Badania urządzeń elektronicznych pod kątem kompatybilności elektromagnetycznej, odporności na wpływ środowiska oraz na narażenia mechaniczne stały się w ostatnich latach częścią zapewnienia wysokiej jakości w elektronice oraz istotnym elementem procesu projektowania.
Badania i pomiary w laboratoriach tworzą więc w pracy inżynierskiej niezbędne sprzężenie zwrotne, praktycznie weryfikujące zastosowane rozwiązania układowe i jakość wybranych komponentów. Dlatego ich znaczenie rynkowe będzie cały czas rosło, a zakres realizowanych badań będzie się nieustannie poszerzał.
Normy i przepisy
Nietrudno dostrzec, że takich norm definiujących wymagania techniczne dla urządzeń, warunki pomiarów parametrów i testowania funkcjonalności przybywa, gdyż z jednej strony jak wspomniano stale rośnie nasycenie elektroniką i tym samym ryzyko wzajemnych interakcji, a z drugiej strony sprzęt pełni coraz bardziej odpowiedzianą funkcję w naszym życiu.
Bierze się to także ze stale rosnącego stopnia skomplikowania urządzeń oraz z tego, że ewolucja techniczna jest coraz szybsza. Normy muszą być tym samym stale aktualizowane, rozszerzane, pojawiają się nowe regulacje po to, aby objąć kontrolą nowy obszar rynku. Przykładem z ostatnich lat mogą być stacje ładowania samochodów elektrycznych i ogólnie zagadnienia związane z elektryczną motoryzacją, gdzie zachodzi konieczność sprawdzania punktów ładowania pod kątem bezpieczeństwa, współpracy z siecią energetyczną oraz oczywiście także EMC.
Odpowiedzialne zadania oznaczają to, że bardzo często awaria lub zakłócenie działania wiąże się z dużym ryzykiem finansowym i zagrożeniem dla zdrowia, dlatego normy tworzą granice wyznaczające, co jest akceptowalne, a co nie. Porażenie prądem elektrycznym, zagrożenie pożarem są najbardziej wymownymi przykładami takich obszarów, gdzie regulacje wynikają z ograniczania zagrożeń dla życia ludzkiego, ale poza tymi najbardziej wymownymi jest ich więcej.
Normy, dyrektywy i przepisy są potrzebne, gdyż bez jasnych wskazówek rynek nie doszedłby do konsensusu w zakresie wymagań. Nawet przy szczegółowych normach zawsze ktoś znajdzie jakiś wyjątek, jak żarówka wolframowa "do celów technicznych", zasilacz dwuwyjściowy lub jeszcze coś innego na wymiganie się od obowiązków.
Dobrym przykładem rynkowego klinczu są zwykłe konsumenckie baterie jednorazowe, na których próżno szukać informacji o pojemności, co pozwoliłoby na ich porównywanie. Producenci jej nie podają, bo nie ma jednoznacznych norm pomiaru pojemności, np. przez wykazanie dopuszczalnych końcowych napięć rozładowania, prądu, temperatury itp. Efekt jest taki, że producenci publikują jedynie ogólne krzywe rozładowania i nie podają liczbowo wartości pojemności po to, aby uniknąć porównań.
W dalszej kolejności takie akty prawne wymuszają zmiany na rynku elektroniki w sposób celowy i są tym samym częścią polityki państw lub wspólnot związanej z ochroną klimatu i środowiska. Przykładem mogą być wymagania dyrektyw RoHS i WEEE w zakresie ochrony środowiska, wymagania Ekoprojektu związane ze sprawnością energetyczną zasilaczy. Normy i przepisy definiują też pośrednio jakość, bo umożliwiają porównanie urządzeń różnych producentów, tworząc jednakowe warunki kontrolne.
Marek KościelskiKierownik Laboratorium Badania Wyrobów Elektronicznych Instytut Tele- i Radiotechniczny
Klienci najczęściej poszukują laboratoriów, które mogą wykonać badania ich wyrobów według akredytowanych metod. Często oczekują również pomocy w zakresie wytypowania norm i określenia zakresu niezbędnych badań (opracowania szczegółowego programu badań). Ich życzeniem jest, aby badania wykonane były w sposób rzetelny, w możliwie w pełnym zakresie. Klienci oczekują także kompetentnego wsparcia technicznego, udzielania wyjaśnień i pomocy szczególnie w przypadku, gdy wynik jakiegoś badania jest negatywny (jak należy poprawić badany obiekt, aby uzyskać pozytywny wynik).
