SCHEMA ET PLAN ELECTRONIQUE (partie 3/4)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de - dessiner à la main un schéma électronique conforme aux normes IEC 60617 et aux règles de sécurité électrique NF C 15‑100 en respectant les règles de lisibilité et de sécurité ; - réaliser un schéma électronique avec le logiciel Proteus ISIS et effectuer le routage avec Proteus ARES en suivant une méthodologie de projet professionnel ; - vérifier la cohérence d’un schéma (continuité, isolation, règles de distance) et générer les fichiers de fabrication (Gerber) nécessaires à la réalisation d’un circuit imprimé au Cameroun. **Prérequis** : maîtriser les notions de base en électronique (tension, courant, résistance, loi d’Ohm), connaître les symboles des composants passifs et actifs les plus courants (résistance, condensateur, diode, transistor, CI), savoir lire un tableau de valeurs et comprendre l’utilisation d’une breadboard pour le prototypage. --- ## Introduction contextualisée Dans les entreprises camerounaises de maintenance industrielle, de télécommunications ou d’énergie renouvelable, le schéma électronique constitue le langage commun entre le technicien de bureau, le technicien de chantier et le responsable de la production. Un schéma bien réalisé permet de réduire les temps de dépannage, d’assurer la traçabilité des modifications et de respecter les exigences de sécurité électrique (NF C 15‑100, IEC 60364). Le passage du dessin à la main à la conception assistée par ordinateur (CAO) avec la suite Proteus (ISIS pour le schéma, ARES pour le routage) répond à la nécessité de produire des documents exploitables directement pour la fabrication de circuits imprimés (CI) dans les ateliers locaux ou auprès de sous‑traitants régionaux. Ce chapitre présente, étape par étape, les méthodes de dessin utilisées en première année de la série MIE, conformément au programme officiel MINESEC/IGE. --- ## I. Leçon 18 : Dessin des Schémas et plans cas 1 ### A. Principes généraux du schéma électronique Un schéma électronique représente les connexions électriques entre les composants sans tenir compte de leur disposition physique. Il doit être **lisible**, **univoque** et **conforme** aux normes internationales des symboles (IEC 60617) et aux règles de sécurité électrique (NF C 15‑100). > **Règle de base** : chaque fil est représenté par une ligne continue ; un point noir indique une connexion réelle, tandis qu’une traversée sans point signifie que les fils ne sont pas connectés. ### B. Symboles normalisés | Famille de composants | Symbole IEC | Exemple d’utilisation | |-----------------------|------------|-----------------------| | Résistance | ![Résistance] | Limitation de courant | | Condensateur | ![Condensateur] | Filtrage, temporisation | | Diode | ![Diode] | Protection contre les inversions de polarité | | Transistor bipolaire | ![Transistor NPN] | Amplification, commutation | | Circuit intégré | ![CI] | Fonctions logiques ou analogiques | *(Les images sont à remplacer par les symboles réels dans le support de cours.)* ### C. Étapes de dessin à la main 1. **Analyse du cahier des charges** : déterminer les fonctions (alimentation, traitement, sortie). 2. **Choix de l’échelle** : généralement 1 cm sur le schéma correspond à 2 mm réels (échelle 5:1) pour faciliter la lecture. 3. **Placement des blocs fonctionnels** : alimentation en haut ou à gauche, signaux d’entrée à gauche, sortie à droite. 4. **Tracé des connexions** : utiliser une règle et un crayon à papier de dureté HB ; vérifier les points de connexion. 5. **Vérification** : relire le schéma en suivant chaque nœud de connexion pour s’assurer de la continuité. 