Elektronikgehäuse-System Universelle Anschlusstechnik bereits integriert

Autor / Redakteur: Joachim Gräfer * / Kristin Rinortner

Elektronik-Hersteller stellen unterschiedliche Anforderungen an die Gehäuse. Die in einem Projekt definierte Summe dieser Anforderungen führte zur Entwicklung einer neuen Gehäuseserie.

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Universelles System: Das Gehäusesystem EH von Phoenix Contact bietet mit zwei Bauhöhen, sieben Baubreiten und drei Deckelvarianten über 100 Kombinationsmöglichkeiten.
Universelles System: Das Gehäusesystem EH von Phoenix Contact bietet mit zwei Bauhöhen, sieben Baubreiten und drei Deckelvarianten über 100 Kombinationsmöglichkeiten.
(Bilder: Phoenix Contact)

Die Anforderungen an ein Gehäuse zur Aufnahme von elektronischen Leiterplatten und Schaltungen werden von den Anwendern unterschiedlich definiert. Neben der Applikation, in die das Gehäuse mit der einzubauenden Elektronik als Gesamtgerät eingesetzt werden soll, ist der zur Verfügung stehende Einbauraum für die aufzunehmende Leiterplatte ein wichtiges Kriterium.

Weitere Aspekte bei der Auswahl des Gehäuses sind die Funktionalität der Anschlusstechnik, die in das Gehäuse eingebaut werden kann, sowie die Handling- und Montagefreundlichkeit. Auch das Design und nicht zuletzt die Kosten sind Faktoren, die bei der Entscheidung für ein Gehäuse in Betracht gezogen werden.

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Jede einzelne dieser Anforderungen an die Elektronik-Leergehäuse wird von unterschiedlichen Anbietern am Markt ganz unterschiedlich bedient.

Querschnitt der wichtigsten Anforderungen

Die Herausforderung bei der Konzeption der neuen Gehäuse-Serie bestand darin, alle wichtigen Anforderungen mit einem möglichst universellen Gehäuse-System zu erfüllen. Die im Projektrahmen definierte Zusammenfassung führte zur Entwicklung der neuen Gehäuse-Baureihe „Efficency Housing“ (EH).

Da die Gehäuse-Baureihe EH auch für preissensitive Märkte interessant sein sollte, wurde bei der Entwicklung bewusst auf Funktionen verzichtet, die zum einen das Gehäuse verteuern, und die zum anderen von den ergänzenden Gehäuse-Baureihen erfüllt werden, die das Unternehmen anbietet. Verzichtet wurde etwa auf die Anschlussmöglichkeit über einen Tragschienen-Busverbinder sowie auf weitere Gehäusefarben neben schwarz und grau. So startete das Projekt EH mit dem Ziel, ein unkompliziertes und bequem zu handhabendes Gehäuse mit einer universellen Anschlusstechnik zu entwickeln (Bild 1).

Gehäusematerial aus dem Kunststoff ABS

Gehäuse, die der Aufnahme bestückter Leiterplatten dienen, bestehen aus ganz unterschiedlichen Materialien. Dabei muss die Entscheidung für den geeigneten Werkstoff stets in Abhängigkeit von den Applikationsbedingungen erfolgen.

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Auch spielt es eine Rolle, ob das Gerät einer hohen mechanischen Beanspruchung und widrigen Umweltbedingungen ausgesetzt wird – etwa beim Einsatz im freien Feld. Oder ob es ausschließlich im umgebenden Schaltschrank eingesetzt wird, wo die Anforderungen an die Abführung der Verlustwärme berücksichtigt werden müssen.

So bestehen Gehäuse für den Einbau in Schaltschränken, Schaltkästen und Unterverteilungen vorzugsweise aus einem elektrisch isolationsfesten Kunststoffmaterial. Aber auch Kunststoffe weisen unterschiedliche Eigenschaften auf, die die Gehäuse für den Einsatz in bestimmten Anwendungsbereichen prädestinieren – oder ausschließen.

