Conducteurs et "chemins conducteurs"

Lorsqu'on demande aux gens quel est le composant le plus couramment utilisé dans les circuits électriques ou électroniques, les réponses typiques sont "Eh bien, bien sûr, tout le monde connaît ses résistances", ou "Ce doit être des condensateurs", et même parfois "Rien ne fonctionne sans transistors". En fait, aucune de ces réponses n'est correcte ; la vraie réponse est que les conducteurs sont le type de composant le plus courant.

Évidemment, sans conducteurs, il n'y aurait pas de circuits. Même si les conducteurs sont le composant de base des circuits électriques, il y a étonnamment peu de considération pour la physique impliquée dans les conducteurs (en dehors des manuels) et il semble y avoir encore moins d'emphase sur la prise en compte des caractéristiques des structures conductrices (telles que les "terres de châssis") lorsque ces conducteurs et assemblages conducteurs sont utilisés pour les chemins de retour de courant critiques dans un circuit. C'est peut-être parce que les fils ne semblent tout simplement pas si excitants ! Ironiquement, une ingénierie CEM réussie nécessite une telle compréhension !

Cet article va rafraîchir (ou peut-être initier) les connaissances et la compréhension du lecteur sur les aspects clés des conducteurs et des chemins conducteurs en examinant un certain nombre de sujets, notamment :

Histoire des chefs d'orchestre

Bien que le fil fabriqué à partir de matériaux conducteurs (tels que le fer ou le cuivre) soit utilisé depuis peut-être des milliers d'années, il a été utilisé comme composant mécanique. Ce n'est qu'il y a quelques centaines d'années (au cours des années 1700) qu'il a été utilisé pour la première fois comme méthode pour définir un chemin pour la circulation du courant électrique. Certaines de ces premières utilisations électriques étaient pour la protection des structures en bois dans l'Amérique coloniale par la fixation du fil conducteur aux "tiges" de fer placées sur les bâtiments pour (espérons-le!) Fournir un chemin pour que les coups de foudre soient conduits en toute sécurité vers la terre au lieu de à travers la structure (ce qui a souvent provoqué des incendies). L'utilisation du fil à cette fin (et l'invention des paratonnerres associés) a été attribuée à Benjamin Franklin.

Au début du 19e siècle, alors que l'intérêt et la fascination mondiale pour le «flux électrique» augmentaient, Michael Faraday a été parmi les premiers à effectuer des expériences empiriques pour comprendre les propriétés des conducteurs.

Au fur et à mesure que les années 1800 avançaient, de plus en plus d'utilisations de l'électricité ont été développées, y compris la distribution d'énergie et la communication (systèmes télégraphiques). Au fur et à mesure que ces systèmes devenaient plus complexes, physiquement grands et à forte intensité de capital, il y avait un désir croissant de mieux comprendre ces méthodes d'interconnexion. En conséquence, Oliver Heaviside a développé un certain nombre de concepts et d'inventions importants au cours des années 1880, notamment la théorie des lignes de transmission et le câble de style "coaxial" que nous voyons aujourd'hui.

Figure 1 : Pionniers dans l'utilisation des chefs d'orchestre, Benjamin Franklin, Michael Faraday et Oliver Heaviside

Quel est le but d'un chef d'orchestre?

De l'évolution des fils pour la protection contre la foudre à la distribution de puissance et de signal, et même jusqu'à aujourd'hui, on peut voir qu'il n'y a qu'un seul but d'un conducteur. Ce but est de fournir un chemin prévu pour la propagation de l'énergie électromagnétique.

Par conséquent, un conducteur est utilisé pour :

Ce chemin prévu d'énergie électromagnétique se fait par "conduction", comme décrit par le professeur Maxwell (en plus de sa théorie du "courant de déplacement", tel que le courant qui "circule" à travers un condensateur).

Afin de comprendre comment l'énergie est conduite d'une source à une charge, nous commençons par le concept de boucle de transfert d'énergie "idéalisée" (comme illustré à la figure 2).

