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Wärmemanagement als Schlüssel zum Erfolg

Industrie- vs. Heim- und Unterhaltungselektronik – Welcher Schutz ist erforderlich?
Electrolube: Wärmemanagement als Schlüssel zum Erfolg

Der Begriff Industrieelektronik bezieht sich auf eine Reihe von Geräten, Prozessen und Werkzeugen, die elektronische Baugruppen in einem industriellen Umfeld verwenden. Diese Anwendungen sind vielfältiger Natur und können elektronische Bedienfelder, Sensoren, Transformatoren und Leistungshalbleiter beinhalten, um nur einige zu nennen. Der Industriesektor hat in den letzten Jahren ein erhöhtes Maß an elektronischen Anwendungen implementiert und dabei auf Automatisierung und intelligente Technologien gesetzt, die Fernarbeit und verbesserte Datenanalyse ermöglichen und so die Genauigkeit und Effizienz von Fertigungslinien, Anlagen usw. verbessern.

Die Heim- und Unterhaltungselektronik beinhaltet Geräte, die für den privaten Gebrauch bestimmt sind und in der Regel Gegenstände wie Mobiltelefone, Smart-TVs und weiße Ware umfassen. Die globale Heim- und Unterhaltungselektronikindustrie produziert im Zuge der technologischen Entwicklung weiterhin eine vielfältige und komplexe Produktpalette. Es wurde berichtet, dass der weltweite Markt für die Heim- und Unterhaltungselektronik bis Ende 2020 voraussichtlich 838,85 Milliarden US-Dollar erreichen wird (Studie von Grand View Research). Selbst mit den Auswirkungen der gegenwärtigen globalen Pandemie wird der Markt für Heim- und Unterhaltungselektronik zweifellos weiter wachsen. Da sich die Konsumgewohnheiten mehr der Heimunterhaltung zuwenden, wird der vermehrte Einsatz solcher Geräte zu weiteren Anforderungen in diesem Marktsegment führen. So überdenken und aktualisieren Nutzer häufig ihre Hardware.

Berücksichtigung der Einsatzbedingungen bereits bei Entwicklung

Naturgegeben gibt es einen Übergang zwischen diesen beiden Branchen. Ein Konstrukteur muss das Umfeld berücksichtigen, in dem die Elektronik betrieben wird, und diese Anforderungen in der Konstruktionsphase berücksichtigen. Die einfache Identifizierung, ob die Elektronik für den Industrie- oder Verbrauchermarkt bestimmt ist, lässt bereits häufig einen Rückschluss darauf zu, wie hart die Einsatzbedingungen, unter denen das Gerät betrieben werden muss, sind und damit der erforderliche Grad an Zuverlässigkeit. Beispielsweise muss ein Bedienfeld, das viele Parameter in einer Produktionslinie verwaltet, wie z. B. die Steuerung der Geschwindigkeit, der Sicherheitsabschaltung, des Temperaturmanagements usw., äußerst zuverlässig sein, da Störungen massive Kosten verursachen, oder sogar dramatische Auswirkungen auf die Sicherheit haben können. Im privaten Bereich eingesetzte Elektronik muss ebenfalls hohe Anforderungen an die Sicherheit erfüllen. Beispielsweise muss ein Rauchmelder gleichermaßen zuverlässig sein, unabhängig davon, ob er gewerblich oder geschäftlich eingesetzt wird. Es gibt jedoch andere Faktoren, die für die Heim- und Unterhaltungselektronik eine viel größere Rolle spielen. Die meisten dieser Faktoren beruhen auf dem Kompromiss zwischen Leistung und Preis sowie auf den Erwartungen, die vom Ruf der Marke abhängen.

Heim- und Unterhaltungselektronik arbeitet in der Regel unter weniger anspruchsvollen Umgebungsbedingungen. Dies kann zu elektrischen Komponenten mit niedrigerer Spezifikation, unterschiedlichen Gehäusematerialien und auch zu alternativen Auswahlmöglichkeiten hinsichtlich des Wärmemanagements oder des Schutzes des Geräts führen. Angesichts der gestiegenen Erwartung von Marken höherer Qualität und der Diversifizierung der Elektronik in neue Anwendungen, wie z. B. die Smartwatch, bleibt die Zuverlässigkeit der Heim- und Unterhaltungselektronik jedoch von großer Bedeutung. Die Unterschiede zwischen diesen Branchen können daher mitunter geringfügig sein, sind jedoch keineswegs unbedeutend. Die richtige Wahl des elektrochemischen Produkts kann den Unterschied zwischen hoher Zuverlässigkeit, gewünschter Leistung und Langlebigkeit eines Geräts ausmachen. Diese Nuancen zwischen den beiden Branchen sollten weiter erörtert werden, wobei eine Reihe elektrochemischer Produkte betrachtet werden soll und wie die Auswahl solcher Produkte zwischen diesen beiden Branchen im Vergleich erfolgen kann.

