Uusimmalla älyelektroniikalla ja sulautetuilla mikroprosessoreilla voidaan toteuttaa entistä paremmin toimivia laitteita ja entistä pienempinä. Kun tiukan suunnittelutyön kautta saatu aikaan jo toimiva ja tuotantokelpoinen prototyyppi, voidaan siirtyä jo varsinaiseen tuotteistamiseen ja serfiointien varmistamiseen.

• Osa1. Tutki ja selvitä markkinoista piiri- ja ohjelmistovalintoihin, julkaistu 28.2.2023 (LINKKI)
• Osa 2. Kohti protoa piireistä moduuleihin ja ohjelmointiin, julkaistu 5.4.2023 (LINKKI)
• Osa 3. Kotelointi, laitekokoonpano ja sertifioinnit, julkaistu 8.5.2023 (LINKKI)
• Nykyelektroniikan suunnittelukoulu tulostettava e-dokumenttina, osat 1-3, pdf- ja issuu-muodossa (LINKKI).

Uusi elektroniikkalaite tulee suojata enemmän ja vähemmän kaikenlaiselta ympäristön haittavaikutuksilta kuten kosteudelta, pölyltä ja myös korroosiolta. Tätä varten laite tarvitsee suojakotelon, joka voi olla valmiskotelo tai uudelle tuotteelle kokonaan suunniteltu ja muotoiltu. Koteloinnin lisäksi aikaa ja kustannuksia menee viranomaisten erilaisten turvallisuus-, terveys- ja ympäristövaatimusten täyttämiseen. Ennen niitä laitetta ei voi eikä saa tuoda myyntiin.  Varsinkin kun vaatimustenmukaisuus on viime kädessä valmistajan vastuulla.

Elektroniikan suojaus ympäristön haittavaikutuksilta

Toimintaympäristöstä ja laitteen tyypistä riippuen kaikki sähkölaitteet ovat jossain määrin alttiita ulkopuolisille haittavaikutuksille. Varsinkin kun kaikki laitteet eivät ole tarkoitettu toimimaan yksinomaan kuivissa ja lämpimissä sisätiloissa, vaan toimintaympäristöt voivat vaihdella laajalla asteikolla normaaleista toimistoympäristöistä teollisuuden olosuhteisiin tai jopa avaruuden tyhjiöstä valtameren kilometrien syvyyteen.

Elektroniikkalaitteiden suojausta ympäristön vaikutuksilta kuvataan yleisesti IP-luokittelun perusteella. IP (Ingress Protection) on kaksinumeroinen luku, joista ensimmäinen numero 1…6 määrittelee minkä kokoinen esine (kuten esimerkiksi ihmisen sormi) pääsee koskettamaan laitteen sisuskaluja.

Toinen IP-numero 1…8 taas määrittelee vesitiiviyden. Mitä suurempi IP-luku, sitä paremmin suojattu laite on. Esimerkiksi IP68-luokan laite on täysin pölytiivis ja toimii veteen upotettuna ainakin ilmoitetun ajan ja ilmoitettuun syvyyteen saakka.  Laitteiden IP-suojausluokitus ei ota kantaa siihen, millä menetelmällä tiettyyn suojausluokkaan voidaan päästä. Monenlaisia keinoja onkin aikojen kuluessa kehitelty erilaisia ympäristöjä varten:

• • Suojalakkaus (conformal coating) on melko kevyt suojauskeino, jossa läpinäkyvä lakka ruiskutetaan tai sivellään piirilevyn ja siinä olevien komponenttien päälle. Näin saadaan kohtalaisen hyvä suojaus erityisesti kosteutta ja korroosiota vastaan.
  • Kapselointi muovimassaan: astetta järeämpi suojaus kuin lakkaus. Koko elektroniikkayksikkö upotetaan sellaisenaan muoviin, joka lopuksi jähmettyy ja tarjoaa sangen kattavan suojan. Ei paras ratkaisu jos myöhemmin on tarvetta tehdä korjauksia tai muutoksia. Eniten käytetty suojauskeino implanteissa eli ihmiskehon sisään sijoitettavissa laitteissa kuten sydäntahdistin.
  • Riittävän tiivis kotelo: valmiita koteloja on runsaasti tarjolla lukuisilta valmistajilta monissa eri materiaaleissa. Itse muotoillun kotelonkin toteuttaminen on nykyään 3D-tulostuksen kehittymisen myötä paljon helpompaa kuin “silloin ennen”.

