In den drei vorangegangenen Teilen haben wir die Designprinzipien von Industrie-PCs erörtert und Themen wie Gehäuseklassifizierung, Architektur und Wärmemanagement behandelt. Dieser Teil konzentriert sich auf die EMV-Designprinzipien für Industrie-PCs. Elektromagnetische Störungen (EMV) entstehen bei der Nutzung elektronischer Geräte. EMV-Phänomene sind allgegenwärtig. Befindet sich beispielsweise ein Mobiltelefon neben einem Fernseher, können eingehende Anrufe das Fernsehsignal stören und Rauschen verursachen. Angesichts der zunehmenden Verbreitung elektronischer Geräte gewinnt das EMV-Design immer mehr an Bedeutung. Die meisten Industrieländer haben EMV-Normen eingeführt, die für in diesen Ländern oder Regionen verkaufte elektronische Produkte eine entsprechende Zertifizierung vorschreiben. Bekannte Zertifizierungen sind beispielsweise die US-amerikanische FCC, die japanische VCCI, die EU-CE-Kennzeichnung und die chinesische 3C-Zertifizierung. Als elektronische Produkte benötigen Industrie-PCs naturgemäß strenge Zertifizierungen. Die Produkte von Advantech werden weltweit vertrieben und erfüllen die Zertifizierungsstandards der genannten Länder; die jeweiligen Zertifizierungsstandards finden Sie in unseren Produktkatalogen. Im Folgenden erläutern wir, wie ein optimaler Industrie-PC EMV-konform designt wird. Ob für Industrie- oder kommerzielle PCs – die wichtigste Überlegung beim EMV-Design ist die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) der Leiterplatte selbst. Advantech verfügt über mehr als zehn Jahre Erfahrung im Leiterplattendesign und verwendet für alle seine Industrie-PCs ein 6-Lagen-Design. Beim Leiterplatten-Routing wird strikt auf gleiche Taktleitungslängen geachtet, Impedanzdesign zur Reduzierung von elektromagnetischen Störungen (EMI) eingesetzt und Übersprechen minimiert. Die Routing-Topologie entspricht vollständig den Intel-Spezifikationen. Dadurch wird die elektromagnetische Strahlung durch das Leiterplattendesign deutlich reduziert. Aufgrund der steigenden Prozessorfrequenzen reicht die alleinige EMV-Abschirmung der Leiterplatte jedoch nicht mehr aus, um die EMV-Zertifizierungsanforderungen vollständig zu erfüllen. Daher gewinnt das EMV-Design des Industrie-PC-Gehäuses noch mehr an Bedeutung. Dieser Artikel konzentriert sich primär auf das EMV-Design des Gehäuses. Bevor wir das EMV-Design von Industrie-PC-Gehäusen erläutern, betrachten wir zunächst das EMV-Design von Gehäusen für kommerzielle PCs. Kommerzielle PCs werden in Privathaushalten eingesetzt, wodurch ein längerer Kontakt mit Menschen entsteht und somit extrem hohe Anforderungen an das EMV-Design gestellt werden. Obwohl die meisten bekannten PC-Marken aufgrund ihrer globalen Verbreitung in verschiedenen Ländern EMV-Zertifizierungen erhalten haben, unterscheiden sich die EMV-Zertifizierungen für kommerzielle und industrielle PCs aufgrund ihrer unterschiedlichen Einsatzgebiete. Die EMV-Zertifizierung kommerzieller PCs konzentriert sich stärker auf die vom PC selbst abgegebene Strahlung, die auf den menschlichen Körper wirkt. Materialien und Gehäusedesign basieren daher auf diesem Aspekt. Industrielle PCs hingegen arbeiten in komplexeren Umgebungen, und ihre EMV-Zertifizierung deckt ein breiteres Spektrum ab. Neben der Berücksichtigung elektromagnetischer Störungen ist auch die Vermeidung von Störungen durch externe Faktoren auf die internen Komponenten des