Vývoj elektroniky je komplexní disciplína, která vyžaduje kombinaci technické preciznosti, hlubokého know-how a schopnosti myslet v souvislostech. Za každým elektronickým zařízením se skrývají stovky až tisíce komponent, které musejí být vhodně mechanicky uspořádány na desce plošného spoje, podobně jako je to například u strojních konstrukcí. U elektroniky navíc tyto komponenty musejí být vzájemně správně elektricky zapojeny.

Elektromagnetická kompatibilita (EMC): neviditelný, ale zásadní problém

Zároveň se musí zohlednit i elektromagnetické vlastnosti, tedy fyzikální chování v reálném světě. To znamená navrhnout elektroniku tak, aby elektromagneticky nerušila jiné elektronické zařízení v okolí nebo sama sebe a byla odolná proti rušení jiných zařízení.

V praxi se tomu říká EMC (Elektromagnetická kompatibilita). To je důvod proč například v letadle dáváte mobilní telefon do režimu letadlo nebo můžete u lomů (odpal horniny je řízen elektronikou) vidět ceduli se zákazem používání mobilních telefonů a vysílaček.

EMC se v praxi často podceňuje, a přitom je klíčová pro bezpečný, spolehlivý a legální provoz elektronických zařízení. Nedodržení EMC zásad může vést k řadě problémů:

• Nespolehlivost zařízení - objevují se zdánlivě nevysvětlitelné chyby, výpadky nebo nestabilní chování zařízení, které jsou ve skutečnosti způsobené elektromagnetickým rušením.
• Rušení jiných zařízení – elektronika může vyzařovat rušivé signály, které ovlivňují provoz okolních zařízení.
• Nesplnění zákonných norem a předpisů – nedostatečná EMC může vést k nevyhovění legislativním požadavkům (např. směrnice EMC 2014/30/EU), což znamená nemožnost zařízení uvést na trh nebo právní postih.
• Zvýšené náklady na dodatečné úpravy – pokud se EMC neřeší už v návrhu, může být pozdější dodatečné řešení technicky složité, drahé nebo dokonce nemožné.

Nepříznivé prostředí

Běžné lidské prostředí je pro existenci elektroniky velmi nepříznivé, a to především kvůli vlivům jako je vlhkost, teplota nebo elektrostatický náboj. Všechny tyto vlivy mohou nepříznivě ovlivnit provoz elektronického zařízení a proto je třeba v rámci vývoje zohlednit a navrhnout vhodná opatření, která umožní, že bude zajištěna bezproblémová funkce zařízení v rámci provozních podmínek. Příkladem může být elektrostatický náboj způsobený nošením svetru, který může dosahovat napětí několika tisíců voltů, které se po uchopení elektrického zařízení vybíjí do něj, nebo změna teploty, která mění parametry elektronických komponent.

Firmware pro elektroniku

Většina moderní elektroniky obsahuje firmware, což je software který ji řídí a zajišťuje některé její složitější funkce. Je potřeba zvážit, které funkce se mají řešit softwarově a které elektronicky při zohlednění všeho výše zmíněného a nákladů na vývoj a následnou výrobu elektroniky. Zároveň je nutné zohlednit i praktické faktory, jako je dostupnost a životní cyklus použitých elektronických komponent.

Prototypování a simulace: cesta k funkčnímu výrobku

Protože se jedná o komplexní a dynamický systém, při návrhu elektroniky se uplatňuje iterativní vývojový přístup – tedy postupné vytváření a ladění návrhu prostřednictvím prototypování. Ne všechny verze musí být fyzicky vyrobeny; část vývoje může probíhat formou simulací, které umožňují odhalit chyby nebo optimalizovat návrh ještě před samotnou výrobou. To výrazně zkracuje celkový čas vývoje a snižuje náklady na výrobu fyzických prototypů. Na druhou stranu je třeba počítat s tím, že profesionální software pro simulaci elektronických obvodů představuje samostatnou investici. V praxi se i tak obvykle vyrobí několik (typicky 2 až 4) iterací fyzických prototypů, pokud se nemění celkový koncept zařízení. Každá z těchto verzí slouží k ověření funkce, odhalení slabých míst a postupnému ladění směrem k finálnímu produktu.

Testování: víc než jen zapnout a zkontrolovat

Testování elektroniky je zpravidla složitější a časově náročnější proces než u čistě mechanických výrobků. U elektroniky i když vše na první pohled vypadá správně, může docházet k jemným, obtížně odhalitelným problémům: světla blikají jinak, než mají, komunikace mezi komponenty selhává, firmware se chová nestabilně nebo dochází k rušení signálu z okolí. 

Testování pak často připomíná spíše detektivní práci – vývojář tráví hodiny s osciloskopem nebo logickým analyzátorem, hledá příčiny chování, které se objevují jen za určitých podmínek, a neustále ověřuje, co je skutečná příčina problému. Stejně jako detektiv nikdy předem neví, kolik času bude potřebovat k vyřešení případu, ani vývojář nedokáže přesně odhadnout, jak dlouho potrvá odstranění všech chyb a dosažení stabilního, spolehlivého stavu. Vývojový čas je proto vždy pouze odhad – a pokud je projekt omezen fixním rozpočtem, je nezbytné počítat s dostatečnou časovou i finanční rezervou pro ladění a testování.

Týmová práce, ne one-man show

Jelikož se jedná o tak komplexní a dynamický systém, tak ve většině případů ho nedokáže spolehlivě pojmout jeden nebo dva lidé ale musí ho řešit zkušený tým vývojářů. 

V případě, že se jedná o vývoj elektroniky, která podléhá speciálním normám jako elektronika ve zdravotnictví, automotive, letadlech, prostředí s rizikem výbuchu atd. musí se ještě zohlednit další speciální normy pro dané použití.

Shrnutí: co všechno se při vývoji elektroniky musí vyřešit

• Rozvrhnout stovky až tisíce součástek tak, aby výsledné zařízení mělo požadované rozměry a tvar, bylo kompaktní a zároveň optimální pro výrobu
• Navrhnout elektroniku tak, aby sama nevyzařovala rušivé elektromagnetické signály, které by mohly ovlivnit jiná zařízení nebo sebe samu, a zároveň byla odolná vůči rušení z vnějšího prostředí.
• Minimalizovat nežádoucí vlivy prostředí a navrhnout vhodná ochranná a stabilizační opatření.
• Promyšleně určit, které funkce bude vhodnější realizovat hardwarově a které softwarově, přičemž je třeba zohlednit technické požadavky, náklady na vývoj, výrobu, spolehlivost a dostupnost komponent.
• Provést důkladné testování a ladění všech funkcí s důrazem na správnou činnost, dlouhodobou spolehlivost, dodržení EMC požadavků a případně dalších norem, pokud se jedná o specializované zařízení.