Il n'existe pas de composant simple – Prenons l'exemple de la résistance

Dans tout programme d'ingénierie électrique, l'une des premières choses qu'un étudiant apprend concerne les lois fondamentales associées aux composants passifs (résistances, condensateurs et inductances), en commençant généralement par la loi d'Ohm (la tension est égale au courant multiplié par la résistance ou V = I × R). Ces équations s'accompagnent de dessins schématiques, avec leurs représentations nord-américaines standard (Figure 1). (D'autres régions du monde utilisent des symboles différents, mais nous en parlerons une autre fois.)

Figure 1 : Ce schéma montre les trois composants passifs de base (résistance, condensateur et inductance), mais pas leurs subtilités dans une application donnée. (Source de l'image : Solved Problems)

En regardant cette ligne en zigzag qui représente la résistance et en connaissant sa fonction, vous pouvez vous demander « Quoi de plus simple ? » La résistance est essentiellement définie par sa valeur de résistance en ohms, puis éventuellement par quelques paramètres supplémentaires, comme la puissance nominale, et c'est à peu près tout ce que l'étudiant a à savoir. Même dans les laboratoires de travaux pratiques, presque tous les projets sont des projets basse puissance et basse tension, ce qui fait que leurs résistances prennent seulement une forme sur les deux existantes : la version « à sorties » (également appelée « à montage traversant ») qui est pratique pour le montage d'essai. Le modèle RC14KT100K de Stackpole Electronics (Figure 2) en est un exemple.

Figure 2 : Cette résistance à sorties est facile à manipuler et à utiliser sur des montages d'essai. (Source de l'image : Stackpole Electronics)

L'autre forme est le composant à montage en surface (CMS) de type « pavé », comme le modèle CR1206-JW-104ELF de Bourns (Figure 3). Le modèle CMS s'installe sur une carte à circuit imprimé, mais est beaucoup plus difficile à manipuler et à exploiter.

Figure 3 : Ce dispositif à montage en surface beaucoup plus petit est une résistance pavé présentant la même valeur que la version à montage traversant, mais il est bien plus difficile à manipuler et à exploiter. (Source de l'image : Bourns Inc.)

Ensuite, cet étudiant en ingénierie trouve un emploi, découvre divers circuits du monde réel et peut être amené à créer une nomenclature (BOM). C'est là qu'il est confronté à la réalité, et le choc peut être violent.

Pourquoi ? Si vous entrez le terme de recherche basique « résistance » dans la zone de recherche du site Web de DigiKey, vous trouvez cinq catégories majeures de résistances à valeur fixe :

• Résistances pavés - Montage en surface
• Résistances à trou traversant
• Résistances à montage sur châssis
• Réseaux de résistances, matrices
• Résistances spécialisées

Et ce n'est que le début : si vous examinez ces résultats, vous verrez qu'il existe même d'autres sous-divisions. Par exemple, sous « Résistances spécialisées », il existe des modèles haute puissance, à faible inductance, de l'ordre du milliohm utilisés pour la détection du courant, ainsi que des modèles bobinés hautement inductifs de l'ordre de plusieurs dizaines de kilo-ohms.

Choisir la résistance appropriée

Quelle est la « bonne » résistance pour le projet ? Parfois, la décision est relativement simple. S'il s'agit d'une conception basse puissance et basse tension de base utilisant un circuit imprimé standard, une résistance pavé est probablement un bon point de départ. Toutefois, il peut y avoir des problèmes à prendre en compte :

• Quel est la tolérance initiale acceptable : ±20 %, ±1 % ou une valeur intermédiaire ?
• Que se passe-t-il lorsque la dissipation de puissance I²R dépasse une petite valeur, inférieure à un watt ?
• Qu'en est-il du coefficient de température de résistance (TCR), qui peut s'étendre de 1000 parties par million par degré Celsius (ppm/°C) à seulement quelques ppm/°C ?
• Qu'en est-il de l'auto-inductance, qui peut ne pas être un problème dans un circuit CC, mais qui peut être un problème majeur dans un circuit fonctionnant à des fréquences de l'ordre de plusieurs dizaines ou centaines de kilohertz, voire plus ?
• Faut-il utiliser des résistances individuelles ou une matrice de résistances qui permet d'économiser de l'espace et offre un suivi du coefficient de température, mais qui peut nécessiter un routage plus complexe des pistes de circuit imprimé ?

