‘Mechanici zijn net zo goed verantwoordelijk voor elektromagnetische compatibiliteit’
Elektromagnetische compatibiliteit (emc) is een onderwerp waarvoor weinig mechanici en mechatronici warmlopen. Ze wijzen naar de elektronici als het systeem uiteindelijk niet door het wettelijke testtraject komt. Het thema heeft echter zo veel mechanische aspecten dat ook mechanici niet zonder de emc-basiskennis kunnen.
Wat doe je als je ervoor wilt zorgen dat de elektronica in een behuizing niet oververhit raakt? Juist, je maakt een mooi gat in de kast zodat de hitte naar buiten kan. Simpel. Vanuit puur mechanisch perspectief is er ook weinig mis mee. Elektronici zullen minder blij zijn met die oplossing. Het risico is namelijk levensgroot dat zo’n gat alle elektromagnetische straling doorgeeft en het apparaat niet meer door de compatibiliteitstests komt die wettelijk verplicht zijn voordat een elektronisch product op de markt mag worden gebracht.
Marcel van Doorn, docent bij High Tech Institute en sinds begin dit jaar met pensioen na een lange carrière bij Philips, heeft het al vaak zien misgaan. ‘Mechanici hebben tijdens hun opleiding nooit wat gehoord over elektromagnetische compatibiliteit. Straling van antennes is meestal helemaal nieuwe materie voor ze. Daardoor beseffen ze niet wat het effect is van hun designkeuze op de elektromagnetische compatibiliteit. Elektronici hebben die kennis wel, maar het gaat regelmatig mis in de communicatie tussen de twee disciplines. Tekeningen worden zonder veel uitleg over de schutting gegooid en dan gaat het geheid fout. Regelmatig hoor je over elektronische apparaten of installaties die worden gestoord door elektromagnetische straling van nabije mobiele telefoons. Denk aan robotarmen of scootmobielen die op tilt slaan, beeldschermen die onleesbaar worden of communicatieverbindingen die verbroken worden.’
Hoewel emc het domein is van de elektronicus, benadrukt Van Doorn dat het wel degelijk ook de verantwoordelijkheid is van de mechanica-ingenieur, juist omdat veel dingen in de mechanica moeten worden opgelost. ‘De uitdaging is dat ze elkaars taal vaak niet spreken.’ Speciaal voor mechanici heeft hij daarom de uitgebreide emc-cursus voor elektronici teruggebracht naar een eendaagse, hands-on bijspijkertraining, te volgen bij High Tech Institute.
In harmonie
‘Elektromagnetische compatibiliteit is een positieve term’, vindt Van Doorn. ‘Het betekent immers dat apparaten compatibel zijn met elkaar, dat ze in elkaars nabijheid goed blijven functioneren. Dat is het doel dat je nastreeft. Als ze in harmonie zijn met elkaar, stoort het ene apparaat het andere niet. Ook mobiele communicatie en veiligheidsdiensten mogen er geen last van hebben, en vice versa.’
‘Als je vroeger in een ziekenhuis kwam, stond er vaak dat je je telefoon moest uitzetten’, gaat hij verder. ‘Om niets aan het toeval over te laten, moesten mobieltjes uit zodat onder meer hartbewakingssystemen normaal bleven draaien. Dat deed – en doet – vrijwel niemand, dus nu zijn de emc-eisen in de medische wereld veel strenger geworden.’
Geen sleuf, maar gaatjes
Wat is er precies mis met zo’n gat in de elektronicabehuizing? ‘Vanuit emc-overwegingen wordt elektronica vaak in een kast gestopt’, antwoordt Van Doorn. ‘Zo creëer je een kooi van Faraday waaruit geen straling kan ontsnappen. Als je gaten in de behuizing maakt, voor de koeling of om kabels door te laten lopen, sla je een bres in die afscherming.’ Of dat ook een probleem oplevert, hangt af van de frequenties in het systeem. ‘Als zo’n sleuf resonant is voor de golflengte, vliegt de straling gewoon naar buiten. Het is misschien lastig voor te stellen, maar dan heb je in feite een effectieve antenne gemaakt.’
