Wie om professionele of privé-redenen met elektronica bezig is, zal al snel merken dat de keukentafel thuis of een standaard kantoorwerkplek geen geschikte plekken zijn om met elektronische apparaten te werken. Naast het eigenlijke circuit moeten verschillende gereedschappen en meetapparatuur worden opgesteld en bediend. Een vaste werkplek met vast opgestelde meetapparatuur is voor deze werkzaamheden praktischer en veiliger.
Maar wat hoort er in zo’n werkplek? Hoe kies ik de juiste apparaten? Hoe richt ik de werkplek in? Deze vragen worden beantwoord in het volgende artikel.
Elektrische beveiliging
“Veiligheid eerst” heeft de hoogste prioriteit bij het omgaan met elektriciteit. Bij het inrichten van een elektronicawerkplek betekent dit dat de elektrische installatie moet voldoen aan de geldende Duitse installatievoorschriften. Een 10mA RCD (Residual Current Device) is een absolute must.
Bijzonder belang moet worden gehecht aan de normconforme aarding (PE). Dit is op twee manieren belangrijk. Ten eerste staat het leven en de ledematen van de elektronicatechnicus op het spel en ten tweede is een goede aarding essentieel om elektrostatische ladingen weg te houden van de gevoelige elektronische componenten.
Laboratoria voor industriële elektronica hebben hun eigen aardingsnetwerken voor ESD-bescherming, omdat de aardleiding een essentiële factor is voor de veiligheid in industriële bedrijven en letterlijk altijd onder spanning staat. Dit wordt voornamelijk veroorzaakt door frequentieomvormers en schakelende voedingen, die hun lekstromen via de aardleiding uit de EMC-filters laten vloeien.
Een praktijkvoorbeeld uit de dagelijkse praktijk: In een datacenter (ca. 800 servers) heb ik bij het controleren van de elektrische installatie ruim 30A lekstroom gemeten. Sluit je een elektronicawerkplek aan op een dergelijke aardleiding, dan komt de persoonlijke bescherming niet in gevaar, maar zijn alle ESD-maatregelen niet meer nodig.
Werkplekinrichting (tafel, stopcontacten, etc.)
Een werkplek betekent in de eerste plaats een tafel. Dit moet het mogelijk maken om ontspannen en zonder vermoeidheid te werken. Het tafeloppervlak moet 90×200 cm zijn zodat de meetapparatuur erop past en er nog voldoende bewegingsruimte is om te werken. Opbergruimte in de vorm van lades is ook noodzakelijk.
Idealiter staan de meetinstrumenten op een plank boven het werkoppervlak. Deze plank moet stevig aan de tafel worden bevestigd. In de privé-omgeving zal de tafel zeker volledig van hout zijn. Voor de ESD beschermingsmaatregelen betekent dit dat er extra componenten nodig zijn, hierover later meer.
In de professionele omgeving vind je tafels die op een metalen frame staan en waarvan het werkblad van hout is. Dit hout wordt vervolgens gelamineerd met een koperfolie. De metalen constructie van de tafel is direct verbonden met de aardleiding of het aparte ESD-netwerk, net als het gemetalliseerde werkvlak. Als het gaat om bijzonder gevoelige elektronische componenten, is zelfs de verf op de metalen constructie elektrisch geleidend. Hiervoor wordt grafiet toegevoegd aan de poedercoatings om een geleidend oppervlak te verkrijgen tijdens het poedercoaten.
Een uitstapje naar het verleden: mijn eerste werkplek in de jaren 70 in een elektronicalaboratorium (BASF magnetische technologielaboratorium) werd versterkt met een 120 mm I-balk. Daarop stonden meettoestellen in plaatstalen behuizingen, elk met een gewicht tussen de 50 en 100 kg. De fabrikant van de meetapparatuur kreeg van mij en mijn collega’s de bijnaam: “Rusty & Heavy”, afgeleid van het bedrijfslogo. De oudere lezers zullen weten welk bedrijf ik bedoel. Omdat ze vandaag de dag nog steeds bestaan. We hebben het tegenwoordig veel gemakkelijker in de ware zin van het woord.
Er moeten voldoende stopcontacten aan de tafel zijn, die allemaal met een noodstopschakelaar kunnen worden uitgeschakeld. Idealiter zitten de stopcontacten in een kabelgoot die vast verbonden is met de werkplek. Meerdere stopcontacten zijn een absolute “no go”, ook in de privésfeer.
