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Clases de protección IP en informática robusta

Prepara las escotillas, y no solo en el mar

Lejos de salas de servidores protegidas o líneas de automatización en salas de producción con aire acondicionado, los ordenadores embebidos deben soportar las condiciones más duras en vehículos modernos y máquinas en movimiento, o en instalaciones al aire libre como líneas de ferrocarril. Los sistemas de control en vehículos de minería deben estar protegidos del polvo, el calor y los golpes de hasta 5G de intensidad; ordenadores en entornos marítimos, por ejemplo, en las plataformas petrolíferas, están expuestos a sal y humedad constantes (o, por supuesto, a petróleo); los sistemas en autobuses y trenes deben ser capaces de soportar vibraciones constantes y, a veces, fluctuaciones de temperatura agudas y rápidas. Incluso los terminales del operario en cosechadoras combinadas u hospitales deberían poder soportar entornos químicos con pesticidas o desinfectantes. En general, hay tres áreas principales que son de gran importancia con respecto a la informática robusta:

  • Rango de temperatura ampliado: a menos que la aplicación requiera lo contrario, el estándar para electrónica industrial es de -40° C a +85° C, llegando hasta + 125° C para la electrónica cercana al motor en el sector de automoción e incluso desde -55° C a + 125° C para la aviación y entornos marítimos.

La norma ferroviaria EN 50155 estipula una temperatura de funcionamiento de -40° C a + 70° C – y 10 minutos hasta + 85° C en la clase Tx.

  • Protección contra el polvo, la humedad y los productos químicos: os componentes del sistema generalmente deben estar protegidos por una cubierta. Dependiendo de los requisitos y la clase de protección IP, se puede proporcionar protección adicional mediante envolventes sellados. Las clases IP siempre se componen de dos dígitos. El primero representa la protección contra cuerpos extraños (como el polvo) y el contacto; el segundo representa la protección contra el agua.
  • Protección contra impactos y vibraciones: los componentes individuales deben atornillarse firmemente o soldarse; las partes móviles generalmente deben evitarse. Las tarjetas conectables y los adaptadores tienen enchufes que se pueden montar con tornillos. Conectores robustos, por ejem plo. M12, que están atornillados firmemente y soportan fuertes vibraciones, están disponibles para conexiones de cables. Otros aspectos a considerar son la protección contra la interferencia eléctrica, la compatibilidad electromagnética (EMC) y el comportamiento tolerante a fallos, por ejemplos contra fallos de energía de corta duración, así como, por ejemplo, diseños sin mantenimiento o fáciles de mantener que excluyen o al menos reducen el número de ventiladores y otros componentes propensos a fallos.

Sellado como estándar hasta IP65 – Sistema de diagnóstico para buques

Un buen ejemplo de la importancia de la estanqueidad del envolvente, de acuerdo con las clases de protección IP, es el de un sistema de diagnóstico para barcos y yates. El sistema está conectado a través de CAN al motor del barco y recopila datos de estado / diagnóstico y error que luego se envían a las pantallas móviles a través de Wi-Fi y LTE. La tripulación del barco, tanto en la sala de control como en la cubierta, utiliza luego los datos para la supervisión, el mantenimiento remoto y, si es necesario, las reparaciones a bordo. El sistema se implementó en un PC de caja con medidas 250 mm x 220 mm x 48,1 mm. Además de un rango de temperatura ampliado, flexibilidad en términos de asignación de interfaz y una fuente de alimentación de amplio rango, el requisito más importante del PC era su impermeabilidad conforme a IP65 y EMC en línea con la normativa EN 60945 (navegación marítima y equipos y sistemas de radiocomunicaciones) y Germanischer Lloyd. Como producto estándar, el PC industrial va más allá de los requisitos específicos del cliente del proyecto y cumple con EN 50155 (Ferrocarril) e ISO 7637-2 (Automoción).

¿No es completamente hermético?

