmung in Form von Verlust­leistung im Gehäuseinneren durch den Betrieb der Elektronik. Durch dieses Wechselspiel werden das Material und die Dichtung von Gehäuse und Anschlusstechnik permanent stark beansprucht.

Bild 3: Die Integration von passiven Lichtleitern und aktiven RGB-Signalleuchten sorgt auch unter widrigen Bedingungen für sichere Statusanzeigen im Service-Fall. Phoenix Contact

Integrierbare Membranen schaffen hier Abhilfe und ermöglichen den Ausgleich unterschiedlicher Druckniveaus zwischen Gehäuseinnerem und Umgebung. Dadurch wird das Eindringen von Kondensationswasser aus der Atmosphäre sowie mechanische Verformungen durch permanente Druckschwankungen über die Zeit verhindert.

Vibration, Schock oder Stöße sind gefürchtete Einflussfaktoren im Betrieb von Geräten. Die Kenngrößen, die den Grad der Stoßfestigkeit und der Schlagfestigkeit eines Gehäuses angeben, sind der IK-Code gemäß IEC 62262 und EN 50102. Im Testverlauf wird an jeder bei regulärer Nutzung freiliegenden Gehäusefläche eine Schlagprüfung durchgeführt. Diese Prüfung wird fünfmal wiederholt, wobei nicht mehr als dreimal in der Nähe der gleichen Stelle eine Beanspruchung eingebracht werden darf. Alle Schläge müssen je Prüfdurchgang gleichmäßig und symmetrisch auf dem Gehäuse verteilt sein. Ein Stoßfestigkeitsgrad von IK08, über den das ECS-Gehäuse verfügt, bedeutet, dass es an sensiblen Stellen fünf Joule Schlagenergie ohne Einbußen von Dichtigkeit und Berührschutz übersteht.

Thema der nächsten Seite: Installation und Wartung im Feld

Bild 4: Leiterplattenstopper, Druckausgleichsmembran und Mastbefestigung sorgen für eine sichere Inbetriebnahme und einen störungsfreien Dauerbetrieb. Phoenix Contact

Der Zeitaufwand zur Installation eines Gerätes, insbesondere im Freien, sowie die dazu notwendige Qualifikation des Installateurs, tragen maßgeblich zu den Initialkosten bei. Zusätzliche Kosten entstehen, wenn Diagnosen durchgeführt und das verkabelte Gerät vor Ort geöffnet werden muss. Wasserdichte passive Lichtleiter oder aktive mehrfarbige Signalleuchten zeigen dem Service-Mitarbeiter den aktuellen Systemstatus an, ohne dass das Gerät dabei geöffnet werden muss (Bild 3). Eine ideale Mastbefestigung etwa ist dadurch gekennzeichnet, dass sie passgenau auf das Gerätegehäuse abgestimmt ist, sich schnell installieren lässt und das System dauerhaft mechanisch fixiert. In das ECS-Gehäuse integrierbare Federstahlelemente im Bereich der Leiterplattenführung verhindern, dass die Elektronik im Service-Fall versehentlich aus dem Gehäuse herausrutscht (Bild 4).

Der Begriff Total Cost of Ownership (TCO) bezeichnet ein Abrechnungsverfahren, das alle anfallenden Kosten im Betrieb von Investitions­gütern abschätzt. Betrachtet werden dabei nicht nur die Anschaffungskosten, sondern sämtliche Aspekte der späteren Nutzung der betreffenden Komponenten über die gesamte Lebensdauer. Ziel dabei ist es, alle Kostentreiber inklusive der versteckten Kosten im Vorfeld einer Investitions­entscheidung zu identifizieren.