6. **Encrage** : repasser les lignes définitives à l’encre noire ou au stylo technique de 0,25 mm. 7. **Légende et titre** : indiquer le nom du circuit, la date, le nom du dessinateur et la référence du projet. ### D. Exemple de schéma simple (alimentation 5 V avec régulateur LM7805) - **Composants** : transformateur 12 V AC, redresseur en pont (4 diodes 1N4007), condensateur de lissage 1000 µF/25 V, régulateur LM7805, condensateur de sortie 100 µF/10 V. - **Procédure** : dessiner le redresseur en pont, placer le condensateur de lissage en parallèle aux sorties du pont, ajouter le LM7805 avec son entrée reliée au + du pont, la masse commune, puis la sortie 5 V avec le condensateur de sortie en parallèle. > **Formule de tension de ripple** (approximée) : > \( V_{ripple} \approx \frac{I_{load}}{2 f C} \) > où \(I_{load}\) = courant de charge (A), \(f\) = fréquence du réseau (50 Hz au Cameroun), \(C\) = capacité de lissage (F). ### E. Règles de lisibilité et de sécurité - Espacer suffisamment les symboles (au moins 2 mm entre deux éléments). - Utiliser des lignes de connexion horizontales ou verticales autant que possible ; éviter les diagonales. - Indiquer clairement les valeurs des composants (ex. : 10 kΩ, 100 nF). - Respecter les distances d’isolement minimale selon la tension de service (ex. : pour 230 V AC, distance ≥ 1,0 mm). --- ## II. Leçon 19 : Dessin des Schémas et plans cas 2 ### A. Schémas de puissance et de commande Dans un schéma, on distingue souvent deux parties : - **Partie puissance** : chemins de courant élevé (moteurs, chauffages, alimentations). - **Partie commande** : signaux faibles (capteurs, microcontrôleurs, interfaces). Cette séparation facilite la lecture et permet d’appliquer des règles de routage différentes (largeur de piste, épaisseur de cuivre). ### B. Representation des connexions terrestres, blindages - La **masse** (ground) est représentée par une ligne épaisse ou par le symbole de terre IEC. - Tous les points de masse doivent être reliés à un **plan de masse** commun afin de réduire les impédances de retour. - Les **blindages** des câbles sont dessinés comme un fil relié à la masse à une extrémité seulement (pour éviter les boucles de masse). > **Règle de mise à la terre** : chaque appareil métallique exposé doit être relié à la terre de protection avec un conducteur de section minimale de 2,5 mm² (Cu) pour les installations de basse tension au Cameroun. ### C. Utilisation des couches (plan de masse, plan d’alimentation) Dans un circuit imprimé multicouche, on réserve souvent : - **Couche supérieure** : composants et pistes de signal. - **Couche intérieure 1** : plan de masse continu. - **Couche intérieure 2** : plan d’alimentation (ex. : +5 V, +12 V). - **Couche inférieure** : restantes pistes de signal. Cette disposition réduit le bruit et améliore la capacité de courant des plans d’alimentation. ### D. Exemple de schéma d’un ampli audio classe D - **Étage d’entrée** : préamplificateur opérationnel (TL072) avec réglage de gain. - **Modulateur PWM** : comparateur (LM393) générant un signal carré à fréquence fixe (300 kHz). - **Étage de puissance** : MOSFETs en configuration half‑bridge (IRF540N) pilotés par le PWM. - **Filtre passe‑bas** : bobine 10 µH + condensateur 1 µF restituant l’audio. - **Alimentation** : +24 V et –24 V symétriques, découplés par des condensateurs 100 µF/35 V en parallèle avec 100 nF céramique. ### E. Vérification de cohérence (continuité, isolation) 1. **Continuité** : vérifier que chaque nœud indiqué par un point noir est bien relié à toutes les branches attendues. 2. **Isolation** : s’assurer que les pistes à haute tension (ex. : 230 V) sont séparées des pistes de commande par au moins la distance d’isolement calculée (voir tableau ci‑dessous). 