 Laitekotelot elektroniikassa

Elektroniikassa ja sähkölaitteissa kehittyy aina toiminnan aikana hukkalämpöä, vaikka tehonkulutuksen minimoimiseen kiinnitetäänkin paljon huomiota varsinkin akku- ja paristokäyttöisissä laitteissa. Laitteen käyttämä sähköenergia muuttuu lopulta lähes kokonaan lämmöksi, minkä seurauksena laitteen sisäinen lämpötila jatkuvasti kohoaa ellei riittävässä määrin johdeta lämpöä pois laitteesta.

Kotelo suojaa sisällä olevaa elektroniikkaa sitä paremmin mitä tiiviimpi kotelo on. Toisaalta hyvin tiivis kotelo hankaloittaa jäähdytystä, riippuen jäähdytysmenetelmästä. Periaatteessa lämpö ei jakaudu tasan elektroniikan eri osiin, vaan tietyt komponentit kuluttavat enemmän energiaa kuin muut ja lämpiävät siten enemmän.  Prosessoripiirit ovat usein niitä eniten lämpiäviä osia.

Elektroniikkalaitteissa käytetään eniten ilmajäähdytystä, joka perustuu siihen, että laitteen sisäinen lämpötila on aina suurempi kuin ympäristön lämpötila. Viileä ympäristön ilma kiertää laitteen sisustan kautta ja lämpiää siinä.

Tiivis kotelo ei tässä menetelmässä tule kyseeseen, ilman on päästävä sisään ja ulos kotelosta. Ilman mukana laitteen sisään kulkeutuu valitettavasti myös pölyä, josta osa kerääntyy laitteen sisään nurkkauksiin ja koloihin huonontaen lopulta ilmajäähdytyksen toimintaa.

Ilman kierrättämiseen tarvitaan tuuletin, joka on sitä äänekkäämpi mitä tehokkaampi jäähdytys on tarpeen. Tuuletin on myös osa, joka monesti vikaantuu ensimmäisenä. On siis monta hyvää syytä olla käyttämättä tuuletinta mikäli mahdollista. Tuuletinta valittaessa kannattaa tarkistaa esimerkiksi miten siten  hyvin laakerit on pölysuojattu.

Valmiskoteloita valmistetaan sekä muovista että metallista (useimmiten alumiinista). Metallikotelo johtaa huomattavasti paremmin lämpöä kuin muovikotelo. Metallikotelo voi toimia itsessään jäähdytyselementtinä ja siirtää lämpöä komponenteista ympäröivään ilmaan. Kotelo voi silloin olla niin tiivis kuin tarvitaan eikä tuuletinta yleensä tarvita. Metallikotelo vaimentaa radiosignaaleja huomattavasti enemmän kuin muovikotelo. Siksi metallikoteloissa voi olla tarpeen käyttää ulkoista antennia riittävän kantaman saavuttamiseksi langattomassa verkossa. Suosituimmille korteille kuten Raspberry Pi on saatavissa juuri kyseiselle kortille sovitettuja valmiskoteloita sekä muovista että alumiinista.

Mikroharrastajien hyödyntämä suorittimien ns. ylikellotus (overclocking) vie jäähdytyksen aivan äärirajoille. Esimerkiksi koko emolevy voi olla upotettu nestetyppeen. Ammattielektroniikassa kannattaa kuitenkin tyytyä perinteisempiin jäähdytysratkaisuihin.

CE-merkki kertoo vaatimusten mukaisuuden

Nykyaikaiset sähkölaitteet ja monet muutkin laitteet voivat vikaantuessaan tai muuten väärin toimiessaan aiheuttaa paljon vahinkoa. Kyse on siis kansalaisten turvallisuudesta, joka viime kädessä on monenlaisten viranomaisten ja virastojen vastuulla. Viranomaiset ylläpitävät tuoteturvallisuutta valvomalla markkinoita ja tarjolla olevia tuotteita. Käytännössä viranomaisten resurssit eivät yleensä riitä aukottomaan valvontaan eikä varsinkaan tuotteiden vaatimusten mukaisuuden testaukseen. Käytännössä joudutaan tyytymään pistokokeisiin sekä kilpailijoiden tai käyttäjien mahdollisiin ilmoituksiin ongelmallisista tuotteista.