Analoog versus digitaal
Vroeger was alles wat je kon kopen op het gebied van meetapparatuur analoog. De vraag rees dus niet: gebruik ik een analoog meetinstrument of een digitaal meetinstrument? Digitale meetinstrumenten zijn altijd gerechtvaardigd als het gaat om het nauwkeurig meten van waarden. Analoge meetinstrumenten zijn superieur aan digitale, bijvoorbeeld als het gaat om kalibratiewerkzaamheden. Het “friemelen” van een digitaal display kan best vervelend zijn bij het vergelijken, omdat het moeilijk is om een trend te herkennen: gaat de waarde omhoog of omlaag? Een analoog aanwijsinstrument is veel gemakkelijker te lezen. De beweging van een aanwijzer is voor het menselijk oog gemakkelijker te detecteren dan constant veranderende digitale waarden. In de beschrijving van de apparaten ga ik dieper in op het onderwerp.
Wat hoort op de werktafel
Ik wil de bovenstaande vraag eerst beantwoorden met een lijst met apparaten. Onderstaande apparaten horen mijns inziens thuis op een normaal ingerichte elektronicawerkplek.
Lijst met apparaten:
- Oscilloscoop
- Laboratoriumvoeding
- Functiegenerator
- Multimeters
- Componenttester voor halfgeleiders
- LCR-meter
- Stuurscheidingstransformator
- Soldeerstation
- ESD-werkmat
- ESD-gereedschapsset
Speciale apparaten zoals een spectrumanalysator of een EMC-meetapparaat zijn voor normaal dagelijks gebruik niet nodig.
Welk apparaat kan wat? Welke criteria helpen bij het vinden van het juiste apparaat?
De apparatenlijst is behoorlijk lang en het vinden van de juiste apparaten voor je eigen werkplek is niet eenvoudig. Voor een eerste oriëntatie zijn er drie criteria die moeten worden verduidelijkt:
- Technische vereisten die voortvloeien uit de taak
- Budget
- Ruimtevoorwaarden
Deze drie criteria bieden een ruw kader. Om het meest geschikte apparaat voor eigen gebruik te selecteren en te kopen, is een apparaatspecifieke afweging nodig. Daarom ga ik apparaat voor apparaat onder de loep nemen en hulp bij het nemen van beslissingen geven.
Digitale opslagoscilloscoop
De eerste oscilloscoop-achtige apparaten verschenen in de jaren dertig van de vorige eeuw. Ze waren niet gekalibreerd en werden meestal gebruikt om spanningscurven weer te geven. Ze werden vooral gebruikt in de opkomende radartechnologie. De eerste oscilloscoop die vergelijkbaar is met de oscilloscoop die tegenwoordig wordt gebruikt, werd in 1946 door Tektronix uitgebracht. Het werd “Model 511” genoemd.
Wat zijn de criteria voor het kiezen van een oscilloscoop?
- Bandbreedte of de grootst mogelijke frequentie die nog kan worden weergegeven
- CAT-categorie: I, II, III of IV
- Aantal benodigde meetkanalen
- inbegrepen levering
Eerst moet je duidelijk zijn over het frequentiebereik waarin je met de oscilloscoop wilt werken. Het is logisch om te beginnen met een bandbreedte van 20 MHz. Daar moet je niet onder gaan. Er zijn tegenwoordig apparaten in de professionele klasse die veel verder gaan dan 1 GHz. Lagere bandbreedtes zijn niet nuttig en resulteren meestal in onnauwkeurige en slechte meetresultaten. PC-geluidskaartoplossingen of de op µController gebaseerde oplossingen zijn meestal nutteloos voor dagelijks gebruik.
Bij digitale oscilloscopen is de bemonsteringsfrequentie een extra kwaliteitscriterium. Hoe hoger deze is, hoe nauwkeuriger het digitale meetresultaat. De bemonsteringsfrequentie moet minimaal 5 keer hoger zijn (Nyquist-criterium) dan de bandbreedte van het apparaat. In tegenstelling tot analoge apparaten, die continu een signaal weergeven, kan het bij een digitale oscilloscoop gebeuren dat snelle signalen die optreden tijdens de bemonsteringspauzes helemaal niet worden opgenomen. Dit is een groot probleem, vooral bij goedkope apparaten met een lage samplefrequentie. Hierbij kan het voorkomen dat een signaal niet kan worden gemeten terwijl het wel aanwezig is.