Figure 2 : Schéma de la boucle de transfert d'énergie de base ou "idéale"

Boucle de transfert d'énergie "idéalisée"

La figure montre la source de la puissance (ou du signal), représentée par le "générateur". De l'autre côté de la figure se trouve la charge (qui peut être représentée par une impédance). Le processus de transfert de l'énergie de la source à la charge se fait via le chemin de conduction, défini par les lignes pleines sur le schéma). Ce transfert est généralement expliqué comme étant similaire à un courant dans l'eau, en ce qu'il y a un "flux de courant" le long d'un conducteur, tandis que l'autre conducteur fonctionne comme un "retour de courant". Bien que cette vue ne soit pas incorrecte, il est parfois préférable de visualiser l'énergie comme une onde électromagnétique guidée de la source à la charge.

Impédance du chemin de connexion

L'utilisation de la boucle de transfert d'énergie idéalisée conduit (malheureusement) à des hypothèses dans la conception du système et du circuit selon lesquelles le chemin conducteur est toujours caractérisé par une simple connexion à impédance nulle. Le problème est que dans la construction réelle du circuit, bien que des matériaux conducteurs soient utilisés, ces matériaux ont en réalité des paramètres physiques "non nuls" (tels que l'épaisseur, la largeur et la résistivité du matériau). En fonction de la taille physique du ou des conducteurs, ceux-ci doivent en fait être définis comme ayant une résistivité volumique ou superficielle pertinente, comme illustré à la figure 3. Pour la résistivité volumique, il est courant d'utiliser une unité de volume, telle qu'un cube de valeur égale. dimensions dans les directions X, Y et Z. Pour la résistivité de surface (lorsque l'épaisseur du matériau est nettement inférieure aux autres dimensions), une dimension X et Y est utilisée.

Figure 3 : Définition de la résistivité volumique et superficielle réelle pertinente d'un conducteur

La façon dont nous établissons généralement des chemins conducteurs des sources à la charge est d'utiliser des fils de différents diamètres (appelés "jauges"). La figure 4 montre diverses géométries de fil et la méthode courante d'identification du diamètre du fil. La résistance du fil est fonction à la fois de son matériau et de sa dimension physique (généralement le diamètre est exprimé en "MIL", qui est égal à 0,001 pouce).

Figure 4 : Différentes géométries de fil et méthodes de détermination du calibre

En utilisant les dimensions physiques et les caractéristiques des matériaux, il devient un processus simple pour déterminer la résistance de n'importe quel fil. Ceci est illustré ci-dessous.

Calcul de la résistance des fils

Dans cet exemple, le fil de 1 000 pieds a une résistance de 1 ohm. On peut voir que si la longueur est doublée, la résistance doublera également. C'est logique. Une observation intéressante peut être faite à ce stade, cependant, et c'est que si la section transversale du fil diminue (devient plus petite), la résistance du fil augmente !

Taille de fil ("Gauge")Afin d'assurer une cohérence dans la sélection et l'application des fils, il est généralement fabriqué dans des tailles numérotées selon les tableaux American Wire Gauge (AWG). Ces tableaux indiquent les tailles de fil allant du calibre 0000 (qui correspond à un diamètre de 460,0 mil pour un fil solide) à un calibre 40 (diamètre de 3,1 mil pour un fil solide). Il convient de noter en particulier le fait que, selon ces tableaux, un fil est une tige ou un filament unique de métal étiré. Bien sûr, un autre type de fil est en fait un certain nombre de fils solides liés ensemble pour fonctionner comme un seul fil. Ceci est plus correctement connu sous le nom de conducteur toronné ou de câble. Le tableau 1 montre les paramètres CC de câbles typiques de différentes tailles AWG. La figure 5 montre la différence entre un fil conducteur unique et un « fil » conducteur toronné.

Tableau 1 : Tableau montrant la résistance CC de différents fils par calibre et diamètre

Pourquoi avons-nous des "fils" (conducteurs) à la fois solides et toronnés ? Il s'avère que chacun a ses propres avantages qui rendraient le choix de l'un ou de l'autre optimal pour une application particulière.