De oplossing is relatief simpel: maak geen sleuf, maar een serie kleine gaatjes die samen hetzelfde oppervlakte hebben. De hitte kan daardoor wel in voldoende mate naar buiten, maar de elektromagnetische straling niet.
Nu de frequenties in de elektronica toenemen, van MHz naar GHz en hoger, worden de golflengtes steeds kleiner, en het design navenant uitdagender. ‘Een frequentie van 1 GHz betekent een golflengte van zo’n dertig centimeter’, rekent Van Doorn voor. ‘De vuistregel is dat als je het stralingsniveau met een factor tien wilt reduceren, het gat in de kast maximaal een twintigste van de golflengte mag zijn. In dit geval dus anderhalve centimeter. Bij 10 GHz ga je al naar 1,5 mm.’
Datzelfde simpele rekensommetje kun je toepassen op andere situaties. ‘Vaak vertelt een elektronicus aan een mechanicus dat de printplaat moet worden geaard’, vertelt Van Doorn. ‘In het design moet hij dan een verbinding opnemen naar het chassis. Bij frequenties van 1 GHz mag die draad opnieuw niet langer worden dan anderhalve centimeter. Het ouderwetse, robuuste design moet steeds verfijnder.’
‘Bovendien mogen die aarddraad en andere bekabeling niet overal liggen’, waarschuwt Van Doorn. ‘De straling die het elektronicabord uitzendt, kan precies met die kabels koppelen en dat levert vaak een veel efficiëntere antenne op dan de spoortjes op de pcb. Leg de kabel dus langs de printplaat, en zeker niet erboven. Als je het eenmaal weet, is het simpel.’
In de praktijk
Zaken als deze zouden elektronici aan hun mechanicacollega’s moeten vertellen, maar in de praktijk ontbreekt het bij veel ontwikkelbedrijven aan die communicatie. Gevolg is dat een apparaat niet door de emc-tests raakt en een duur redesign nodig is. Het doel van de training ‘EMC for mechatronic engineers’ van High Tech Institute is dan ook om mechanici bewust te maken van de problematiek, om ze de emc-taal te leren en om ze een aantal simpele handvatten te geven waarmee ze emc-problemen in de kiem kunnen smoren.
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. ‘Natuurlijk kan ik prima een uitgebreide, theoretische verhandeling houden over alle aspecten van emc, maar dat gaat het ene oor in en het andere oor uit. Het is belangrijk dat je als docent de link legt tussen eenvoudige theorie en de praktijk. Gedurende mijn carrière heb ik veel demo’s verzameld waarin op een eenvoudige manier alle principes worden uitgelegd. Met een spectrumanalyzer kun je dan bijvoorbeeld zien dat een grote sleuf veel meer straling afgeeft dan een patroon van kleine gaatjes. Vanwege die zeer belangrijke, praktische kant vond ik het niet verstandig deze cursus in coronatijd online te geven. Je moet het namelijk kunnen voelen, met de theorie aan de slag.’
Van Doorn stimuleert cursisten om hun eigen producten mee te brengen. ‘Tijdens de les bespreken we die dan en in vrijwel alle gevallen zitten daar een boel verbeterpunten aan.’ Helemaal mooi is het als de cursus als in-house training wordt gegeven, heeft Van Doorn ervaren. ‘Dan staan de mechanici en elektronici samen om hun apparaat en wordt er volop gediscussieerd. Ineens hoor je overal de kwartjes vallen.’
Van Doorn constateert dat er steeds meer wordt overlegd tussen verschillende disciplines. ‘Door schade en schande zijn bedrijven wijs geworden. Ik zie daar wel verbetering, maar het gaat ook nog heel regelmatig fout, zelfs tussen de verschillende deeldisciplines op een elektronica-afdeling. Het grote winstpunt van de cursus moet zijn dat mechanici zich bewust zijn van de uitdagingen in emc, dat ze de juiste vragen stellen aan hun elektronicacollega’s en dat ze de put dempen voordat het kalf is verdronken.’
Daarvoor hoeven mechanici echt geen emc-experts te worden, onderstreept Van Doorn. ‘Met een bijspijkercursus van een dag kun je al heel veel problemen ondervangen. Het kost niet veel tijd en het levert veel op. Dus, managers van mechanica-afdelingen, stuur je mensen en voorkom dure redesigns.’
