Robuste und zuverlässige Gehäusedesigns schützen elektronische Geräte

Angesichts der zunehmenden Abhängigkeit von Elektronik, die autonom arbeiten muss, sind moderne robuste Schränke für Militär und Industrie mehr als nur eine Box, in der Elektronik untergebracht werden kann. Sie dienen heute als grundlegende Plattformen, die sicherstellen, dass die Elektronik auch in abgelegenen und rauen Umgebungen wie gewünscht funktioniert.

Und da immer mehr eingebettete Systeme und elektronische Geräte in Eisenbahn-, Automatisierungs-, Luft-, Land- und Seefahrzeugen eingesetzt werden und sich an abgelegenen Orten im Freien befinden, muss empfindliche Elektronik in robusten Gehäusen geschützt werden. Zu den mechanischen Eigenschaften, die für ein effektives robustes Schaltschrankdesign berücksichtigt werden müssen, gehören strukturelle Integrität, EMI-Schutz und Wärmemanagement zur Verbesserung der Systemzuverlässigkeit. (Abbildung 1)

Was treibt ein robustes Gehäusedesign an

Zu den vier Hauptaspekten, die die Erwartungen an die Gehäuseleistung in rauen Umgebungen neu definiert haben, gehören:

• Edge-Computing und Mobilität
• SWAP und Elektronik mit hoher Dichte
• Fernbetrieb oder unbeaufsichtigte Bedienung
• Flexibele/benutzerdefinierte Bereitstellungen

Edge-Computing und Mobilität. Da Elektronik nicht mehr nur in sicheren und stabilen Umgebungen wie Rechenzentren und Serverräumen untergebracht ist, müssen Gehäuse die Elektronik schützen, die vor Ort eingesetzt wird. Die Edge-basierte Computerumgebung hat der Robustheit einen neuen Stellenwert eingeräumt. Systeme müssen ständigen und variablen Umgebungsbelastungen und mechanischen Belastungen wie Stößen, Vibrationen, Temperaturen und Verunreinigungen standhalten.

SWAP und Elektronik mit hoher Dichte. Die Rechenleistung, die in den kompakten eingebetteten Systemen von heute steckt, verleiht den Komponenten ein beispielloses Maß an Belastung und Wärmemanagement. Diese dicht gedrängte Umgebung bedeutet, dass selbst geringfügige Vibrationen beispielsweise zu Reibung oder Problemen mit Steckverbindern führen können.

‍Fernbetrieb oder unbeaufsichtigte Bedienung. Automatisierte und unbemannte Systeme werden in einer Vielzahl von militärischen und industriellen Anwendungen schnell zur Norm. Die Zuverlässigkeit des Systems ist von größter Bedeutung und erfordert die strikte Einhaltung von Industriestandards, integrierte Redundanz und robuste Hardware — die Norm, um sicherzustellen, dass ein System im Falle eines Fehlers oder Ausfalls so lange läuft, bis eine Wartung möglich ist. (Abbildung 2)

Flexibele/benutzerdefinierte Bereitstellungen. Die Anpassung eines COTS-Gehäuses an eine bestimmte Anwendung ist seit langem ein Eckpfeiler der Entwicklung eingebetteter Systeme. Neu an diesem Konzept ist die zunehmende Abhängigkeit von COTS-basierten Systemen, wie offene StandardsComputergestützte Datenverarbeitung spielt eine immer wichtigere Rolle, insbesondere in Verteidigungsanwendungen. Flexibilität und Anpassungsfähigkeit in Bezug auf Größe, Montage oder Anordnung eines Schranks sind ebenso wichtig wie seine Grundfestigkeit. Manche mögen argumentieren, dass dies bei modernen Bereitstellungen zu einem strategischen Vorteil geworden ist.

Wie sich Normen auf das robuste Schrankdesign auswirken

Verschiedene Militär- und Industriestandards bilden das Rückgrat eines robusten Gehäusedesigns für raue Umgebungen. In der folgenden Liste werden einige der gängigsten Methoden zur Gewährleistung von Zuverlässigkeit und Leistung in einem modernen Gehäusedesign beschrieben.

• MIL-STD-810 (Umwelt): MIL-STD-810 gilt als Basisstandard für jedes Wetter und jedes Terrain und stellt sicher, dass ein Gehäuse (mit seiner Elektronik) den schlimmsten Umwelteinflüssen standhält, denen es im Betrieb ausgesetzt sein kann: Temperatur, Feuchtigkeit, Eindringen von Feuchtigkeit und Staub, Vibrationen usw.

• MIL-S-901D (Shock): Gehäuse, die nach MIL-S-901D (oft als Stoßdämpfer der Klasse A bezeichnet und hauptsächlich für Schiffsanwendungen verwendet) qualifiziert sind, haben bewiesen, dass sie extremen Stößen und plötzlichen Stößen standhalten können, sodass sie montiert werden Ausrüstung kann überleben ohne strukturelles Versagen. (Abbildung 3)

• MIL-STD-167-1A (Vibration): MIL-STD-167-1A ist ebenfalls hauptsächlich für Schiffsanwendungen geeignet und gewährleistet eine langfristige Schwingungsbeständigkeit, indem es ein Gehäuse über verschiedene Frequenzen erschüttert. Konforme Schränke sind häufig mit verstärkten Strukturen oder schwingungsisolierenden Halterungen ausgestattet, um anhaltende Schwingungen zu absorbieren, und sorgen für eine angemessene Gewichtsverteilung und Abstützung, um die Überbeanspruchung von Komponenten und Gelenken zu reduzieren.

