Подбор корпуса для РЭА: ищем готовое решение максимально быстро и эффективно

23 октября

Елена Бударина (КОМПЭЛ)

Корпус для радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) – важный элемент конструкции электронного устройства. Правильный выбор модели может оказать значительное влияние на эксплуатацию и долговечность приборов и оборудования. К основным факторам, которые следует принять во внимание при подборе корпуса, относятся размеры и компоновка компонентов, назначение, условия эксплуатации, материалы, удобство сборки и обслуживания, а также эстетический аспект.

Шаг 1. Определяем габариты и компоновку устройства

Самый первичный и приблизительный фильтр – определение типоразмера и форм-фактора. При этом необходимо тщательно продумать внутреннюю компоновку РЭА и размеры всех элементов, чтобы обеспечить их грамотное размещение внутри корпуса, а также удобство монтажа и обслуживания.

Габариты (ДxШxВ)

При определении габаритов платы и сравнении предварительной компоновки с внутренними размерами корпуса.

Обратите внимание: производители указывают внешние размеры, в то время как вам нужны внутренние!

Рекомендуется оставлять критический зазор минимум 5…10 мм по периметру платы и 10…20 мм – над самыми высокими компонентами (радиаторами, разъемами) для циркуляции воздуха и технологического запаса.

[?] Что проверить:

• Достаточно ли места внутри корпуса для плат, разъемов и проводов.
• Учтен ли запас по высоте (особенно если будут устанавливаться радиаторы).

Форм-фактор

Выбор форм-фактора зависит от назначения устройства, а также условий эксплуатации и размещения (таблица 1).

Таблица 1. Варианты исполнения корпусов

Назначение корпусов	Внешний вид
Универсальные
чаще – прямоугольной формы (короба), не привязанные к конкретному типу устройства; предназначены для размещения электронных плат, модулей, датчиков, блоков питания и подобных устройств; ключевое преимущество – гибкость и простота использования в самых разных проектах.
Настенные (Wall-Mount)
предназначены для крепления на вертикальные поверхности: стены, колонны, шкафы и так далее; имеют штатные крепления (фланцы, проушины, пазы) для монтажа на стену; при выборе важно учитывать вес готового устройства.
Настольные (Desktop)
корпуса, предназначенные для размещения на столе, часто низкопрофильные, вытянутые в длину или ширину; используются в измерительных приборах, источниках питания, тестовом оборудовании; могут иметь ручки, ножки, экраны, клавиатуры; Пример: мультиметры, осциллографы, блоки питания.
Для портативного (переносного) оборудования
отличаются эргономичным дизайном и удобством расположения в руках пользователя; компактные, ударопрочные, часто – с защитой от пыли и влаги (IP54 и выше). Пример: ПУ, рации, тестеры, полевые измерительные устройства.
На DIN рейку*/модульные
имеют такие особенности, как модульность, высокая надежность, возможность «горячей» замены; используются в промышленной автоматизации. Пример: ПЛК, источники питания, преобразователи, интерфейсные модули.
Для панельного (Panel) монтажа/щитовые
предназначены для установки в панели, пульты, щиты; часто имеют прямоугольную форму с фронтальной панелью стандартных размеров, например, 96×48 мм, 144×72 мм, 144×144 мм и так далее; применяются в контрольно-измерительных приборах, регистраторах, индикаторах и других устройствах.
Стоечные (19” Rackmount)
наиболее распространены в промышленной, телекоммуникационной и серверной аппаратуре; стандарт: 19-дюймовый монтажный профиль; единица высоты: 1U = 1,75 дюйма ≈ 44,45 мм (например, 1U, 2U, 3U, 4U и так далее); области применения: серверы, коммутаторы, измерительные приборы, усилители, контроллеры; преимущества: компактность, масштабируемость, удобство крепления в стойках, хорошая вентиляция.
Специализированные (для датчиков)
предназначены для размещения чувствительных элементов датчиков и их электроники; ударопрочные, с защитой от пыли и влаги (IP65 и выше); применяются для промышленных систем учета, регулирования и контроля давления/температуры/потока, а также других измерительных приборов.
Для оборудования (ящики/кейсы)
используются для хранения и транспортировки оборудования, измерительных приборов, инструментов и других устройств; ударопрочные, с защитой от пыли и влаги (IP65 и выше); могут иметь колеса, выдвижную ручку, ремень для переноски на плече, замки с ключом.

* DIN-рейка (TS-35) – стандарт крепления в шкафах автоматики.

