Obr.1: Příklad přístroje velikosti skříně, který byl konstruován podle uvedených zásad (simulátor elektrických sítí pro společnost BluEmi s.r.o. ).
V tomto článku uvádím hlavní zásady modulární mechanické konstrukce vhodné pro speciální elektronická zařízení velikosti na zemi stojící skříně, pracující v laboratorním nebo běžném průmyslové prostředí. Společně tvoří konstrukční styl, který jsem z větší části převzal od jiných výrobců, nejsem tedy jeho autorem. Preferuji tento styl pro jeho čistotu a to nejen vizuální.
Mnoho z dále uvedených principů lze ukázat na příkladu jediného zařízení na obr. 1. Zařízení je vestavěno do 19" skříně podle standardu IEC 60297-3-100. Skříň zde ovšem není využita jen jako regál pro uložení několika samostatně zapouzdřených přístrojů, ale tvoří přímo vnější povrch jednoho přístroje. Na obr. 1 je tedy jeden přístroj. To, že je sestaven z normalizovaných modulů, zajímá více jeho konstruktéra, než uživatele. O jeden přístroj se jedná i z pohledu ochrany před úrazem elektrickým proudem, přesněji z pohledu ochrany před nebezpečným dotykem živých i neživých částí. To je ovšem vážná věc a důvod, proč je nutné přesně vymezit pojmy. Z toho, že skříň tvoří vnější povrch elektrického přístroje vyplývá mimo jiné, že všechny vně přístupné kovové části skříně musí být připojené na ochranný vodič. Celá skříň může, ale nemusí, být považována za jeden přístroj i z hlediska elektromagnetického stínění. Její vnitřní prostor může být vhodnou konstrukcí do potřebné míry odstíněn od vnějšího prostředí. Přesné definování co tvoří vnější povrch elektrického přístroje je důležité i pro vymezení zodpovědnosti mezi dodavatelem a odběratelem a pro podmínky záruky.
Takto konstruované zařízení je sestaveno z dílů pouze tří druhů: skříně, normalizovaných modulů a vnitřní kabeláže. Připevňování jakýchkoliv nenormalizovaných funkčních dílů přímo ke kostře skříně je zakázáno. Nenormalizované díly lze použít pouze uvnitř normalizovaných modulů. Na obr. 2 je příklad vytvoření normalizovaného modulu z nakupovaného nenormalizovaného dílu - desky plošných spojů nestandardních rozměrů. Tato důsledná standardizace usnadňuje opakované využití normalizovaných modulů v různých přístrojích, usnadňuje budoucí úpravy u zařízení s dlouhou předpokládanou životností a po překonání počáteční nechuti usnadňuje i práci samotným konstruktérů.
Vnitřní kabely mezi jednotlivými moduly jsou vedeny u krátkých propojení přímo, ale většina z nich je vyvázána na bocích skříně, jak je ukázáno na obr. 3. Boční kryty skříně tedy musí být odnímatelné, aby bylo možné upevnit kabely do jinak nevyužitého prostoru šířky několika cm na bocích skříně. Všechny kabely musí mít alespoň na jednom konci snadno rozebíratelné spojení konektorem pro usnadnění montáže. Pracné připojování kabelů letováním nebo na svorkovnice s mnoha svorkami při montáži modulů do skříně není připustné. Jen u spojů pro velký proud lze připustit připojení kabelovými oky na šroubové svorky. Použití kabelových svazků s více než dvěma připojovacími body uvnitř skříně je přípustné.
Skříň je propojena s okolím jen přes konektory na přední nebo zadní stěně. Propojení mezi skříněmi a k jinak provedeným elektrickým zařízením je výhradně kabely se dvěma konci, použití kabelových svazků s více přípojnými body (štěpených kabelů) na úrovni mezi skříněmi není dovoleno. Ve vyjímečných případech lze pro velký proud a běžně pro doplňkové pospojování připustit šroubové svorky. Jinak ale není použití svorkovnic na vnějším povrchu skříně přípustné.
Přední a zadní stěny skříně jsou tvořeny vnějšími stěnami (panely) jednotlivých normalizovaných modulů. Při takové konstrukci je ovšem obtížné dosáhnout elektrické celistvosti povrchu. Relativně snadné je to na přečnívajících okrajích vnějších stěn modulů, za které jsou moduly po stranách přišroubovány do děrovaných sloupků skříně. Pokud jsou oba povrchy vodivé, přišroubováním se vnější stěna modulu elektricky zcelí s povrchem skříně alespoň na stranách. K dosažení dokonalé elektrické celistvosti povrchu by bylo nutné nějak vodivě překlenout i vodorovné spáry mezi moduly. Pro mnoho běžných aplikací v průmyslu ovšem postačí vodivé propojení po stranách, poskytující stínění vnitřního prostoru alespoň do kmitočtové oblasti přibližně krátkých vln. Toto vodivé propojení zároveň zabezpečuje spojení všech vně přístupných kovových částí skříně na ochranný vodič bez nutnosti použití vnitřních zemnících propojek, tak obvyklých u většiny univerzálních skříní na trhu. S přihlédnutím k relativně snadné realizaci a hned dvojímu přínosu všechny moduly vlastní výroby v mých zařízeních mají vodivé dosedací plochy bez laku. Ochrana proti korozi je zajištěna galvanickým zinkováním. Alespoň dosedací plocha na sloupcích musí být také vodivá, bez laku. To ovšem značně omezuje možnosti použítí běžně dostupných univerzálních skříní pro takové přístroje. Jako přídavný bezpečnostní prvek navíc požaduji, aby kostry všech modulů s elektrickými obvody byly zároveň propojené se skříní přes napájecí kabel. Ochrana před nebezpečným dotykem neživých částí je tak zajištěna i když je při oživování a opravách modul ve skříni pouze zasunut a připojen kabelem, ale není přišroubován. Nakupované 19" přístroje obvykle spolehlivé elektrické spojení se skříní přišroubováním neumožňují. U nich je spojení ochranného vodiče zajištěno jen přes napájecí kabel, případně ještě přes přídavné lanko, pokud má přístroj zvláštní zemnící svorku. Větrací mřížky a kryty na místech neosazených modulů jsou vodivě propojeny pouze konstrukčně přišroubováním.