• MIL-STD-461* (EMI/EMC): Diese Militärnorm begrenzt sowohl das Geräusch, das ein Gerät oder Gehäuse abgeben kann, als auch bestimmt, wie immun es gegen externe Störungen sein muss. Ein leitfähiges, gut verbundenes Gehäuse (das als Faraday-Käfig fungiert) sorgt für eine gute Erdung. Alle Öffnungen (Lüftungsöffnungen, Kabelanschlüsse) müssen mit EMI-Filtern oder abgeschirmten Steckern behandelt werden, um die Wirksamkeit der Abschirmung aufrechtzuerhalten.

• Telcordia GR-63-CORE (Zone 4 Seismic): Schränke, die GR-63-CORE entsprechen, einem gängigen Standard für Gehäuse, die seismischen Schwingungen im schlimmsten Fall standhalten müssen, verfügen in der Regel über robuste Verankerungen und häufig externe Abstützungen oder Dämpfer, um ein Umkippen oder andere Schäden durch Erdbeben zu verhindern.

‍*Die komplexe Beziehung zwischen EMI-Abschirmung und Systemluftstrom für die Kühlung erfordert ein Design, bei dem die zusätzlichen Komponenten zur EMI-Abschwächung (Filter, Dichtungen, Dichtungen usw.) ihre Hauptfunktion nicht behindern, aber dennoch die erforderliche Kühlung und Konnektivität des größeren Systems ermöglichen.

Aluminiumkonstruktion: Vorteile gegenüber Stahl

Eine bedeutende Brancheninnovation war die Umstellung auf eine leichte, korrosionsbeständige Aluminium-Strangpressrahmenkonstruktion. Mit einem etwa zweimal höheren Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht als Stahl und einer bis zu viermal besseren Wärmeleitfähigkeit bietet Aluminium strategische Vorteile in rauen Umgebungen, insbesondere für mobile und luftgestützte Anwendungen.

Schränke mit stranggepresstem Aluminiumrahmen müssen während der Montage oder des Transports kaum bis gar nicht geschweißt werden, sodass sie zu engen Räumen transportiert und dort montiert werden können. Es ist möglicherweise nicht möglich, einen einteiligen, geschweißten Rahmen durch eine U-Boot-Luke oder eine schmale Tür zu montieren.

Zum Beispiel der modulare Aufbau von Optima Stantron robuste Schränke verwenden Sie ein System aus horizontalen und vertikalen Aluminiumprofilen, die mit Eckeinsätzen aus Stahl zusammengeschraubt werden, um einen starren Rahmen zu bilden, der die besten Eigenschaften beider Metalle kombiniert. Da die grundlegenden stranggepressten Komponenten ohne jedes Mal spezielle Werkzeuge zu Schränken verschiedener Größen oder Ausführungen umkonfiguriert werden können, bieten diese modularen, robusten Schränke kürzere Lieferzeiten und geringere einmalige Konstruktionskosten. (Abbildung 4)

Wärmemanagementoptionen im Gehäusedesign

Bei der Entwicklung robuster Systeme für raue und abgelegene Umgebungen ist es wichtig zu berücksichtigen, dass nicht nur die Platinen und Netzteile die Hitze bewältigen müssen. Das komplette Wärmeprofil, von den Lüftern, Filtern und Kühlern bis hin zur Isolierung und den Sensoren, trägt dazu bei, dass diese Platinen auf lange Sicht optimal funktionieren, da Hitze mit Sicherheit zu unregelmäßigem Verhalten oder vorzeitigen Ausfällen führen kann.

Obwohl passive Kühlung die einfachste Kühlmethode ist, benötigen die hochintegrierten und dicht gepackten Schränke in den heutigen rauen Umgebungen möglicherweise einen differenzierteren Ansatz. Passive Kühlung verstärkt die Luftzirkulation über Lüfter und Gebläse. Wenn die das Gehäuse selbst umgebende Luft jedoch heiß und feucht ist, ist möglicherweise ein geschlossener Kühlkreislauf über abgedichtete Klimaanlagen oder Wärmetauschereinheiten erforderlich.

Da die elektronische Dichte zugenommen hat, wurden innovativere Kühlmethoden eingeführt, darunter Konduktion, bei der das Gehäuse selbst die Wärme aus dem System ableitet, und sogar Flüssigkeitskühlung für extreme Leistungsdichten.
Die Simulation des Luftstroms und der Temperaturverteilung eines Systems hilft bei der Bestimmung des thermischen Profils und der optimalen Kühlmethode und ermöglicht es der Technik, Umwelteinflüsse zu berücksichtigen, denen das System möglicherweise ausgesetzt ist. Dies trägt dazu bei, das Ausfallrisiko zu verringern, da übermäßige Hitze der eigentliche Feind der elektronischen Zuverlässigkeit ist.

Fazit: Robuste Schränke erfordern sorgfältige Designüberlegungen

Durch die sorgfältige Auswahl, Konfiguration und Prüfung robuster Schränke sowie die Einhaltung von Industriestandards zur Leistungsbewertung können Ingenieure und Programmmanager Risiken reduzieren, die Zuverlässigkeit verbessern und den Lebenszyklus kritischer Systeme verlängern.

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