“Mechanica is even verantwoordelijk voor elektromagnetische compatibiliteit”

Gepubliceerd op: 13 oktober 2021

Expert:

Marcel van Doorn MSc

Trainer

Lees meer over Marcel van Doorn

Deel

---

Wat doe je als je wilt voorkomen dat de elektronica in een behuizing oververhit raakt? Juist, je maakt een mooi gat in de behuizing zodat de warmte eruit kan. Makkelijk. Vanuit een puur mechanisch perspectief is er weinig mis met die aanpak. Elektrotechnische ingenieurs zullen minder blij zijn met de oplossing omdat er een enorm risico bestaat dat zo’n gat alle elektromagnetische straling doorlaat en het apparaat niet meer voldoet aan de compatibiliteitstests die wettelijk vereist zijn voordat een elektronisch product wordt uitgebracht.

Marcel van Doorn: “De uitdaging met EMC is dat mechanische en elektronische ingenieurs vaak elkaars taal niet spreken.”

Marcel van Doorn, docent aan het High Tech Institute en begin dit jaar met pensioen na een lange carrière bij Philips, heeft het vaak mis zien gaan. “Werktuigbouwkundigen hebben tijdens hun opleiding nooit iets gehoord over elektromagnetische compatibiliteit. Straling van antennes is meestal compleet nieuwe kennis voor hen. Daardoor beseffen ze niet welke invloed hun ontwerpkeuzes hebben op elektromagnetische compatibiliteit. Elektrotechnische ingenieurs hebben die wijsheid wel, maar de communicatie tussen de twee disciplines loopt regelmatig spaak. Tekeningen worden zonder veel uitleg over de schutting gegooid en dan worden dingen vast verkeerd begrepen. Regelmatig hoor je over elektronische apparaten of installaties die gestoord worden door elektromagnetische straling van mobiele telefoons in de buurt. Denk aan robotarmen of scooters die kantelen, schermen die onleesbaar worden of communicatieverbindingen die verbroken worden.”

Hoewel EMC het domein is van de elektronicus, benadrukt Van Doorn dat het ook de verantwoordelijkheid is van hun mechanische tegenhangers, juist omdat veel zaken in de mechanica moeten worden opgelost. “De uitdaging is dat ze vaak elkaars taal niet spreken.” Daarom heeft Van Doorn de uitgebreide EMC-cursus voor elektrotechnisch ingenieurs teruggebracht tot een praktijkgerichte opfriscursus van één dag, die speciaal voor werktuigbouwkundig ingenieurs te volgen is bij het High Tech Institute.

In harmonie

Terug naar de basis, wat is elektromagnetische compatibiliteit? “Het is een positief woord,” zegt Van Doorn. “Het betekent immers dat apparaten compatibel zijn met elkaar, dat ze goed blijven functioneren in elkaars nabijheid. Dat is het doel dat je nastreeft. Als ze in harmonie zijn met elkaar, zal het ene apparaat het andere niet storen. Mobiele communicatie en beveiligingsdiensten mogen er ook geen hinder van ondervinden en andersom.”

“Als je vroeger naar een ziekenhuis ging, werd je vaak gevraagd om je telefoon uit te zetten,” vervolgt hij. “Om geen risico te lopen, moesten mobiele telefoons worden uitgeschakeld, zodat onder andere hartbewakingssystemen normaal bleven werken. Vrijwel niemand deed dat – en doet dat nog steeds – dus nu zijn de EMC-eisen in de medische wereld veel strenger geworden.”

Geen spleet, maar gaten

Wat is er precies mis met het eerder genoemde gat in de elektronicabehuizing? “Vanwege EMC-overwegingen wordt elektronica vaak in een behuizing geplaatst,” antwoordt Van Doorn. “Zo creëer je een kooi van Faraday waaruit geen elektromagnetisch veld kan ontsnappen. Als je gaten in de behuizing maakt voor koeling of om kabels door te laten lopen, doorbreek je die afscherming.” Of dat ook een probleem vormt, hangt af van de frequenties in het systeem. “Als zo’n spleet resonant is voor de golflengte, vliegt de straling er gewoon uit. Het is misschien moeilijk voor te stellen, maar dan heb je wel een effectieve antenne gemaakt.”

De oplossing is relatief eenvoudig: maak geen spleet, maar kies voor een reeks kleine gaatjes die samen hetzelfde oppervlak hebben. Hierdoor kan de warmte in voldoende mate ontsnappen, maar de elektromagnetische straling niet.

