Composants PCB : types, fonctions et pièces matérielles

Un circuit imprimé ne fonctionne que lorsqu’il est rempli des bons composants. Les résistances, les condensateurs, les diodes, les transistors, les circuits intégrés, les connecteurs et les pièces de sécurité ont chacun un rôle dans le contrôle, l’alimentation et la protection des circuits. Cet article explique ces composants, leurs fonctions, leurs marquages et leurs utilisations, en donnant des informations claires et détaillées sur les bases des circuits imprimés.

Présentation des composants de la carte de circuit imprimé

Une carte de circuit imprimé est bien plus que des traces de cuivre collées à de la fibre de verre ; C’est le cœur de chaque appareil électronique. Sans composants, un PCB n’est qu’une feuille de chemins de cuivre isolés sans capacité d’effectuer des tâches. Une fois peuplé de résistances, de condensateurs, de semi-conducteurs, de connecteurs et de dispositifs de protection, il se transforme en un système électronique complet capable d’alimenter, de traiter et de communiquer avec d’autres appareils. La fonctionnalité provient de l’équilibre entre les composants passifs, responsables du contrôle du flux de courant, du filtrage des signaux et de la division des tensions, et les composants actifs, qui amplifient, régulent et calculent.

Sérigraphie et polarité dans les composants PCB

Étiquettes sérigraphiées sur les circuits imprimés

La sérigraphie est le texte blanc et les symboles imprimés sur un circuit imprimé. Il fournit des références rapides pour identifier les composants lors de l’assemblage, des tests ou de la réparation. Ces marquages permettent de gagner du temps en fournissant un guide sans qu’ils aient à se référer toujours au schéma.

Désignateurs de sérigraphie courants

La sérigraphie utilise des lettres pour représenter les composants :

• R = Résistance

• C = Condensateur

• D = Diode

• Q = Transistor

• U / IC = Circuit intégré

• F = Fusible

• J ou P = connecteur

• K = Relais

Indicateurs de polarité pour les composants

De nombreuses pièces sont directionnelles et doivent être installées correctement. Les marques de polarité comprennent :

• Diodes - la bande marque la cathode

• Condensateurs électrolytiques - symbole « - » sur le corps

• LED - le côté plat marque la cathode

• Circuits intégrés - Broche 1 identifiée par un point, une encoche ou un chanfrein

Composants de circuits imprimés passifs courants

Composants discrets de circuits imprimés

Diodes

Les diodes sont des composants de base d’une carte de circuit imprimé qui permettent au courant de circuler dans une seule direction. Cette propriété protège les circuits contre les dommages causés par la tension inverse et est requise dans les redresseurs, les réseaux de serrage et les systèmes de protection contre les surtensions. Leur symbole « D » sur la sérigraphie permet une identification rapide.

Diodes électroluminescentes (LED)

Les LED fonctionnent à la fois comme des indicateurs et des sources lumineuses sur les circuits imprimés. Ils sont utilisés pour les signaux d’état, le rétroéclairage de l’écran et l’opto-isolation. La polarité doit être respectée ; La cathode est notamment marquée d’un bord plat ou d’une bande. Leur efficacité et leur faible consommation d’énergie les rendent indispensables dans l’électronique moderne.

Transistors (BJT et MOSFET)

Les transistors contrôlent le courant et la tension en agissant comme des amplificateurs ou des commutateurs. Les transistors à jonction bipolaire (BJT) excellent dans l’amplification, tandis que les MOSFET dominent la commutation de puissance en raison de faibles pertes et d’une vitesse élevée. Sur les PCB, ils sont principalement dans la régulation de puissance, la logique numérique et le traitement du signal.

Régulateurs de tension

Les régulateurs de tension garantissent qu’un circuit reçoit une tension constante et stable, même lorsque l’alimentation varie. Les sorties courantes incluent 5 V, 3,3 V et 12 V. Disponibles à la fois dans les types linéaires et à commutation, ils sont essentiels pour l’alimentation des circuits intégrés et des charges sensibles. Ceux-ci sont étiquetés U ou IC sur les désignateurs sérigraphiés.

Composants de circuits imprimés intégrés

Composants d’interconnexion de circuits imprimés

Embases et prises à broches

Les embases à broches et les prises sont largement utilisées pour les connexions modulaires. Ils permettent d’étendre, de tester ou de remplacer facilement les modules. Présents dans les cartes de développement, les shields Arduino et les systèmes embarqués, ils facilitent le prototypage et les mises à niveau.

