Wat is elektronica-ontwikkeling

1. Requirements

Allereerst is het belangrijk om de verwachtingen en vereisten van de klant goed te begrijpen. De ontwikkeling van elektronica kan kostbaar worden als het een zoektocht naar de juiste oplossing wordt. Als de vereisten nog niet op papier staan, is dat de eerste stap. Zowel de klant als de elektronica-ontwikkelaar, moeten goed nadenken over de consequenties van het toevoegen, of weglaten van een eis. Beide kunnen resulteren in meerwerk.

1.1 Functionele eisen

De functionele eisen beschrijven op een abstract niveau hetgeen de oplossing moet doen.

Bijvoorbeeld voor een 1 fase power analyser:

• Meten van de AC spanning en stroom van 1 Fase (bereik 85 - 270Vac)
• Bepaling van

1. het vermogen
2. de power-factor (cos-Phi)
3. de energie (kWh)

• 1 Enkel-fase ingang
• 1 Enkel-fase uitgang
• 1 RJ45 Ethernet aansluiting
• Logging van Vrms, Irms, Pre, Pim per line-cycle (20ms / 16.67ms)
• Uitlezing via Ethernet

De Ethernet-poort accepteert DHCP en de logging stuurt data als UDP via Ethernet..

1.2 Benodigde keuringen

Elk apparaat dat in de EU of andere landen op de markt gebracht wordt, zal aan een aantal standaarden moeten voldoen. Voor Europa geldt de CE richtlijn 2014/30/EU. Voor elektronica betekent dit eigenlijk altijd dat aan EMC normen moet worden voldaan. Afhankelijk van de toepassing gelden ook andere normen, b.v. ten aanzien van veiligheid.
Alleen kijken naar de elektronica is niet voldoende om te bepalen of het gehele product voldoet. Uiteindelijk moet het eindproduct voldoen, en geeft de fabrikant (meestal u) daarvoor een conformiteitscertificaat af.

Voor de elektronica moet bepaald welke normen van toepassing zijn en invloed kunnen hebben op het ontwerp. Hier kan de ontwerper dan tijdens de ontwikkeling rekening mee houden.

2. Ontwikkelfase

Dit is de fase van de elektronica-ontwikkeling waarin het schema, de printplaat en eventuele speciale onderdelen worden gemaakt. Deze fase is onder te verdelen in een nadere analyse, het globaal ontwerp, de detaillering en de implementatie.
Deze fase van de elektronica-ontwikkeling resulteert in de oplevering van een prototype.

2.1 Analyse

Op basis van de productvereisten en normen worden de risico’s in kaart gebracht en wordt een FMEA¹ (Failure Mode Effect Analysis) opgesteld.
Dit hoeft niet altijd formeel te zijn, maar het is wel belangrijk om vooraf na te denken over wat er moet gebeuren als er iets misgaat.

In ons voorbeeld:

Failure	Effect	Severity [0-9]	Action
Ethernet disconnect	UDP Data not sent	0	store results
Phase wire open	No load current	1	Alarm

Het ontwerp kan nu geoptimaliseerd worden zodat de ‘Severity’ voldoende laag is.

Veiligheid

Ook veiligheidsaspecten kunnen via een FMEA inzichtelijk gemaakt worden. Vaak zijn er ook normen waaraan het apparaat moet voldoen die speciale veiligheidseisen stellen.

2.2 Globaal ontwerp

Wanneer de analyses zijn afgerond, volgt het globale ontwerp. Er wordt een indeling van de benodigde blokken gemaakt en gecontroleerd of de functionele blokverdeling logisch is en geen nadelige neveneffecten heeft. Ook kan er al rekening worden gehouden met de veiligheidsaspecten en mogelijke storingen.

2.3 Sensoren

Sensoren vereisen vaak een speciale bewerking. Bij industriële sensoren zit die bewerking al ingebouwd, en dat kan in de prijs tot uitdrukking komen. Kosten kunnen worden bespaard door de sensor direct op de eigen elektronica aan te sluiten.

2.4 Actuatoren

Hetzelfde principe als bij sensoren geldt ook voor actuatoren. Soms is het gebruik van stuur-elektronica gunstig, in plaats van bv. een relais. Vaak geeft het meer mogelijkheden tot optimalisatie van de actuator.
Neem bijvoorbeeld een apparaat met een aantal DC motoren. De aansturing kan met een relais, zelfs bidirectioneel.
Maar met een transistor aansturing met achterliggende software kan een soft-start en soft-stop worden gerealiseerd. Dit is niet mogelijk met een relais.

