Faites tourner les PCB !

Dans un circuit numérique, il y a toujours une dose d’analogique. Une carte toute faite comme une Arduino, ou une Raspberry Pi, ne suffit pas — ou alors, il faut gérer de la puissance — on doit donc créer une carte.

Cette carte aura besoin de connecteurs, de composants, d’énergie et d’être réalisée.

Sommaire

• Le schéma
• Circuit imprimé (PCB)
• Le dessin du layout
• Les connecteurs
  • • • Mais pourquoi utiliser des connecteurs ?
• Support de circuit intégré (IC)
• Les radiateurs
• Les batteries
• Les circuits imprimés (PCB)

Le schéma

Il existe un grand nombre de logiciels pour faire des schémas et les traduire en layout ou pour le dessiner directement. Certains dessinent même directement sur le typon à la main. J’ai vu de magnifiques châssis de téléviseurs à tube haut de gamme, routé à la main, avec des tracés courbes pour limiter les interférences.

Les logiciels sont parfois pénibles pour le choix des composants, ils demandent une référence précise, rarement présente dans la bibliothèque fournie, quand un composant « générique » suffirait. Le choix de l’empreinte du boîtier pourrait se faire plus tard, en fonction de ce que l’on a sous la main. Cela signifie le plus souvent qu’il faut créer un composant et dessiner ou choisir sa bonne empreinte.

Parfois l’outil propose de faire des bibliothèques de schémas (par exemple, un IC avec ses capacités de découplage). Attention, si l’outil ne génère pas de schéma « à plat », il sera difficile de savoir à quoi correspond la résistance R25 de la carte.

Circuit imprimé (PCB)

Pour réaliser un circuit imprimé — Printed circuit board (PCB) —, il faut convertir le schéma électrique en un schéma d’implantation (layout) en respectant plusieurs contraintes : l’encombrement des composants, leur orientation, les dimensions des pistes, etc.

Une carte classique est composée d’une feuille d’époxy de quelques millimètres d’épaisseur, ayant une ou deux couches de cuivre. C’est le fameux circuit imprimé ou PCB.

Il n’est pas toujours nécessaire de fabriquer ce genre de carte. Il existe des cartes à trous métallisés ayant des espacements standardisés (2,54 mm comme pour les composants DIP, 1,27 ou 1 mm pour les composants de montage en surface CMS). Les connexions se font avec des morceaux de fil. Si la carte est complexe, cela peut être long et fastidieux à souder, mais cela ne nécessite pas d’outillage particulier, en dehors d’un fer à souder et de l’huile de coude.

Cela ressemble aux anciennes cartes « wrappées ». Les composants étaient mis sur des supports ayant des pattes longues. Des fils étaient enroulés autour de ces pattes pour les relier. On se retrouvait ainsi avec une grosse couche de fils sous la carte.
— Carte wrappée – Wikinaut - Wikipédia

Ce genre de cartes peut poser un problème de fiabilité, à cause du nombre de soudures ou de contacts. Mais les fils sont plus courts que les lignes d’un circuit imprimé, de plus les traces sont parallèles alors que les fils s’entrecroisent de façon anarchique. Ainsi, comparés aux circuits imprimés, le bruit et les parasites sont inférieurs sur les cartes utilisant des fils. Les cartes de tests peuvent alors avoir de meilleurs performances analogiques.

Le dessin du layout

Pour faire ces cartes, qu’il s'agisse de cartes de test à souder, ou du routage d’un schéma sur Kicad, il s’agit de placer les composants en premier, en choisissant l’emplacement des connecteurs puis le reste. Il est souhaitable de disposer de façon systématique les composants pour éviter les erreurs de soudure (soudure tête bêche), on peut faire en sorte que les inscriptions des composants se lisent toutes dans le même sens, par exemple.

