Effet de peau dans une piste ?

[eSb`]

Bonjour,

Je suis en train de lire "Compatibilité electro-magnétique" d'A. Charoy et ai un peu de mal à comprendre l'effet de peau au niveau d'une piste de circuit imprimé.
Il y est dit page 25 : "Dès que l'on cherche à réduire les impédances et que les électrons refusent à fréquence élevée de pénétrer dans un conducteur, peu importe l'épaisseur de ce dernier. Pour réduire sa résistance, il convient de fournir aux courants le maximum de surface."

Je comprends l'effet de peau au sein d'un conducteur cylindrique (câble), mais ai plus de mal à le cerner avec un conducteur rectangulaire. Avec un conducteur cylindrique, si on se base sur une approximation d'épaisseur de peau (tout le courant passe dedans, rien dehors), je comprends bien l'idée de ne pas avoir un conducteur trop gros, ça ne sert à rien.
Je n'arrive pas à me représenter cela dans un conducteur rectangulaire.

Si je me base sur les cahiers techniques de Schneider (Lien) (voir page 11, Figure 8), je peux admettre ce principe (en pivotant le conducteur à 90° pour avoir une piste).

Cependant, y-a-t-il une manière intuitive de cerner le problème ?

Merci d'avance ; ).
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[f6bes]

(tout le courant passe dedans, rien dehors),

Bjr à toi,
Apparemment t'as MAL saisi "l'effet de peau".
En ALTERNATIF le courant à tendance à PASSER "dehors" (dans l'épaisseur de la peau) et NON PAS à l'intérieur.
Faut donc le MAXI de surface de la PEAU..... ronde ...ou...rectangulaire !

A+

[eSb`]

Salut,

Pour mon dedans/dehors, je parlais de l'épaisseur de peau ; ). Donc à "l'extérieur" du conducteur effectivement.

En fait, ce qui me pose problème est que dans un conducteur cylindrique, je vois bien un "cercle" limité par l'épaisseur de peau dans lequel passe le courant (entre lui et la surface extérieure du conducteur) et qui montre bien que si on prend un conducteur plus gros, on n'aura de toute façon qu'un passage sur le bord; d'où l'inutilité de cette augmentation de section.

Maintenant, je n'arrive pas à voir comment peut se répartir le courant sur un conducteur rectangulaire. J'ai l'impression que le phénomène est strictement identique, qu'on aura l'épaisseur de peau sur les côtés et que donc, surface grande ou pas, ça ne change rien vu que la surface effective de passage est fixée par l'épaisseur de peau.

Je me doute bien que ce raisonnement est faux, mais je ne vois pas vraiment où est l'erreur ; ).

[f6bes]

Bsr à toi,
C'est UNIQUEMENT la surface EXTERNE qui compte . C'est l'EPAISSEUR de peau.
Je vois pas ce qui te chagrines si sur un rectangle disons de 10x20 soit un périmétre de (10+20)x2=60 tu as 2 d'épaisseur de peau.
Y a rien de compliquer.
Prends une orange, t'enléves la peau, c'est là que le courant passe.
Ton orange tu lui fais la "tete au carré", t'enléves la peau,...ou est la différence !!
Bonne soirée

[A voir en vidéo sur Futura]

[PA5CAL]

Bonsoir

Pour mieux comprendre, sur la piste rectangulaire très plate d'un circuit imprimé, il n'y a finalement plus que la peau, c'est-à-dire la zone où passe le courant à haute fréquence. Ici, on redoute donc beaucoup moins cet effet que dans le cas d'un fil cylindrique dont le coeur finit par ne plus participer au passage du courant.

[eSb`]

Merci ; ).