Connecteurs USB

Les connecteurs USB - Type-A, Type-B, Type-C et Micro-USB - constituent l’interface universelle pour le transfert de données et l’alimentation. Sur les circuits imprimés, ils prennent en charge la charge, la communication et la connectivité des périphériques entre les appareils électroniques, les ordinateurs portables et les équipements industriels.

Connecteurs coaxiaux RF

Les connecteurs RF tels que SMA, MMCX et U.FL sont conçus pour les applications à haute fréquence. Ils garantissent une perte de signal minimale et des performances stables dans les appareils de communication sans fil, les antennes et les modules IoT.

Connecteurs de bord

Les connecteurs de bord sont intégrés dans le bord du PCB lui-même et s’accouplent avec des emplacements dans les cartes mères ou les cartes d’extension. Courants dans les GPU, les cartes PCIe et les modules de mémoire, ils gèrent efficacement les signaux d’alimentation et à haut débit.

Composants de protection de l’alimentation des circuits imprimés

Fusibles

Les fusibles sont des dispositifs sacrificiels étiquetés avec F sur les PCB. Ils coupent le circuit lorsque le courant circule excessivement, évitant ainsi les risques de surchauffe et d’incendie. Placés à proximité des lignes d’entrée d’alimentation, ils constituent le premier niveau de défense contre les pannes.

Diodes TVS

Les diodes de suppression de tension transitoire (TVS), marquées D, bloquent les pics de tension soudains causés par une décharge électrostatique (ESD) ou des surtensions. Ils sont positionnés à proximité des ports USB, Ethernet et HDMI pour protéger les lignes de données et les circuits intégrés contre les dommages transitoires.

Varistances à oxyde métallique (MOV)

Les MOV sont des résistances non linéaires qui absorbent les surtensions à haute énergie du secteur CA. Installés aux points d’entrée des circuits, ils protègent les appareils des coups de foudre ou des réseaux électriques instables en détournant l’énergie excédentaire en toute sécurité.

Perles de ferrite

Les billes de ferrite, marquées FB, agissent comme des filtres pour bloquer les interférences électromagnétiques à haute fréquence (EMI). Placés à proximité des régulateurs et des broches d’entrée/sortie, ils suppriment le bruit de commutation et améliorent la stabilité du circuit.

Composants électromécaniques et de synchronisation de la carte de circuit imprimé

Commutateurs

Les commutateurs font partie des pièces électromécaniques les plus basiques d’un circuit imprimé. Disponibles en version tactile, coulissante ou DIP, ils vous permettent de fournir une entrée directe, de configurer des états logiques ou de déclencher des fonctions telles que la réinitialisation, la mise sous/hors tension ou la sélection de mode.

Relais

Les relais permettent à un circuit de commande à faible puissance de commuter en toute sécurité des charges à haute puissance. En utilisant une bobine électromagnétique pour ouvrir ou fermer les contacts, ils assurent une isolation électrique entre les signaux logiques et les charges lourdes. Courant dans l’automatisation, le contrôle des moteurs et les PCB industriels.

Cristaux

Les cristaux de quartz fournissent des signaux d’horloge extrêmement stables dans la gamme des MHz. Ceux-ci sont essentiels dans la synchronisation des microcontrôleurs, la communication de données et les circuits de synchronisation, garantissant des performances fiables sur l’ensemble des systèmes numériques.

Oscillateurs

Les oscillateurs sont des modules d’horloge autonomes qui génèrent une fréquence fixe sans composants externes supplémentaires. Ils sont utilisés dans les processeurs, les modules de communication et les circuits de synchronisation pour assurer un fonctionnement stable et précis.

Matériel PCB de base

Entretoises

Des entretoises séparent le circuit imprimé du châssis ou de la surface de montage. En empêchant le contact direct, ils réduisent les contraintes des joints de soudure, protègent les traces des courts-circuits et permettent à l’air de circuler sous la carte. Cette petite entretoise aide à arrêter la fissuration de la soudure due à la flexion ou aux vibrations de la carte.

Supports

Les supports sécurisent les connecteurs tels que les ports USB, HDMI ou Ethernet au châssis. Sans eux, le branchement et le débranchement des câbles exercent des contraintes répétées sur le PCB lui-même, entraînant des fissures et des pastilles soulevées. Les supports transfèrent la charge mécanique au cadre, prolongeant ainsi la durée de vie du connecteur.

Guides de cartes

Les guides de carte alignent et stabilisent les cartes enfichables. Ils réduisent les vibrations, facilitent l’insertion/le retrait et empêchent les connecteurs de bord de se plier. Dans les environnements industriels ou automobiles où les chocs sont constants, les guides de carte sont essentiels pour la durabilité à long terme.