Pour router les fils, on commence en général par le +, qui doit rester au centre de la carte, la masse est plutôt à l’extérieur, en étoile, sans boucle. Cela évite les catastrophes en cas de contact avec un châssis métallique, ou avec les vis de fixation au châssis. La piste + peut être faite un peu plus large que le reste, pour la remarquer plus facilement. Il faut une grosse intensité pour avoir besoin de pistes larges pour limiter les pertes ohmiques. Mais dans ce cas, la piste de la masse a aussi besoin d’être plus large (2,5 à 5 A par millimètre de large, pour du cuivre classique de 35 µm d’épaisseur).

Les problèmes liés à la fréquence arrivent avec des signaux de 10 MHz et plus, pour des signaux numériques (1 MHz pour l’analogique, il ne faut pas oublier les harmoniques). Au‐delà de 10 MHz, il faut tenir compte de beaucoup de paramètres, comme les retours de masse, les capacités parasites entre pistes proches, les effets inductifs, le fait que le signal avance à un peu plus de 10 cm/ns. Donc, sur un signal d’une fréquence de 1 GHz, vous pouvez voir un « ventre » ou un « creux » sur une piste de 10 cm. Il s’agit presque de la vitesse de la lumière. C’est toujours surprenant de ne pas considérer cette vitesse comme infinie.

Les signaux analogiques nécessitent un grand soin, selon la précision voulue : une variation de 1 mV étant significative (convertisseur analogique‐numérique à 12 bits pour des signaux de 3,3 V max), une interférence peut perturber les résultats de la mesure. L’audio, par exemple, manipule des µV.

Il est intéressant de limiter la longueur des pistes et de limiter le nombre de trous. Cela augmente la fiabilité de la carte et diminue le nombre de trous à percer. Cette phase d’optimisation n’est pas à négliger, en cas de modification manuelle de la carte. On évite de se demander pourquoi une piste semble faire trois fois le tour.

Il ne faut pas faire des pistes fines sans besoin. Les pistes épaisses tiennent mieux à l’époxy, s’il faut ressouder un composant ou faire un trou pour en ajouter un, ou pour ajouter un composant CMS entre deux pistes proches, pour rajouter un condensateur de découplage, par exemple. Il est plus fiable de réduire la largeur d’une piste pour passer entre deux pads, que d’avoir une piste fine en continu.

Une petite LED, dans un coin, pour visualiser la présence de l’alimentation, évite de perdre du temps en débogage. Une autre peut servir dans une carte à microcontrôleur, quand rien ne semble marcher, pour la faire clignoter.

Les connecteurs

— Connecteurs HE10 (pas de 2,54 mm) 20 broches, mâle pour PCB et femelle auto‐dénudant pour une nappe

C’est souvent le composant négligé par le hobbyiste, car il est rapidement coûteux. On soude directement les câbles sur les cartes. Malheureusement, la soudure les raidit et ils finissent toujours par casser (non, pas toujours, juste quand il ne fallait pas ;-)). On peut solidifier la soudure avec un serre‐joint sur le fil, passant dans deux trous faits sur la carte, mais cela prend plus de place.

On découvre ensuite que les connecteurs à vis sont tout de même bien pratiques. Ils sont peu coûteux et laissent passer beaucoup de courant. Et puis, un jour, malgré le signe + métallisé et les points de couleur noire et rouge, on branche la batterie à l’envers. La diode de protection conduit, mais le fusible ne fond pas assez vite et toute l’électronique de puissance y passe, ou explose littéralement (vécu, avec une série de 7805).

Il faut donc, de préférence, des connecteurs avec détrompeur. Il faut aussi des câbles (avec les connecteurs) « standards » : cela évite les catastrophes quand on intervertit deux câbles ayant les mêmes connecteurs, mais avec le câblage croisé.

Les connecteurs ont plusieurs caractéristiques : le nombre de points de connexion, l’intensité du courant maximal, la tension maximale, mais aussi la tenue mécanique de la connexion contre les vibrations, le nombre de connexions‐déconnexions prévues (certains connecteurs ne tiennent plus au‐delà d’un certain nombre assez faible).