В результате данной проверки отсеиваются все корпуса, которые не подходят по габаритам и форме. 

Шаг 2. Проверка на соответствие условиям эксплуатации

На следующем этапе необходимо учесть условия, в которых будет эксплуатироваться РЭА. К ним относятся: температура, влажность, вибрации, наличие агрессивных сред. В зависимости от этого, следует выбирать соответствующие материалы и конструкции корпусов, обеспечивающие необходимую защиту.

Материал корпуса

Наиболее распространенные материалы для изготовления корпусов РЭА – это металлы (алюминий, сталь) и пластики (АБС-пластик, поликарбонат и другие). В таблице 2 представлены основные характеристики, которые могут помочь в выборе.

Таблица 2. Варианты материалов корпусов и их особенности

Степень защиты (IP) 

IP-рейтинг — главный показатель устойчивости к внешним воздействиям, пыли и влаге (рисунок 1), поскольку нежелательные частицы или жидкости могут повредить электрическую систему (таблицы 3 и 4).

Рис. 1. Общепринятые графические изображения степеней защиты IPXx (а) и IPxX (б)

Таблица 3. IPXx – степень защиты от попадания посторонних твердых предметов и пыли

№	Схематическое изображение	Уровень защиты
0	–	Нет защиты
1		Защита от частиц Ø 50 мм и более
2		Защита от частиц Ø ≥ 12,5 мм
3		Защита от частиц Ø ≥ 2,5 мм
4		Защита от частиц Ø ≥ 1 мм
5		Частичная защита от проникновения пыли (пылезащищенность)
6		Абсолютная защита от пыли (пыленепроницаемость)

Таблица 4. IPxX – степень защиты от проникновения воды

№	Схематическое изображение	Уровень защиты
0	–	Нет защиты
1		Защита от вертикально падающих капель воды
2		Защита от капель воды, падающих под углом 15° от вертикали
3		Защита от дoждя
4		Защита от водных брызг (вне зависимости от их направления)
5		Защита от водяных брызг под давлением
6		Защита от мощных водяных струй
7		Защита от попадания воды при погружении на глубину до 1 м (до 30 мин)
8		Защита от затопления (более 1 м длительностью более 30 мин)
9		Защита от струи воды под высоким давлением и при повышенной температуре

Корпуса с высокой защитой (IP54/IP65 и больше) имеют уплотнительные прокладки на крышке, герметичные кабельные вводы, заблокированную перфорацию или специальные мембранные вентили для выравнивания давления (таблица 5).

Таблица 5. Характеристики степеней защиты IPxx

Тепловыделение 

При выборе корпуса важно учесть тепловыделение электронных компонентов и предусмотреть достаточный теплоотвод, чтобы избежать перегрева и обеспечить надежную работу устройства. Это может включать в себя использование радиаторов, вентиляторов или выбор материалов с хорошей теплопроводностью, таких как алюминий.

Рассчитайте суммарное тепловыделение всех компонентов (в Вт). Особое внимание уделите процессорам, мощным усилителям, блокам питания. Это определит необходимый метод охлаждения:

• Естественная конвекция (перфорация). Перфорационные отверстия сверху и снизу создадут тягу и охладят устройство. Подойти к расчету площади перфорации нужно максимально ответственно.

• Принудительное охлаждение с помощью вентиляторов. Их подбор зависит от статического давления и объема прокачиваемого воздуха (CFM), а установка осуществляется на вдув (внизу/спереди) и на выдув (сзади/сверху). При этом также необходим расчет воздушных трактов.

• Радиаторы. Необходимые вычисления – расчет площади радиатора для конкретного тепловыделения. Важен тепловой контакт (термопаста, термопрокладки). У алюминиевых корпусов часто дно или стенки работают как радиатор (рисунок 2).

Рис. 2. Вариант исполнения алюминиевого корпуса

Экранирование (EMI)

В зависимости от назначения к РЭА могут предъявляться высокие требования по электромагнитной совместимости. Корпус должен обеспечивать необходимое экранирование от электромагнитных помех и соответствовать стандартам.

Металлические корпуса (из алюминия, стали, сплавов) экранируют внутренние цепи от внешних электромагнитных помех и предотвращают излучение помех от самого устройства (рисунок 3).

Рис. 3. Вариант экранирования в металлическом корпусе

Крышка должна плотно прилегать к основанию по всему периметру. Хороший признак – наличие проводящих уплотнительных контактов-защелок (EMI Fingers) или рельефной конструкции, обеспечивающей непрерывный металлический контакт.

