Premium

Inżynier elektronik zawsze potrzebny - rozmowa z Konradem Brulińskim

O tym, co jest ważne w projektowaniu układów elektronicznych, jak unikać błędów oraz czego uczyć studentów, aby ich przygotować do zawodu projektanta hardware, opowiada Konrad Bruliński, właściciel firmy Lemontech sp. z o.o. i wykładowca na PW.

Konrad Bruliński, właściciel firmy Lemontech sp. z o.o.

Konrad Bruliński projektuje elektronikę do urządzeń z wielu branż, takich jak medyczna, przemysłowa, IoT oraz militarna, już od ponad 20 lat. Lubi się uczyć i chętnie podejmuje wyzwania, zdarza mu się tworzyć od nowa koncepcję produktu lub weryfikować go pod względem funkcji oraz możliwości produkcyjnych. Na początku naszej rozmowy opowiedział o procesie tworzenia i prototypowania układów na płytce PCB. 

Trafiają do mnie ludzie z ciekawym pomysłem oraz zaprojektowaną wstępnie i działającą elektroniką, ale z problemami dotyczącymi np. niestabilności parametrów lub nieoptymalnym rozwiązaniem produkcyjnym. Mam też sporo klientów, którzy wiedzą czego chcą, zrobili testy i pokazują mi swój pierwszy działający prototyp złożony z kilku gotowych płytek ewaluacyjnych oraz plątaniny kabli i oczekują, żebym sprawdził funkcjonalność takiego Frankensteina, a jednocześnie zminimalizował projekt nowej PCB na powierzchni o wielkości ręcznego zegarka. Oczywiście, jeśli jest to wykonalne, podejmuję rękawicę i razem z klientem opracowujemy założenia projektowe. Jako Lemontech dobieramy komponenty, rysujemy schemat i wykonujemy layout na płytce, czyli tworzymy cały hardware urządzenia. Zazwyczaj współpracujemy przy tym z działem zakupów i programistą naszym lub klienta. Potem wspólnie decydujemy, kto ma wykonać prototyp i raczej nie jest to duży EMS, tylko niewielkie firmy, które mają linię montażową lub zespół potrafiących dobrze lutować inżynierów i specjalizują się w krótkich seriach liczących przeważnie od 5 do 10 sztuk. Niekiedy klienci mają już swoich kontrahentów, ale zazwyczaj ja się tym zajmuję. Dawniej korzystałem z usług firmy SWEM Szymona Wielgusa, a obecnie sporo zleceń powierzam Mateuszowi Rosnerowi, właścicielowi RED Electronics

Kiedy prototyp jest już gotowy, to wraca do Konrada, który pisze do niego wstępne oprogramowanie testowe i sprawdza funkcjonalności poszczególnych komponentów, po czym przekazuje płytkę klientowi. Tam układ elektroniczny jest uruchamiany i ponownie testowany, a potem trafia do inżyniera software/firmware, który programuje go pod kątem docelowych funkcji według potrzeb użytkownika i w razie konieczności dodaje kolejne lub aktualizuje. Na koniec prototyp sprawdzonego układu elektronicznego przekazywany jest zakontraktowanemu producentowi EMS i zostaje wdrożony do produkcji w celu wykonania partii pilotażowej. 

Podczas dobierania komponentów najczęściej korzystam z oferty dystrybutorów katalogowych, takich jak Digi-Key, Mouser, TME czy bezpośrednio u producentów IC, głównie dlatego, że mają bardzo sprawnie działające wyszukiwarki z dużą ilością filtrów, co pozwala na szybkie wyselekcjonowanie komponentów. Spośród zaproponowanych kilkuset układów scalonych różnych producentów wybieram te, które są dostępne i mieszczą się w budżecie produktu. Ceny komponentów zależą oczywiście od planowanego wolumenu. Ważny jest też dla mnie dobry support, no i nie ukrywam, że mam kilka sprawdzonych źródeł i wiem, że, np. układy Analog Devices to pewniaki. Jeśli miałbym wybierać, to zdecydowanie bardziej wolę projektować urządzenia skomplikowane i wytwarzane w mniejszej ilości niż te masowe, gdzie muszę optymalizować pod kątem cenowym. W projektach mało i średnio-seryjnych ważniejsza od kosztu jest niezawodność i prawidłowe działanie. Są też branże, takie jak lotnictwo, transport i militaria, gdzie priorytetem jest bezpieczeństwo i koniecznie należy wykonać badanie w akredytowanym laboratorium według odpowiednich norm. 

© Lemontech sp. z o.o.