Klienci oczekują, aby usługa badawcza była wykonana rzetelnie, możliwie szybko i po stosunkowo niskich kosztach. Oczekują ponadto życzliwej obsługi, kompetentnego wsparcia technicznego i uproszczenia wszystkich czynności formalnych. Nasze laboratorium (akredytowane w PCA) stara się spełnić te oczekiwania. Klienci wyrażali zadowolenie z realizacji usług badawczych w naszym laboratorium, co jest udokumentowane m. in. w przesłanych ankietach. |
Ocena zgodności, czyli jakości
Badania urządzeń elektronicznych w coraz większym stopniu kojarzą się z wysoką jakością produktów, a klienci coraz bardziej zwracają uwagę na dokumenty i certyfikaty potwierdzające zgodność z wymaganiami. Być może jest to trochę spowodowane dużą liczbą nadużyć, jakie dawniej towarzyszyły procesowi oceny zgodności, a więc temu, że kiedyś dokumenty nie miały pokrycia w rzeczywistości.
Dokumenty z badań wystawione przez akredytowaną placówkę, będącą tzw. zaufaną stroną mają obecnie na rynku realną wartość. Widać też powiększające się zainteresowanie dodatkowymi badaniami, a więc tymi niewymaganymi przepisami. To także znak, że w branży docenia się starania producenta w zakresie potwierdzenia jakości. Jest to naturalna przeciwwaga dla potencjału zalewającej rynek tysiącami sztuk tandety.
Nie tylko kompatybilność
Pełne spektrum badań urządzeń elektronicznych to obszerny katalog testów obejmujący badania związane z kompatybilnością elektromagnetyczną, bezpieczeństwem użytkowania, a w dalszej kolejności klimatyczne, mechaniczne i funkcjonalne (m.in. poziomu hałasu).
Takie specjalistyczne obszary to także badania odporności na impulsy HPEM (dużej mocy), badania odporności urządzeń na anomalie występujące w sieciach zasilających m.in. zmiany częstotliwości sieci zasilającej, wahania napięcia, zniekształcenia przebiegu napięcia itp., badania zaburzeń od urządzeń PLC pracujących w liniach niskiego napięcia. Jeszcze bardziej specjalistycznie wyglądają badania fotobiologiczne, temperatury barwowej i wskaźnika oddawania barw, a także oddziaływania fal elektromagnetycznych na organizm ludzki.
Częścią oferty usług badawczych są także okresowe badania aparatury pomiarowej. Takie usługi są obowiązkowe w stosunku do mierników wykorzystywanych do wymaganych prawnie kontroli instalacji związanych z bezpieczeństwem pracy (BHP), okresową kontrolą instalacji elektrycznych, kontrolą mierników do badań klimatu itd.
Aparatura w takich działaniach musi zapewniać bezdyskusyjny poziom jakości metrologicznej, co oznacza jej okresową kalibrację. Te usługi bardzo często świadczą producenci aparatury pomiarowej, bo oni i tak muszą mieć kalibratory do celów realizowanej produkcji, więc na ich bazie mogą świadczyć usługi, a poza tym są najlepiej przygotowani merytorycznie do takich działań.
Kalibracja aparatury pomiarowej jest też częścią usług posprzedażnych, a więc takich jak serwis gwarancyjny i pogwarancyjny dla dystrybutorów aparatury pomiarowej, którzy traktują ją jako element kompleksowej obsługi klienta. Firm niezależnych zajmujących się kalibracją mierników raczej nie ma, bo rynek jest niewielki, a dodatkowo bliska współpraca z producentem, czyli możliwość uzyskania dokumentacji, jest w tej działalności kluczowa.
