Bild 1: Unterschiedliche Embedded-Gehäuse. Fischer Elektronik

Unterschiedliche Embedded-Gehäuse für unterschiedliche Anforderungen an Entwärmung, IP-Schutz und Bearbeitung. (Bild: Fischer Elektronik)

Bei eingebetteten Systemen handelt es sich häufig um Systeme für sehr spezialisierte Anwendungen. Sie sind in einem technischen Kontext eingebunden, indem sie mit anderen Teilen eines größeren Gesamtsystems vernetzt sind. Sie verrichten, häufig vom Benutzer unbemerkt, ihre Arbeit. Eingebettete Systeme bestehen aus Hardware und Software, die von vornherein optimal aufeinander abgestimmt werden. Ein Gehäuse als Teil des eingebetteten Systems schützt die empfindliche Elektronik und gewährleistet somit die langfristige Funktion. Eine frühzeitige Beschäftigung mit den Anforderungen an ein Gehäuse verhindert, später aufwendige und teure Anpassungen vornehmen zu müssen. Welche Punkte bei der Auswahl eines Gehäuses wichtig sind, wird im Folgenden erläutert.

Eckdaten

Die einzelnen Eigenschaften eines Gehäuses können nie getrennt voneinander betrachtet werden. Hier kommt es stark auf eine Priorisierung an. Ein Gehäuse mit Lüftungsschlitzen kann niemals Wasser- oder Staubdicht sein, auch eine elektromagnetische Abschirmung ist hier nur schwer zu erreichen. Die Methode der Entwärmung ist ebenso mit den anderen Eigenschaften verknüpft und hat zusätzlich Einfluss auf die Wahl des Gehäusewerkstoffs. Der Artikel beschäftigt sich mit den Punkten, die bei der Auswahl eines Gehäuses wichtig sind.

Die Gehäuse-Schutzart

Durch den Einsatzort der Elektronik werden maßgeblich die Anforderungen an ein Gehäuse bestimmt. Da der Einsatzort der Elektronik bereits in der Entwicklungsphase eines eingebetteten Systems bekannt ist, können direkt die entsprechenden Maßnahmen und Kosten berücksichtigt werden. So spielen in einer industriellen Umgebung beispielsweise Staub und Feuchtigkeit eine große Rolle. In anderen Fällen muss das Gehäuse keinen hohen Schutz besitzen, da es zum Beispiel durch einen Schrank geschützt ist, in den es eingebaut wurde.

Die IP-Schutzart eines Gehäuses wird durch DIN EN 60529 definiert, wobei IP hier für international protection oder auch ingress protection steht. Zwei Kennziffern beschreiben die Dichtigkeit des Gehäuses gegen Berührungen, Staub und Wasser. Die erste Kennziffer (0 bis 6) steht für den Schutz gegen Fremdkörper, während die zweite Kennziffer (0 bis 9) den Schutz gegen Wasser beschreibt. Mit den jeweils höheren Werten der Kennziffern werden bessere Dichtigkeiten beschrieben und hiermit auch ein höherer Anspruch an das Gehäuse. Zur Gehäuseabdichtung werden verschiedene Dichtungen eingesetzt. So ist die Verwendung von aufgeschäumten Polyurethandichtungen ebenso möglich wie der Einsatz von Flachdichtungen oder Dichtmassen.

Elektromagnetische Abschirmung

Bild 2: Wärmeableitgehäuse mit elektrisch leitender Oberfläche innen, Lackierung außen sowie elektrisch leitenden Dichtungen zwischen den Gehäusekomponenten. Fischer Elektronik

Wärmeableitgehäuse mit elektrisch leitender Oberfläche innen, Lackierung außen sowie elektrisch leitenden Dichtungen zwischen den Gehäusekomponenten. Fischer Elektronik

Im Vergleich zu den offensichtlichen Gefahren wie Berührung, Staub und Wasser müssen elektronische Geräte auch vor den weniger offensichtlichen Gefahren geschützt werden. Gemeint sind hiermit elektromagnetische Wellen, die überall dort entstehen, wo Strom fließt. Elektromagnetische Wellen können die Funktion elektrischer Geräte stören. Ist eine elektromagnetische Verträglichkeit, kurz EMV, eines Gerätes erforderlich, muss dieses Gerät entsprechend geschirmt werden. So werden andere elektronische Geräte vor nach außen dringender elektromagnetischer Strahlung geschützt, und die Elektronik des Geräts selbst vor eindringender elektromagnetischer Strahlung. Oftmals schon auf den Platinen berücksichtigt, unterstützen Gehäuse zusätzlich die elektromagnetische Abschirmung. Eine elektrisch leitende Oberfläche fungiert wie ein faradayscher Käfig und fängt die elektromagnetische Strahlung ab.