Die Gehäuse der Baureihe EH bestehen aus ABS – Acrylnitril-Butadien-Styrol. Dieses Material besitzt eine hohe mechanische Festigkeit sowie gute Schlag- und Kerbschlageigenschaften. ABS besitzt zudem nicht nur eine hohe Oberflächengüte, das Material kann in einem Temperaturbereich von –40°C bis 80°C problemlos eingesetzt werden. Außerdem ist ABS kostengünstig – und deshalb als Werkstoff für Gehäuse im preissensitiven Bereich interessant.

Elektronik-Leergehäuse, die für die Gerätemontage im Schaltschrank, im Schaltkasten oder in der Unterverteilung entwickelt werden, sind üblicherweise für die Schutzart IP20 ausgeführt - und bieten somit Schutz gegen die Berührung elektrisch leitender Komponenten mit den Fingern.

Die Schutzart des Gesamtsystems wird allerdings auch immer durch die Schutzart der Leiterplatten-Anschlusstechnik mitbestimmt, die mindestens der Schutzart des Gehäusesystems entsprechen sollte. Mit der Schutzart IP20 erfüllt die EH-Serie hier alle Anforderungen.

Unkomplizierter Einbau der Leiterplatten

Neben der Anforderung, die Elektronik im Umfeld der Applikation durch eine geeignete „Verpackung“ zu schützen, muss ein Gehäusesystem den schnellen und unkomplizierten Einbau der Leiterplatte ermöglichen. Daher werden marktgängige Gehäusesysteme in einer kaum überschaubaren Varianz an Bauformen angeboten.

Für eine schnelle und kostengünstige Leiterplatten-Montage sind Gehäuse in Becherbauform besonders geeignet – dabei ist die Leiterplatte auch im eingebauten Zustand im Gehäuse von der Frontseite aus im Schaltschrank zugänglich. So wurde auch für die Gehäuseserie EH diese Bauform gewählt: die bestückte Leiterplatte wird einfach in das Gehäuse eingeschoben und gegen ungewolltes Lösen verrastet.

Die im Gehäuse integrierten Leiterplatten-Führungsnuten erlauben eine komfortable Bestückung in alle drei Raumrichtungen (Bild 2). Durch die Kombination sogenannter Haupt- und Tochter-Leiterplatten können Funktionen gebündelt oder Anzeige- und Bedienelemente bequem im Gehäusedeckel positioniert werden. Die Verrastung der Gehäuseteile erfolgt werkzeuglos ohne zusätzlichen Montageaufwand.

Anschluss mit Push-in-Technik

Die Leistungsfähigkeit des Gesamtgerätes wird zum einen durch das Gehäusesystem selbst und zum anderen durch die Anschlusstechnik für die Leiterplatte bestimmt. Für eine applikationsgerechte Gerätegestaltung sollte ein Elektronikgehäuse daher den Einbau einer Vielzahl unterschiedlicher Steckverbindertypen ermöglichen. Der Bauraum für die Leiterplatten-Anschlusstechnik bei den Elektronik-Gehäusen der EH-Baureihe ist offen gestaltet. Daher können sowohl fest verlötete als auch steckbare Anschlusstechniken eingebaut werden – je nach Applikationsumfeld in konventioneller Schraub- oder in komfortabler Push-in-Technik.

Waagerecht oder senkrecht montierte Leiterplatten erfordern unterschiedlich gewinkelte Löt-Pin-Richtungen. Auch die flexible Anordnung der Steckverbinder im Frontbereich des Gerätes oder an der Geräteseite sorgt für eine anwendungsgerechte Gerätegestaltung. Von der Leistungsfähigkeit und Funktion des Gerätes hängt es ab, welcher Leiterquerschnitt den Vorzug erhält.

Für Geräte, bei denen es auf eine hohe Signaldichte ankommt, kann im Anschlussbereich ein geringeres Rastermaß für die Anschlusstechnik verwendet werden – zum Beispiel ein 3,5-mm-Raster anstelle des gängigen 5-mm-Rasters.