Dans le cas des fils pleins, ils ont les attributs suivants :

Les fils toronnés, en revanche, seraient utilisés lorsque les caractéristiques suivantes sont souhaitées :

De la même manière que nous pouvons définir des tailles de fils solides, nous définissons également des dimensions physiques pour les conducteurs toronnés. Un point intéressant est que le diamètre des conducteurs massifs et toronnés "équivalent de calibre" n'est PAS le même ! Cela est dû au fait que les fils toronnés ont un certain espace libre entre eux lorsqu'ils sont contenus dans un faisceau (car les fils sont circulaires). Cela peut être vu dans la section transversale du conducteur toronné de la figure 5.

Figure 5 : Illustration des conducteurs de fil et de câble

Le tableau ci-dessous présente des exemples de fils massifs et toronnés (tableau 2). Le tableau est utilisé de la manière suivante :

Tableau 2 : Tableau comparant le calibre du fil solide au câble toronné

Aspects CEM des fils

Bien qu'elles soient importantes, les caractéristiques CC des fils ne sont pas les principales caractéristiques préoccupantes dans les travaux CEM. Les éléments importants à considérer sont :

Une considération clé lors de l'utilisation de fils (ou de tout type de conducteur) avec un courant non continu est qu'il existe une impédance alternative qui augmente avec la fréquence en raison du phénomène d'effet de peau. L'effet de peau provoque une réduction de la section transversale parcourue par le courant et, comme nous l'avons vu dans une équation précédente, la section transversale diminue lorsque la résistance augmente. La même condition contribue à l'impédance AC. Ceci est illustré dans la figure et l'équation suivantes (Figure 6).

Figure 6 : L'impédance AC d'un conducteur est composée de deux parties : la résistance DC et la résistance AC (une fois que le rayon du fil dépasse environ deux épaisseurs de peau)

De plus, la résistance AC et la réactance d'un conducteur varient avec la fréquence en raison de l'effet de peau et se reflètent dans le facteur de rapport de résistance (X).

Résistance CC, résistance CA et réactance inductive

Si le fait que la résistance CA puisse dominer la résistance CC n'est pas assez grave, puisque les fils font partie d'une boucle de courant, ils ont également une auto-inductance et entraînent une impédance encore plus élevée.

Le tableau 3 résume ces effets. Il peut même être surprenant qu'à seulement 1 MHz, la résistance AC soit supérieure d'un ordre de grandeur à la résistance DC et que la réactance inductive (XL) soit des centaines de fois la résistance AC !

Tableau 3 : Comparaison de la résistance AC, de la résistance DC et de la réactance inductive (due à l'inductance partielle) pour différents calibres de fil

Le tableau 3 résume ces effets. Il peut même être surprenant qu'à seulement 1 MHz, la résistance CA soit supérieure d'un ordre de grandeur à la résistance CC et à la réactance inductive (XL) en raison de l'inductance partielle du fil, comme décrit dans "Inductance : les idées fausses, les mythes et la vérité". " est des centaines de fois la résistance AC !

La figure 7 montre également la relation entre la longueur du fil, son diamètre et son inductance partielle. On peut voir que même de "petites" valeurs d'inductance (quelques micro-Henries) ont une impédance élevée aux fréquences CEM (due à X = jωL).

Figure 7 : Relations entre la longueur du fil, son diamètre et son inductance partielle

Maintenant que nous avons étudié les propriétés des fils monobrins, examinons les caractéristiques des fils toronnés.

Il s'avère qu'une approximation peut être faite en ce que la résistance (et dans une certaine mesure, l'auto-inductance - en ignorant les effets de l'inductance mutuelle) du fil toronné peut être modélisée comme la résistance (inductance) de chaque toron divisée par le nombre de brins (puisque chaque brin est effectivement en parallèle avec les autres). Fait intéressant, cela a été observé pour la première fois de manière empirique par Michael Faraday faisant la simple observation des "étincelles" créées dans un circuit. Lorsque les mêmes fils parallèles étaient étalés, les "étincelles" étaient moindres - sans aucune modification de la longueur du faisceau de fils. Bien sûr, nous savons maintenant que moins "d'étincelles" signifient moins d'inductance série. L'observation de Faraday est enregistrée comme suit :

