Considérations de conception à prendre en compte dans un environnement industriel difficile

L’utilisation de dispositifs électroniques et de détection sophistiqués pour améliorer et diversifier les processus de fabrication, d’usinage et de production dans les applications industrielles n’est possible que si tous les composants résistent à l’environnement difficile en question. Les systèmes doivent supporter des conditions chaudes, humides et difficiles, ainsi que des champs électriques et magnétiques destructeurs.

Les conditions environnementales spécifiques dans lesquelles un produit est utilisé affectent ses spécifications. Ces spécifications doivent être déterminées dès le départ. Parmi les conditions difficiles dans les applications industrielles, on trouve la pénétration de particules, les températures extrêmes, les impacts physiques, les décharges électrostatiques (ESD), les interférences électromagnétiques (EMI) et les vibrations. Toutes ces conditions, si elles ne sont pas vérifiées, détruiront l’équipement électronique au fil du temps. Cet article traite des considérations de conception critiques à prendre en compte dans un environnement industriel difficile.

Considérations relatives aux températures très élevées et à la température des semi-conducteurs

Les températures élevées sont un contributeur majeur à un environnement difficile. Un climat frais est une nécessité pour des performances opérationnelles efficaces des appareils électroniques. Le microclimat à l’intérieur du capot d’une automobile est toxique. La température ambiante y descend rarement en dessous de 125 °C. Les capteurs de combustion et de gaz d’échappement doivent fonctionner dans des environnements chauffés et difficiles. Les composants électroniques soumis à des températures élevées constituent le circuit de commande, administrant les actionneurs et les capteurs.

Lorsqu’ils sont utilisés dans des environnements à haute température, les composants électroniques doivent posséder un système de refroidissement actif ou passif pour maintenir les pièces dans leurs plages de température de fonctionnement respectives. Ce n’est pas pratique dans la plupart des situations du monde réel. La robustesse (des circuits internes) des semi-conducteurs est déterminée par la plage de température de fonctionnement, la protection contre les pannes, la gestion du bruit électrique élevé et les décharges électrostatiques. La robustesse est un facteur de performance crucial pour une exploitation prolongée et permet d’obtenir un produit final réputé et fiable. La durabilité est un facteur essentiel dans un écosystème industriel caractérisé par des conditions de fonctionnement extrêmes, avec des températures des circuits internes oscillant entre -40 °C et +85 °C. Les exploitations à température élevée ne sont pas prêtes de disparaître et l’industrie automobile enregistre parfois des températures de fonctionnement comprises entre -40 °C et +125 °C.

Des problèmes thermiques surviennent lorsque les appareils électroniques sont conservés dans un environnement intérieur industriel étanche à l’air. Les appareils dissipent la chaleur et la hausse des températures endommage les appareils s’ils sont mal gérés. Les régulateurs de tension et les circuits intégrés d’alimentation utilisent des systèmes d’arrêt thermique pour empêcher un tel scénario. Le choix de boîtiers avec des impédances thermiques très faibles aide à évacuer la chaleur de l’appareil. L’ajout de caloducs en aluminium ou de dissipateurs thermiques au boîtier concerné offre un chemin d’impédance thermique inférieur à l’air. Cela réduit la température de fonctionnement, améliorant considérablement sa fiabilité à long terme.

Gestion des transitoires de tension

Un câblage incorrect ou des courts-circuits accidentels provoquent des transitoires de tension sur les lignes d’alimentation. Ces transitoires peuvent endommager les circuits en aval si les entrées restent non protégées. Un circuit simple et discret constitué d’un fusible en série avec une diode suppresseuse de tension transitoire (TVS) ou une diode Zener, ou des varistances à oxyde métallique (MOV) sont généralement utilisés pour offrir une protection contre la plupart des transitoires de tension.

Figure 1 : Diode MOV, diode Zener et diode TVS (suppresseur de transitoires de tension)

Une approche plus contrôlée de la gestion des surtensions et des événements transitoires consiste à intégrer les circuits de réaction et le seuil de protection dans le circuit intégré. Les diodes internes et les comparateurs sont conçus dans de multiples circuits intégrés de protection et de supervision pour assurer une réponse définitive en tout temps. Quelques circuits intégrés incluent des protections contre les pannes dues à une haute tension pour les lignes de données. Un dispositif de protection contre les pannes se verrouille lorsque les niveaux de tension de ligne de données normaux sont dépassés pour se protéger contre les dommages. Un bon exemple est la famille de multiplexeurs MAX4708. Pour en savoir plus sur les produits de suppression de tension transitoire, cliquez ici.

Considérations relatives à la sécurité intrinsèque

La sécurité intrinsèque fait référence à une méthode de protection contre les explosions conçue pour protéger le circuit électrique. Les systèmes à sécurité intrinsèque limitent l’énergie même en cas de défaillances multiples. Ces barrières sont utilisées pour restreindre l’énergie déchargée en cas de défaillance d’un composant ou d’un câblage. Le but est d’arrêter l’allumage. Quelques recommandations pour la conception de la sécurité intrinsèque sont fournies ci-dessous.

Les batteries utilisées doivent être suffisamment robustes pour survivre aux conditions environnementales prévues. On doit trouver une fuite d’électrolyte minimale, ce qui peut se produire dans des environnements avec de nombreux courts-circuits.

