電(diàn)路板设计防水安全

2021-02-05

但是，如果您设计的出色新(xīn)设备需要在潮湿，潮湿或滴水潮湿的环境中工作，该怎么办？也许是在潮湿的温室中的自动开窗器。也许天气传感器安装在院子里。如果您幸运地生活在一个温暖的國(guó)家，它甚至可(kě)能(néng)是一个机器人清洁工，会在游泳池的底部徘徊。乍一看，让水遠(yuǎn)离電(diàn)气设备可(kě)能(néng)看起来令人生畏，但是有(yǒu)了正确的外壳和一些简单的技巧，这是孩子的游戏。

有(yǒu)什么大不了的？

希望这不会引起什么大的意外，但是水和電(diàn)不会将液态形式的水引起短路或以蒸气形式引起金属零件腐蚀而混合。结果将永遠(yuǎn)损坏精心设计的设备。 

最常见的损坏原因是湿度，而不是直接暴露于水。当温度变化时，潮湿的空气会进入看似密封的外壳，并因冷凝作用(yòng)而形成水。

术语介绍

首先，让我们从一些基本术语开始。您可(kě)能(néng)会看到描述為(wèi)防水，拒水或防水的物(wù)品。理(lǐ)解差异至关重要，因為(wèi)它们不是技术术语，而是经常互换使用(yòng)，作為(wèi)模糊的营销术语。

防水是指在非挑战性的条件下，例如小(xiǎo)雨淋或少量水溅，使水难以进入内部。这并不意味着水不能(néng)进入。在我们这里讨论的所有(yǒu)术语中，这是某些东西可(kě)以拥有(yǒu)的最低保护级别。

疏水性是指某种东西已经用(yòng)疏水性材料或物(wù)质进行了有(yǒu)效处理(lǐ)，以排斥与之接触的任何水。实际上，它提供与防水保护类似的保护，在非挑战性条件下表现出色，但不适合在大雨中或浸入水中。

防水是最高的保护形式，其保护程度取决于其防水程度。范围从仅防小(xiǎo)雨到类似于防水，再到能(néng)够浸入数千码深的范围内。要注意的关键是，如果将某种东西描述為(wèi)防水的，只要接触不超过防水极限，该设备就不会因与水接触而失效。在这里，我们可(kě)以呼吁使用(yòng)國(guó)际保护标记标准来精确定义边界，并解决“防水”一词实际上意味着什么的问题。可(kě)以為(wèi)项目分(fēn)配IP代码，该IP代码准确描述了使用(yòng)此标准可(kě)以提供多(duō)少保护。

IP代码有(yǒu)两个数字；第一个数字是指防止固體(tǐ)（灰尘，沙子等）进入，第二个数字是指防止液體(tǐ)进入。在本文(wén)中，我们只对防止液體(tǐ)溅入感兴趣，因此我们将第一个数字设置為(wèi)“ X”来忽略它。共有(yǒu)9种可(kě)能(néng)的保护级别，从0到9。从数量上讲，保护级别越高，对定向射流的抵抗力和对静水浸泡的抵抗力之间的差异就越细微，这意味着您需要谨慎对待。需要為(wèi)您的特定应用(yòng)选择正确的等级。

IP代码	提供的保护摘要
IPX0	没有(yǒu)保护
IPX1	保护直立的物(wù)品免受垂直落下的水滴（例如冷凝水）的影响，以免损坏或组件功能(néng)中断。
IPX2	保护与垂直方向倾斜最多(duō)15°的物(wù)品以防垂直落下的水滴。
IPX3	保护物(wù)品免受与垂直線(xiàn)成60°角的直接湿气喷雾。
IPX4	防止物(wù)品从任何方向溅到水至少10分(fēn)钟。
IPX5	保护物(wù)品免受任何角度的定向水的低压喷射
IPX6	保护物(wù)品免受任何角度的高压水的喷射。
IPX7	防止物(wù)品完全浸入水中，最深3英尺。
IPX8	防止物(wù)品完全浸入水中超过3英尺的深度。防护规范应详细说明最大深度，温度，流速和其他(tā)必要的其他(tā)因素。
IPX9	保护物(wù)品免受任何角度的高压高温射流的伤害，包括蒸汽清洁。

如我们所见，IP等级使您可(kě)以為(wèi)贵重的電(diàn)气设备选择最佳的防水外壳，同时要记住，防护等级越好，外壳的价格就可(kě)能(néng)越昂贵。

我们应该提及的是，没有(yǒu)使用(yòng)IP等级的规定，而且制造商(shāng)通常会使用(yòng)不完全彻底或结论性的方法对产品进行自我测试。像术语防水一样，IP等级可(kě)以用(yòng)作营销术语，应谨慎对待。務(wù)必仔细研究IP等级项目的数据表，并运用(yòng)工程师的最大资产，这是您的常识！