Il existe également des problèmes de fiabilité, de robustesse et de contrainte auxquels il n'est pas facile de répondre :

• Quelles sont les conditions de fonctionnement internes et externes auxquelles cette résistance devra faire face lors d'une utilisation normale et peut-être un peu anormale ?
• La résistance sera-t-elle utilisée dans une application automobile dans laquelle elle devra être conforme à la spécification AEC-Q200 liée à la qualification des composants passifs au test de contrainte¹, et si c'est le cas, lequel de ses cinq grades de température (0 à 4) est approprié ?
• Qu'en est-il des nombreuses normes de fiabilité relatives aux applications militaires comme celles répertoriées sur la page dédiée aux directives, manuels et normes militaires liés à la fiabilité ?²

De nombreuses grandes entreprises emploient des spécialistes appelés « ingénieurs composants » dont l'expertise consiste à évaluer l'adéquation d'un composant sélectionné pour l'application, au-delà des spécifications de premier niveau. Souvent, ces ingénieurs ne sont pas très respectés, car ils ne sont pas impliqués dans la partie « créative » de la conception et du débogage. Cependant, si vous ne travaillez pas avec eux dès le début de la phase de conception, vous pourriez le regretter. Ils peuvent vous avertir quant à d'éventuels pièges en vous posant des questions comme « Avez-vous pris en compte tel ou tel aspect pour les cas où le produit sera exposé à (choisissez une ou plusieurs options) des températures extrêmes, de l'humidité, des vibrations, du brouillard salin, des DES, des EMI/RF… ? » (Et la liste continue.)

Prenons par exemple la gamme de résistances pavés plates RK73-RT de KOA Speer Electronics (Figure 4). Non seulement elles sont conformes aux normes AEC-Q200, mais elles présentent également des caractéristiques anti-sulfuration du fait qu'elles utilisent un matériau d'électrode supérieure interne très résistant à la sulfuration, et elles offrent une excellente résistance à la chaleur et aux intempéries grâce au film métallique épais, ainsi qu'une haute stabilité et une haute fiabilité grâce à leur structure d'électrode à triple couche (Figure 5). Notez qu'il ne s'agit pas de résistances « inhabituelles » : en raison de leur homologation AEC-Q200 et d'autres facteurs, elles sont très demandées.

Figure 4 : Les résistances pavés plates de la gamme RK73-RT de KOA Speer Electronics ressemblent peut-être à des résistances pavés ordinaires, mais elles sont également conformes aux normes AEC-Q200 et fournissent une résistance aux risques environnementaux. (Source de l'image : KOA Speer Electronics)

Figure 5 : Les performances des résistances de la gamme RK73-RT de KOA Speer Electronics sont atteintes grâce à une combinaison de matériaux, de conception et de techniques de fabrication. (Source de l'image : KOA Speer Electronics)

Il est facile de sous-estimer la sélection de composants en raison d'une certaine ignorance, voire d'un peu d'arrogance. Il y a quelques années de cela, lorsque je travaillais dans une entreprise fabriquant de gros systèmes de tests de matériaux avec des aspects de conception mécanique majeurs, un ingénieur mécanicien chevronné s'est inquiété d'un problème potentiel à long terme dans l'une des poutres structurelles. En guise de réponse, l'un de nos ingénieurs électriciens a lancé en plaisantant : « Pourquoi en faire toute une histoire ? Il suffit de trouver un profilé d'aluminium pour la soutenir. » L'ingénieur mécanicien est allé dans son bureau et est revenu avec un gros livre répertoriant tous les profilés d'aluminium aux normes de l'industrie, avec leur profil, leur résistance à la traction, leur fragilité, leur résistance à la corrosion et d'autres facteurs. Il a jeté le livre sur la table et a dit à l'ingénieur électricien : « Allez-y ! Si c'est aussi simple, vous n'avez qu'à choisir. »

Conclusion

L'enseignement à tirer ici est clair : derrière chaque composant « en apparence simple », même une résistance basique, il y a de nombreux aspects à prendre en compte. Pour certaines conceptions, la principale spécification est modeste en termes de tolérance, de puissance, de taille et de conditions de fonctionnement, et une résistance basique assez simple devrait suffire. Mais en dehors de ces cas, il existe de nombreuses spécifications de deuxième et troisième niveaux qui peuvent entraîner la réussite ou l'échec d'une conception lors de l'évaluation, voire pire, sur le terrain.

La formation est un bon moyen de commencer à traiter ce problème. Une recherche mènera à de nombreux articles et notes d'application sur ces sujets. Les notes d'application des fournisseurs sont également de précieuses ressources. Et même si certaines peuvent favoriser les offres du fournisseur concerné, un bon ingénieur devrait pouvoir faire le tri parmi les affirmations et ne retenir que ce qui a du sens. Les ingénieurs d'application des distributeurs constituent également une très bonne ressource, car ils ont une vue d'ensemble et apportent des perspectives globales, ainsi qu'une expérience découlant de leur travail avec une base de clients diversifiée. Ne vous précipitez pas, posez des questions, observez et écoutez, et vous pourrez ainsi éviter les problèmes.

Références :

1 – http://www.aecouncil.com/Documents/AEC_Q200_Rev_D_Base_Document.pdf

2 – https://www.weibull.com/knowledge/milhdbk.htm