industriellen PCs ein wichtiger Aspekt der EMV-Konstruktion. Kurz gesagt: Die EMV-Konstruktion für kommerzielle PCs ist intern, während die EMV-Konstruktion für industrielle PCs bidirektional ist. Im Folgenden veranschaulichen wir den Unterschied zwischen interner und bidirektionaler Konstruktion anhand eines Vergleichs von kommerziellen und industriellen PCs: 1. EMV-Konstruktion der Lüftungsschlitze. Zunächst ein wichtiger Begriff: Unabhängig davon, ob die Abschirmung intern oder extern erfolgt, ist die beste Methode zur Reduzierung elektromagnetischer Strahlung die Verwendung eines vollständig abgedichteten Metallgehäuses zur Abschirmung des Kühlkörpers. Je dicker die Abschirmungsschicht aus Metall ist, desto besser. Dies bietet die beste elektromagnetische Abschirmung, sowohl intern als auch extern. Aufgrund von Wärmeabfuhr und externen Erweiterungsgeräten erreichen jedoch weder kommerzielle noch industrielle PCs einen vollständig abgedichteten Zustand. Ein entscheidender Aspekt des Gehäusedesigns zur Vermeidung elektromagnetischer Leckagen ist ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Wärmeabfuhr und elektromagnetischer Abschirmung. Es muss eine ausreichende Wärmeabfuhr gewährleisten und gleichzeitig die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) berücksichtigen. Kommerzielle PCs verfügen typischerweise über Lüftungsöffnungen wie die oben abgebildete, die rund und mehrfach gelocht sind. In der Praxis schränken Designnormen zur Vermeidung von EMV jedoch die Größe und Form der Lüftungsöffnungen stark ein. Untersuchungen zeigen, dass quadratische Öffnungen EMV effektiver verhindern als runde. Warum kommerzielle PCs meist runde Öffnungen verwenden, verstehen nur die Hersteller selbst. Betrachten wir nun das Design der Lüftungsöffnungen in industriellen PCs. Am Beispiel des klassischen IPC-610H: 2. EMV-Design an Gehäusenähten. Theoretisch kann schädliche elektromagnetische Strahlung leicht zwischen zwei Kontaktpunkten am Gehäuse austreten, wenn der Abstand zwischen diesen 0,25 x λ (Wellenlängensymbol) überschreitet. Daher ist das Design der Gehäusenähte ein wichtiger Indikator für die EMV-Kompetenz. Aktuell beträgt die Stahlblechdicke von kommerziellen PC-Gehäusen lediglich 0,6 mm. Die begrenzte Festigkeit dieses Stahlblechs erschwert es, eine Verformung des Gehäuses unter Belastung zu gewährleisten. Da die meisten kommerziellen PCs heutzutage vertikale Gehäuse besitzen, können die seitlich zu öffnenden Abdeckungen keine dichte Abdichtung an den Nähten garantieren. Um diese Probleme zu beheben, verwenden einige High-End-PCs EMI-Abschirmfedern an den Gehäusenähten. Industrie-PCs hingegen arbeiten in komplexen und variablen Umgebungen, die teilweise starken Vibrationen ausgesetzt sind. EMI-Abschirmfedern neigen dazu, unter Vibrationen ihre Elastizität zu verlieren. Industrie-PCs verwenden daher 1,2 mm dicke, hochwertige Stahlbleche mit ausgezeichneter Verformungsbeständigkeit. Da Industrie-PC-Gehäuse meist horizontal ausgerichtet sind, gewährleisten das Gewicht der oberen Stahlplatte und die Eigenschaften des Stahls selbst eine dichte Abdichtung zwischen den Gehäusewänden. Hochwertige Industrie-PC-Gehäuse erfüllen CE-, FCC- und andere EMV-Anforderungen auch ohne EMI-Abschirmfedern. Für Umgebungen mit extrem strengen Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit, wie beispielsweise in der Militärindustrie, empfehlen