Je remarque trois besoins typiques pour les connecteurs : les nappes pour connecter les cartes numériques entre elles, les connexions pour l’alimentation et la puissance, et les connexions des capteurs et/ou effecteurs (contacteur, servomoteur peu puissant…).

Il existe une infinité de connecteurs différents, à des prix très différents également. Pour la puissance (batterie ou moteur), j’aime bien les connecteurs type « molex » : ceux que l’on trouve dans les PC. Ils sont bon marché, tiennent mécaniquement, et laissent passer beaucoup de courant.

Concernant les données, les connecteurs de type HE10, qui s’utilisent avec des nappes du genre de l’IDE 33 (oui, je suis vieux), sont assez pratiques. On trouve bien mieux en termes de densité, mais ceux‐ci sont plus faciles à souder. Il ne faut pas oublier qu’un fil de données ne supporte pas plus de 1 A, mais on peut toujours faire plusieurs lignes d’alimentation et de masse (attention, cela fonctionne toujours par paire, il ne faut pas oublier le retour du courant par la masse).

Attention aux connecteurs RCA, les connecteurs ronds utilisés en audio, ils ne sont pas construits pour être défaits souvent, et finissent par ne plus tenir. De plus, n’étant pas conçus pour la puissance, il n’est pas souhaitable d’y faire passer plus de 1 A. Donc, c’est à oublier comme connecteur de batterie.

Mais pourquoi utiliser des connecteurs ?

Si vous le pouvez (une carte numérique, au lieu de deux) et si vous avez le choix, je vous conseille de tout mettre sur la même carte. Pas de connecteur est toujours plus fiable. De plus, cela simplifie le routage de la carte. On évite plein de fils qui se dirigent vers le même endroit : le connecteur de nappe.

Méfiez‐vous de la fausse réutilisation, qui coûte cher en temps de travail, mais qui ne servira jamais, surtout si vous êtes contraint par l’espace, donc par la taille et la forme des cartes. La réutilisation de schéma permet de faire déjà beaucoup de choses.

Pour les capteurs, il existe beaucoup de connecteurs linéaires au pas de 2,54 mm (le DIP standard), jusqu’à une dizaine de connexions à fils. Les contacteurs, comme les switches mécaniques, ont des plots à souder : il n’est donc pas possible d’utiliser une nappe classique.
—Switch mécanique

Je vous conseille les connecteurs qui disposent de systèmes auto‐dénudant. Les autres systèmes imposent de souder chaque fil, à un bout de métal minuscule, avant d’être introduits dans un support plastique. Cela peut représenter un gain de temps précieux et une plus grande fiabilité : on rentre tous les câbles, puis on clippe un support et c’est terminé.

Évitez aussi d’avoir plusieurs types de connecteurs vaguement compatibles, vous n’aurez jamais les bons câbles sous la main, ou alors les connecteurs entrés en force pourraient abîmer les connecteurs mâles des PCB, voire les contacts seraient mauvais, ce qui introduit des pannes aléatoires. Vous ne voulez pas de pannes aléatoires.

Il est aussi possible d’acheter un rouleau de petites nappes (avec chaque fil qui se sépare) et les connecteurs qui vont avec, pour être le plus « standardisé » possible.

Du simple câble réseau doit pouvoir faire l’affaire. Il faut, en revanche, avoir l’outil pour sertir correctement les fils dans les connecteurs RJ45. Dans le cas d’usage d’un câble blindé, il faut respecter la règle de répartition en étoile, et ne surtout pas faire de boucle de masse (cela génère beaucoup de parasites, par induction) et donc ne connecter le blindage que d’un coté du câble. La dernière précaution est de ne pas mélanger les connections avec celles d’un réseau Ethernet, au risque de griller quelque chose.

