Quelles sont les règles de câblage des circuits imprimés ?

Le câblage d'un circuit imprimé est l'étape la plus laborieuse et la plus fastidieuse de la conception d'un circuit imprimé, ce qui affecte directement ses performances. Dans cet article, nous aborderons quelques règles de base à suivre lors du câblage d'un circuit imprimé.

Règles à respecter lors de la conception du câblage d'un circuit imprimé

1. Règles de chanfreinage

Évitez les angles vifs et droits lors de la conception du circuit imprimé, car ils génèrent des radiations inutiles et nuisent aux performances du processus.

2. Règles de découplage des composants

Ajoutez les condensateurs de découplage nécessaires sur le circuit imprimé pour filtrer les signaux parasites sur l'alimentation et stabiliser ce dernier. Il est recommandé de connecter l'alimentation à la broche d'alimentation après son passage dans le condensateur de filtrage.

3. Règles de boucle de masse

La règle de boucle minimale, c'est-à-dire la zone de boucle formée par la ligne de signal et sa boucle, doit être aussi petite que possible. Plus la zone de boucle est petite, moins le rayonnement externe et les interférences reçues du monde extérieur sont importants.

4. Règles de protection par blindage

Correspondant à la règle de boucle du fil de terre, elle consiste à minimiser autant que possible la zone de boucle du signal, ce qui est courant pour certains signaux importants, tels que les signaux d'horloge et de synchronisation. Pour certains signaux particulièrement importants et à haute fréquence, il convient de bien concevoir le blindage des câbles à axe en cuivre, c'est-à-dire d'isoler les fils de haut en bas et de gauche à droite par des fils de terre. Il est également important de bien combiner la masse du blindage avec le plan de masse.

5. Règle des 3 W

Afin de réduire la diaphonie entre les fils, l'espacement des fils doit être suffisamment important. Lorsque l'espacement central des fils n'est pas inférieur à trois fois leur largeur, 70 % des champs électriques peuvent être empêchés d'interférer, ce que l'on appelle la règle des 3 W. Si 98 % des champs électriques n'interfèrent pas entre eux, un espacement de 10 W peut être utilisé.

6. Règle des 20 H

Comme le champ électrique entre la couche d'alimentation et la couche de masse varie, les interférences électromagnétiques rayonnent vers l'extérieur, au niveau du bord de la carte. C'est ce qu'on appelle l'effet de bord. La solution consiste à rétrécir la couche d'alimentation afin que le champ électrique ne soit conduit que dans la zone de la couche de masse. En prenant un H (l'épaisseur du diélectrique entre l'alimentation et la masse) comme unité, si le rétrécissement vers l'intérieur est de 20 H, 70 % du champ électrique peut être confiné au bord de la couche de masse ; si le rétrécissement vers l'intérieur est de 100 H, 98 % du champ électrique peut être confiné.

Quelles sont les exigences relatives à la séquence de câblage des circuits imprimés ? Pour obtenir le meilleur câblage possible sur un circuit imprimé, la séquence de câblage doit être déterminée en fonction de la sensibilité des différentes lignes de signaux à la diaphonie et des exigences de délai de transmission. Les lignes de signaux à acheminer de préférence doivent avoir des lignes d'interconnexion aussi courtes que possible. En général, le câblage doit être effectué dans l'ordre suivant :

1. Lignes de signaux analogiques de faible puissance ;

2. Lignes de signaux et lignes de signaux de faible puissance particulièrement sensibles à la diaphonie ;

3. Lignes de signaux d'horloge système ;

4. Lignes de signaux exigeant un délai de transmission élevé :

5. Lignes de signaux générales ;

6. Lignes de potentiel statique ou autres lignes auxiliaires.

Comment calculer la largeur des pistes d'un circuit imprimé ?

Calculer la largeur des pistes d'un circuit imprimé est essentiel pour garantir le bon fonctionnement de votre circuit. Des pistes trop étroites peuvent surchauffer ou tomber en panne sous un courant élevé. Je me souviens de mon premier projet de circuit imprimé pour un petit robot. J'avais utilisé des pistes fines pour les lignes d'alimentation du moteur, et elles ont fondu en quelques minutes. Cette erreur m'a appris l'importance de bien faire les choses.

Voici la procédure de base :

1. Déterminer le courant maximal : Cela dépend des composants. Par exemple, une LED peut consommer 20 mA, mais un moteur peut consommer plusieurs ampères. J’utilise un multimètre pour mesurer le courant dans les circuits existants ou consulter les fiches techniques des composants pour les nouvelles conceptions.

2. Connaître l’épaisseur du cuivre : La plupart des circuits imprimés utilisent du cuivre de 35 µm ou 70 µm. Un cuivre plus épais supporte plus de courant. Une piste de 50 µm peut transporter environ 1,5 fois plus de courant qu’une piste de 28 µm de même largeur.

3. Déterminer l’échauffement : L’objectif courant est une augmentation de 10 °C ou 20 °C. Des échauffements plus importants sont risqués pour les composants sensibles. Pour un amplificateur autoradio que j’ai construit, j’ai visé 10 °C afin d’éviter la surchauffe dans un espace confiné.