3. **Valeurs des composants** : confirmer que les valeurs inscrites correspondent aux pièces disponibles en magasin (ex. : résistances E12, condensateurs E6). > **Tableau de distances d’isolement (NF C 15‑100)** > | Tension de service (V) | Distance minimale (mm) | > |------------------------|------------------------| > | ≤ 50 | 0,2 | > | 51 – 150 | 0,5 | > | 151 – 300 | 1,0 | > | 301 – 600 | 1,8 | > | > 600 | 2,5 | --- ## III. Leçon 20 : Dessin des Schémas et plans Par proteus (ARES) ### A. Présentation de Proteus ARES Proteus ARES est le module de routage de la suite Proteus Design Suite. Il permet de passer du schéma (ISIS) au tracé de pistes, de réaliser la vérification de règles de conception (DRC) et de générer les fichiers Gerber nécessaires à la fabrication du CI. ### B. Création d’un nouveau projet, bibliothèques 1. Lancer **Proteus ISIS** → *File > New Project*. 2. Nommer le projet (ex. : `ControleMoteur_PWM`). 3. Choisir le dossier de travail (ex. : `C:\Projets\Elec\`). 4. Dans la boîte de dialogue *Libraries*, ajouter les bibliothèques standards (`BASE`, `IC`, `POWER`) et, si nécessaire, des bibliothèques personnalisées contenant des composants locaux (ex. : relais 24 V utilisés dans les pompes d’irrigation camerounaises). ### C. Placement des composants, routage automatique vs manuel - **Placement** : glisser‑déposer chaque composant depuis la bibliothèque sur la feuille de schéma. Utiliser l’alignement (grille 1 mm) pour garder un ordre logique. - **Routage automatique** : lancer *Tools > Auto Router* ; choisir une classe de largeur de piste (ex. : 0,25 mm pour signaux, 0,5 mm pour alimentation). - **Routage manuel** : ajuster les pistes critiques (horloges, entrées analogiques) en désactivant le routeur automatique pour ces nets. > **Règle de largeur de piste** : pour un courant de 1 A avec une hausse de température de 10 °C, une piste cuivre de 35 µm d’épaisseur nécessite environ 0,25 mm de largeur (formule : \(W = \frac{I}{k \cdot \Delta T^{0,44}}\) avec k≈0,048 pour Cu extérieur). ### D. Génération du fichier Gerber, vérification DRC 1. Dans ARES, ouvrir *Output > Gerber Files*. 2. Sélectionner les couches à exporter : Top Copper, Bottom Copper, Solder Mask, Silkscreen, Drill. 3. Définir l’unité (mm) et le format (2,4). 4. Lancer *Design Rule Check* (DRC) : vérifier les règles d’espacement, de largeur de piste, de diamètre de perçage, de clearance masque‑soudure. 5. Corriger les erreurs signalées (ex. : piste trop proche d’un pad, via trop petit). 6. Exécuter *Generate Gerber* ; les fichiers obtenus seront transmis au fabricant de CI (souvent un sous‑traitant au Douala ou à Yaoundé). ### E. Exercice guidé : schéma d’un contrôleur de moteur à PWM avec PIC16F877A **Objectif** : réaliser le schéma complet d’un variateur de vitesse pour un moteur DC 12 V, commandé par un PIC16F877A générant un PWM à 20 kHz. **Étapes** : 1. Placer le PIC16F877A, ajouter le cristal 4 MHz et ses deux condensateurs de 22 pF. 2. Connecter la broche RC2 (CCP1) à la **grille** d’un transistor MOSFET (IRLZ44N) via une résistance de 150 Ω. 3. Alimenter le VDD du PIC à +5 V (régulateur LM7805) et VSS à la masse. 4. Ajouter une diode de roue libre (1N5819) en parallèle avec les bornes du moteur. 5. Placer un potentiomètre de 10 kΩ sur l’entrée analogique RA0 pour varier le rapport cyclique. 6. Effectuer le routage en séparant clairement les pistes d’alimentation moteur (largeur 0,5 mm) des pistes de signal (largeur 0,25 mm). 7. Lancer la DRC, corriger les éventuels overlaps, puis générer les Gerbers. **Résultat attendu** : un schéma où le moteur reçoit une tension moyenne proportionnelle à la position du potentiomètre, avec une fréquence de commutation de 20 kHz assurant un fonctionnement silencieux. ### F. Exportation et impression - Dans ISIS, utiliser *File > Print Preview* pour vérifier l’échelle (souvent 100 % = 1 mm sur le papier). - Exporter au format PDF pour l’archivage ou l’impression en atelier. - Conserver une copie du fichier .DSN (schéma) et .PCB (routage) sur un support de sauvegarde externe (clé USB ou serveur scolaire). --- ## Synthèse du chapitre - Le schéma électronique doit respecter les normes internationales des symboles (IEC 60617) et les règles de sécurité électrique (NF C 15‑100) : lisibilité, unicité, représentation correcte des connexions. - Le dessin à la main suit une séquence : analyse, placement des blocs, tracé des connexions, vérification, encrage, légende. - Les schémas de puissance et de commande sont séparés pour faciliter le routage et l’application de règles de courant et d’isolement. - Les plans de masse et d’alimentation améliorent la compatibilité électromagnétique et réduisent les chutes de tension. - Proteus (ISIS pour le schéma, ARES pour le routage) permet le passage du schéma au routage automatique ou manuel, la vérification DRC et la génération des fichiers Gerber. - Largeur de piste, distance d’isolement et diamètre de via sont déterminés par le courant à transporter et la tension de service (voir tableaux et formules). - Un bon schéma inclut toujours un titre, une date, le nom du dessinateur et la référence du projet, ainsi que les valeurs nominales de chaque composant. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Schéma électronique | Représentation normalisée des connexions électriques entre les composants d’un circuit, sans indication de leur disposition physique. | | Plan de masse | couche conductrice reliée à la terre de référence, destinée à fournir un retour de courant à faible impédance et à réduire le bruit. | | Largeur de piste | dimension transversale d’une piste de cuivre sur un CI, fonction du courant à transporter et de la hausse de température admissible. | | Distance d’isolement | écart minimal entre deux conducteurs de potentiels différents, imposé par la norme pour éviter les arcs ou les décharges. | | Via | connexion métallique traversant une ou plusieurs couches d’un CI, permettant le passage d’un signal d’une couche à l’autre. | | DRC (Design Rule Check) | vérification automatisée des règles de conception (espacement, largeur, diamètre de perçage) dans un logiciel de CAO. | | Fichier Gerber | format standard décrivant chaque couche d’un circuit imprimé (cuivre, masque, sérigraphie, perçage) utilisé par les fabricants. | | PWM (Pulse Width Modulation) | technique de modulation où la largeur d’un pulse varie pour contrôler la puissance moyenne délivrée à une charge. | | Diode de roue libre | diode placée en parallèle avec une charge inductive pour fournir un chemin de courant lorsque l’interrupteur s’ouvre, limitant les surtensions. | | Cristal quartz | composant piézoélectrique fournissant une fréquence de référence stable pour les microcontrôleurs. | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Schéma d’alimentation régulée 12 V → 5 V **Consigne** : Dessinez à la main le schéma d’une alimentation qui prend une tension de 12 V CC (issue d’une batterie de secours) et fournit une tension régulée de 5 V / 2 A à l’aide d’un régulateur LM7805. Incluez les condensateurs d’entrée et de sortie, ainsi qu’une diode de protection contre les inversions de polarité. **Corrigé** : 1. Placer la borne + de la batterie à l’entrée du LM7805 (pin VIN). 2. Placer une diode 1N5408 en série avec l’entrée, cathode vers le LM7805, pour protéger contre une inversion de polarité. 3. Ajouter un condensateur céramique de 0,1 µF en parallèle à l’entrée (entre VIN et GND) et un condensateur électrolytique de 470 µF/25 V en parallèle à l’entrée pour filtrer les variations lentes. 4. Relier la pin VOUT du LM7805 à la sortie +5 V. 5. Placer un condensateur électrolytique de 220 µF/10 V en parallèle à la sortie (entre VOUT et GND) et un condensateur céramique de 0,1 µF en parallèle pour améliorer la réponse en haute fréquence. 6. Relier toutes les masses (GND du LM7805, des condensateurs et de la batterie) à un point commun. 