3. Elektronica implementatie

De ideeën uit het globale ontwerp worden nu omgezet in realiteit. Schema’s worden getekend en printplaten ontworpen. De printplaten worden opgebouwd zodat de embedded software (firmware) kan worden getest.
Afhankelijk van de toepassing moet een voorziening worden getroffen voor het updaten van de firmware. Bij toepassingen met ingebouwde communicatie (bedraad of draadloos) bespaart dit veel tijd, omdat de update dan op afstand kan plaatsvinden.

4. Elektronica Kwalificatiefase

Kwalificatie is het proces waarin wordt gecontroleerd of alle vereisten daadwerkelijk in het prototype aanwezig zijn en correct werken.
Hierbij moet veel aandacht worden besteed aan situaties buiten het bereik en/of foutmeldingen.
Alle metingen worden gedocumenteerd, zodat later kan worden aangetoond dat de test is uitgevoerd en wat het resultaat was.

4.1 Mechanische passing

Uiteindelijk moet de besturingselektronica ook ergens ingebouwd worden. Voor de aansluiting van de connectoren en de hoogte van onderdelen is een controle op de mechanische passing nodig. Dit kan leiden tot kleine aanpassingen. Als het ontwerp al via 3D-tekeningen op de computer is gecontroleerd, is de kans op aanpassingen kleiner.

5. Acceptatie tests

Vervolgens wordt de klant weer bij het proces betrokken. De klant moet zich er zelf van overtuigen dat het product aan de gestelde eisen voldoet.
Veel klanten zijn op dit punt niet zo scherp als gewenst. Zij vinden dat de ontwikkelaar zijn werk goed had moeten doen, maar vergeten daarbij dat zíj de expert zijn op hun werkterrein, en de ontwikkelaar zich vooral aan de requirements vast moet houden. Hier kan een verschil in ontstaan.

Vaak wordt op dit moment het fysieke apparaat voor het eerst met de elektronica tot leven gebracht, en ontstaan er vaak kleine punten die nadere afstemming vereisen. Dat kan timing zijn of het compenseren van mechanische effecten.

Een duurtest onder variërende omstandigheden is ook zeer wenselijk.

5.1 Fout situaties

Bij de acceptatietests is het introduceren van foutsituaties een belangrijke fase. Door zoveel mogelijk foutsituaties te simuleren kan gecontroleerd of de besturing er correct mee omgaat. Een ontwikkelaar test tijdens de elektronica-ontwikkeling in de praktijk vooral de ’normale’ situaties en minder de foutsituaties.

6. Productie voorbereiding

Wanneer het prototype geen wijzigingen nodig had, kan vaak direct tot productie worden overgegaan. Anders is het verstandig om een pre-productie of een 0-serie te draaien. Zo’n 0-serie is dan een beperkt aantal, bijvoorbeeld 10 tot 25 stuks. Wanneer er toch nog iets ernstig fout is gegaan, is de schade tenminste te overzien. Wanneer er dan al 1000 of 5000 printplaten zijn geproduceerd, zijn de kosten voor herstel of vervanging erg hoog.

6.1 Productie test

Bij elke productie, moet het resultaat getest worden. Er kunnen immers fouten zijn gemaakt, zoals de montage van een verkeerd component. Vaker betreft het echter soldeerfouten. Dan is een component niet goed gesoldeerd, of is er een kortsluiting van soldeertin ontstaan. Er bestaan 2 niveaus van tests:

• Functionele test
• Specificatie test

In veel gevallen is een Functionele test voldoende, maar voor apparaten die naar verre landen gaan, en waarbij service en reparatie duur zijn kan een testsysteem, dat ook de specificaties test, voordeliger zijn.
Op specificatie testen betekent bijvoorbeeld het nameten van de frequentiekarakteristiek van analoge ingangen. Bij alleen een functionele test zal een fout component in dit pad mogelijk niet zichtbaar worden. Dat verhoogt de schade.

Voor de productie van grotere aantallen wordt vaak een pennenbedtester gemaakt. Daarmee wordt een automatische test uitgevoerd.
De testelektronica is vaak uitgebreider en complexer dan het geproduceerde product.