Câblage pour la communication

Au cours des années 1800, les systèmes de communication «à la pointe de la technologie» sont devenus les systèmes télégraphiques, puis téléphoniques. Au fur et à mesure que l'infrastructure a été développée et construite pour ceux-ci, il est devenu nécessaire de comprendre, en détail, la physique des conducteurs (qui étaient maintenant appelés lignes de transmission). Il a été découvert que les voies de communication longue distance avaient des caractéristiques uniques qui n'avaient jamais été vues auparavant (Figure 8). En effet, ces installations constituaient le premier développement généralisé de grands systèmes utilisant des conducteurs d'interconnexion (câblage). Cela a conduit au développement des "équations du télégraphe" (discutées plus tard) qui sont devenues la base de la théorie des lignes de transmission.

Figure 8 : Les exigences des premières communications électroniques ont conduit à une nouvelle compréhension des conducteurs

….et puis c'est arrivé - La première (et toujours la seule VRAIE) connexion à la terre !

Alors que le boom des télécommunications des années 1800 se poursuivait, de plus en plus de câbles étaient nécessaires pour construire les systèmes. De ce besoin, un principe fondamental de toutes les procédures d'ingénierie électrique est né, la découverte qu'en utilisant la terre comme chemin de retour du courant, seulement la moitié de la quantité de fil était nécessaire ! Ainsi, le terme "terre" a été inventé pour les connexions électriques (Figure 9) !

Figure 9 : Première référence du terme « retour au sol »

Analyse du retour au sol

Cette pratique pour la connexion téléphonique et télégraphique longue distance a été possible en raison d'une relation physique unique entre la géométrie et la conductivité de la terre. Il s'avère que, plutôt que d'être une voie de retour avec une variation d'impédance importante, la résistance a atteint une limite asymptotique légèrement supérieure à 4 ohms (Figure 10).

Figure 10 : Graphique montrant le nivellement de la résistance dans une connexion à la terre

Cela était dû à la grande surface à travers laquelle le courant pouvait circuler (similaire aux fils parallèles) et, ironiquement, la résistance de la connexion à la terre était bien inférieure à celle des longs fils de signal. Cela a en outre établi la croyance qu'une connexion à la terre était un chemin à faible impédance (par rapport au reste des circuits).

Les découvertes de Heaviside : les équations du télégraphe

Un phénomène intéressant s'est alors produit lorsque la vitesse des signaux de messages (télégraphiques) a augmenté. Il a été découvert que certaines des lignes de transmission entraînaient des signaux affectés et modifiés à l'extrémité de réception par rapport à leurs caractéristiques d'origine à l'extrémité d'émission.

Heaviside a ensuite étudié les observations de Faraday sur l'inductance, a fait référence au travail de Maxwell et, à partir de ce travail, il a développé les «équations du télégraphe» qui ont révélé comment les caractéristiques de la ligne affectaient la propagation du signal. Cela est devenu la base de toute l'ingénierie des lignes de transmission.

C'était une idée incroyable. Heaviside s'est rendu compte que l'utilisation de deux conducteurs dans la ligne de transmission télégraphique entraînait les propriétés capacitives et inductives de la ligne. (Cela n'avait pas été reconnu auparavant.) Il a correctement compris que la capacité et l'inductance sont continues sur la longueur de la paire de conducteurs et peuvent donc être représentées sous forme de composants regroupés ou distribués le long de la ligne de transmission (Figure 11).

Figure 11 : Heaviside s'est rendu compte que la capacité et l'inductance sont continues sur la longueur d'une paire de conducteurs et peuvent être représentées comme "regroupées" ou "distribuées"

Nous appelons maintenant les travaux de Heaviside la découverte du modèle de ligne de transmission (Figure 12). Plus important encore, cette découverte a permis de décrire une transmission en termes d'impédance caractéristique (Zo), qui est fonction de l'inductance et de la capacité réparties le long de la ligne et qui la rend indépendante de la longueur de la ligne !