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Il existe deux principales méthodes pour calculer la largeur de piste :

• Formules : La norme IPC-2152 utilise une formule qui relie le courant, la largeur de piste, l’épaisseur du cuivre et l’échauffement. Par exemple, pour 28 g de cuivre et 1 A avec une élévation de 10 °C, la formule pourrait indiquer environ 0,25 mm (10 mils). Pour 5 A, elle pourrait être d’environ 1,27 mm (50 mils).
• Calculateurs en ligne : Des outils comme ceux d’ExpressPCB ou d’ADC sont plus simples à utiliser. Il suffit de saisir le courant, l’épaisseur du cuivre et l’échauffement. Par mesure de sécurité, j’arrondis toujours le résultat à la largeur standard supérieure la plus proche (par exemple, 30 mils au lieu de 30 mils).

N’oubliez pas la chute de tension et la longueur de piste. Les pistes longues (plus de 10 cm) pour les circuits basse tension (par exemple 3,3 V) peuvent perdre une tension significative en raison de la résistance. Dans un projet de capteur Wi-Fi, une piste de 15 cm pour 5 V a entraîné une chute de tension de 0,5 V jusqu'à ce que je l'élargisse à 20 mils.

Comment lire les circuits imprimés et identifier les composants ?

Lire un circuit imprimé commence par comprendre ses étiquettes et ses composants. J'ai déjà passé des heures à réparer un routeur en panne en identifiant les composants un par un. Voici comment procéder :

1. Utiliser la couche de sérigraphie

La sérigraphie (généralement une impression blanche sur le circuit imprimé) identifie chaque composant avec un code :

• R1, R2... : Résistances
• C1, C2... : Condensateurs
• U1, U2... : Circuits intégrés (CI)
• Q1, Q2... : Transistors
• D1, D2... : Diodes

Sur un vieux circuit imprimé de chargeur USB, j'ai vu « C5 » près d'un composant cylindrique avec un signe « - », ce qui m'a permis de savoir qu'il s'agissait d'un condensateur électrolytique.

2. Identifier les composants par leur apparence

• Résistances : Les résistances traversantes ont des bandes de couleur. Par exemple, marron - noir - rouge - or = 1 kΩ ± 5 %. Les résistances montées en surface ont des codes numériques comme « 104 » = 100 kΩ (10 x 10^4).
• Condensateurs : Les condensateurs céramiques sont petits et rectangulaires (souvent avec un code « C »). Les condensateurs électrolytiques sont plus grands, cylindriques et portent des repères de polarité.
• Circuits intégrés : Ils possèdent de nombreuses broches et une référence (par exemple, « ATmega328 » est un microcontrôleur Arduino). Je recherche les références sur Digi-Key ou Mouser pour trouver des fiches techniques.
• Transistors : La plupart ont trois broches. Les transistors NPN (comme le 2N2222) sont courants dans les amplificateurs ; les PNP (comme le 2N3906) dans les circuits de commutation.

3. Utiliser les outils d'aide

• Multimètre : Testez la résistance (pour les résistances), la capacité (pour les condensateurs) ou le mode diode (pour vérifier les diodes). Je l'ai utilisé une fois pour trouver une résistance défectueuse qui semblait en bon état, mais dont la valeur avait fluctué.

• Loupe/Microscope USB : Ils permettent de lire les minuscules étiquettes des composants montés en surface. J'utilise un microscope USB à 20 $ pour lire des codes comme « 225 » sur un condensateur de taille 0402 (2,2 μF).

• Schéma (si disponible) : Comparez les étiquettes du circuit imprimé avec le schéma. En l'absence de schéma, tracez les connexions avec le mode de continuité du multimètre.

4. Comprendre les schémas de disposition des circuits imprimés

• Composants d'alimentation : Les régulateurs de tension (par exemple, LM7805), les gros condensateurs et les fusibles se trouvent près de l'entrée d'alimentation.

• Circuits intégrés principaux : Les microcontrôleurs ou les processeurs sont souvent au centre, entourés de composants plus petits (résistances, condensateurs).

• Connecteurs : Les ports USB, les connecteurs ou les commutateurs se trouvent sur les bords. Sur un circuit imprimé Raspberry Pi HAT, le connecteur GPIO est clairement indiqué sur le bord.

Conclusion

Maîtriser ces compétences prend du temps, mais chaque projet renforce votre confiance. Lors du calcul de la largeur des pistes, privilégiez toujours la sécurité à la largeur minimale. Lors de la lecture de circuits imprimés, commencez par des cartes simples et progressez progressivement vers des circuits complexes.

Je me souviens encore de la première fois où j'ai réussi à convertir un circuit imprimé en schéma pour une lampe cassée. La visualisation du circuit sur papier a rendu la réparation évidente : une résistance défectueuse avait grillé. Grâce à ces compétences, vous pourrez dépanner, modifier et créer des composants électroniques en toute confiance. Continuez à vous entraîner et n'hésitez pas à demander de l'aide ou à consulter des ressources en cas de problème. Bonne soudure !