Protože skříň je zcela uzavřená, nemusí být jednotlivé moduly z vnitřní strany zakryté. Lze například použít z vnitřní strany nezakryté panely s ovládacími a indikačními prvky nebo otevřená chassis. Umístění otevřených chassis s předními panely jednotné šířky do skříně byla ostatně původní myšlenka vedoucí k vytvoření standardu 19" skříní. Na obr. 5 je pro zajímavost příklad vnitřního propojení několika otevřených modulů pásovými přípojnicemi. Takový způsob propojení není sice běžný, ale je stále v souladu s uvedenými konstrukčními zásadami.
Důsledné používání dílů normalizovaných rozměrů usnadňuje opakované využití některých dílů v různých přístrojích a vytváření výrobní dokumentace vzájemně podobných dílů. Příkladem je 19" modul na obr. 6. rozvádějící napájecí napětí po skříni. Tato funkce je potřebná u každého přístroje. Jištění a spínání je v něm realizováno běžnými rozvaděčovými prvky na DIN liště: držáky pojistek, jističi, stykači. Potřebná nižší napájecí napětí pro některé části přístroje lze vytvořit také přímo v tomto modulu běžně dostupnými měniči pro montáž na DIN lištu. Tento rozvodný modul lze umístit na přední nebo zadní stěně skříně. Je-li umístěn na zadní stěně, je obvykle propojen s tlačítky „zapnout“ a „vypnout“ na předním panelu, které zajištují ve spulupráci se stykačem v rozvodném modulu funkci hlavního vypínače. Tlačítka mohou být umístěna buď v samostatném 19" modulu na obr. 7, nebo mohou být součástí složitějšího ovládacího panelu. Kabely rozvádějící napájecí napětí po skříni jsou na straně rozvodného modulu k němu pevně připojené, na druhém konci jsou vždy zakončeny konektorem nebo kabelovým okem. Jsou tedy součástí rozvodného modulu. Toto řešení bylo zvoleno jako kompromis mezi cenou a pracností montáže a využívá toho, že používané rozvaděčové prvky určené pro montáž na DIN lištu mají vždy šroubové svorky. Rozvaděčový modul lze vyrobit i tak, aby bylo možné ho zašroubovat do skříně bez vnějšího panelu a připojovat kabely k prvkům na DIN liště až ve skříni. To se typicky dělá pouze při vývoji u prvního kusu vyráběného přístroje, protože tak lze nejsnáze zjistit potřebné délky jednotlivých kabelů. Poté se rozvodný modul vymontuje, změří se délky kabelů a další rozvodné moduly pro sériovou výrobu se již vyrábějí rovnou s kabely potřebných délek.
Tak jako v 19" rozvodném modulu jsou využity normalizované rozvaděčové prvky, jsou ve vyráběných 19" modulech obsahujících desky plošných spojů vlastní konstrukce důsledně používány zásuvné desky plošných spojů normalizovaných velikostí eurokaret s konektory. Ty jsou zasunuty buď uvnitř 19" modulů vlastní konstrukce, nebo v normalizovaných kostrách podle EN 60297-3-101 a EN 60297-3-104. V prvním případě nejsou desky plošných spojů přímo přístupné zvenku, v druhém případě jsou přístupné na vnějším povrchu skříně.
Uvedené konstrukční zásady byly ukázány na příkladu 19" skříně. Je ale možné je použít nezávisle na 19" standardu, který by snad bylo výstižnější nazývat zlozvykem, než standardem. Definuje totiž pouze upevnění 19" modulů ve skříni za přečnívající okraje předních panelů. Samotné připevnění za přední panel ovšem u hlubokých a nízkých modulů není dostatečné kvůli velké páce, která by pak působila na přečnívající okraje. Další připevnění modulů uvnitř skříně ovšem standard nedefinuje a ani výrobci 19" přístrojů se na žádném způsobu nedohodli. Obvykle se proto nakupované 19" přístroje pouze pokládají na úhelníky nenormalizovaných rozměrů, jak je vidět na obr. 5. Není ovšem zaručeno, že se tyto úhelníky do mezer mezi přístroji vejdou. Takové nouzové řešení lze použít pouze u stacionárních zařízení, nelze ho použít u zařízení montovaných do automobilů a lodí. Tento zásadní nedostatek 19" standardu je patrně důsledkem jeho původního určení a doby vzniku. Podle Wikipedie sahá původ tohoto standardu až do 20. let 20. století, kdy byl vytvořen pro elektronkové telefonní zesilovače. Nelze se tedy divit, že nyní, po sto letech, již neodpovídá požadavkům moderní elektroniky. Jsem přesvědčen, že pro modulární mechanickou konstrukci elektronických zařízení velikosti skříně pro laboratorní a průmyslové prostředí je třeba vymyslet standard nový. Takový pokus již byl učiněn v podobě mnohem propracovanějšího standardu IEC 60917, který se ovšem běžně nepoužívá. Je těžké prosadit změnu k lepšímu v prostředí, kde cílem práce většiny lidí není zlepšování věcí, ale jen vydělávání peněz.