Fehler bei Elektronik vermeiden

Zunächst werden wir den Schutz elektronischer Geräte vor ihrer Umgebung erörtern. Fertige Elektronik neigt dazu, widrige Bedingungen nicht gut zu bewältigen. Sobald die Leiterplatte möglicherweise Wasser, Verunreinigungen, Feuchtigkeit, Schimmel, Staub oder Chemikalien ausgesetzt ist, besteht die Gefahr von Korrosion, Komponentenversagen, oder im schlimmsten Fall Geräteausfall. Im Allgemeinen gibt es zwei Klassen schützender Materialien, die dazu beitragen, das Auftreten solch Fehler zu vermeiden – Schutzlacke und Vergussmassen. Schutzlacke sind in verschiedenen chemischen Optionen erhältlich und bieten eine Vielzahl von Schutzgraden. Ihre Vielseitigkeit führt zu zahlreichen Anwendungen auf dem Markt der Heim- und Unterhaltungselektronik und bietet grundlegenden Schutz vor Staub sowie verbesserten Schutz für sicherheitskritische Geräte. Diese Beschichtungen passen sich den Konturen der Leiterplatte an und bieten Schutz vor rauen Umgebungen bei minimaler Auswirkung auf das Gewicht oder die Geometrie des Geräts. Dies ist für Industrieelektronik überall dort wichtig, wo die Größe oder Geometrie einer Baugruppe nur eine wenige Mikrometer dicke Beschichtung erlaubt, um den notwendigen Schutz zu realisieren.

In industriellen Anwendungen ist die Bandbreite an möglicherweise auftretenden Umgebungsbedingungen viel größer, weshalb der Begriff „raue Bedingungen“ hier in der Regel angemessener ist. Einige Beispiele für die Verwendung von Schutzlacken sollen den Unterschied zwischen den beiden Sektoren veranschaulichen, wie z.B eine Tankstelle, auf der die Bedingungen ziemlich hart sind, insbesondere in Bodennähe mit dem Potenzial einer chemischen Kontamination, brennbaren oder explosiven Bedingungen und häufigem, starkem Verkehr. Die Anforderungen an elektronische Geräte unter solchen Anwendungsbedingungen sind streng, und selbst wenn Sie weiter nach oben schauen, bestehen die Herausforderungen weiterhin. Betrachten Sie die LED-Leuchten, mit denen die Kraftstoffpreise angezeigt werden. Diese Platinen sind groß, und die Elektronik befindet sich weit vom Boden entfernt. Aus Sicherheitsgründen ist es jedoch häufig erforderlich, die Elektronik zu beschichten, um einen Ausfall oder eine Fehlfunktion aufgrund der brennbaren Materialien in der Nähe zu verhindern. Zusätzlich können vom Boden viele Dämpfe aufsteigen und daher ist eine Beschichtung erforderlich, die Schadgasen widerstehen und Korrosion auf den Leiterplatten verhindern kann. Im Vergleich dazu reicht im Bereichr der Unterhaltungselektronik oft eine kurzfristige Wasserbeständigkeit, wie durch eine ultradünne Beschichtung wie Electrolube FPC, um z. B. ein Mobiltelefon zu schützen, das versehentlich in das Spülbecken gefallen ist. Oder es ist möglicherweise ein höheres Schutzniveau erforderlich, indem ein vielseitiger Acryl-basierter Schutzlack wie Electrolube AFA verwendet wird, um Bedienfelder weißer Ware zu beschichten und so vor hoher Feuchtigkeit und Reinigungsmitteln zu schützen. Dies zeigt, dass chemische Beständigkeit auch in Anwendungen der Heimelektronik erforderlich sein kann, insbesondere bei Anwendungen im Freien wie einem automatischen Tor, bei denen Schnecken und andere Lebewesen gerne ein neues Zuhause in elektronischen Gehäusen von Bedienfeldern finden. Es ist überraschend, wie viel Schutz für die Elektronik im Haushalt erforderlich ist!