Aparatura pomiarowa do badań
Sprzęt pomiarowy do badań urządzeń elektronicznych jest kosztowny, bo jest to skomplikowana i zaawansowana, specjalistyczna aparatura. Najbardziej złożone pod tym względem są badania kompatybilności elektromagnetycznej, bo wymaganych urządzeń do realizacji kompletu badań jest dużo, a dodatkowo do ich działania trzeba stworzyć odpowiednie stanowiska pomiarowe, np. mieć pomieszczenie ze ścianami wyłożonym blachą ekranującą, specjalnie przygotowaną siecią zasilającą, a nawet specjalną komorę bezechową.
Z tych przyczyn wielu producentów elektroniki mozolnie rozwija swój potencjał aparaturowy, ograniczając się początkowo do kupna aparatury do badania zaburzeń przewodzonych. Z czasem infrastruktura rozszerza się na pomiary emisji i kolejne obszary badań. Rozbudowa nierzadko jest współfinansowana z funduszy unijnych a budowa laboratorium bywa traktowania jako element wzrostu kompetencji firmy. W ten sposób jej wysoki koszt inwestycji można trochę zniwelować.
Najtrudniejszą częścią badań (patrząc przez pryzmat kosztu aparatury i jej skomplikowania) są badania kompatybilności urządzeń radiowych, a dokładniej elementów interfejsu radiowego, czyli transceivera i systemu antenowego z układem dopasowującym. Wykonanie badań nowoczesnych rozwiązań pracujących w zakresie gigahercowym oraz bliskim mikrofal jest uwarunkowane posiadaniem bardzo specjalistycznego środowiska pomiarowego i kosztownej aparatury pomiarowej.
Większość laboratoriów krajowych nie dysponuje warunkami pozwalającymi zaoferować klientom kompleksowe badania w tych obszarach, tak samo jak brakuje specjalistów z zakresu radiokomunikacji znających specyfikę badań. Lukę na rynku zapełniają placówki zagraniczne, np. niemieckie.
Uczelnie i instytuty naukowe aparaturę do badań sprzętu elektronicznego kupują jako narzędzia do prowadzenia prac naukowych oraz do kształcenia studentów w ramach grantów badawczych lub też korzystają z programów edukacyjnych, jakie mają czołowi producenci sprzętu pomiarowego. Pozwalają one zgromadzić niezłe zaplecze pomiarowe, a dodatkowo kadra naukowa jest w stanie zapewnić wysoki poziom kompetencji badawczych.
Krzysztof ChomińskiCyfrowy Polsat
Przy silnej konkurencji i presji ze strony firm azjatyckich, oferujących często bardzo tanie wyroby, potrzeby takiej firmy jak Cyfrowy Polsat koncentrują się głównie na aspektach biznesowych. W przypadku chęci skorzystania z badań zarówno inżynierskich jak i końcowych potrzebujemy elastycznej możliwości rezerwowania wizyt oraz rynkowych (a więc niskich) kosztów takich badań. Niestety rozwój gospodarczy kraju powoduje, że coraz częściej obserwujemy problemy z rezerwacją terminów oraz idące za tym wzrosty kosztów tych usług. Kluczowym punktem jest też zależność czasu trwania badań końcowych od wyniku, od czego często uzależnione jest rozpoczęcie produkcji i dalej wprowadzenie produktów na rynek. Bez dobrej współpracy z laboratoriami nasz produkt kosztowo i czasowo przegra z konkurencją, a to może negatywnie wpłynąć na naszą aktywność przy konstruowaniu i produkcji wyrobów na rynku krajowym.