Während Aluminium selbst ein guter elektrischer Leiter ist, besitzt dessen Oberfläche eine natürliche, elektrisch nichtleitende Oxidschicht. Um die Leitfähigkeit der Aluminiumoberfläche zu erhalten, wird eine elektrisch leitende Passivierung erzeugt. Eine hohe Schirmdämpfung wird erreicht, wenn zusätzlich zur Beschichtung ein komplett geschlossenes Gehäuse verwendet wird. Auch kleinste Öffnungen können sonst als Antenne wirken und eine Störwirkung entfalten. Zur besseren Kontaktierung der verschiedenen Gehäuseteile miteinander können leitfähige Dichtungen eingesetzt werden. Diese bestehen aus Elastomeren oder Silikonen, welche mit leitfähigen Materialien wie Kupfer, Silber und Nickel versehen sind. Eine weitere Möglichkeit sind mit den gleichen leitfähigen Materialien ummantelte Dichtungen.

Thermisches Management

Eingebettete Systeme unterliegen, wie auch viele andere elektronische Bauteile und Baugruppen, dem Trend der Miniaturisierung. Die durch die elektronische Belastung der Bauteile entstehende Verlustleistung (Wärme) kann durch die kleineren Oberflächen der Komponenten nur schwer an die Umgebung abgegeben werden. Besonders bei dauerhaft betriebenen Systemen gibt es keine Möglichkeit, zum Beispiel durch Betriebspausen, in geringere Temperaturbereiche zu gelangen. Wenn die in den elektronischen Systemen eingesetzten Halbleiter über der maximal zulässigen Temperatur betrieben werden, verkürzt sich ihre Lebensdauer drastisch. Ein ungeplanter Ausfall des Systems kann die Folge sein. Um das zu verhindern, muss die Verlustleistung auf dem schnellsten Weg aus dem Gehäuse abgeführt werden.

Lüftungsschlitze im Gehäuse ermöglichen eine Entwärmung mittels natürlicher Konvektion. Hierdurch entweicht ein Teil der warmen Luft aus dem Gehäuse. Der hiermit entstandene Druckunterschied ermöglicht das Nachströmen kälterer Luft. Reicht eine Entwärmung mittels natürlicher Konvektion nicht aus, werden Lüfter eingesetzt, um den Luftaustausch zu beschleunigen. Hier wird warme Luft aus dem Gehäuse heraus und kalte Luft in das Gehäuse hinein transportiert.

Muss das Gehäuse jedoch eine gewisse IP-Schutzart besitzen, sind Lüftungsschlitze ungeeignet. Hier bietet sich die Entwärmung mittels eines Wärmeableitgehäuses aus Aluminium an. Der im Gehäuse integrierte Kühlkörper sollte für eine effiziente Entwärmung eine direkte Kontaktfläche zur Elektronik besitzen. Ist eine hohe Temperatur auf einer kleinen Fläche zu erwarten, kann zwischen Kühlkörper und elektronischem Bauteil ein Heatspreader aus Kupfer eingesetzt werden. Dieser dient dazu, die entstandene Wärme auf eine größere Fläche zu spreizen, sodass ein größerer Teil des Kühlkörpers für die Entwärmung genutzt werden kann. Zur Optimierung der Wärmeleitung zwischen den unterschiedlichen Komponenten empfiehlt sich der Einsatz von Wärmeleitmaterial wie Folien, Pasten oder Kleber.

Aluminium als Gehäusewerkstoff

Aluminium zeichnet sich durch seine hohe elektrische sowie thermische Leitfähigkeit aus. Hierdurch eignet es sich sowohl für Kühlkörper und somit für Wärmeableitgehäuse sowie Anwendungen für die elektromagnetische Verträglichkeit.

Neben dem elektrisch leitenden Passivieren kann Aluminium auch eloxiert werden. Hiermit wird eine elektrisch nicht leitende, kratzfeste Oxidschicht erzeugt. Durch die Eloxalschicht wird die Oberfläche des Aluminiums sichtbar und somit auch unterschiedliche Einfärbungen der Oberfläche sowie dekorative Bearbeitungen.

Durch seine gute Formbarkeit ermöglicht Aluminium das Fertigen von Strangpressprofilen für Gehäuse. Hiermit können Gehäusekonturen erstellt werden, welche von vornherein zum Beispiel Nuten für das Einschieben von Leiterkarten besitzen. Im Zusammenspiel mit Deckelplatten aus Aluminiumblech entsteht so ein übliches Aluminiumgehäuse.

Wie sie Die richtige Wahl bei Tragschienengehäusen aus Aluminium treffen

Um das richtige Gehäuse für eine Anwendung mit einer Hutschienenbefestigung zu finden, sind unterschiedliche Faktoren zu berücksichtigen. Der Einsatzort spielt ebenso eine Rolle wie die Größe des Gehäuses. Warum genau, lesen Sie hier.

Aluminiumbleche lassen sich gut durch Stanzen oder Laserschneiden bearbeiten. Zusätzlich lässt sich Aluminium sowohl in Form von Blechen als auch in Form von Profilen oder anderen Halbzeugen gut zerspanen. Durch die vielfältigen Bearbeitungsmethoden eignet sich dieses Material sowohl für Klein- als auch Großserien.

Jeder Anwender muss je nach Einsatz seines Systems entscheiden, welchen Kriterien er den Vorzug gibt, um das passende Gehäuse zu finden. Beratung zu diesem Thema finden Entwickler bei den  Unternehmen, die sich auf Gehäuse spezialisiert haben.

Sandra Vinkenflügel

Entwicklungsingenieurin bei Fischer Elektronik, Lüdenscheid

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