Zusätzlicher Schutz durch Vergussmassen

Vergussmassen sind für den gleichen Zweck konzipiert, bieten jedoch zusätzlichen Schutz vor Schäden durch Vibrationen, thermischem Schock und häufigerer/kontinuierlicher Einwirkung von Chemikalien. Durch die vollständige Einkapselung des Geräts kann ein zusätzlicher Schutz vor physischen Elementen realisiert werden, was in einigen industriellen Anwendungen von entscheidender Bedeutung sein kann. Betrachten Sie die in schweren Baumaschinen verwendete Elektronik sowie die Auswirkungen von Vibrationen, die durch die Art der ausgeführten Arbeiten verursacht werden. Wenn wir zum Beispiel an Straßenbaumaschinen und die hohen Spezifikationen denken, die beim Verlegen einer F1-Rennstrecke erforderlich sind, so sind die zur Erfüllung dieser Aufgaben verwendeten Maschinen sowohl aus Sicherheitsgründen, als auch zur Erfüllung der Aufgaben mit einer Vielzahl an Sensoren ausgestattet. Alle diese Sensoren müssen vor herumfliegenden Fremdkörpern und starken Vibrationen geschützt werden. In solchen Anwendungen kann ein weiches Polyurethanharz wie das UR5044 von Electrolube Schutz, Vibrationsdämpfung und Flammwidrigkeit mit UL-Zulassung in einem Produkt bieten. Jetzt beschäftigen wir uns mit den wirklichen Unterschieden zwischen Industrie- und Heimelektronik. Beim Vergleich der vorgenannten Bedingungen mit denen eines Zahnbürstenladegeräts oder eines LED-Treibers im Haushalt könnte in Bezug auf die Einsatzbedingungen der Elektronik kein viel größerer Unterschied bestehen. Zu Hause suchen wir nach Wasser- und Feuchtigkeitsbeständigkeit für unser Ladegerät. Es muss sicher sein, wenn es angeschlossen ist und versehentlich auf dem Badewannenrand liegen gelassen wird. Die LED-Treiber benötigen eine gute Wärmeableitung, um sicherzustellen, dass die LEDs effizient arbeiten und eine lange Lebensdauer haben. Die Anforderungen an Vergussmassen sind für die Heim- und Unterhaltungselektronik nach wie vor hoch, aber die Bedingungen, unter denen sie arbeiten, sind entscheidend.

In Fortsetzung des Themas Schutz vor der Umwelt sollten auch statische oder bewegliche Kontakte an elektrischen Geräten betrachtet werden. Kontaktschmiermittel sind speziell formulierte Fette und Öle, die zur Verringerung von Reibung und Verschleiß sowie zur Verbesserung der elektrischen Leistung stromführender metallischer Kontakte, wie sie in Schaltern und Steckverbindern zu finden sind, entwickelt wurden. Diese Spezialfette bilden eine Barriere gegen Oxidation und Korrosion durch Reibung und Kontaktabrieb und verlängern letztendlich die Kontaktlebensdauer. Industrieelektronik, die von der Verwendung von Kontaktschmierstoffen profitiert, ist leicht in den Bereichen Transport, Datenkommunikation, Signalübertragung, Instrumentierung, Messung und Steuerung und möglicherweise am häufigsten in der Automobilindustrie zu finden.

Erhöhung der Kontaktlebensdauer

Mit der ansteigenden Mobilität elektronischer Produkte ist eine zunehmende Verwendung von Dockingstationen und Ladegeräten zu verzeichnen. Infolgedessen sind mehr Kontakte für die Umgebung offen. In bestimmten Anwendungen, wie z. B. Haushalts- oder Gartengeräte, können sich diese Dockingstationen in einer Garage oder einem Nebengebäude befinden und einer höheren Luftfeuchtigkeit ausgesetzt sein als die im Haus aufbewahrten. Darüber hinaus kann es in Küstenregionen unter Einwirkung von Salznebel aus dem umgebenden Meer zu erheblichen Problemen mit elektronischen Bauteilen kommen, insbesondere mit exponierten Kontakten. Die Verwendung eines Kontaktschmiermittels schützt vor den korrosiven Einflüssen der Umwelt und sorgt jedes Mal für eine gute Verbindung. Dies führt zu einer verbesserten Ladeeffizienz, Zuverlässigkeit des Geräts und einer verlängerten Lebensdauer. Diese Art der Anwendung kann beispielsweise mit einem Industrieofen verglichen werden. Für die eingebauten elektronischen Bedienfelder kann die Umgebung sehr heiß und feucht werden. Genau wie in der Dockingstation kann die Verwendung eines Kontaktschmiermittels wie Electrolubes CTG dazu beitragen, die Kontaktfläche zu schützen und die Auswirkungen von Korrosion und Verschleiß zu verringern.