Support de circuit intégré (IC)

Un support n’est pas toujours nécessaire pour les composants, même complexes, comme les circuits intégrés. On veut souvent facilement changer un composant grillé, mais un tel support peut être plus coûteux que le composant lui‐même. Il est souvent possible de dessouder deux ou trois fois un composant avant d’abîmer les pistes.

Il est aujourd’hui facile de prévoir deux broches de programmation. Le temps où il fallait un programmateur d’EEPROM, produisant du 12 V pour les microcontrôleurs, est révolu.

Les radiateurs

Les radiateurs permettent d’évacuer la chaleur produite par un composant de puissance. Le but est d’éviter la destruction du composant par augmentation de la température, ou sa coupure par mise en sécurité.

Pour des questions de solidité, il vaut mieux que celui‐ci soit vissé à la carte, au lieu de simplement tenir sur le composant. Ces radiateurs sont souvent en matériau conducteur, les bons conducteurs thermiques étant souvent de bons conducteurs électriques. Or, la plupart des éléments de puissance ont une de leurs pattes connectée à la partie métallique de leur boîtier.

Attention à la proximité de plusieurs composants type TO-220, dont une partie du boîtier est métallique et conductrice. Attention aussi au contact avec un châssis, souvent relié à la masse.

Il ne faut pas oublier non plus que du cuivre sur le PCB peut être utilisé dans une certaine mesure, comme dissipateur thermique.

Un gros radiateur coûte cher. Un radiateur de processeur de PC est construit pour évacuer une centaine de watts de chaleur, cela peut être un très bon compromis efficacité/prix. Mais si vous avez besoin de dissiper autant de chaleur, il faudrait plutôt repenser la fonction.

Les batteries

Il existe plusieurs sortes de batteries. Les différences se situent sur le poids par rapport à l’énergie embarquée, mais aussi sur la quantité de courant maximum que l’on peut tirer et leurs fragilités.

La batterie au plomb est la plus ancienne technologie. On en trouve de 6 ou 12 V avec des charges différentes. Cette charge s’exprime en Ah (Ampère fois des heures et non par heure). Une batterie 2 500 mAh, peut débiter 1 125 mA pendant 2 h ou 10 A pendant 15 minutes.

Une batterie au plomb peut se charger avec une alimentation de labo, dont on utilise la limitation en courant. En général, on charge en 1 h ou plus pour ne pas user la batterie. Une batterie de 2 500 mAh, se charge donc avec un courant de 2,5 A pendant une heure ; voire, si on a le temps, avec un courant de 250 mA pendant 10 h (une nuit). Une charge lente évite la surchauffe, et la fait durer plus longtemps.
 
Une batterie au plomb peut fournir 10 C sans problème. Cela veut dire qu’une batterie au plomb de C = 2 500 mA.h, peut fournir 25 A.

Les piles rechargeables actuelles ont fait beaucoup de progrès pour supprimer l’effet mémoire. L’auto‐décharge a aussi baissé. Il y a quelques années une pile rechargeable pouvait se vider toute seule en six mois. Une pile rechargeable fournit 1,2 V (et non 1,5 V comme les piles alcalines), ce qui peut être pénalisant pour réaliser des tensions de 12 V (10 modules).

Il n’est pas conseillé de faire débiter plus de 1 C à des batteries AA, sous peine de les user très vite, car elles chauffent. Attention aussi à la recharge, un accumulateur Ni‐Cd oublié sur une alimentation finit par dégager une fumée blanche irritante, très désagréable (vécu). Les piles rechargeables Ni‐Cd sont aujourd’hui difficilement trouvables (voire interdites en UE). Il vaut mieux utiliser un vrai chargeur dédié. Les piles rechargeables NiMH sont moins nocives.

Il existe aussi des accumulateurs lithium‐ion, des modules de 3 V, que l’on trouve dans les batteries des ordinateurs portables. La densité d’énergie est encore plus élevée. On peut récupérer quelques modules fonctionnels, dans une batterie de portable « morte ».