La clase IP65, es decir, protección completa contra entrada de polvo y protección contra chorros de agua, se logró mediante una carcasa de aluminio de 8 mm de grosor (un espesor de pared de 2 mm para PC de caja estándar), que sella el PC por todos lados con tornillos y contornos rellenos de silicona. El grosor de las paredes de la carcasa y el número y posición de los accesorios de tornillo determinan la presión que luego puede aplicarse a la carcasa sin contacto en los puntos de contacto y, por lo tanto, la impermeabilidad que se pierde. La protección EMC se puede lograr a través de material de silicona conductivo con partículas de plata. Sin embargo, incluso si la clase de protección IP65 requerida se logra mediante la presión de contacto posterior y las juntas circundantes en todos los puntos de contacto, el envolvente no será completamente hermético a pesar de todo esto. Este es un criterio decisivo en el que la compensación de presión desempeña un papel clave. Debido a la expansión y contracción térmica de los materiales causada por fluctuaciones de temperatura (o igualmente por diferencias de altitud en la aviación), se aspirarían pequeñas cantidades de aire a través de las juntas, llevando la humedad al interior de la carcasa desde donde ya no puede escapar, sin embargo. Para evitar esto, se instaló una válvula de compensación de presión en la parte posterior de la carcasa. Esto ventila el envolvente lo suficiente como para permitir que la condensación se mantenga al mínimo. Se pueden obtener clases de IP más altas (como IP67, que puede resistir una inmersión breve en agua) por fundición de toda la carcasa, a excepción de una cubierta con los conectores, con un solo molde.

Protección contra influencias ambientales externas

Para proteger el envolvente contra influencias ambientales externas, tales como productos químicos, pesticidas o el spray salino mencionado anteriormente, durante el mayor tiempo posible, se requiere la aleación de aluminio correcta y / o la selección de revestimientos protectores especiales además del grado apropiado de impermeabilidad de la carcasa. Estos están ampliamente estandarizados, dependiendo de la industria. Se incluyen piezas más pequeñas como tornillos: si fueran de acero, no tardaría en formarse óxido. No se requiere una protección adicional de los componentes electrónicos por humedad a través del revestimiento (conformado) dentro de una carcasa con un nivel de IP correspondientemente alto. Sin embargo, puede ser necesario según la industria y la aplicación. Por ejemplo, EN 50155 prescribe el recubrimiento de todos los componentes, independientemente de la carcasa en la que se encuentren.

El conector correcto

Los conectores frontales también plantean un desafío cuando se trata de cumplir con la clase IP. Las interfaces no utilizadas se pueden proteger con tapas de protección apropiadas. Para todas las interfaces utilizadas, la conexión, junto con los propios cables de conexión, debe sellarse de forma que también se ajuste a la clase IP. Los conectores de interfaz tales como USB, DisplayPort o RJ45, que serán familiares para el consumidor o los sectores industriales, están fuera de cuestión a este respecto. Algunos de estos conectores están disponibles en muchas clases de sellado, pero cuestan hasta 10 veces más que los conectores robustos habituales para entornos hostiles e incluso requieren diseños especiales. Esto generalmente da como resultado la elección de conectores M12, como en el caso del PC industrial en alta mar. Estos conectores pueden sellarse hasta IP76 e incluso funcionar de manera fiable contra impactos y vibraciones severas. Los conectores similares a MIL / Aero que son familiares y requeridos en los sectores de aviación y militar son aún más resistentes. Para no estar sujeto a ninguna restricción en la entrada / salida al usar conectores M12, la asignación del pin debe ser definida por el fabricante y escrita en el manual del usuario. Las conexiones para los diversos protocolos se ejecutan a través de cables adaptadores apropiados, que es donde entra el siguiente truco. Para realizar un puerto de USB 3.0 a M12, es importante tener en cuenta, por ejemplo, que debido a la alta velocidad de USB 3.0 (y la falta de estandarización, como es el caso de las conexiones Ethernet para conectores M12), los cables del adaptador contienen pares trenzados que proporcionan una mejor protección contra los campos de interferencia eléctrica y magnética que los conductores paralelos.

¿A dónde va el calor residual?

Los sistemas integrados herméticamente cerrados inevitablemente plantean el problema de la disipación de calor. Si simplemente hay una válvula pequeña que garantiza la compensación de presión y, por lo tanto, prácticamente no hay circulación de aire, ¿cómo se puede refrigerar la electrónica? La solución es la refrigeración por conducción, que es también la razón por la cual se utiliza una carcasa de aluminio termo- conductora en todos los diseños robustos. Por esta razón, es esencial que los componentes que producen calor estén conectados térmicamente a la carcasa, como resultado de lo cual el dispositivo se convierte en el disipador de calor. Esta tecnología no se limita a los PC de caja; también se puede implementar con componentes de 19” (CompactPCI / CompactPCI Serial) o módulos COM Express (Rugged COM Express).

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