Personnellement, je le vois comme ma pièce jointe où est l'épaisseur de peau. Est-ce correct ? (la partie hachurée serait celle où aucun courant ne passe)

Si oui, je ne vois pas la différence entre augmenter l'épaisseur de ma piste et l'élargir (tendre vers un plan de masse). En DC, je suis d'accord sur le fait qu'un maximum de surface va minimiser la résistance, mais ici, je ne saisis pas l'intérêt d'élargir plutôt qu'épaissir. Dans les deux cas, je vois cette épaisseur de peau contre laquelle on ne peut rien faire et qu'on augmente dans un sens ou dans l'autre, pour moi c'est pareil. On gagne de la surface, mais elle est identique dans les deux cas.

[Edition suite au message de PA5CAL]
Je suppose donc que mon dessin n'est pas correct (enfin si, si on a une épaisseur de piste trop importante) ? En fait, j'ai l'impression qu'il doit y avoir un effet sur les côtés gauche/droite, mais je ne saurais dire pourquoi : ). D'où mon problème de compréhension.

[Tropique]

En réalité les choses sont, comme toujours, légèrement plus complexes que dans les approximations théoriques:
D'abord, la "peau" et son épaisseur sont une vue de l'esprit: c'est la quantité apparente de matériau conducteur encore disponible lorsque la fréquence augmente. En fait, la densité de courant est maximale à la surface du conducteur, et décroît au fur et à mesure que l'on pénètre dans la masse (selon une fonction hyperbolique, si mes souvenirs ne me trahissent pas).
A une profondeur égale à l'épaisseur de peau, la densité de courant vaut encore 1/e de ce qu'elle est à la surface. Tous ces détails n'auraient qu'une importance académique pour des conducteurs réguliers, ayant une surface et un périmètre continus, mais pour des formes complexes et/ou asymétriques, ils comptent.

Idéalement, il faudrait faire une simulation numérique avec un résultat graphique en fausses couleurs pour se rendre compte de façon plus intuitive de la réalité; cela existe peut-être, je n'ai pas cherché.

Quoiqu'il en soit, même avec la simplification, tu peux te rendre compte sur ton croquis qu'il est plus avantageux de multiplier par deux la largeur de la piste, que de multiplier par deux son épaisseur: dans les deux cas tu doubles la surface totale de cuivre, mais en augmentant l'épaisseur, tu ne gagnes pratiquement pas de surface utile (l'épaisseur étant négligeable devant la largeur pour une piste imprimée).

Et tu as raison: il y a bien un effet gauche-droite, bien que très faible et négligeable en pratique: les lignes de courant vont avoir tendance à fuir le centre de la piste, et à se concentrer sur les côtés.

[eSb`]

Merci.

Pour le concept de peau, j'en suis bien conscient, mais je préfère comprendre le phénomène théorique et bien joli avant d'aller plus loin ; ).

En fait, c'est le fait de comparer une surface équivalente de cuivre qui me manquait dans mon raisonnement. Là, j'augmentais d'une valeur quelconque et évidemment, j'avais une augmentation de surface dans les deux cas.

Je suppose qu'on doit partir de l'hypothèse que l'épaisseur de la piste est faible au départ ? Parce que sinon, on peut revenir dans le cas inverse, avoir une épaisseur importante et une piste fine et alors, il est plus intéressant d'augmenter l'épaisseur.

Au fait, pourquoi cette utilisation d'un cuivre plus large qu'épais ? Est-ce simplement pour des problèmes industriels ou il y a une justification physique ?

[PA5CAL]

Je suppose qu'on doit partir de l'hypothèse que l'épaisseur de la piste est faible au départ ? Parce que sinon, on peut revenir dans le cas inverse, avoir une épaisseur importante et une piste fine et alors, il est plus intéressant d'augmenter l'épaisseur.

Au fait, pourquoi cette utilisation d'un cuivre plus large qu'épais ? Est-ce simplement pour des problèmes industriels ou il y a une justification physique ?

Pour ne parler que de l'effet de peau, on n'a strictement aucun intérêt à augmenter l'épaisseur. En effet, à quantité de métal égale, cela n'aurait pour effet que de réduire la surface extérieure du conducteur et par conséquent la section conductrice aux hautes fréquences.

