Корпуса CH20M — перспективная платформа для разработки электронных устройств

 Введение

Любое электронное устройство нуждается в корпусе. Для одних необходимо обеспечение высокого класса пылевлагозащиты, другим требуется функциональность и модульность, третьим — привлекательный дизайн. Кроме того, для корпусов также важны эргономичность, невысокая цена, прочность конструкции, удобство использования и т. д.: список можно продолжать долго. Как правило, эти требования противоречат друг другу. Их реализация подразумевает разные подходы к решению задачи. Иногда удается совместить несколько из вышеперечисленных качеств. Но не все сразу. Если нам необходим высокий класс IP, мы особое внимание уделяем уплотнительным элементам, часто в ущерб стоимости и массогабаритным характеристикам. Но, к счастью, значительная часть электронных узлов не нуждается в герметичном корпусе, потому что они используются в составе комплексов, например в шкафах управления. Именно о корпусах для такого класса устройств пойдет речь в этой статье.

Если отпадает необходимость обеспечивать высокий класс IP, можно уделить повышенное внимание другим, не менее важным качествам: функциональности, гибкости, модульности, дизайну. Как правило, привлекательный дизайн может быть реализован без ущерба для прочих качеств только при условии серийного производства, так как появляется возможность изготовления недорогого литьевого корпуса по индивидуальному проекту.

Что же ожидает разработчик промышленной электроники, эксплуатируемой в составе шкафа, от корпуса стороннего производителя?

• Модульность. Разделение сложного устройства на функционально законченные модули упрощает поиск неисправности и восстановление работоспособности комплекса в целом, повышает гибкость при изготовлении устройств и комплектовании шкафа.
• Функциональность. Возможности, которые предоставляет платформа (производитель) для использования изделия в дальнейшем, например связь модулей между собой; возможность организации ограничения доступа к органам управления или интерфейсам, обеспечение заземления и т. д.
• Гибкость. Возможность, используя стандартные комплектующие, сформировать корпус, соответствующий требованиям, или легко модифицировать его по необходимости.
• Простота сборки. Отсутствие необходимости в специальных технологических процессах и инструментах для сборки изделия.
• Удобство использования. Монтаж и демонтаж на объекте, а также подключение и отсоединение проводов не должны вызывать затруднения и занимать много времени.

CH20M — модульность, гибкость, надежность

Семейство продуктов CH20M (Component Housings IP20 Modular) компании Weidmuller — новая перспективная платформа, которая сочетает гибкость при проектировании, модульность и удобство использования. Она оптимально подходит для размещения электронных узлов промышленной автоматизации в составе шкафа. Система отличается масштабируемостью, универсальностью, высоким уровнем безопасности и инновационной функциональностью и включает в себя шесть стандартных типоразмеров корпусов шириной 6,1, 12,5, 17,5, 22,5, 45 и 67,5 мм (рис. 1). Конструкция корпусов CH20M разработана на основе практического опыта, с учетом текущих требований рынка и возможных требований завтрашнего дня.

Рис. 1. Шесть стандартных типоразмеров корпусов CH20M

Модульность

Как правило, сложный комплекс можно и нужно разделить на функционально законченные узлы — модули. Это позволяет упростить обслуживание системы: при установке модуля или замене его при ремонте нет необходимости демонтировать соседние узлы.

Гибкость при компоновке — отличительная черта комплексов, построенных по модульному принципу. Модульная система проста в использовании: изменения в составе комплекса и его масштабирование реализуются быстро и просто.

На основе корпусов CH20M реализовать модульную систему не составит труда: шесть стандартных типоразмеров корпусов с возможностью объединения их через шину на монтажной рейке обеспечат удобство эксплуатации и возможность масштабирования (рис. 2).

Рис. 2. Модульность в лучшем исполнении

Гибкость

Корпус должен полностью соответствовать поставленным задачам. Ни больше, ни меньше. Только требуемая ширина, только необходимое количество разъемов, только нужный функционал. Корпус должен быть таким, чтобы можно было легко менять его в процессе разработки или модификации изделия.

