電路板設計防水安全

2021-02-05

但是，如果您設計的出色新設備需要在潮濕，潮濕或滴水潮濕的環境中工作，該怎么辦？也許是在潮濕的溫室中的自動開窗器。也許天氣傳感器安裝在院子里。如果您幸運地生活在一個溫暖的國家，它甚至可能是一個機器人清潔工，會在游泳池的底部徘徊。乍一看，讓水遠離電氣設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？

希望這不會引起什么大的意外，但是水和電不會將液態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。結果將永遠損壞精心設計的設備。 

最常見的損壞原因是濕度，而不是直接暴露于水。當溫度變化時，潮濕的空氣會進入看似密封的外殼，并因冷凝作用而形成水。

術語介紹

首先，讓我們從一些基本術語開始。您可能會看到描述為防水，拒水或防水的物品。理解差異至關重要，因為它們不是技術術語，而是經?；Q使用，作為模糊的營銷術語。

防水是指在非挑戰性的條件下，例如小雨淋或少量水濺，使水難以進入內部。這并不意味著水不能進入。在我們這里討論的所有術語中，這是某些東西可以擁有的最低保護級別。

疏水性是指某種東西已經用疏水性材料或物質進行了有效處理，以排斥與之接觸的任何水。實際上，它提供與防水保護類似的保護，在非挑戰性條件下表現出色，但不適合在大雨中或浸入水中。

防水是最高的保護形式，其保護程度取決于其防水程度。范圍從僅防小雨到類似于防水，再到能夠浸入數千碼深的范圍內。要注意的關鍵是，如果將某種東西描述為防水的，只要接觸不超過防水極限，該設備就不會因與水接觸而失效。在這里，我們可以呼吁使用國際保護標記標準來精確定義邊界，并解決“防水”一詞實際上意味著什么的問題?？梢詾轫椖糠峙?span>IP代碼，該IP代碼準確描述了使用此標準可以提供多少保護。

IP代碼有兩個數字；第一個數字是指防止固體（灰塵，沙子等）進入，第二個數字是指防止液體進入。在本文中，我們只對防止液體濺入感興趣，因此我們將第一個數字設置為“ X”來忽略它。共有9種可能的保護級別，從0到9。從數量上講，保護級別越高，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微，這意味著您需要謹慎對待。需要為您的特定應用選擇正確的等級。

IP代碼	提供的保護摘要
IPX0	沒有保護
IPX1	保護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。
IPX2	保護與垂直方向傾斜最多15°的物品以防垂直落下的水滴。
IPX3	保護物品免受與垂直線成60°角的直接濕氣噴霧。
IPX4	防止物品從任何方向濺到水至少10分鐘。
IPX5	保護物品免受任何角度的定向水的低壓噴射
IPX6	保護物品免受任何角度的高壓水的噴射。
IPX7	防止物品完全浸入水中，最深3英尺。
IPX8	防止物品完全浸入水中超過3英尺的深度。防護規范應詳細說明最大深度，溫度，流速和其他必要的其他因素。
IPX9	保護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備選擇最佳的防水外殼，同時要記住，防護等級越好，外殼的價格就可能越昂貴。

我們應該提及的是，沒有使用IP等級的規定，而且制造商通常會使用不完全徹底或結論性的方法對產品進行自我測試。像術語防水一樣，IP等級可以用作營銷術語，應謹慎對待。務必仔細研究IP等級項目的數據表，并運用工程師的最大資產，這是您的常識！

它們如何工作？

任何具有較高IP防護等級的外殼都將包括主體，一些蓋子或開口以進入內部，以及兩者之間的密封。您的電氣設備需要牢固地安裝在外殼內部，然后所有開口（包括所有連接器）都必須密封。如果正確完成，外部環境將無法進入內部。聽起來不錯，但是請耐心等待，如果電氣設備上有您需要查看的顯示屏或需要按的按鈕怎么辦？或者，如果發出警報音，該怎么辦？聲音如何從密封盒中發出？電子元件產生的所有熱量又如何呢？那去哪兒了？

用戶控件

設備帶有按鈕和開關供用戶操作的情況并不少見。將它們結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。 

假設您的設備將浸入水中。在這種情況下，如果預算允許，使用IR等技術進行遠程操作是一個很好的解決方案，并且信號將可靠地傳輸到您的設備。例如，藍牙不是一種選擇，因為信號不會在水中傳播，因為水會吸收電磁輻射以藍牙使用的頻率。另一方面，IR會在水中短距離傳播，如果您決定不弄濕手，這對于您的應用可能就足夠了。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

與顯示有關的問題與控件在很大程度上遵循相同的模式。機箱中的透明面板允許用戶查看機箱中的所有燈或顯示器（如果可行），并且可以查看它們?；蛘撸瑢⒕哂姓_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。

產生聲音
我們可以看到，將蜂鳴器或揚聲器安裝在標準的防水外殼中并不是很有效。最好的情況下，聲音會被抑制，最壞的情況下，它會變得太安靜而無法聽到。防水蜂鳴器和揚聲器隨時可用，并且可以通過導線連接到設備上，也可以連接到您的設備，也可以作為一個包裝固定到設備的外殼上。 