它们如何工作？

任何具有(yǒu)较高IP防护等级的外壳都将包括主體(tǐ)，一些盖子或开口以进入内部，以及两者之间的密封。您的電(diàn)气设备需要牢固地安装在外壳内部，然后所有(yǒu)开口（包括所有(yǒu)连接器）都必须密封。如果正确完成，外部环境将无法进入内部。听起来不错，但是请耐心等待，如果電(diàn)气设备上有(yǒu)您需要查看的显示屏或需要按的按钮怎么办？或者，如果发出警报音，该怎么办？声音如何从密封盒中发出？電(diàn)子元件产生的所有(yǒu)热量又(yòu)如何呢(ne)？那去哪儿了？

用(yòng)户控件

设备带有(yǒu)按钮和开关供用(yòng)户操作的情况并不少见。将它们结合到防水外壳中的最简单方法是使用(yòng)诸如薄塑料或橡胶之类的柔性材料，该材料允许用(yòng)户将力施加到直接位于柔性材料下方和附近的按钮上。另一种选择是将具有(yǒu)正确IP等级的防水开关和按钮安装到外壳上，并通过電(diàn)線(xiàn)或带状图将它们连接到電(diàn)路。 

假设您的设备将浸入水中。在这种情况下，如果预算允许，使用(yòng)IR等技术进行遠(yuǎn)程操作是一个很(hěn)好的解决方案，并且信号将可(kě)靠地传输到您的设备。例如，蓝牙不是一种选择，因為(wèi)信号不会在水中传播，因為(wèi)水会吸收電(diàn)磁辐射以蓝牙使用(yòng)的频率。另一方面，IR会在水中短距离传播，如果您决定不弄湿手，这对于您的应用(yòng)可(kě)能(néng)就足够了。较便宜的解决方案是将防水電(diàn)缆从浸入水中的设备连接到稍干的地方，以便在其中安装用(yòng)户控件。这也可(kě)能(néng)為(wèi)解决向用(yòng)户显示信息的问题提供解决方案。可(kě)以在用(yòng)户控件上提供显示，而不是用(yòng)户试图通过浑浊的水注视安装在浸没式外壳上的LED。

用(yòng)户显示

与显示有(yǒu)关的问题与控件在很(hěn)大程度上遵循相同的模式。机箱中的透明面板允许用(yòng)户查看机箱中的所有(yǒu)灯或显示器（如果可(kě)行），并且可(kě)以查看它们。或者，将具有(yǒu)正确IP等级的防水灯安装到外壳體(tǐ)本身中，并用(yòng)電(diàn)線(xiàn)或带子将其连接到電(diàn)路，以使其更明显。

产生声音
我们可(kě)以看到，将蜂鸣器或扬声器安装在标准的防水外壳中并不是很(hěn)有(yǒu)效。最好的情况下，声音会被抑制，最坏的情况下，它会变得太安静而无法听到。防水蜂鸣器和扬声器随时可(kě)用(yòng)，并且可(kě)以通过导線(xiàn)连接到设备上，也可(kě)以连接到您的设备，也可(kě)以作為(wèi)一个包装固定到设备的外壳上。 

我们无需指出，如果将设备浸入水中，则这些解决方案是不合适的，除非您计划将头部贴在水面下尝试并听到任何声音。但是，对于将设备放置在暴露于雨水之外的设备，这些IP等级的设备将令人满意地工作。

散热性

所有(yǒu)電(diàn)气设备都会产生一定程度的热量。效率越高，产生的热量越低，但是没有(yǒu)一种效率是100％的-热力學(xué)第二定律告诉我们。如果您有(yǒu)效率相当低的低功率设备，那么产生的热量可(kě)能(néng)就不会成為(wèi)问题。密封外壳内的温度会上升，但可(kě)能(néng)会稳定在遠(yuǎn)低于您的组件的最高温度额定值和PCB的温度。但是，如果您的電(diàn)子设备产生多(duō)余的热量以消除过热，您该怎么办呢(ne)？

我们通常依靠对流来散热。设备上循环的空气将热量带走到较冷的环境。有(yǒu)时我们会添加风扇或散热器以加快对流过程。但是，我们不能(néng)在外壳上钻孔以允许空气流动，这反而会破坏首先具有(yǒu)密封外壳的目的！

下一个选择是依靠辐射热，这非常适合在数百度下运行的電(diàn)室内加热器，但在我们的電(diàn)子组件将要运行的温度下效果不是很(hěn)好。 

这使传导成為(wèi)可(kě)行的选择，将热量通过外壳壁传递到环境中。唯一的问题是确保外壳由导热良好的材料制成，例如铝或钢。 

仔细考虑如何以及在何处安装组件可(kě)以帮助将所有(yǒu)热量从组件中散发出去，并进入机柜的主體(tǐ)。导热材料可(kě)用(yòng)于将组件直接桥接至外壳或通过PCB。一旦热能(néng)到达外壳的外部，就可(kě)以增强传导效果。这可(kě)以通过最大程度地增加表面积（金属散热片）或使用(yòng)机械设备（例如风扇或叶轮）来增加空气或水流量（取决于外壳是否被浸没）以带走热量来完成。