[?] Что проверить:

• Есть ли металлический корпус или экран?
• Обеспечивается ли надежный контакт между крышкой и корпусом?
• Не нарушены ли швы и стыки?

Механическая прочность

Корпус должен обеспечивать надежную защиту внутренних компонентов: плат, микросхем, разъемов от ударов, вибраций и других внешних воздействий

• Вибрации и удары. Для вибрационных нагрузок в таких областях, как транспорт, промышленность, спецтехника, нужны прочные корпуса с ребрами жесткости, а также с надежными креплениями плат и компонентов.
• Температура окружающей среды, от которой зависит выбор материала, в том числе его температурный коэффициент расширения, хрупкость на морозе, а также необходимость в термостатах/нагревателях.

[?] Что проверить:

• Где будет работать устройство: в помещении, на улице, в промышленной среде, в автомобиле или в лаборатории?
• Какие внешние воздействия возможны: пыль, влага, вибрации, удары, контакт с агрессивными химическими веществами?
• Требуется ли защита от электромагнитных помех (ЭМС)? Да, если корпус подбирается для, например, медицинской или измерительной аппаратуры. Нет, если для бытового устройства.
• Нужно ли охлаждение? Если да, то какие: пассивное (через стенки), радиатор или активное (вентилятор)?

В результате этого этапа мы отсеяли корпуса, которые не обеспечат надежную работу устройства в условиях будущего использования.

Шаг 3. Анализ конструкции, удобство эксплуатации и обслуживания

Еще одна необходимая проверка – как компоненты будут размещены внутри корпуса. Также нужно предусмотреть удобство размещения, подключения, наличие индикаторов, кнопок, разъемов на панелях, доступ к элементам управления.

• Крепление плат. Для этого в корпусе должны быть интегрированные направляющие и/или монтажные стойки (Standoffs) для вертикального/горизонтального крепления плат (рисунок 4).

Рис. 4. Варианты исполнения: а) металлические; б) пластиковые

• Интерфейсы пользователя и подключений. Расположение индикаторов, кнопок и разъемов должно быть интуитивно понятным. Возможно, потребуется фрезеровать новые отверстия (что превращает корпус в «модифицированный»). Если нужна индикация, крышка корпуса должна быть прозрачной.
• Легкость сборки и доступность компонентов. Необходимо учесть порядок сборки и продумать доступность для ремонта и обслуживания. Для этого в корпусе должны использоваться быстросъемные крышки и отсеки для легкого доступа к часто заменяемым компонентам. 

[?] Что проверить:

• Есть ли возможность крепления плат: стойки, направляющие?
• Достаточно ли высоты стоек для компонентов на нижней стороне платы?
• Предусмотрены ли отверстия под разъемы, кабели и дисплеи?
• Легко ли снимается крышка? 

В результате данного этапа отсеиваются корпуса, в которых не получается физически разместить и закрепить необходимые компоненты либо требуется доработка (модификация).

Шаг 4: Цвет, маркировка и эстетика – это тоже важно!

Не стоит забывать о внешнем виде и эргономике. Цвет и маркировка помогают пользователю ориентироваться в элементах управления, быстрее находить нужные функции и избегать ошибок при работе с устройством.

• Цвет и текстура. Важен не только брендинг, но и практичность. Например, темный корпус лучше отдает тепло, но на нем видны царапины, светлый – наоборот. Некоторые фактуры могут быть более устойчивыми к отпечаткам пальцев или царапинам, что помогает поддерживать эстетичный внешний вид устройства в течение долгого времени.
• Место для наклеек, гравировки и табличек. Необходимо заранее продумать расположение и способы их нанесения (шелкография, лазерная гравировка, самоклеящиеся шильдики), а также стойкость к истиранию и воздействию химикатов. Обычно эта модификация выполняется по требованиям заказчика.

Выбор корпуса – это многокритериальная оптимизационная задача. Часто приходится искать компромисс между стоимостью, весом, прочностью, охлаждением и прочими параметрами. Однако внимательный подход к выбору корпуса – залог успешной эксплуатации и долговечности устройства.

Дополнительные материалы

1. SZOMK – готовые корпуса для радиоэлектронной аппаратуры
2. Пластиковые и металлические корпуса SANHE
3. Альтернатива корпусам Gainta: компания SZOMK представляет новую линейку AK-DR-х на DIN-рейку с возможностью кастомизации