CAT-meetcategorieën
Een ander belangrijk punt is de classificatie en goedkeuring van de oscilloscoop volgens de CAT-meetcategorieën. Deze categorieën bepalen de omgeving waarin een meetinstrument mag worden gebruikt. Er zijn er vier, die ook voor alle andere meetinstrumenten gelden:
CAT I : Metingen aan stroomkringen die geen directe aansluiting op het lichtnet hebben (batterijvoeding), bijv. apparaten van beschermingsklasse 3 (werking met zeer lage veiligheidsspanning), batterijgevoede apparaten, conventionele auto-elektronica.
CAT II : Metingen aan stroomkringen die door middel van een stekker direct op het laagspanningsnet zijn aangesloten, b.v. B. Huishoudelijke apparaten, draagbare elektrische apparaten.
CAT III : Metingen binnen de gebouwinstallatie (stationaire lasten met niet-stekerbare aansluiting, verdeleraansluiting, vast geïnstalleerde apparaten in de verdeler), bijv. onderverdeling.
CAT IV : Metingen aan de bron van de laagspanningsinstallatie (meter, hoofdaansluiting, primaire overstroombeveiliging), bijv. meter laagspanning bovenleiding, service aansluitkast.
Bron: https://de.wikipedia.org/wiki/Messkategorie
Goede oscilloscopen hebben minimaal CAT II met een bovengrensspanning van 300 V of hoger. Een oscilloscoop moet minimaal twee ingangsversterkers hebben en twee signalen tegelijk kunnen weergeven. Professionele apparaten hebben maximaal vier kanalen die tegelijkertijd kunnen worden weergegeven. De sondes voor de ingangskanalen moeten overeenkomen met de meetcategorie van de oscilloscoop. Aangezien de sondes meestal met de oscilloscoop worden geleverd, is dit meestal het geval. Toch moet je altijd voorzichtig zijn en goed kijken.Eén veiligheidsopmerking: Gebruik nooit een oscilloscoop om rechtstreeks op de netspanning te meten als het apparaat niet is aangesloten op een scheidingstransformator. Dit vernietigt de oscilloscoop en brengt het leven van de technicus in gevaar.
Productaanbevelingen:
Digital: RTB 24-70
Laboratorium voeding
Tegenwoordig kunnen laboratoriumvoedingen worden onderverdeeld in twee technologieklassen:
- Klassieke overlangs gestuurde apparaten
- Geschakelde apparaten met flyback-converters
De geklokte apparaten worden niet zo warm en ze zijn beschikbaar met hogere uitgangsstromen, wat een voordeel is bij het omgaan met vermogenselektronica-circuits. Tegenwoordig zijn tweekanaalsversies van deze apparaten de standaard. Deze apparaten zijn ook geschikt voor parallelschakeling of serieschakeling. Alleen de kwaliteit van de uitgangsspanning is niet zo goed als die van de lineair geregelde apparaten.
Het uitgangsspanningsbereik van de standaard apparaten is meestal 0-30 V. Dit is voldoende voor normaal laboratoriumwerk. Als hogere spanningen vereist zijn, moeten speciale apparaten worden gebruikt.
Een andere belangrijke functie is de instelbare uitgangsstroom. Goede laboratoriumvoedingen kunnen ook als constante stroombron worden gebruikt.
Als je veel met versterkers en audio- en video-elektronica werkt, heeft een longitudinaal geregelde laboratoriumvoeding de voorkeur boven de geklokte versie. Als je veel vermogen nodig hebt, is de geklokte versie de juiste keuze. Na verloop van tijd zullen beide varianten waarschijnlijk op het meetapparaatschap liggen.
Productaanbevelingen:
Klein, compact: PEAKTECH 6226
Groot, meerdere kanalen: GPP-4323
Functiegenerator
Sinus, vierkant, driehoek – dit zijn de signaalvormen waarmee je te maken krijgt in het dagelijkse laboratoriumwerk. In het verleden werden deze signalen in analoge vorm gegenereerd, maar tegenwoordig worden ze verwerkt door digitale signaalprocessors in zogenaamde DDS-signaalgeneratoren. De kwaliteit van de gegenereerde signalen is uitstekend en stelt de analoge voorgangers werkloos.
Er zijn ook hogere bandbreedtelimieten voor de functiegeneratoren. Apparaten die signalen tot 5 MHz kunnen genereren, zijn een goede standaard. Maar hier geldt, net als bij oscilloscopen, hoe hoger hoe beter.Zelfs eenvoudige DDS-generatoren kunnen nu meer dan hun analoge voorgangers.