“Als je het eenmaal weet, is het eenvoudig.”

Nu de frequenties in elektronica toenemen, van MHz naar GHz en hoger, worden de golflengtes kleiner en het ontwerp navenant uitdagender. “Een frequentie van 1 GHz betekent een golflengte van ongeveer dertig centimeter”, rekent Van Doorn voor. “De vuistregel is dat als je het stralingsemissieniveau met een factor tien wilt verminderen, het gat in de behuizing niet groter mag zijn dan een twintigste van de golflengte. In dit geval anderhalve centimeter. Bij 10 GHz ga je al naar 1,5 mm.”

Je kunt dezelfde eenvoudige berekening ook toepassen op andere situaties. “Een elektronicus vertelt zijn mechanische collega vaak dat de printplaat geaard moet zijn,” zegt Van Doorn. “In het ontwerp moet hij dan een verbinding met het chassis opnemen. Bij frequenties van 1 GHz is die draad weer niet langer dan anderhalve centimeter. Het ouderwetse, robuuste ontwerp moet dus steeds verfijnder worden.”

“Bovendien kunnen de aarddraad en andere bekabeling niet overal zitten,” waarschuwt Van Doorn. “De velden die worden uitgezonden door de elektronicaplaat kunnen precies koppelen met die kabels, wat vaak een veel efficiëntere antenne oplevert dan de sporen op de printplaat. Plaats de kabel dus naast de printplaat en zeker niet erboven. Als je het eenmaal weet, is het eenvoudig.”

Centen laten vallen

Elektronica zou hun collega’s in de mechanica over dit soort dingen moeten inlichten, maar in de praktijk ontbreekt die communicatie bij veel ontwikkelingsbedrijven. Het gevolg is dat een apparaat niet door de EMC-tests komt en een duur herontwerp nodig is. Het doel van de High Tech Institute training ‘EMC voor mechatronische ingenieurs‘ is daarom om monteurs bewust te maken van de problematiek, hen de EMC-taal te leren en hen een aantal eenvoudige hulpmiddelen te geven waarmee ze EMC-problemen kunnen oplossen.

In zijn trainingen volgt Van Doorn het principe van Confucius: “Hoor het en je vergeet het, zie het en je onthoudt het, doe het en je begrijpt het.” Van Doorn: “Natuurlijk kan ik een uitgebreid theoretisch betoog houden over alle aspecten van EMC, maar dat gaat het ene oor in en het andere weer uit. Als docent is het belangrijk dat je de link legt tussen eenvoudige theorie en praktijk. Tijdens mijn loopbaan heb ik veel demo’s verzameld waarin alle principes op een eenvoudige manier worden uitgelegd. Met een spectrum analyzer kun je dan bijvoorbeeld zien dat een grote spleet veel meer uitzendt dan een patroon van kleine gaatjes. Vanwege die heel belangrijke, praktische kant leek het me niet verstandig om deze cursus online in coronatijd te geven. Je moet het kunnen voelen, om hands-on met de theorie aan de slag te gaan.”

Van Doorn moedigt studenten aan om hun eigen product mee te nemen. “Tijdens de lessen bespreken we deze en in bijna alle gevallen zijn er veel verbeterpunten.” Het is erg leuk als de cursus als in-house training wordt gegeven, heeft Van Doorn ervaren. “Dan verzamelen de werktuigbouwkundigen en elektronici zich rond hun apparaat en wordt er volop gediscussieerd. Ineens hoor je overal de centen vallen.”

Van Doorn merkt op dat er steeds meer overleg is tussen verschillende disciplines. “Met vallen en opstaan zijn bedrijven wijzer geworden. Ik zie daar wel een verbetering, maar het gaat nog heel regelmatig mis, ook tussen de verschillende subdisciplines op een elektronica-afdeling. Het grote voordeel van de cursus moet zijn dat monteurs zich bewust zijn van de uitdagingen in EMC, dat ze de juiste vragen stellen aan hun elektronicacollega’s en dat ze de deur dichtgooien voordat het paard is geblokkeerd.”

Monteurs hoeven hiervoor echt geen EMC-experts te worden, benadrukt Van Doorn. “Met een opfriscursus van één dag kun je al veel problemen ondervangen. Het kost niet veel tijd en het levert zeker wat op. Dus, managers van monteursafdelingen, stuur je mensen en voorkom dure redesigns.”