Porady dla projektantów elektroniki – ochrona obwodów drukowanych przed wilgotnym środowiskiem pracy

Zawsze przykładam ogromną uwagę do skrupulatnego sprawdzania moich projektów. Nieraz siedzę przez całe godziny dopieszczając schematy, układy styków i właściwe wartości komponentów, zanim wreszcie uznam projekt za gotowy. Niestety nie jestem w stanie wykrzesać z siebie takiego samego zapału i perfekcjonizmu przy utrzymywaniu porządku w moim domu. Kurz nagromadzony w jego zakątkach mógłby przerazić nawet zawodową sprzątaczkę.

Ze szczególnym wstydem wspominam moment, gdy odkryłem, że w nieumytej przeze mnie tacce pod suszarką zamieszkała rodzina pięciu jaszczurek. Jeżeli Twoja płytka drukowana będzie umieszczona w wilgotnym i ciemnym miejscu, te sympatyczne gady będą tylko jednym z wielu problemów. Dlatego podczas projektowania płytek PCB należy zawsze pamiętać o ich środowisku pracy. Wilgotne środowiska są szczególnie wymagające, więc rozważmy, co może pójść źle i jak można zabezpieczyć układy elektroniczne przed uszkodzeniem. 

Jak chronić elektronikę przed wilgocią?

Wysoka wilgotność oznacza dużą ilość pary wodnej w powietrzu, a wartością określającą tą ilość jest wilgotność względna.  

Wilgoć powoduje osadzanie się kropelek wody na układach elektronicznych, co jest problemem szczególnie w przypadku płytek PCB, gdyż prowadzi do korozji miedzianych ścieżek przewodzących. Skraplanie się pary wodnej na płytkach PCB pod napięciem może być przyczyną zwarć i uszkodzeń innych komponentów. Wilgotne środowisko nie tylko bezpośrednio uszkadza obwody drukowane, ale też przyciąga gady i owady, które mogą doprowadzić do zwarć.

W mojej karierze napotkałem kilka takich sytuacji. Jedną z nich był zepsuty telefon alarmowy, w którym kolonia mrówek zbudowała swoje mrowisko w urządzeniach elektronicznych na płytce PCB. Po usunięciu mrowiska okazało się, że układy drukowane były tak skorodowane, że nie nadawały się do naprawy. Kolejny incydent, o którym wolałbym zapomnieć, nastąpił w czasie inspekcji uszkodzonego układu zarządzania energią, w którym znalazłem spaloną jaszczurkę.

^{Krople wody mogą powodować zwarcia.}

Jak zapobiec uszkodzeniu systemów wbudowanych przez wilgotność absolutną?

Są to oczywiście takie sytuacje, jakich wszyscy chcemy unikać. Podaję tutaj najlepsze sposoby, jak tego dokonać.

1. Powłoka konforemna i obudowa

Bez wątpienia najprostszą metodą zabezpieczenia elektroniki przed wilgocią jest zastosowanie powłoki konforemnej i umieszczenie urządzenia w obudowie. Zapewnia to przyzwoity poziom ochrony płytki PCB, ponieważ miedziane ścieżki i komponenty zostają pokryte materiałami takimi jak akryl, uretany i silikon. Wadą tego biernego rozwiązania jest to, że utrudnia ono jakiekolwiek modyfikacje płytki PCB, ponieważ przed wymianą komponentów powłokę trzeba usunąć, a po przeróbce – ponownie nałożyć.

2. Wentylator wyciągowy

Niektóre systemy wbudowane są zwykle umieszczane w obudowach przemysłowych, w których dokuczliwym problemem może być nagromadzona wilgoć. Montaż wentylatora wysysającego powietrze z obudowy pomoże obniżyć temperaturę oraz wilgotność. Przykładem zastosowania takiego rozwiązania są wentylatory łazienkowe.

3. Silikażel

Chociaż umieszczenie torebki silikażelu przy płytce PCB nie jest najbardziej eleganckim rozwiązaniem, tak pomaga ono zmniejszyć wilgotność powietrza. Nie bez powodu w opakowaniach witaminy C znajdowały się takie torebeczki. Jednakże silikażel skutecznie pochłania wilgoć tylko w temperaturze poniżej 60°C.

4. Elementy grzewcze

Przekształcenie systemu wbudowanego w inteligentny mini grzejnik może efektywnie rozwiązać problemy z wilgocią. Działa to dobrze w systemach wbudowanych umieszczonych w obudowach przemysłowych na zewnątrz budynków. Stosowałem elementy grzewcze do zmniejszenia poziomu wilgotności względnej i zapobiegania zawilgoceniu w parkomatach, które są szczególnie narażone na skraplanie się wody o poranku.

Aby nie podgrzewać powietrza bez potrzeby, w obudowie obok elementu grzewczego można zainstalować czujnik temperatury i wilgotności. Zastosowanie inteligentnego algorytmu proporcjonalno-całkująco-różniczkującego (PID) zapewni ciągłą i wydajną regulację wilgotności i temperatury powietrza. Znacznie zmniejszy to prawdopodobieństwo osadzania się kropelek wody.

^{Ogrzewanie zmniejsza wilgotność względną.}

Nie muszę chyba dodawać, że nie miałem problemów ze spalonymi jaszczurkami ani koloniami mrówek po tym, jak zmieniłem mój system wbudowany w mini grzejnik. Przezorność nakazuje jednak sprawdzić, czy temperatura układu po ogrzaniu nie przekroczy maksymalnej temperatury pracy komponentów na płytce PCB. Za pomocą oprogramowania do projektowania płytek PCB takiego jak CircuitStudio^® od Altium, możesz łatwo dodać maksymalną dopuszczalną temperaturę każdego komponentu do listy i dokładnie ją sprawdzić zanim ustawisz parametry ogrzewania.

Masz pytania na temat wilgotności i jej wpływu na obwody drukowane? Porozmawiaj z ekspertem z firmy Altium.