Toisaalta laitteen valmistaja on aina vastuussa laitteen vaatimusten mukaisuudesta. Tätä silmällä pitäen Euroopan unionin ja yhteismarkkinoiden alueella on määritelty CE-merkki, jonka merkitys ja liittyvät käytännöt on syytä ainakin pääpiirteissään tuntea jokaisessa yrityksessä, joka haluaa myydä omia tai muualla valmistettuja tuotteita unionin alueella.

CE-merkki on tuotteeseen tai tuotteen pakkaukseen kiinnitetty laatta tai tarra, joka kertoo käyttäjälle että tuote on kaikkien EU-vaatimusten mukainen ja turvallinen käyttää. CE-merkki on valmistajan vakuutus tai lupaus käyttäjälle että laite täyttää kaikki asianmukaiset vaatimukset, standardit ja normit. CE-merkki ei tarkoita kuitenkaan, että viranomainen olisi tarkastanut laitteen, arvioinut vaatimusten mukaisuuden ja sen jälkeen laitteen antanut luvan CE-merkin käyttöön. Tuotteen valmistaja on yksin vastuussa siitä, että tuotteen ilmoitetaan olevan kaikkien vaatimusten mukainen.

Ennen CE-merkin kiinnittämistä valmistajan on syytä perusteellisesti ja luotettavasti varmistaa vaatimusten mukaisuus, mikä periaatteessa voi tapahtua kahdella eri tavalla:

• Luotettavin tapa varmistaa vaatimusten mukaisuus on tuotteen testaaminen riippumattomassa vaatimustenmukaisuuden arviointilaitoksessa eli nk. ilmoitetussa laitoksessa (notified body). Mainittu testaus on pakollinen tietyille tuotteille.
• Joillekin tuotteille riittää valmistajan oma arviointi tuotteen vaatimusten mukaisuudesta eikä ulkopuolisen laboratorion suorittamaa testausta tarvita.

EU:n lainsäädännössä tuotteet on jaoteltu kahteenkymmeneenkuuteen ryhmään, joissa muun muassa määritellään onko ilmoitetun laitoksen suorittama testaus testaus pakollinen. EU:n alueella toimivia ilmoitettuja laitoksia voi hakea Nando-tietokannasta (New Approach Notified and Designated Organisations) maakohtaisesti tai tuoteryhmäkohtaisesti.

Nandoon on kerätty jäsenmaittain lajiteltuna kaikki EU:n ilmoitetut laitokset. Lisäksi tietokannassa on lueteltu kuusi EU:n ulkopuolista maata, joiden kanssa on kahdenvälisiä sopimuksia testauslaitosten pätevyyden tunnustamisesta. Tietokannasta löytyy tällä hetkellä 26 Suomessa toimivaa ilmoitettua laitosta.

Suurin osa Suomessa toimivista laitoksista on valtuutettu testaamaan rakennusteollisuuteen liittyviä asioita (construction equipment) ja painelaitteita (pressure equipment). Elektroniikkaan ja mittaustekniikkaan liittyviä testauksia varten löytyy tällä hetkellä  kolme Suomessa toimivaa ilmoitettua laitosta. Muissa EU-maissa kuten Ruotsissa ja Saksassa on huomattavasti enemmän ilmoitettuja laitoksia.

Testauspalveluja tarvitseva yritys voi kuitenkin ryhtyä minkä tahansa ilmoitetun laitoksen asiakkaiksi. Kaikki ilmoitetut laitokset ovat ainakin periaatteessa yhtä päteviä mitä tulee arviointiin. Sen sijaan eroja voi olla yhteistyön sujuvuudessa ja palvelujen hinnoittelussa.

Muitakin sertifiointeja voidaan tarvita

CE-merkki periaatteessa kattaa kaiken mitä Euroopan Unioni on direktiiveissään säätänyt koskien kaikkien unionin alueella myytävien laitteiden rakennetta ja toimintaa. Direktiivejä on paljon ja niistä kumpuavia säädöksiä vielä enemmän kattaen jokseenkin kaikki toimialat, joissa ylipäänsä esiintyy kaupallista toimintaa.