Kiedy zadałam pytanie, co zrobić w przypadku, gdy podczas projektowania komponent jest dostępny, a potem już nie, Konrad przytoczył ciekawą rozmowę ze swoim klientem produkującym duże ilości urządzeń, który poprosił, aby na płytce były dodatkowe miejsca na zastosowanie zamienników o podobnej funkcjonalności, jeśli to się okaże konieczne. Wiązało się to oczywiście z większym nakładem pracy w związku z przewidywaniem różnych scenariuszy dotyczących kluczowych komponentów, takich jak układy scalone, moduły radiowe czy złącza. Innym sposobem na poradzenie sobie z zakłóceniami łańcucha dostaw oraz czynnikiem determinującym projekt elektroniki może być stan magazynowy klienta, który dostarcza projektantowi listę komponentów do użycia, bo firma już jest w ich posiadaniu, a kolejne zamówione przyjadą np. za dwa lata. Takie zapobieganie jest szczególnie ważne w branży kas fiskalnych czy Automotive, gdzie zmiana jednego elementu wymusza dodatkowe badania homologacyjne, które dużo kosztują i trwają sporo czasu, a są niezbędne do wprowadzenia urządzenia na rynek. Firmy, które mogą sobie na to pozwolić, kupują większe ilości kluczowych komponentów i trzymają je w magazynie zabezpieczając swoje procesy lub wykorzystując do innych urządzeń. Zawsze też mogą odsprzedać ich nadmiar tym zdesperowanym, którzy są gotowi zapłacić wyższą cenę, aby utrzymać ciągłość produkcji. Tyle że producenci komponentów niezbyt dobrze patrzą na takie praktyki, z uwagi na wysokość marży uzależnionej od ilości sprzedanych produktów.

Według Konrada Brulińskiego praca nad elektroniką danego urządzenia trwa średnio około dwóch tygodni, do miesiąca, a czasem nawet dłużej, ale tak naprawdę uzależniona jest od zadań, które trzeba wykonać.  

Zlecenia są różne. Osobiście wolę pracować od zera, ale przeprojektowywanie też nie jest złe, jeśli zamawiający wie czego chce i jakie błędy należy wyeliminować. Często też otrzymuję do wykonania projekty nowatorskie, które nie mają za dużo odniesień w istniejących produktach, jak chociażby urządzenie do pomiaru parametrów pracy mięśni, przy którym musiałem się dużo nauczyć i sprawdzić swoją koncepcję na podstawie własnych testów, co zajęło mi więcej czasu. Takie projekty są naprawdę ciekawe, ponieważ wnoszą spory pierwiastek naukowy.

Błędy w projektowaniu układów elektronicznych

Rozmawiając o projektowaniu elektroniki nie mogłam pominąć pytania o błędy, jakie pojawiają się podczas rysowania schematów i co się zmieniło w podejściu obecnych inżynierów, w porównaniu do czasów sprzed kilkunastu lat. 

Wielu elektroników zakłada, że robią schemat tylko dla siebie i tylko oni będą go odczytywać. Tworzą bardzo nieczytelne zlepki wielu obwodów na pojedynczej kartce lub umieszczają tylko sobie wiadome enigmatyczne komentarze. Zdarza się, że konstruktor sam się gubi we własnym schemacie. Oglądając i analizując taki rysunek widziałem np., że jakaś ścieżka poprowadzona jest donikąd, albo rezystor wisi w powietrzu. Najlepiej jest podzielić cały schemat na kilka arkuszy, z których każdy przedstawia inny obwód, np. moduł Wi-Fi, moduł procesora, czujnik ciśnienia i temperatury lub wyjście sterujące przekaźnikami. W takim czytelnym projekcie łatwiej znaleźć błędy, które mogą się zdarzyć w samym rysunku. Niestety wielu inżynierów projektuje według tzw. starej szkoły z lat 90-tych, kiedy wszystko było upychane kolanem na jednym arkuszu. Czasem poprawiam takie rysunki i jestem pewien, że autor sam się w nim pogubił. Bywa i tak, że schemat nie jest aktualizowany, a jednocześnie produkcja wprowadza określone zmiany i po latach naprawdę trudno na jego podstawie pracować nad modernizacją danego urządzenia.

Obecnie zmieniły się parametry i prędkości transmisji sygnałów. Dawniej nie było takich szybkich interfejsów, jak USB 3.0, PCI-E, HDMI, Ethernetu czy modułów optycznych przesyłających dane. Inaczej też projektowało się same płytki, wtedy maksymalne prędkości na PCB wynosiły ok. 10 MHz, a zasilanie prowadziło się w postaci podwójnego grzebienia - sygnału VCC i GND. Teraz trzeba patrzeć na urządzenie pod kątem integralności sygnałowej/zasilania i tak projektować, aby zapewnić odpowiednią transmisję danych i jednocześnie zachować kompatybilność elektromagnetyczną. Wyższe prędkości, duże upakowanie komponentów oraz miniaturyzacja urządzeń są również problematyczne z uwagi na EMC i prawidłową transmisję sygnałów na PCB. W elektronice czas inaczej płynie i pięć lat to cała epoka. Uważam, że inżynierowie powinni się wciąż doszkalać. Dzisiaj na Politechnice Warszawskiej studenci mają możliwość uczenia się o hardware na zajęciach związanych z podstawami projektowania PCB, technologii montażu oraz integralności sygnałowej.