Les pièces de stockage d’énergie comme les condensateurs, les inductances et les perles de ferrite peuvent être vulnérables au respect des paramètres d’allumage par étincelle. L’énergie disponible stockée dans ceux-ci doit être limitée de sorte qu’il n’y ait pas suffisamment d’énergie pour enflammer une atmosphère explosive. L’encapsulation est utilisée pour protéger les circuits contre tout risque d’allumage par étincelle.

Revêtements conformes

Les revêtements conformes sont essentiels pour améliorer les performances et la fiabilité à long terme des assemblages électroniques. Le produit offre une protection renforcée contre la poussière, les chocs, les vibrations, les produits chimiques, la saleté, l’abrasion, les champignons, l’humidité et les contraintes mécaniques. Parmi les revêtements conformes, on trouve : des formulations de durcissement par UV à un composant, des silicones à un et deux composants, des époxydes à un et deux composants et un système de latex spécialisé et économique. Pour en savoir plus sur les conseils de sécurité dans les environnements industriels difficiles, téléchargez le livre électronique Le guide ultime des évaluations et de la conception en environnements difficiles.

Indices de protection (IP) et NEMA

Un boîtier scellé est utilisé pour empêcher la pénétration d’eau ou de poussière. Le volume scellé dans l’espace est utilisé pour protéger les composants électroniques dans des environnements difficiles. La norme contextuelle est IEC 60529, telle que définie par la Commission électrotechnique internationale (IEC). Cette norme désigne le nombre de types et de degrés de protection offerts par un boîtier à ses équipements électriques. Le code IP lui-même est indiqué sous la forme « IP XY », où les chiffres X et Y indiquent respectivement la protection contre la pénétration de particules et l’eau. Elles sont couramment utilisées pour les applications exposées aux éléments, ainsi qu’à la poussière ou à l’humidité. Parmi les industries qui les utilisent généralement, on trouve la marine, les plateformes pétrolières et gazières offshore, la sécurité, l’éclairage, les loisirs et la transformation des aliments.

La National Electrical Manufacturers Association (NEMA) propose une norme populaire pour les boîtiers de protection similaire au code IP (IEC 60529). La norme NEMA 250 couvre un éventail plus large de conditions difficiles que le code IP. Elle comprend également des indices, à la fois dangereux et non dangereux, pour les emplacements intérieurs et extérieurs. Ces conditions incluent la pénétration de corps étrangers (comme de la poussière ou des fibres), de l’eau et d’agents corrosifs, y compris divers gaz et atmosphères. AE1360 est un exemple de boîtier métallique NEMA 4 IP66 pour une utilisation électrique dans un environnement industriel difficile. Pour en savoir plus sur les produits avec indices IP et NEMA, cliquez ici.

Figure 2 : Boîtier métallique, IP66, NEMA 4, électrique/industriel, acier, 600 mm, 600 mm, 350 mm, IP66

Considérations relatives aux connecteurs

Les concepteurs doivent prendre en compte de multiples facteurs tels que l’influence de la température, des solvants, du givrage, de l’exposition au sel, de l’humidité, de la corrosion et des champignons lors de la sélection d’un connecteur. Un mauvais choix peut affecter l’intégrité, les performances et la durée de vie de l’application. Quelques facteurs doivent être pris en compte lors de la sélection de connecteurs pour des environnements difficiles.

Les protocoles de communication sont une considération clé à prendre en compte pour les applications de communication. Les connecteurs transportent différents signaux tels que les interfaces en série RS232 ou I2C, les transmissions RF, les signaux audio et vidéo, l’alimentation ou les communications de données à haute vitesse. Le niveau des débits de données et les caractéristiques doivent être pris en compte. En ce qui concerne les besoins en énergie, le concepteur doit vérifier les exigences de tension et de courant.

Les besoins en espace sont exigeants à l’ère de la miniaturisation. Toutes les applications modernes passent à l’utilisation de puces et aux technologies qui offrent des fonctionnalités avancées dans des facteurs de forme réduits. Les ingénieurs en conception doivent veiller à opter pour des connecteurs en fonction de la demande.

Le style de terminaison est une autre considération. Les connecteurs pour les environnements difficiles fournissent une étanchéité métallique ainsi qu’une connexion électrique. Cette connexion électrique est réalisée en soudant le connecteur directement sur la carte ou via une terminaison de câble. Les connecteurs doivent protéger les composants de tous les rayonnements d’interférences électromagnétiques (EMI). Ces rayonnements peuvent soit passer dans le boîtier et empêcher le fonctionnement correct de l’appareil, soit s’échapper du boîtier et interférer avec d’autres appareils. Une sélection composée de quelques connecteurs équipés d’un joint conducteur et de coques métalliques plaquées assurent des performances EMI optimales dans les environnements difficiles.

Les connecteurs de la série MRD sont un excellent exemple de connecteurs industriels pour environnements difficiles, disponibles dans des facteurs de forme à 2, 3 et 4 positions. Les options de boîtier incluent des constructions en plastique ainsi que des corps de verrouillage en métal pour une plus grande durabilité. Les options de montage sur panneau et de terminaison de câble sont disponibles avec ou sans protection de contact. Ils bénéficient d’une protection IP67, sont étanches à l’eau et à la poussière et répondent aux exigences en matière d’environnement, de santé et de sécurité. Pour en savoir plus sur les produits de connexion, cliquez ici.

Figure 3 : Connecteur pour environnements difficiles, série MRD