Il existe les batteries au lithium‐polymère, qui sont une version plate du modèle précédent. La batterie peut prendre toute sorte de formes. Sa densité énergétique est élevée. Ce genre de batterie est notamment utilisé en aéromodélisme. En revanche, une telle batterie peut s’enflammer en cas de gros choc. Vous pouvez trouver sur Internet des photos de sièges automobiles brûlés, après que des modélistes aient oublié leur batterie en train de charger, sur l’allume‐cigare.

Si vous oubliez une batterie sur une alimentation de laboratoire et que vous dépasser son temps de charge, elle va chauffer d’autant plus que le courant est fort. La chaleur diminue la durée de vie de la batterie, voire celle‐ci peut s’enflammer.
— Des fusibles souvent utilisés pour protéger une carte

Les circuits imprimés (PCB)

Un circuit imprimé ou PCB est le support des composants. Il existe deux méthodes de fabrication, par fraiseuse ou par insoleuse. Par fraiseuse, l’outil retire mécaniquement le cuivre en dehors des pistes du circuit.

Par insoleuse, une plaque d’époxy est couverte de cuivre et de résine photosensible. Un masque (typon) est posé dessus et le tout est mis dans une insoleuse. La résine soumise aux UV de l’insoleuse est ensuite retirée par un bain, seule reste la résine sous le masque, puis la plaque est plongée dans un acide. Le cuivre non protégé est dissous.

Pour faire un double face, il faut utiliser une plaque ayant du cuivre des deux côtés. Pour plus de faces, les plaques sont collées entre elles. Il existe des PCB à plus de 12 couches (le maximum que j’ai vu est 24).

Il existe une grande quantité d’information disponible sur Internet pour savoir comment réaliser cela en pratique. Une grande partie de la qualité du résultat dépend du masque, les résines étant très (très) précises.

Le masque est souvent réalisé, avec une impression sur un transparent. Or, si l’on regarde un transparent à la loupe, on voit une série de fissures, dans les traits normalement opaques. On retrouve toutes ces micro‐fissures sur les pistes de cuivre. Si la piste est trop fine, cela peut introduire des coupures. Ces coupures peuvent être réduites en utilisant des pistes assez larges, ou bien en repassant un peu de soudure (c’est fastidieux).

Le résultat peut être amélioré en opacifiant les zones noires du transparent avec un feutre. Il semblerait que les transparents faits avec une imprimante jet d’encre, soient plus efficaces qu’avec une imprimante laser. Certaines personnes ont déjà modifié une imprimante jet d’encre, pour remplacer les trois encres couleur par de l’encre noire, pour avoir un noir plus profond. Il est aussi possible d’utiliser 2 transparents superposés.

On peut faire faire un circuit imprimé sur Internet pour moins de 100 €. Les tirages coûtent en fonction de la surface d’époxy, ou alors le prix est celui du grand panneau d’époxy utilisé à la base, qui peut permettre de faire un certain nombre de plaques à la fois. Les fabricants les moins chers limitent aussi le nombre de types différents de trous qui entraînent des changements d’outils. La finesse des pistes est aussi un paramètre à prendre en compte : est‐il possible de faire passer deux fils entre les deux pattes d’un composant DIP ou un seul ?

Les composants traversants tel qu’on les connaît, ont tendance à être remplacé par les CMS. Il est très facile d’utiliser les composant 0805 et plus. Cela veut dire 0,8 mm × 0,5 mm. Il existe aussi des 1206. Le 0604 est, en revanche, plus difficile à souder. Les composants CMS évitent beaucoup de trous, c’est intéressant si l’on doit les faire soi‐même.

En résumé, concevoir et souder un PCB CMS n’est pas si complexe, la production de la carte elle‐même peut l’être un peu plus.

Vous pouvez reprendre une activité normale (comme regarder les réseaux sociaux).

Merci à BAud, Yves Bourguignon, kantien, palm123, pulkomandy, gusterhack pour leur relecture.

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