D'autre part, on n'envisage pas d'utiliser des conducteurs avec des épaisseurs plus importantes dans les circuits imprimés parce que, notamment :
- Ce serait plus coûteux et plus difficile à réaliser (là c'est effectivement une problématique industrielle), voire inadéquat dans le cas de circuits multicouches. On le fait parfois, mais seulement quand c'est strictement nécessaire.
- La grande surface présentée par les configurations à faible épaisseur favorise l'évacuation de la chaleur, provenant tant de l'effet Joule dans les pistes elles-mêmes que des composants qui y sont soudés. Et comme on l'a dit, elle limite également l'effet de peau aux hautes fréquence en rentabilisant la quantité de métal utilisée.
- La résistance des pistes à basse fréquence, qui doit être réduite au minimum afin de limiter l'effet Joule, dépend de leur section. Or, les faibles épaisseurs couramment utilisées (le plus souvent 35µm) suffisent déjà à pratiquement tous les usages en adaptant la largeur dans des proportions acceptables.

Un conducteur beaucoup plus large qu'épais présente en pratique de très nombreux avantages, et si finalement on utilise des conducteurs plus épais, c'est le plus souvent pour résoudre des problèmes fonctionnels spécifiques (courants très importants, contraintes mécaniques, besoin de rigidité, besoin de flexibilité sur la largeur, utilisation d'une gaine isolante, réalisation d'un profil géométrique particulier...).

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[eSb`]

Merci pour cette réponse détaillée.

Je sais que cette question est absurde mais j'imagine la piste simplement pivotée de 90°. Donc concrètement, on a une "épaisseur" plus grande que large dans le sens où on a inversé largeur et épaisseur. (35µm de large et "ce qu'on veut" d'épaisseur)

Je suis donc d'accord pour les raisons telles que le multicouche mais pour le reste, je ne vois pas où se situerait la différence vu que la piste serait identique mais simplement pivotée.

De toute façon, je ne vais pas vous faire perdre du temps sur cette question qui me paraît assez dénuée de sens .

Le seul point qui me chiffonne, est cette notion "d'épaisseur", je ne vois pas pourquoi elle serait différente dans le cas que je présente. Ceci simplement pour clôturer le principe d'élargir plutôt qu'épaissir, si on n'a pas droit à ce cas absurde, alors oui, c'est totalement clair pour moi ; ).

[PA5CAL]

je ne vois pas où se situerait la différence vu que la piste serait identique mais simplement pivotée.

Électriquement parlant, pivoter la section de 90° ne changerait effectivement rien du tout. Par contre, pour tout le reste ça fait une GROSSE différence.


Pour fabriquer un circuit imprimé, on dépose une couche de cuivre par différents procédés électrolytiques, et on taille la largeur des pistes par gravure. Ainsi, il est facile de créer une piste de 35µm d'épaisseur sur 5mm de large, mais plutôt irréaliste de créer une piste de 5mm d'épaisseur et de 35µm de large en utilisant le même procédé.

Par ailleurs, l'un des intérêts du circuit imprimé est d'avoir des pistes solidement collées sur le substrat isolant, lequel leur sert de support mécanique rigide. Grâce à cela, les composants peuvent être fermement fixés à ce support grâce aux soudures avec les pistes. On ne peut donc pas imaginer une surface de contact entre les pistes et le substrat de seulement 35µm de large.

Le seul point qui me chiffonne, est cette notion "d'épaisseur", je ne vois pas pourquoi elle serait différente dans le cas que je présente. Ceci simplement pour clôturer le principe d'élargir plutôt qu'épaissir, si on n'a pas droit à ce cas absurde, alors oui, c'est totalement clair pour moi ; ).

Désolé, mais je ne comprends pas trop ce qui te chiffonne... Il faut dire qu'il est tard et que je n'ai plus les idées très claires.

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[eSb`]

Vous avez répondu à ce "chiffonnement" en disant qu'électriquement parlant, ça ne changerait rien ; ).