Co prawda konstruując dane urządzenie firma zna go lepiej niż laboratoria zewnętrzne, ale samodzielne badanie wyrobów ma sens raczej tylko w przypadku zbadanego już wcześniej i dobrze znanego firmie produktu, w którym dokonane zostały niewielkie modyfikacje lub akcesoria. Najczęściej dotyczy to mniej wymagających technicznie i tym samym złożonych urządzeń. Z punktu widzenia firmy o profilu działalności takiej jak nasza, na pierwszym miejscu stawiamy sobie za cel zbadanie naszych urządzeń w laboratoriach akredytowanych. Tylko taka współpraca daje pewność kompetentnie zbadanego produktu, a co za tym idzie bezpieczeństwa czy też ogólnego braku problemów po stronie naszych klientów oraz co jest równie istotne, w przypadku ew. kontroli nadzoru rynku. Duże skomplikowanie współczesnych urządzeń powoduje konieczność odpowiedniego sklasyfikowania produktu i dalej doboru norm, że cenna jest również współpraca z laboratoriami akredytowanymi na poziomie doradczym. Bez merytorycznej dyskusji i doświadczenia takiego laboratorium bardzo często samodzielnie można popełnić pewne kosztowne w ostatecznym rozrachunku błędy. Zatem samodzielne badania mają sens, ale w formie badań wstępnych, umożliwiających skorygowanie konstrukcji i ostatecznie zapewnienia odpowiedniej jakości sprzętu zlecanego do badań laboratoriom zewnętrznym. |
Kompetencje kadry tak samo istotne jak sprzęt
Poza aparaturą pomiarową w badaniach liczą się kompetencje pracowników wykonujących testy. Jest to ważne, bo aparatura nie rozwiązuje problemów inżynierskich związanych z badaniami. Jest to jedynie narzędzie i na dodatek skomplikowane. Prawdą jest, że wykonanie pomiarów staje się coraz prostsze a poszczególne testy na zgodność z normą wywołuje się jako gotowe i przygotowane przez producenta scenariusze.
Niemniej sam pomiar, a nawet wynik badania to tylko część działań, bo jeśli jest on negatywny, to aparatura nie powie, dlaczego tak się stało ani też co należy zrobić, aby spełnić wymagania. Liczy się wiele drobnych szczegółów, interakcje między poszczególnymi modułami składowymi, których nie sposób z góry przewidzieć.
Pomyślne zakończenie projektu wymaga także wiedzy inżynierskiej na temat zjawisk elektromagnetycznych, wyczucia i doświadczenia w rozwiązywaniu problemów z kompatybilnością. To cały czas nie są popularne zagadnienia, mimo że patrząc z perspektywy, powoli kompetencje w branży się zwiększają.
Normy i wymagania podają najczęściej suche definicje możliwych defektów oraz progowe kryteria akceptacji stanowiące o dopuszczeniu produktu do danej klasy urządzenia. Nie dają żadnych informacji nt. możliwości analizy defektów, interpretacji zjawisk fizycznych oraz przyczyn ich występowania. Nie pomagają także powiązać złych parametrów projektu i innych czynników odpowiedzialnych za złą jakość i wyniki.
Inżynierowie często uczestniczą podczas badań wstępnych oraz końcowych, co jest dobrym sygnałem i znakiem, że zależy im na pogłębianiu wiedzy z tego obszaru. Niestety brak programów edukacyjnych i praktyk w przedsiębiorstwach z branży elektroniki, brak kształcenia w takich kierunkach na krajowych uczelniach wyższych to znak, że nie można liczyć na wzrost kompetencji inną niż wymieniona drogą.
Na naszym rynku nie są też popularne usługi doradztwa technicznego świadczone przez zewnętrznych konsultantów, tak jak jest to na przykład w USA. Osoby takie znają się dobrze na zagadnieniach technicznych i mają praktykę w rozwiązywaniu problemów, niemniej nie pracują dla jednej firmy ani też nie promują jednego produktu.
Obszar badań urządzeń elektronicznych w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej jest doskonałym przykładem, gdzie takie usługi są świadczone. W Polsce mamy chyba za mały rynek, jeszcze niekoniecznie świadomy korzyści z takiej współpracy, aby konsultanci mieli dużo zleceń. Problemy rozwiązuje się raczej w ramach grona pracowników własnej firmy, przepytując pracowników z działu wsparcie techniczne dystrybutorów, społeczność zgromadzoną na forach internetowych itd.
Podobne wnioski można mieć, patrząc na potencjał krajowych biur inżynierskich zajmujących się projektowaniem urządzeń. One też cały czas borykają się ze słabą świadomością rynku w zakresie korzyści ze współpracy z partnerem zewnętrznym.
Orientacja w przepisach, wymaganiach formalnych staje się coraz trudniejsza i zabiera coraz więcej cennego czasu. Ustalenie, jakie normy dany produkt powinien spełniać, w powiązaniu z zastosowaniem to wstęp do procesu oceny, który powinien zostać wykonany na jak najwcześniejszym etapie projektowania.