Oprócz błędów projektowych zdarzają się również błędy montażowe, szczególnie w prototypach. Może się pomylić operator SMT, który programuje maszynę pick&place, może to być również źle wykonany szablon SMT czy nieprawidłowe przechowywanie komponentów lub PCB. Przy ciągłej miniaturyzacji urządzeń i nowych technologiach PCB takich jak laminaty elastyczne, sztywno-giętkie czy rozciągliwe, technologia projektowania PCB oraz montażu cały czas ewoluuje i trzeba być na bieżąco. 

Inżynier hardware potrzebny od zaraz

W branży hardware pracy będzie zawsze dużo, jak twierdzi właściciel firmy Lemontech, nawet w sytuacji kryzysowej. Pokazały to ostatnie lata pandemii, kiedy trzeba było szybko projektować urządzenia medyczne do respiracji czy monitorowania pacjentów. W obliczu problemów z dostawami komponentów, inżynierowie byli potrzebni do przeprojektowania PCB pod dostępne komponenty, natomiast wojna w Ukrainie przyniosła zapotrzebowanie na urządzenia z branży militarnej. Dlatego też Konrad zachęca swoich studentów do tego zawodu, chociaż wielu młodych ludzi po skończeniu Politechniki zajmuje się programowaniem. Czemu tak się dzieje?

Projekt 3D © Lemontech sp.z o.o.

Przyczyną takiego zjawiska jest z pewnością większa odpowiedzialność i koszty wynikające z popełnienia błędu na PCB. Źle zaprojektowane urządzenie musi trafić do kosza, natomiast w oprogramowaniu wystarczy czasem zmienić kilka linijek kodu. Poza tym młodzi ludzie myślą, że jako programiści dostaną wyższe wynagrodzenie i tak rzeczywiście jest, ale ja wiem, że dobry inżynier hardware również jest w stanie zarobić sporo pieniędzy. Pracy jest bardzo dużo i mam wrażenie, że obecnie mamy niedobór elektroników zajmujących się hardware.

Jak uczyć przyszłych inżynierów elektroników?

W ubiegłym roku Konrad dostał propozycję poprowadzenia wykładów i laboratoriów dla studentów Politechniki Warszawskiej, z przedmiotu Projektowanie Obwodów Drukowanych. Zmieniła się polityka uczelni technicznej, ponieważ okazało się, że absolwenci mają bardzo małą wiedzę praktyczną i tylko nieliczni trzymali w ręku lutownicę. Teraz na początku studiów przyszli inżynierowie hardware otrzymują wyprawkę, czyli skrzyneczkę z komponentami, takimi jak np. kondensatory, rezystory czy podstawowe układy scalone. Wykorzystując te komponenty realizują projekty, które muszą wykonać podczas studiów na zaliczenie przedmiotów. 

Dzisiaj studenci uczą się lutować, montować i testować elektronikę projektowanych urządzeń. Jeśli coś nie działa, to przyszły inżynier powinien mieć pomysł na rozwiązanie problemu, oczywiście przy wsparciu wykładowcy, który mu zasugeruje, co powinien sprawdzić. Na Politechnice Warszawskiej prowadzę zajęcia dopiero drugi semestr, ale zainteresowanie jest bardzo duże i chętnych jest więcej niż dostępnych miejsc. Widać wyraźnie, że studenci chcą się uczyć od praktyków. Na moich zajęciach nie opowiadam historii o tym, jak to było w latach 90-tych, kiedy ja byłem młodym elektronikiem, tylko wprowadzam młodych ludzi w tajniki obecnych technologii. Staram się im przekazać, żeby rysując projekt myśleli o producencie PCB, firmie EMS i o innych elektronikach, z któymi będą współpracować. Podkreślam to, że schemat musi być czytelny i niekiedy opatrzony komentarzami, aby każdy, kto weźmie do ręki taką dokumentację, wiedział o co chodzi w danym rozwiązaniu. Mówię studentom o technologii montażu, o płytkach elastycznych i wielowarstwowych. Opowiadam im o projektowaniu pod kątem szybkich sygnałów albo współczesnych układów radiowych, takich jak Wi-Fi, Bluetooth, LoRa, Zig-Bee, GPS czy GSM. Mówię o konkretnych firmach i rzeczywistych problemach, również na podstawie swoich doświadczeń i studenci to doceniają, bo nawet jeśli w przyszłości zajmą się software, to będą mieli pojęcie o projektowaniu płytek i nie dadzą sobie wmówić, że błąd tkwi w oprogramowaniu, jeśli sprawdzą projekt hardware i wskażą pomyłkę. Poza tym taki inżynier bez trudu rozwiąże problem techniczny w zespole interdyscyplinarnym i razem z kolegami będzie w stanie założyć własny elektroniczny startup. Jest to bardzo motywujące i wielu młodych ludzi idzie w tym kierunku, bo ciekawych pomysłów mają bardzo dużo. 

Rozmawiała i opracowała Agnieszka Kubasik

Zapraszamy na jednodniowe targi elektroniki we Wrocławiu! Zapisz się