7. Vérifier que les valeurs des condensateurs respectent les recommandations du datasheet (entrée ≥ 0,33 µF, sortie ≥ 0,1 µF). > **À retenir** : Le régulateur LM7805 nécessite un condensateur d’entrée d’au moins 0,33 µF et un condensateur de sortie d’au moins 0,1 µF pour assurer la stabilité. ### Exercice 2 – Routage d’un signal d’horloge sur un CI à deux couches **Consigne** : Dans Proteus ARES, réalisez le routage d’un signal d’horloge à 10 MHz entre un microcontrôleur (ATmega328P) et un périphérique (module RF) sur un circuit imprimé à deux couches (Top et Bottom). La largeur de piste doit être adaptée pour une impédance caractéristique de 50 Ω. La couche supérieure contient les composants, la couche inférieure est réservée au routage. **Corrigé** : 1. Placer l’ATmega328P en haut à gauche du schéma, le module RF en haut à droite. 2. Dans ARES, définir la classe de règle « Clock » avec une largeur de piste de 0,20 mm et un écartement de 0,20 mm (valeurs obtenues à l’aide d’un calculateur de ligne microstrip pour FR‑4, épaisseur cuivre 35 µm, hauteur diélectrique 1,6 mm). 3. Activer le routage manuel pour le net d’horloge : cliquer sur la broche de sortie du timer (OC0A) du ATmega, tracer une piste sur la couche Top jusqu’à la limite du composant, puis passer à la couche Bottom via un via (diamètre de perçage 0,6 mm, diamètre du pad 1,0 mm). 4. Continuer le routage sur la couche Bottom en ligne droite jusqu’à la broche d’entrée du module RF, puis repasser sur la couche Top via un second via pour atteindre la broche. 5. Lancer la DRC : vérifier que aucune piste d’horloge n’est à moins de 0,20 mm d’une autre piste (sauf les plans de masse) et que les vias respectent le diamètre minimal. 6. Ajouter un plan de masse sur la couche Bottom (en laissant des dégagements autour des pistes d’horloge) pour réduire le rayonnement. 7. Générer les fichiers Gerber et les envoyer au fabricant. > **À retenir** : Pour une ligne microstrip sur FR‑4 (εr≈4,5), une largeur de 0,20 mm avec une épaisseur de cuivre de 35 µm et une hauteur diélectrique de 1,6 mm donne une impédance proche de 50 Ω, adaptée aux signaux d’horloge rapides. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | Oublier de représenter un point de connexion à une intersection de lignes | Le schéma indique une connexion inexistante → circuit non fonctionnel | Toujours placer un point noir solide lorsqu’une ligne rencontre une autre ligne ou un pad de composant. | | 2 | Utiliser une largeur de piste insuffisante pour le courant d’alimentation | Surchauffe, augmentation de la résistance, risque de détérioration du CI | Calculer la largeur de piste à partir du courant attendu (ex. : 1 A → ≥ 0,25 mm pour Cu 35 µm, ΔT=10 °C) et vérifier avec un outil de calcul. | | 3 | Placer un via trop près du bord d’un pad de composant | Risque de court‑circuit lors du soudure ou de décollement du pad | Respecter une distance minimale de 0,20 mm entre le bord du via et le bord du pad (valeur courante pour les règles de fabrication standard). | | 4 | Ne pas séparer les pistes de puissance et de signal | Couplage de bruit, perturbation des signaux sensibles (ex. : entrées analogiques) | Affecter des zones dédiées : puissance en haut ou en bas du schéma, signaux au centre ; garder un écartement d’au moins 2,5 mm entre les zones si possible. | | 5 | Omettre la diode de roue libre sur une charge inductive | Tension de pointe pouvant détruire le transistor de commande | Toujours ajouter une diode de récupération (ex. : 1N5819) en parallèle avec la charge inductive, cathode vers le + d’alimentation. | | 6 | Ne pas vérifier les règles d’isolement pour les hautes tensions (≥ 230 V) | Risque d’arc, non‑conformité aux normes de sécurité, danger pour l’utilisateur | Consulter le tableau de distances d’isolement (NF C 15‑100) et appliquer l’écart minimal correspondant à la tension de service (ex. : ≥ 1,8 mm pour 300‑600 V). | --- *Fin du cours.*