- Standaard AM
- FM
- PM
- FSC
- SOM
- Vegen
- Burst- en frequentietellers
Het hoeven geen twee kanalen te zijn, maar als het apparaat ze heeft, is dat geen nadeel. Qua kwaliteit zijn standalone DDS-generatoren altijd goed. Pc-oplossingen worden daarentegen niet aanbevolen.
Productaanbevelingen:
JOY-IT PSG9080
Analoog en digitaal multimeter
Eigenlijk komt de vraag “analoog of digitaal” hier niet aan de orde. Op de laboratoriumtafel heb je beide soorten apparaten nodig. Digitale multimeters zijn onmisbaar vanwege de nauwkeurigheid van het lezen en analoge multimeters vanwege hun wijzer, die superieur is aan het digitale display bij het aanpassen van filters en andere circuits. De staafdiagramweergaven van sommige digitale multimeters zijn geen geschikte vervanging voor een meetwijzer.De meetcategorie is belangrijk bij het selecteren van de multimeter. CAT III en maximaal 600 V meetspanning zijn de ondergrens. Alles daaronder is niet geschikt voor de laboratoriumwerkplek.
Een spiegelschaal is nu standaard op analoge multimeters om de afleesnauwkeurigheid te verbeteren. Je moet niets anders gebruiken. Het aantal weergegeven cijfers is belangrijk voor digitale multimeters. Er moeten er minstens vier zijn, hoe meer hoe beter, maar ook duurder.
Productaanbevelingen:
Analoog: PEAKTECH 3201
Digitaal: FLUKE 179
Componenttester voor halfgeleiders
Als u elektronische apparaten repareert of componenten moet selecteren, is een tester die gespecialiseerd is in halfgeleiders essentieel.
De “Tektronix Curve Tracer 576” en zijn opvolgers waren legendarisch in deze categorie meetapparatuur. Het 31 kg wegende gevaarte kon alles meten wat destijds beschikbaar was op het gebied van componenten. Hij was zelfs in staat om een familie van krommen op het scherm van de oscilloscoop te tekenen. Werkende apparaten worden vandaag de dag nog steeds verhandeld in het viercijferige bereik. De huidige componententesters zijn veel kleiner en handiger.Met de multimeter kun je het een en ander meten, maar als je bijvoorbeeld een MOSFET-transistor moet meten is dat met de multimeter niet meer haalbaar. Naast de informatie dat het onderdeel werkt, geven de in halfgeleiders gespecialiseerde componenttesters ook informatie over welk onderdeel het is en wat de kerncijfers zijn. Als u bijvoorbeeld componenten met dezelfde kengetallen moet selecteren, kan dit niet zonder een componententester.
Productaanbevelingen:
JOY-IT LCR-T7
LCR-meter
L=inductantie (spoelen), L=capaciteit (condensator), R=weerstand. Een LCR-meter is een onmisbaar hulpmiddel om deze passieve componenten te controleren. Voor deze taak moet een multimeter meer als een “kraan” worden beschouwd. Een LCR-meter is superieur aan een multimeter in termen van precisie en nauwkeurigheid. Daarnaast kunnen goede LCR-meters aanvullende informatie geven over het te meten onderdeel. In het geval van condensatoren geven ze bijvoorbeeld informatie over de belangrijke ESR-waarde of, in het geval van spoelen, over hun kwaliteit. Omdat de nauwkeurigheidseisen zeer hoog zijn, is de LCR-meter na de oscilloscoop het duurste meetapparaat op de laboratoriumtafel.
Productaanbevelingen:
Desktopapparaat: LCR-6002
Draagbaar: PEAKTECH 2170
Controle scheidingstransformator
De stuurscheidingstransformator wordt gebruikt wanneer een apparaat voor de eerste keer wordt ingeschakeld of als er een defect is. Met de scheidingstransformator kan een apparaat voorzichtig van stroom worden voorzien zonder dat het direct gaat roken.
De galvanische scheiding van het net maakt het mogelijk om veilig te werken aan een apparaat dat onder netspanning staat. Wat opvalt aan deze apparaten is het Schuko stopcontact zonder aardcontact. Dit is nodig zodat er 100% galvanische scheiding is. De uitgang van een stuurscheidingstransformator mag niet worden geaard. Ook mogen er geen verdere beschermende maatregelen zoals RCD (FI) stroomafwaarts worden aangesloten. Ze zouden niet werken en in strijd zijn met de DIN-regelgeving dat er geen tweede beveiligingsmaatregel mag worden aangesloten op een stuurscheidingstransformator.