Der Schutz muss nicht zwangsläufig in Form einer Beschichtung erfolgen, die eine Oberfläche bedeckt, sondern kann auch den Schutz vor thermischen Einflüssen bedeuten, indem die Wärmeableitung von Bauteilen oder Geräten effektiv realisiert wird. Dies ist im Wesentlichen das, wofür Wärmemanagementprodukte entwickelt wurden, und kostengünstige Lösungen unterliegen einer stetig wachsenden Nachfrage der Elektronikindustrie, insbesondere wenn PCBs dichter bestückt werden, einen breiteren Funktionsumfang unterstützen und dadurch mehr Wärme auf kleinstem Raum erzeugen. Konstrukteure stehen vor der Herausforderung, Kosten, Leistung und Zuverlässigkeit in Einklang zu bringen, und wie bereits erwähnt, ist dies eng mit der Endanwendung verbunden – d.h. Heim- oder industrielle Anwendung. Eine Entwärmung kann durch eine effiziente Wärmeübertragung am thermischen Übergang zwischen einer Komponente und einem Kühlkörper, als auch durch das Füllen größerer Lücken zwischen einer Leiterplatte und einem Gehäuse realisiert werden. In jedem Fall besteht das Ziel darin, Luftspalte zu füllen und die Wärme effektiv von kritischen Bereichen abzuleiten, um letztendlich die Leistung und Lebensdauer des Geräts zu verbessern.

In industriellen Anwendungen sind Leistungselektronik- und Elektrofahrzeugbatterien nur einige Beispiele, bei denen das Wärmemanagement der Schlüssel zum Erfolg des Geräts ist. Ohne ein ordnungsgemäßes Wärmemanagement in Batterien von Elektrofahrzeugen werden der Wirkungsgrad und die Batterielebensdauer erheblich reduziert. Gap-Filler wie der GF400 von Electrolube können verwendet werden, um große Räume zwischen Zellen zu füllen, ein Überhitzen zu verhindern und die Wärmeübertragung zu verbessern. In der Heim- und Unterhaltungselektronik kann die Verwendung von Wärmemanagementprodukten vom Design des einzelnen Artikels abhängen und variiert daher von Produkt zu Produkt. Bei der Betrachtung des thermischen Übergangs zwischen einem Bauteil und einem Kühlkörper müssen der Abstand zwischen den beiden Oberflächen, der notwendige Grad der Entwärmung und die Frage inwieweit das thermische Material kleben/haften soll berücksichtigt werden. In der Heimelektronik gibt es viele Anwendungen für thermische Anbindungen. Ein Beispiel ist die weit verbreitete Verwendung von Thermostaten zur Regulierung der Betriebstemperatur von Geräten wie Staubsaugern und Haartrocknern. Durch die Gewährleistung einer effizienten Wärmeübertragung erreicht der Thermostat eine genauere Ablesung der Temperatur und kann somit bei Bedarf mit den gesammelten Daten reagieren. Das Wärmemanagement spielt daher sowohl in der Industrie- als auch in der Heim- und Unterhaltungselektronik für eine Vielzahl von Anwendungen eine wichtige Rolle.

Unabhängig von der Art des erforderlichen Schutzes ist die Umgebung, in der das Gerät betrieben werden muss, sowohl aus Gründen der Geräteleistung als auch aus Sicherheitsgründen von entscheidender Bedeutung. Luftspalte können zu einer Verringerung der Wärmeübertragung führen. Oxidation kann aufgrund hoher Temperaturen oder mechanischer Ausfälle auftreten. Korrosion entsteht durch Einwirkung hoher Luftfeuchtigkeit, Salznebel oder Chemikalien. Unabhängig davon, ob die Anwendung in der Industrie- oder Heim- und Unterhaltungselektronikbranche erfolgt, müssen diese Umwelteinflüsse sorgfältig geprüft werden. Die richtige Auswahl elektrochemischer Produkte kann den Unterschied zwischen einem effizienten, leistungsstarken Gerät und einem fehlerhaften Produkt ausmachen.

www.electrolube.de


Die Autorin Jade Bridges ist Technical Manager bei Electrolube
(Jade.bridges@electrolube.co.uk)


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