W naszych ankietach specjaliści sygnalizowali nam, że problemem jest powszechny brak znajomości przepisów dot. badań i certyfikacji produktów wśród pracowników działu zakupów w dużych firmach. Taka opinia wyraźnie sugeruje, że zagadnienia badawcze nie mogą być wyłączną domeną kadry inżynieryjnej, bo w ten sposób do produktu mogą trafić przypadkowe komponenty.
Badania i kontrole podczas projektowania
Projektowanie nie może być dzisiaj oderwane od tych wymagań i najlepiej, gdy konstruktorzy cały czas się nimi kierują. Inaczej osiągnięcie zgodności staje się trudne, kosztowe lub nawet niemożliwe, dlatego wiele większych firm rozbudowuje swój potencjał aparaturowy pod kątem prowadzenia samodzielnego badań kontrolnych a na pozostałe czeka oferta placówek badawczych. Praktycznie wszystkie umożliwiają prowadzenie badań cząstkowych (inżynierskich, pre-compliance) po to, aby tworzone urządzenie na koniec przeszło przez weryfikację formalną i uzyskało dokumenty w placówce akredytowanej.
Większość placówek badawczych, które nie mają akredytacji, a więc potwierdzenia formalnego kompetencji przez PCBC, skupia się właśnie na niesieniu takiej pomocy. Placówki akredytowane także realizują badania inżynierskie, traktując je jako element kompleksowej usługi, w której dokument potwierdzający zgodność jest po prostu ostatnim etapem tej pracy.
Ranking laboratoriów
Ogólnie krajowe placówki badawcze zaliczają się najczęściej do jednej z trzech grup o podobnej strukturze i profilu. Pierwszą tworzą jednostki przynależne do uczelni lub instytutu badawczego, które realizują badania związanie z pracami naukowymi lub też działalnością dydaktyczną. Laboratoria takie są znakomicie wyposażone w aparaturę, mają kompetentną kadrę techniczną i w coraz większym stopniu otwierają się na współpracę z przemysłem.
Drugą grupę tworzą działy badawcze istniejące przy dystrybutorach produktów związanych z kompatybilnością EMC oraz u producentów elektroniki, którzy mają kompetencje, kontakty oraz wiedzę w tym zakresie. Z reguły są to placówki bez akredytacji, skupiające się na wsparciu dla projektantów. Ich oferta jest często elementem kompleksowej usługi produkcyjnej lub elementem wsparcia technicznego.
Trzecią grupę tworzą placówki zajmujące się badaniami innymi niż kompatybilność elektromagnetyczna. Chodzi tu głównie o dystrybutorów aparatury pomiarowej prowadzących kalibrację i wzorcowanie aparatury pomiarowej.
Krajowe laboratoria badawcze w większości nie mają wyspecjalizowanego profilu i z reguły zajmują się badaniem szerokiej grupy urządzeń elektronicznych. Z reguły te większe placówki, zlokalizowane przy uczelniach technicznych i urzędach, mają bardziej ogólny profil w odróżnieniu od mniejszych placówek, które z roku na rok coraz bardziej się specjalizują. Dla większości z nich ta specjalizacja przychodzi naturalnie, bo jest to po prostu konsekwencja kompetencji kadry i firmy, w której osoby te pracują i środowiska, w jakim się oni obracają.
Jak wspomniano wcześniej laboratorium w warunkach krajowych zwykle nie jest samodzielne, ale jest częścią większej struktury i ta struktura definiuje profil. W efekcie specjalizacja w dużych placówkach badawczych wynika najczęściej z profilu jednostki macierzystej, np. w pomiarach urządzeń radiokomunikacyjnych może się specjalizować laboratorium Instytutu Łączności lub UKE.
Porównanie ofert w tabelach
Zestawienie ofert badań krajowych laboratoriów badawczych zostało przedstawione w tabeli 1. W kolejnych wierszach podany został profil placówki, a następnie ogólna oferta realizowanych badań w czterech kategoriach tematycznych. Zestawienie uzupełnia tabela 2, w której podano dane kontaktowe do firm uczestniczących w zestawieniu.
Robert Magdziak
Źródłem wszystkich danych przedstawionych w tabelach oraz na wykresach są wyniki uzyskane w badaniu ankietowym przeprowadzonym przez redakcję wśród krajowych placówek zajmujących się badaniami urządzeń elektronicznych.