Каждую составную часть корпуса CH20M (боковой, базовый, передний элемент или поворотную крышку) можно заказать отдельно (рис. 3). Если появляется необходимость модификации изделия, например нужно увеличить количество разъемов, достаточно заменить лишь боковой элемент (рис. 4). И наоборот — используя заглушку, можно легко уменьшить количество разъемов на изделии.

Рис. 3. Cоставные части корпуса CH20M

Рис. 4. Боковые элементы на разное количество разъемов

При необходимости установки на печатную плату элементов большей высоты достаточно использовать корпус нужной ширины, при этом конфигурация печатной платы остается неизменной.

При формировании сложного комплекса часто бывает полезно организовать цветовую дифференциацию модулей в соответствии с их функциональным назначением (рис. 5).

Рис. 5. Возможность цветовой дифференциации модулей

Для заказа доступны элементы корпусов в шести стандартных цветах: черном, темно-сером, светло-сером, синем, желтом и красном. Кабельные части разъемов доступны с экстракторами трех стандартных цветов: черном, оранжевом и синем. Используя возможности корпусов CH20M компании Weidmuller по выбору цвета, доработки и маркировки, легко придать своему устройству уникальный внешний вид (рис. 6).

Рис. 6. Пример готового устройства на базе корпуса CH20M

Эксплуатационная надежность

Надежность работы оборудования при эксплуатации складывается из надежности самого оборудования и возможности организации его эксплуатации и восстановления работоспособности. Благодаря наличию разъемных соединений, использованию шины для коммутации и прямому доступу к каждому отдельному модулю замена оборудования происходит просто и быстро, сокращается время простоя.

Возможность доработки и маркировки

Передняя панель любого стандартного корпуса практически всегда нуждается в доработке: разъемы, органы управления и индикации и их взаимное расположение уникальны для каждого изделия и зависят от многих факторов. Фирма, использующая стандартные корпуса для своих устройств, может выполнить разделку передней панели своими силами, заказать доработку на стороннем механическом производстве или получить переднюю панель с необходимыми отверстиями и маркировкой непосредственно от Weidmuller (рис. 7). Кроме того, на боковой поверхности корпуса, а также на передней панели или поворотной крышке может быть нанесена лазерная маркировка или тампопечать — надписи, схемы, графики и т. д., любая информация по желанию заказчика (рис. 8).

Рис. 7. Разделка передней панели по чертежам заказчика

Рис. 8. Лазерная маркировка или тампопечать

Совместимость с технологией пайки оплавлением припоя

Разъемы, а также шинные контакты, предлагаемые для корпусов CH20M, изготовлены из высокотемпературного материала LCP GF и совместимы с технологией пайки оплавлением припоя. Это означает, что из технологического процесса монтажа печатной платы может быть исключен этап пайки волной припоя, так как разъемы распаиваются на плате в одном технологическом цикле с SMD-компонентами (рис. 9). Кроме того, PCB-разъемы и шинные контакты корпуса CH20M могут поставляться в ленте на катушке для полной интеграции их в процесс автоматического монтажа. Все это ведет к повышению технологичности и снижению производственных затрат.

Рис. 9. Разъемы корпуса CH20M совместимы с технологией пайки оплавлением припоя

Конструктивные особенности

Шина

Для объединения модулей больше нет необходимости использовать трудоемкий и снижающий удобство эксплуатации навесной объемный монтаж: с помощью шины можно решить эту задачу легко и изящно. Шина представляет собой печатную плату с пятью дорожками (покрытие — золото), которая вставляется в поддерживающий элемент, устанавливаемый на стандартной монтажной рейке TS‑35. Предлагается два варианта поддерживающего элемента: для установки в DIN-рейку высотой 15 или 7,5 мм. Длину шины можно выбрать из стандартных размеров: 250, 500 или 750 мм. Кроме того, шину можно легко укоротить до нужной длины. Торцы шины закрываются заглушками, а неиспользуемые участки — крышкой (рис. 10).

