电路板设计防水安全

2021-02-05

但是，如果您设计的出色新设备需要在潮湿，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国家，它甚至可能是一个机器人清洁工，会在游泳池的底部徘徊。乍一看，让水远离电气设备可能看起来令人生畏，但是有了正确的外壳和一些简单的技巧，这是孩子的游戏。

有什么大不了的？

希望这不会引起什么大的意外，但是水和电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。结果将永远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，并因冷凝作用而形成水。

术语介绍

首先，让我们从一些基本术语开始。您可能会看到描述为防水，拒水或防水的物品。理解差异至关重要，因为它们不是技术术语，而是经常互换使用，作为模糊的营销术语。

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

疏水性是指某种东西已经用疏水性材料或物质进行了有效处理，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。范围从仅防小雨到类似于防水，再到能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为防水的，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，我们可以呼吁使用国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。可以为项目分配IP代码，该IP代码准确描述了使用此标准可以提供多少保护。

IP代码有两个数字；第一个数字是指防止固体（灰尘，沙子等）进入，第二个数字是指防止液体进入。在本文中，我们只对防止液体溅入感兴趣，因此我们将第一个数字设置为“ X”来忽略它。共有9种可能的保护级别，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。需要为您的特定应用选择正确的等级。

IP代码	提供的保护摘要
IPX0	没有保护
IPX1	保护直立的物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中断。
IPX2	保护与垂直方向倾斜最多15°的物品以防垂直落下的水滴。
IPX3	保护物品免受与垂直线成60°角的直接湿气喷雾。
IPX4	防止物品从任何方向溅到水至少10分钟。
IPX5	保护物品免受任何角度的定向水的低压喷射
IPX6	保护物品免受任何角度的高压水的喷射。
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，流速和其他必要的其他因素。
IPX9	保护物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等级使您可以为贵重的电气设备选择最佳的防水外壳，同时要记住，防护等级越好，外壳的价格就可能越昂贵。

我们应该提及的是，没有使用IP等级的规定，而且制造商通常会使用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等级可以用作营销术语，应谨慎对待。务必仔细研究IP等级项目的数据表，并运用工程师的最大资产，这是您的常识！

它们如何工作？

任何具有较高IP防护等级的外壳都将包括主体，一些盖子或开口以进入内部，以及两者之间的密封。您的电气设备需要牢固地安装在外壳内部，然后所有开口（包括所有连接器）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，如果电气设备上有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？电子元件产生的所有热量又如何呢？那去哪儿了？

用户控件

设备带有按钮和开关供用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诸如薄塑料或橡胶之类的柔性材料，该材料允许用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正确IP等级的防水开关和按钮安装到外壳上，并通过电线或带状图将它们连接到电路。 

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IR等技术进行远程操作是一个很好的解决方案，并且信号将可靠地传输到您的设备。例如，蓝牙不是一种选择，因为信号不会在水中传播，因为水会吸收电磁辐射以蓝牙使用的频率。另一方面，IR会在水中短距离传播，如果您决定不弄湿手，这对于您的应用可能就足够了。较便宜的解决方案是将防水电缆从浸入水中的设备连接到稍干的地方，以便在其中安装用户控件。这也可能为解决向用户显示信息的问题提供解决方案。可以在用户控件上提供显示，而不是用户试图通过浑浊的水注视安装在浸没式外壳上的LED。

用户显示

与显示有关的问题与控件在很大程度上遵循相同的模式。机箱中的透明面板允许用户查看机箱中的所有灯或显示器（如果可行），并且可以查看它们。或者，将具有正确IP等级的防水灯安装到外壳体本身中，并用电线或带子将其连接到电路，以使其更明显。

产生声音
我们可以看到，将蜂鸣器或扬声器安装在标准的防水外壳中并不是很有效。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用，并且可以通过导线连接到设备上，也可以连接到您的设备，也可以作为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

所有电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，但是没有一种效率是100％的-热力学第二定律告诉我们。如果您有效率相当低的低功率设备，那么产生的热量可能就不会成为问题。密封外壳内的温度会上升，但可能会稳定在远低于您的组件的最高温度额定值和PCB的温度。但是，如果您的电子设备产生多余的热量以消除过热，您该怎么办呢？

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，我们不能在外壳上钻孔以允许空气流动，这反而会破坏首先具有密封外壳的目的！

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

这使传导成为可行的选择，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以帮助将所有热量从组件中散发出去，并进入机柜的主体。导热材料可用于将组件直接桥接至外壳或通过PCB。一旦热能到达外壳的外部，就可以增强传导效果。这可以通过最大程度地增加表面积（金属散热片）或使用机械设备（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，将电路放置在IP防护等级的外壳中并不能自动解决所有问题。请记住，IP额定值与设置的测试条件相对应，可能与您所使用的实际环境不完全匹配。例如，使用高压水枪进行测试时提供保护的IPX6外壳可能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，则其内部可能会受到潮湿空气的影响。然后，潮湿的空气会在箱体内凝结为水。随着时间的流逝，湿气可能会逐渐积累，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。如果有凝结的危险，考虑在外壳内使用吸水材料（例如硅胶），但请记住，这种材料不能永远工作。它吸收的水分有一个极限，一旦达到该极限，它将停止工作。在商业世界中，另一个常见的解决方案是用氮气等干燥的惰性气体填充外壳，以防止潮湿的空气进入。仅当惰性气体不会随时间泄漏时才有效。在石化行业中，他们在外壳内使用缓释气体罐，以稳定地替代惰性气体。但是，这是一个占用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体排除在外壳之外，否则这是不切实际的。它吸收的水分有一个极限，一旦达到该极限，它将停止工作。在商业世界中，另一个常见的解决方案是用氮气等干燥的惰性气体填充外壳，以防止潮湿的空气进入。仅当惰性气体不会随时间泄漏时才有效。在石化行业中，他们在外壳内使用缓释气体罐，以稳定地替代惰性气体。但是，这是一个占用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体排除在外壳之外，否则这是不切实际的。它吸收的水分有一个极限，一旦达到该极限，它将停止工作。在商业世界中，另一个常见的解决方案是用氮气等干燥的惰性气体填充外壳，以防止潮湿的空气进入。仅当惰性气体不会随时间泄漏时才有效。在石化行业中，他们在外壳内使用缓释气体罐，以稳定地替代惰性气体。但是，这是一个占用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体排除在外壳之外，否则这是不切实际的。仅当惰性气体不会随时间泄漏时才有效。在石化行业中，他们在外壳内使用缓释气体罐，以稳定地替代惰性气体。但是，这是一个占用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体排除在外壳之外，否则这是不切实际的。仅当惰性气体不会随时间泄漏时才有效。在石化行业中，他们在外壳内使用缓释气体罐，以稳定地替代惰性气体。但是，这是一个占用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体排除在外壳之外，否则这是不切实际的。

如果您有电线从外面进入密封的外壳，您很可能会发现由于毛细作用水沿着电线流过，并通过这种方法进入外壳。外壳上安装的所有连接器必须具有正确的IP等级；它们必须至少与机箱具有相同的额定值。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哪个等级？另外，请确保正确安装它们，并确保所有密封装置（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，则必须使用抗紫外线的材料制成。塑料产品可能会为防水外壳提供出色的低成本解决方案，但是阳光不会很快使材料变脆，从而损害了其防水能力。另一方面，位于阳光直射的金属外壳可以很好地吸收红外线并在白天加热，然后在晚上冷却。温度变化的这种日常膨胀和收缩周期可能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。