Figure 12 : Diagramme et équation pour le modèle de ligne de transmission

Le modèle de ligne de transmission

Propagation du signal de la ligne de transmission La clé de la théorie des lignes de transmission est la capacité de comprendre comment l'énergie, qu'il s'agisse de "puissance" ou de "signal", se propage le long de la ligne. Une très bonne visualisation de ceci est montrée dans la figure 13.

Figure 13 : Illustration de la propagation de l'énergie le long d'une ligne (avec l'aimable autorisation de Henry Ott, page 218 de Electromagnetic Compatiblity Engineering)

Comme on peut le voir, l'essentiel de la propagation a lieu par le passage du courant à travers l'inductance série de ligne et la "charge" des condensateurs parallèles effectifs. Puisqu'il y a une constante de temps associée à la charge des condensateurs, cela entraîne une réduction de la vitesse de propagation par rapport à la traditionnelle "vitesse de la lumière" de propagation des ondes électromagnétiques dans l'air/le vide. L'effet de cette réduction de la vitesse de propagation est connu au "facteur de vitesse" et varie en fonction des valeurs de l'inductance et de la capacité (qui sont déterminées à la fois par la géométrie de la ligne de transmission et le matériau utilisé dans la construction de la ligne de transmission.

Exemples de lignes de transport courantes

Les lignes de transmission d'aujourd'hui sont généralement soit coaxiales, soit à "paire de fils torsadés" (TWP) (Figure 14). Le câble coaxial est utilisé pour protéger les champs électriques et le TWP est utilisé pour protéger les champs magnétiques des émissions provenant des lignes de transmission ou des interférences externes.

Figure 14 : Une ligne coaxiale est représentée en haut et une paire de fils torsadés est représentée en bas.

Autres types de chemins conducteurs

Une pratique courante consiste à utiliser le châssis ou le boîtier métallique comme chemin conducteur (généralement appelé « mise à la terre du boîtier ») pour le retour du signal ou de l'alimentation. Il y a un certain nombre de raisons pour lesquelles cela est fait, notamment:

Malheureusement, en raison du fait que l'impédance du chemin "à la terre" est inconnue, il en résulte que la boucle de transfert d'énergie réelle est assez différente de la boucle "idéalisée" (discutée précédemment). La boucle réelle est illustrée à la Figure 15.

Figure 15

Implications de la pratique

À partir de cette figure, on voit facilement que l'utilisation du châssis ou de l'enceinte comme chemin de retour électrique entraînerait une impédance de "terre" indéfinie et quelque chose d'autre que le zéro (0) ohms supposé. Cette impédance est composée de deux termes, la résistance (due au matériau et à la fréquence) et l'inductance (due à la géométrie). Malheureusement, cela ne serait pas évident en regardant le schéma du système et le circuit équivalent résultant de cette pratique est illustré à la figure 16.

Figure 16

Véritable "mise à la terre" !

Étant donné que le chemin conducteur du châssis est très petit (par rapport à la terre), il peut y avoir une impédance de chemin importante (Figure 16), ce qui entraîne des conditions de « décalage de masse » inexpliquées.

Signal "Mise à la terre"

La connexion du retour du signal au châssis conducteur peut entraîner des résultats indésirables en raison de l'impédance dans le trajet du courant du signal et/ou de la présence d'autres courants de retour (Figure 17).

Figure 17 : Schéma d'un retour de signal

Retour du signal - Meilleure pratique

La meilleure solution consiste à isoler le retour du signal des chemins conducteurs qui ne sont pas bien contrôlés ou qui peuvent avoir des courants parasites (Figure 18).

Figure 18 : Isolation du retour du signal du chemin conducteur

Résumé

Il existe des réalités indéniables de conducteurs dont nous devons être conscients lorsque nous travaillons avec des circuits :

Et la morale est que tout chemin conducteur doit être évalué - pas seulement supposé !

Les références

Cet article est basé sur une présentation faite lors de l'atelier "Fundamentals" au Symposium IEEE EMC 2011 et est un exemple du type de matériel discuté lors des sessions Fundamentals.

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