Рис. 10. Шина на DIN-рейку

Разъемы

Для корпусов CH20M предлагаются специальные разъемы на два, три или четыре контакта, в зависимости от ширины корпуса: вилка SHL-SMT и розетка BHZ. В них используется хорошо зарекомендовавшая себя и проверенная временем технология винтового соединения компании Weidmuller. Стальной зажимной хомут и винт обеспечивают вибростойкое соединение провода с шиной и большое пятно контакта. И вилка, и розетка имеют конструктивную защиту от касания.

Система кодирования

Как уже говорилось ранее, использование разъемных соединений для модульных устройств позволяет повысить эксплуатационную надежность, упростить обслуживание и улучшить ремонтопригодность. Однако при использовании разъемов остается вероятность ошибочного подключения. Для того чтобы избежать подобных ситуаций, Weidmuller предлагает инновационную систему кодирования: кодирующие элементы устанавливаются в нужную позицию на кабельной части разъема и переносятся на блочную часть при первом сочленении (функция AutoSet) (рис. 11). Для каждого разъема возможно 16 вариантов кодировки.

Рис. 11. Инновационная система кодирования с функцией AutoSet:
а) заводской комплект (кодировка может быть установлена в одном из 16 положений);
б) соединение разъема;
в) кодировочные элементы перенесены на модуль

Экстрактор

Встроенный экстрактор позволяет аккуратно и быстро извлекать кабельную часть разъема, не нагружая точку подсоединения проводов и не повреждая вилку на печатной плате. Не нужно тянуть за провод: для извлечения разъема достаточно обычной отвертки с плоским наконечником. Напомним, что кабельные части разъемов доступны с экстракторами трех стандартных цветов: черным, оранжевым и синим.

Маркировка

На экстрактор разъема может быть нанесена маркировка (поставляется в формате мультикарты, совместимой с системой печати PrintJet ADVANCED) (рис. 12). Это повышает удобство эксплуатации и позволяет избежать ошибок при монтаже.

Рис. 12. Маркировка разъемов BHZ

Выступающий контакт

В каждой блочной вилке SHL-SMT, 2-, 3‑ или 4‑полюсной, имеется выступающий контакт, который первым соединяется с розеткой при сочленении и последним размыкается (рис. 13). Используя это преимущество, можно обеспечить дополнительную безопасность электронного оборудования.

Рис. 13. Выступающий контакт на блочной вилке SHL-SMT

Универсальный шлиц

Винтовое соединение и универсальный шлиц (рис. 14) разъема BHZ оптимально подходят для использования электроинструмента, что позволяет повысить скорость монтажа.

Рис. 14. Универсальный шлиц на винтовом соединении разъема BHZ

Технологии Wire Ready и Wire Guard

Технология Wire Ready гарантирует, что все места подсоединения проводов полностью открыты и готовы к работе, даже после транспортировки в любую точку мира. А защитный механизм Wire Guard предотвращает случайную вставку провода вне зажима и предохраняет от появления соединений со скрытыми дефектами (рис. 15). Все это позволяет ускорить монтаж и повысить его качество.

Рис. 15. Защитный механизм Wire Guard

Шинные контакты

Для обеспечения связи электронного модуля и шины предусмотрен шинный контакт. Он имеет пять сдвоенных подпружиненных контактов (рис. 16). Все металлические поверхности гальванизированы. Контакты позолочены, что обеспечивает качественное электрическое соединение с шиной. В качестве изоляционного материала для шинного контакта используется LCP GF: допускается пайка в конвекционной печи. Запаиваемый фланец обеспечивает надежное механическое крепление шинного контакта к печатной плате, формируемое в едином технологическом цикле пайки. Для возможности его использования следует выбирать базовую часть корпуса с соответствующим вырезом под шинный контакт (рис. 17): она имеет в своем обозначении буквы BUS (например, CH20M45 B BUS BK/OR).