Kundenspezifische Gestaltung des Gehäuses

Anwender möchten ihre Leiterplatten und Schaltungen in ihrem Gehäuse „einpacken“. Die Gehäuse der Produktfamilie EH sind neutral gestaltet und können durch Bedruckung und Bearbeitung – etwa durch ein Firmenlogo oder durch funktionelle Beschriftungen – kundenspezifisch gestaltet werden. Dazu stehen unterschiedliche Druckverfahren zur Auswahl: Laserdruck und Lasermarkierung, mehrfarbiger Tintenstrahldruck, Tampon-Druck.

Bohrungen und Durchbrüche zur Aufnahme von Bedien-, Einstell- oder Signalisierungselementen werden auf Wunsch individuell erstellt. Für Signale von Leuchtdioden, die von der Leiterplatte zum Gehäusedeckel geführt werden müssen, stehen zudem passende Lichtleiter aus dem Zubehörprogramm zur Auswahl (Bild 3).

Konfiguration auch online möglich

Im Hinblick auf Industrie 4.0 spielt die Online-Konfiguration eine wichtige Rolle – bis hin zur künftigen Losgröße 1 zu den Kosten der Massenfertigung. In wenigen Schritten können Anwender ihr gewünschtes EH-Gehäuse im E-Shop individuell zusammenstellen.

Die gewünschte Gehäusegröße und -farbe wird ausgewählt, die passende Anschlusstechnik wird hinzugefügt – und schon ist das Gehäuse fertig konfiguriert.

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Kriterien für die Auswahl anwendungsgerechter Gehäusesysteme

Für einen zuverlässigen Schutz wertvoller Elektronikkomponenten müssen zeitgemäße Gehäusesysteme zahlreichen unterschiedlichen Anforderungen genügen. Wichtige Auswahlkriterien dabei sind:

  • Applikationsgerechte Materialauswahl – abhängig von den Umweltanforderungen und dem Budget.
  • Ausreichende Schutzart gemäß IP- und IK-Klassifizierung.
  • Montagefreundliche Gehäuse-Topologie durch unterschiedliche Bauformen sowie flexible Anordnung der Leiterplatten-Anschlusstechnik.
  • Adaptive Anschlusstechnik-Systeme.
  • Gewinnbringender Zusatznutzen – zum Beispiel durch Verwendung von Tragschienen-Querverbindern.

Der Online-Konfigurator bietet eine nutzerfreundliche Konfiguration aller Einzelkomponenten mit Drag-and-Drop-Funktion – auch auf mobilen Endgeräten mit den Betriebssystemen iOS und Android.

Nach der Auswahl der gewünschten Gehäusefamilie werden die Leiterplattenanschlüsse angezeigt, die zur gewählten Bauform passen. Die Einzelkomponenten können anschließend als Stückliste exportiert oder direkt in den Warenkorb überführt und bestellt werden.

So wird der Anwender Schritt für Schritt durch den Konfigurationsprozess geführt. Dabei kann er stets sicher sein, dass er die optimale Lösung für seine Applikation erhält. Anschließend kann sogar noch die Leiterplatte konfiguriert werden, die dann als 3-D-Datei für das Layout zur Fertigung zur Verfügung gestellt wird.

Fazit

Die Baureihe EH ist für den preissensitiven Markt konzipiert. Die Leiterplatten können in drei Einbaurichtungen platziert werden, und die elektrischen Anschlüsse können mit einer applikationsgerechten Leiterplatten-Anschlusstechnik aus dem umfangreichen Anschlussprogramm ausgewählt werden. Bedruckungen, Beschriftungen und Bohrungen sowie die Vorbereitung zur Aufnahme von Bedien-, Einstell- oder Signalisierungselementen sind Standard.

* Joachim Gräfer ist Leiter Produktmarketing der Business Unit Housing bei Phoenix Contact in Blomberg.

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