Een stuurscheidingstransformator moet een vermogen hebben van ca. 1 kW. Dit is voldoende voor het dagelijkse laboratoriumwerk. Er moet ook een meter voor spanning en stroom worden geïnstalleerd.
De stuurscheidingstransformator is het zwaarste onderdeel van de laboratoriumtafel en moet zo op de werkbank worden geplaatst dat deze goed bereikbaar is. Om veiligheidsredenen wordt het niet aanbevolen om het in een rek of op een plank te bewaren.
Productaanbevelingen:
PEAKTECH 2235
Soldeerstation
Sinds juli 2006 mag in de EU alleen nog loodvrij soldeer worden gebruikt. De loodvrije vervangingssoldeersels stellen hogere eisen aan de soldeerstations. De tijd van ongereguleerde soldeerbouten met vermogens onder de 50 W op de elektronica-werkplek is voorbij. Hogere temperaturen moeten nauwkeuriger worden aangehouden om een goed werkende soldeerverbinding te verkrijgen. Dit vereist vooral een hoger elektrisch vermogen in de soldeerbout. 80 W-150 W zijn tegenwoordig nodig om de werktemperaturen voor de soldeerverbinding te bereiken en te behouden. Om de soldeertemperatuur precies op peil te houden, is elektronische besturing nodig. Aan deze eisen wordt gemakkelijk voldaan door moderne soldeerstations.
Productaanbevelingen:
WELLER WT1010H
ESD-bescherming
Er was een tijd in de geschiedenis van elektronica dat ESD-bescherming geen probleem was. ESD staat voor Electro Static Discharge. Buizen, relais of mechanische keuzeschakelaars waren absoluut ongevoelig voor elektrostatische ontladingen. Met de komst van halfgeleiders in de jaren vijftig werd het onderwerp steeds belangrijker. Tegenwoordig is ESD-bescherming verplicht op elke elektronische werkplek. Werken aan elektronische assemblages zonder effectieve beschermingsmaatregelen tegen “ESD-bliksem” is grove nalatigheid. Gelukkig werd dit snel onderkend en kwamen er producten op de markt die effectief helpen tegen elektrostatische ontladingen.
ESD werkmat
Als u werkt aan assemblages die ESD-gevoelig zijn in een omgeving die niet is ingesteld voor dergelijk werk, kunt u een ESD-werkmat gebruiken. Zo’n mat wordt aangesloten op een Schuko-contactdoos met een speciale stekker om een veilig contact met de aardleiding te garanderen. Via deze aansluiting worden de elektrostatische ontladingen afgevoerd. Het tweede belangrijke gebruiksvoorwerp is een polsbandje voor de monteur, die met een drukknoop aan de werkmat is bevestigd. Er is een weerstand in de toevoerleiding met minder dan 1 Mohm voor persoonlijke bescherming. Op deze manier uitgerust, is het geen probleem om te werken aan ESD-gevoelige assemblages.Naast deze werkmat zijn er nog andere accessoires voor een ESD-veilige werkplek. Dit is vooral belangrijk voor industrieel gebruik.
Productaanbevelingen:
BERN 9 354 100
Het assortiment ESD-aardingsmateriaal is relatief uitgebreid.
ESD-gereedschapsset
Bij een ESD-beveiligde werkplek hoort ook het juiste gereedschap. Anders zijn alle dure ESD-beschermingsmaatregelen nutteloos. De tool die op zo’n werkplek wordt gebruikt, moet ook ESD-bescherming garanderen. Het is een belangrijke schakel in de ESD-beschermingsketen.
Productaanbevelingen:
WERA 05134019001
KN 00 20 18 ESD
Overzicht
Dit was mijn advies over elektronische werkplekken. Tot slot nog een laatste tip: als er een elektronicawerkplek wordt ingericht, investeert u veel geld – privé of zakelijk. Naast kwaliteit en precisie, moet u er zeker van zijn dat er een lokale reparatie- en kalibratieservice is voor de dure apparatuur. Met regelmatig onderhoud en verzorging van de apparaten heb je er lang plezier van.
Afbeeldingen: Adobe Stock