Рис. 16. Шинный контакт, совместимый с технологией пайки оплавлением припоя

Рис. 17. Исполнение корпуса с вырезом под шинный контакт

Эффективное охлаждение

При стандартном горизонтальном размещении монтажной рейки в шкафу корпус располагается вертикально, и боковые части корпуса, имеющие вентиляционные отверстия (рис. 18), находятся внизу и вверху, что обеспечивает естественную конвекцию воздуха и эффективный отвод тепла от элементов, расположенных на печатной плате внутри корпуса.

Рис. 18. Вентиляционные отверстия в корпусе

Поворотная крышка

Важным элементом безопасности системы является возможность ограничения доступа к органам управления или интерфейсам. Решить эту задачу поможет откидывающаяся крышка (рис. 19), которая устанавливается на передний элемент корпуса и имеет возможность пломбирования (рис. 20). Крышка защелкивается и может быть открыта только с использованием инструмента, что обеспечивает дополнительную безопасность. На поворотную крышку может быть нанесена маркировка (поставляется в формате мультикарты, совместимой с системой печати PrintJet ADVANCED). Поворотная крышка изготовлена из полупрозрачного (светлого или темного) матового пластика, что позволяет визуально контролировать органы индикации.

Рис. 19. Откидывающаяся крышка

Рис. 20. Пломбирование откидывающейся крышки

Гибкое размещение печатных плат в корпусе

При компоновке конструкции разработчик не привязан к жесткому размещению печатных плат в корпусе: их положение в корпусе определяется исполнением блочной вилки SHL-SMT. Можно выбрать левую или правую версии, а также два варианта по длине запаиваемых контактов: 1,5 и 4,2 мм (или 5,9 мм для пайки волной припоя). От исполнения по длине запаиваемых контактов зависит расстояние от печатной платы до стенки корпуса. Для исполнения 1,5 мм расстояние составит 5 мм, а для 4,2 мм — 2,3 мм. Разъемы можно разместить на левой или правой стороне печатной платы, соответственно, расстояние до нее отсчитывается от правой или левой стороны корпуса (рис. 21).

Рис. 21. Варианты размещения печатных плат в корпусах CH20M

Для корпусов шириной 6,1, 12,5, 17,5 и 22,5 мм предусмотрено размещение одной печатной платы. Причем для корпуса 22,5 мм есть два варианта положения платы. В корпусе шириной 45 мм можно разместить две печатные платы, а в корпусе 67,5 мм — три платы в четырех положениях каждая.

Площадь печатных плат, доступная для размещения компонентов, зависит от количества разъемов на плате: от 7034 мм² при размещении на плате шести разъемов и шинного контакта до 9096 мм² при размещении на плате двух разъемов.

Заглушка

Если по каким-либо причинам разъем отсутствует, то его место может закрыть защелкивающаяся заглушка AD-SHL-SMT (рис. 22). Это можно учесть при формировании корпуса.

Рис. 22. Защелкивающаяся заглушка

Заземление

В некоторых случаях требуется объединение общей цепи схемы электронного узла с заземлением шкафа. В корпусах серии CH20M этот вопрос решен просто и эффективно: подпружиненный контакт (FE), запаиваемый на печатную плату, обеспечивает надежное электрическое соединение с монтажной рейкой (рис. 23). Для этого следует выбирать базовую часть корпуса с вырезом под контакт заземления: она имеет в своем обозначении буквы FE (например, CH20M45 B FE BK/OR).

Рис. 23. Подпружиненный контакт заземления

Заключение

Используя все возможности перспективной платформы CH20M компании Weidmuller, разработчики электроники могут уделить больше внимания схемотехническим решениям и функциональности своих устройств. Для производителей электронных устройств нет необходимости заботиться о размещении заказа на доработку или маркировку корпусов на стороннем производстве. Поставка компонентов корпуса, аксессуаров к нему, а также доработка передней панели и нанесение маркировки — задача Weidmuller. Сборка корпусов CH20M проста и не требует особых навыков, специальных инструментов или технологических процессов.