我們無需指出，如果將設備浸入水中，則這些解決方案是不合適的，除非您計劃將頭部貼在水面下嘗試并聽到任何聲音。但是，對于將設備放置在暴露于雨水之外的設備，這些IP等級的設備將令人滿意地工作。

散熱性

所有電氣設備都會產生一定程度的熱量。效率越高，產生的熱量越低，但是沒有一種效率是100％的-熱力學第二定律告訴我們。如果您有效率相當低的低功率設備，那么產生的熱量可能就不會成為問題。密封外殼內的溫度會上升，但可能會穩定在遠低于您的組件的最高溫度額定值和PCB的溫度。但是，如果您的電子設備產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。設備上循環的空氣將熱量帶走到較冷的環境。有時我們會添加風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，這反而會破壞首先具有密封外殼的目的！

下一個選擇是依靠輻射熱，這非常適合在數百度下運行的電室內加熱器，但在我們的電子組件將要運行的溫度下效果不是很好。 

這使傳導成為可行的選擇，將熱量通過外殼壁傳遞到環境中。唯一的問題是確保外殼由導熱良好的材料制成，例如鋁或鋼。 

仔細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出去，并進入機柜的主體。導熱材料可用于將組件直接橋接至外殼或通過PCB。一旦熱能到達外殼的外部，就可以增強傳導效果。這可以通過最大程度地增加表面積（金屬散熱片）或使用機械設備（例如風扇或葉輪）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防護等級的外殼中并不能自動解決所有問題。請記住，IP額定值與設置的測試條件相對應，可能與您所使用的實際環境不完全匹配。例如，使用高壓水槍進行測試時提供保護的IPX6外殼可能仍然允許空氣進入和離開外殼。這意味著如果外殼處于高濕度環境中，則其內部可能會受到潮濕空氣的影響。然后，潮濕的空氣會在箱體內凝結為水。隨著時間的流逝，濕氣可能會逐漸積累，直到引起短路。選擇外殼時，請仔細檢查規格，并考慮其是否氣密。如果有凝結的危險，考慮在外殼內使用吸水材料（例如硅膠），但請記住，這種材料不能永遠工作。它吸收的水分有一個極限，一旦達到該極限，它將停止工作。在商業世界中，另一個常見的解決方案是用氮氣等干燥的惰性氣體填充外殼，以防止潮濕的空氣進入。僅當惰性氣體不會隨時間泄漏時才有效。在石化行業中，他們在外殼內使用緩釋氣體罐，以穩定地替代惰性氣體。但是，這是一個占用大量空間的昂貴解決方案，因此，除非您擔心將潛在的爆炸性氣體排除在外殼之外，否則這是不切實際的。它吸收的水分有一個極限，一旦達到該極限，它將停止工作。在商業世界中，另一個常見的解決方案是用氮氣等干燥的惰性氣體填充外殼，以防止潮濕的空氣進入。僅當惰性氣體不會隨時間泄漏時才有效。在石化行業中，他們在外殼內使用緩釋氣體罐，以穩定地替代惰性氣體。但是，這是一個占用大量空間的昂貴解決方案，因此，除非您擔心將潛在的爆炸性氣體排除在外殼之外，否則這是不切實際的。它吸收的水分有一個極限，一旦達到該極限，它將停止工作。在商業世界中，另一個常見的解決方案是用氮氣等干燥的惰性氣體填充外殼，以防止潮濕的空氣進入。僅當惰性氣體不會隨時間泄漏時才有效。在石化行業中，他們在外殼內使用緩釋氣體罐，以穩定地替代惰性氣體。但是，這是一個占用大量空間的昂貴解決方案，因此，除非您擔心將潛在的爆炸性氣體排除在外殼之外，否則這是不切實際的。僅當惰性氣體不會隨時間泄漏時才有效。在石化行業中，他們在外殼內使用緩釋氣體罐，以穩定地替代惰性氣體。但是，這是一個占用大量空間的昂貴解決方案，因此，除非您擔心將潛在的爆炸性氣體排除在外殼之外，否則這是不切實際的。僅當惰性氣體不會隨時間泄漏時才有效。在石化行業中，他們在外殼內使用緩釋氣體罐，以穩定地替代惰性氣體。但是，這是一個占用大量空間的昂貴解決方案，因此，除非您擔心將潛在的爆炸性氣體排除在外殼之外，否則這是不切實際的。

如果您有電線從外面進入密封的外殼，您很可能會發現由于毛細作用水沿著電線流過，并通過這種方法進入外殼。外殼上安裝的所有連接器必須具有正確的IP等級；它們必須至少與機箱具有相同的額定值。不要忘記，更大的數字并不意味著在IP等級方面會更好。如果您要防止浸入，噴霧，噴射或潮濕，那么哪個等級優于其他哪個等級？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）均處于良好狀態并正確安裝。

另一個關鍵因素是水不是您需要考慮的唯一環境因素。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。塑料產品可能會為防水外殼提供出色的低成本解決方案，但是陽光不會很快使材料變脆，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隨著時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使外殼或任何密封零件變形。