Coussinets thermiques et dissipateurs thermiques

Les composants tels que les régulateurs de tension, les MOSFET ou les processeurs génèrent de la chaleur qui dégrade les performances et raccourcit la durée de vie. Les coussinets thermiques améliorent le transfert de chaleur vers les dissipateurs thermiques, tandis que les dissipateurs thermiques dissipent la chaleur dans l’air ambiant. Ils empêchent la surchauffe et maintiennent la fiabilité du système.

Boîtiers et empreintes PCB

Trou traversant (THT)

Les pièces traversantes utilisent des fils insérés dans des trous percés et soudés du côté opposé. Ils offrent un support mécanique solide, sont excellents pour les vibrations et les contraintes, et sont faciles à prototyper. Cependant, ils prennent plus de place, ralentissent l’assemblage et ne sont pas idéaux pour les mises en page compactes. Ils sont courants dans les connecteurs, les relais et les composants d’alimentation.

Dispositifs à montage en surface (CMS)

Les CMS reposent directement sur les pastilles de circuit imprimé sans perçage. Ils sont compacts, légers et parfaits pour l’assemblage automatisé à haute densité. Les inconvénients sont une soudure manuelle plus difficile, des exigences de précision et une résistance mécanique moindre. Ils dominent l’électronique comme les smartphones, les ordinateurs portables et les appareils IoT.

BGA / QFN et packages avancés

Les boîtiers BGA et QFN placent des pastilles ou des billes de soudure sous le composant, ce qui permet un nombre élevé de broches et d’excellentes performances dans un espace réduit. Ils nécessitent une soudure par refusion, une inspection par rayons X et sont difficiles à retravailler. Ceux-ci sont utilisés dans les CPU, les SoC, les GPU et les puces RF pour les systèmes haute performance.

Composants de sécurité des circuits imprimés

• Le dégagement est l’espace d’air minimum entre deux conducteurs. Il empêche la formation d’arcs dans l’air en présence de tensions élevées.

• La ligne de fuite est la distance de surface minimale le long du circuit imprimé entre les conducteurs. Il empêche les fuites, le courant et le suivi de surface.

• Ces distances sont nécessaires pour un fonctionnement sûr et fiable des circuits imprimés dans les circuits haute tension tels que les alimentations, les onduleurs et les variateurs de moteur.

• L’espacement requis dépend de la tension de fonctionnement : des tensions plus élevées exigent une plus grande fuite et un plus grand dégagement.

• Le degré de pollution influence le risque : les environnements propres permettent des espacements plus serrés, tandis que les conditions humides, poussiéreuses ou industrielles nécessitent plus de distance.

• Le matériau CTI définit la qualité de l’isolation. Un indice CTI plus élevé signifie que le PCB peut tolérer en toute sécurité des chemins de fuite plus courts.

• Les normes de sécurité internationales (IEC, UL) fournissent des valeurs minimales de dégagement et de fuite pour différentes tensions, matériaux et environnements.

En conclusion

Les composants des circuits imprimés sont au cœur de tout appareil électronique. Qu’il s’agisse de pièces passives telles que des résistances, de circuits intégrés complexes ou de dispositifs de protection, chacun d’entre eux garantit stabilité, performances et sécurité. Ensemble, ils définissent la fiabilité et l’efficacité d’un système, faisant de leur compréhension les bases pour quiconque travaille avec l’électronique.

Foire aux questions [FAQ]

À quoi servent les condensateurs de découplage ?

Ils stabilisent l’alimentation du circuit intégré en filtrant le bruit et en fournissant des rafales d’énergie rapides.

Comment pouvez-vous repérer les composants PCB contrefaits ?

Vérifiez qu’il n’y a pas de mauvais marquages, de mauvais logos, un emballage inégal et achetez toujours auprès de distributeurs de confiance.

Que sont les points de test sur un PCB ?

Il s’agit de pastilles ou de broches qui vous permettent de mesurer des signaux et des tensions pour le débogage et les tests.

Comment les vias thermiques aident-ils à la conception de circuits imprimés ?

Ils transfèrent la chaleur des composants à d’autres couches de cuivre, améliorant ainsi le refroidissement et la fiabilité.

Quelle est la différence entre l’enrobage conforme et l’enrobage ?

Un revêtement est une fine couche protectrice, tandis que l’enrobage encapsule entièrement le PCB pour une protection plus forte.

Pourquoi le déclassement des composants est-il nécessaire ?

Il réduit le stress en utilisant des pièces en dessous de leur valeur nominale maximale, améliorant ainsi la fiabilité et la durée de vie.