wir die Verwendung von zuverlässigerem leitfähigem Metallgewebe an den Gehäusenähten. Die Nahtstelle zwischen Leiterplatte und Gehäuse ist ein kritischer Punkt, an dem elektromagnetische Leckagen besonders wahrscheinlich sind. Kommerzielle PCs mit weniger Erweiterungskarten verwenden in diesem Bereich selten EMI-Abschirmfedern. Industrie-PCs hingegen enthalten mehrere Leiterplatten, und die Dichtheit des Kontakts zwischen diesen Leiterplatten und dem Gehäuse ist ein entscheidender Indikator für die elektromagnetische Verträglichkeit. Daher verwenden hochwertige Industrie-PCs EMI-Abschirmfedern, um eine dichte und zuverlässige Verbindung zwischen den Leiterplatten und dem Gehäuse zu gewährleisten. 3. Spezielle Gehäuseoberflächengestaltung: Kommerzielle PC-Gehäuse bestehen häufig aus verzinktem Stahl. Aufgrund der effektiven Strahlungsabsorption im Gehäuseinneren ist dieses nicht lackiert. Die verzinkten Stahlwände im Inneren sind leitfähig und absorbieren elektromagnetische Strahlung besonders gut. Dies bietet kommerziellen PCs einen entscheidenden Vorteil beim Schutz vor elektrostatischer Entladung (ESD) und elektromagnetischer Abschirmung. Während diese Art von PC-Gehäuse für den normalen Gebrauch geeignet ist, ist sie für industrielle Umgebungen ungeeignet. Industrie-PCs werden häufig in stark korrosiven Umgebungen eingesetzt, beispielsweise in Meersalz, Autoabgasen auf Autobahnen oder Gasen aus Chemieanlagen. Daher müssen sowohl die Innen- als auch die Außenflächen des Gehäuses korrosionsgeschützt werden. Die Abbildung unten zeigt ein Advantech-Industrie-PC-Gehäuse nach der Korrosionsschutzlackierung der Innen- und Außenwände. Zudem sind Computer Vibrationen ausgesetzt. Unter bestimmten Umständen können Vibrationen dazu führen, dass elektrische Bauteile im Gehäuseinneren mit der Innenfläche in Kontakt kommen. Da die Innenwand des Gehäuses leitfähig ist, kann dies leicht einen Kurzschluss verursachen und das Gerät beschädigen. Die Lackierung im Inneren des Industrie-PCs macht die Innenwand nichtleitend und verhindert so dies. Die stark nichtleitende Innenwand stellt jedoch eine größere Herausforderung für das EMV-Design von Industrie-PCs dar. Da die Innenwände von Industrie-PCs ebenfalls lackiert sind, ist die Gehäuseoberfläche nichtleitend und kann im Gegensatz zu Standard-PCs keinen Potenzialausgleichskörper bilden. Daher müssen in bestimmten Bereichen unlackierte Kontaktflächen belassen werden, um einen leitfähigen Körper zu bilden und so einen Potenzialausgleichskörper über die gesamte Gehäuseoberfläche zu schaffen. Dies macht den Prozess komplexer. Betrachten wir die Innenlackierung des Industrie-PC-Gehäuses am Beispiel des in diesem Jahr neu erschienenen INCG ACP-4320, um das schwarze Gehäuse besser zu erkennen. Sehen wir uns auch die Erdung der Festplatteneinschübe an. Nehmen wir erneut den ACP-4320 als Beispiel: Haben Sie nach dieser Erläuterung nun ein grundlegendes Verständnis für das EMV-Design von Standard-PCs und Industrie-PCs? Für normale Anwender ist ein wichtiger Indikator dafür, ob das gekaufte Produkt den EMV-Standards entspricht, die Überprüfung der relevanten EMV-Zertifizierungen wie FCC, CCC, CE und UL. Je mehr Zertifizierungen ein Produkt besitzt, desto strenger ist natürlich auch sein EMV-Design. Im nächsten Teil befassen wir uns mit der Vibrationsfestigkeit und dem Systemwartungsdesign von Industrie-PCs. Bleiben Sie dran.