那么，问题就解决了吗？

不幸的是，将電(diàn)路放置在IP防护等级的外壳中并不能(néng)自动解决所有(yǒu)问题。请记住，IP额定值与设置的测试条件相对应，可(kě)能(néng)与您所使用(yòng)的实际环境不完全匹配。例如，使用(yòng)高压水枪进行测试时提供保护的IPX6外壳可(kě)能(néng)仍然允许空气进入和离开外壳。这意味着如果外壳处于高湿度环境中，则其内部可(kě)能(néng)会受到潮湿空气的影响。然后，潮湿的空气会在箱體(tǐ)内凝结為(wèi)水。随着时间的流逝，湿气可(kě)能(néng)会逐渐积累，直到引起短路。选择外壳时，请仔细检查规格，并考虑其是否气密。如果有(yǒu)凝结的危险，考虑在外壳内使用(yòng)吸水材料（例如硅胶），但请记住，这种材料不能(néng)永遠(yuǎn)工作。它吸收的水分(fēn)有(yǒu)一个极限，一旦达到该极限，它将停止工作。在商(shāng)业世界中，另一个常见的解决方案是用(yòng)氮气等干燥的惰性气體(tǐ)填充外壳，以防止潮湿的空气进入。仅当惰性气體(tǐ)不会随时间泄漏时才有(yǒu)效。在石化行业中，他(tā)们在外壳内使用(yòng)缓释气體(tǐ)罐，以稳定地替代惰性气體(tǐ)。但是，这是一个占用(yòng)大量空间的昂贵解决方案，因此，除非您担心将潜在的爆炸性气體(tǐ)排除在外壳之外，否则这是不切实际的。它吸收的水分(fēn)有(yǒu)一个极限，一旦达到该极限，它将停止工作。在商(shāng)业世界中，另一个常见的解决方案是用(yòng)氮气等干燥的惰性气體(tǐ)填充外壳，以防止潮湿的空气进入。仅当惰性气體(tǐ)不会随时间泄漏时才有(yǒu)效。在石化行业中，他(tā)们在外壳内使用(yòng)缓释气體(tǐ)罐，以稳定地替代惰性气體(tǐ)。但是，这是一个占用(yòng)大量空间的昂贵解决方案，因此，除非您担心将潜在的爆炸性气體(tǐ)排除在外壳之外，否则这是不切实际的。它吸收的水分(fēn)有(yǒu)一个极限，一旦达到该极限，它将停止工作。在商(shāng)业世界中，另一个常见的解决方案是用(yòng)氮气等干燥的惰性气體(tǐ)填充外壳，以防止潮湿的空气进入。仅当惰性气體(tǐ)不会随时间泄漏时才有(yǒu)效。在石化行业中，他(tā)们在外壳内使用(yòng)缓释气體(tǐ)罐，以稳定地替代惰性气體(tǐ)。但是，这是一个占用(yòng)大量空间的昂贵解决方案，因此，除非您担心将潜在的爆炸性气體(tǐ)排除在外壳之外，否则这是不切实际的。仅当惰性气體(tǐ)不会随时间泄漏时才有(yǒu)效。在石化行业中，他(tā)们在外壳内使用(yòng)缓释气體(tǐ)罐，以稳定地替代惰性气體(tǐ)。但是，这是一个占用(yòng)大量空间的昂贵解决方案，因此，除非您担心将潜在的爆炸性气體(tǐ)排除在外壳之外，否则这是不切实际的。仅当惰性气體(tǐ)不会随时间泄漏时才有(yǒu)效。在石化行业中，他(tā)们在外壳内使用(yòng)缓释气體(tǐ)罐，以稳定地替代惰性气體(tǐ)。但是，这是一个占用(yòng)大量空间的昂贵解决方案，因此，除非您担心将潜在的爆炸性气體(tǐ)排除在外壳之外，否则这是不切实际的。

如果您有(yǒu)電(diàn)線(xiàn)从外面进入密封的外壳，您很(hěn)可(kě)能(néng)会发现由于毛细作用(yòng)水沿着電(diàn)線(xiàn)流过，并通过这种方法进入外壳。外壳上安装的所有(yǒu)连接器必须具有(yǒu)正确的IP等级；它们必须至少与机箱具有(yǒu)相同的额定值。不要忘记，更大的数字并不意味着在IP等级方面会更好。如果您要防止浸入，喷雾，喷射或潮湿，那么哪个等级优于其他(tā)哪个等级？另外，请确保正确安装它们，并确保所有(yǒu)密封装置（例如O形圈）均处于良好状态并正确安装。

另一个关键因素是水不是您需要考虑的唯一环境因素。例如，如果您的外壳要放置在阳光直射的室外，则必须使用(yòng)抗紫外線(xiàn)的材料制成。塑料产品可(kě)能(néng)会為(wèi)防水外壳提供出色的低成本解决方案，但是阳光不会很(hěn)快使材料变脆，从而损害了其防水能(néng)力。另一方面，位于阳光直射的金属外壳可(kě)以很(hěn)好地吸收红外線(xiàn)并在白天加热，然后在晚上冷却。温度变化的这种日常膨胀和收缩周期可(kě)能(néng)会随着时间的推移损害任何防水密封。

最后是外壳本身的组装。如果使用(yòng)螺钉或螺栓将零件密封在一起以将它们连接在一起，则拧紧不足或拧得过紧都会使外壳或任何密封零件变形。