CE-merkin kattavuus ei kuitenkaan ole täysin aukoton, ja joissakin tapauksissa voi olla tarpeen hakea sertifiointia muiltakin toimijoilta EU-direktiivien ja vaatimusten lisäksi. Tyypillinen esimerkki on Bluetooth, jokseenkin kaikista kännyköistä ja PC-tietokoneista löytyvä langaton tiedonsiirtoteknologia ja standardi.

Vuonna 1998 perustettu Bluetooth SIG (Special Interest Group) hallinnoi ja valvoo teknologiaan liittyviä patentteja, tavaramerkkejä ja muita tekijänoikeuksiin liittyviä asioita. Tästä johtuen kaikki uudet Bluetooth-laitteet on testattava Bluetooth SIG:n hyväksymässä laitoksessa.

Suomessa Bluetooth SIG-sertifiointia ja monia muitakin hyväksyntätestauksia tarjoaa Eurofins E&E. Ilman hyväksyttävästi läpäistyä testausta Bluetooth-laitetta ei saa mainostaa Bluetooth-yhteensopivaksi eikä myöskään käyttää Bluetooth-logoja.

Bluetoothin lisäksi laajassa käytössä on monia muitakin langattoman tiedonsiirron teknologioita kuten Wi-Fi eli langaton Ethernet-pohjainen lähiverkko.  Näitäkin standardeja ylläpitävät ja kehittävät monenlaiset yhteenliittymät, joiden puitteissa on tarjolla hyväksyntätestauksia uusille laitteille, esimerkiksi “Wi-Fi Certified”. Mutta toisin kuin Bluetoothissa, muissa teknologioissa testaaminen ei yleensä ole pakollista, paitsi milloin CE-merkin puitteissa edellytetään testausta ilmoitetussa laitoksessa.

Tietoturva entistä tärkeämpää

Nykyelektroniikan laitteet ovat pitkälti sulautettuja laitteita, joiden piirien ja muun rakenteen lisäksi tärkeällä sijalla on myös ohjelmistokoodi ja verkkoyhteydet. Samalla myös tietoturvan merkitys on korostunut, joten tietoturva on otettava huomioon jo laitesuunnittelun alkuvaiheessa. Uusiteknologia.fi:ssä on julkaistu useita alueen tekniikoita ja ratkaisuja esitelleitä uutisia ja artikkeleita. Löydät niihin linkit tämän 3.osan linkkipankkiosiosta.

Nykyelektroniikan kolmiosaisen artikkelisarjan on koonnut Krister Wikström, jolla on vuosikymmenien kokemus elektroniikan suunnittelijana. Hän on erikoistunut sulautettuihin järjestelmiin, anturiverkkoihin ja teollisen internetin sovelluksiin.

Artikkeliin liittyvät lisätietolinkit löydät osoitteesta www.uusiteknologia.fi/linkkipankki. Mukana on artikkelissa mainittujen tuotteiden valmistajiin, kotelovalmistajiin ja testauslaitoksiin sekä linkkejä kirjoittajan aiempiin artikkeleihin Uusiteknologia.fi-lehdissä vuosina 1996-2020 (LINKKI).

ENGLISH SUMMARY – Designing modern electronics, a series of three articles

Designing a well functioning prototype suitable for mass production is a necessary but by no means the final step in the design process. In the third part of our article series we discuss various methods that can be used to protect sensitive electronics from harmful effects by the environment, such as dust, corrosion  and moisture ingress. This is usually achieved by some sort of enclosure. There are numerous alternatives, each with different tradeoffs and making it difficult to achieve an optimum solution.

Another very serious concern are the many directives and regulations concerning selling goods on the EU Common Market. Somewhat similar requirements also exist in other trading areas. Numerous and very detailed regulations make it difficult especially for smaller enterprises to be certain that a specific device really fulfills all relevant regulations. In any case, every device sold in the EU must have the  CE mark affixed as a sign that the device conforms to all applicable regulations. This can be based simply on a manufacturers own evaluation, but for some devices mandatory testing is required by an officially acknowledged laboratory (designated body).

Aloituskuva/Source: OKW