FR3108227A1 - Carte électronique comportant des moyens de protection de haute impédance et boîtier électronique de mesure l’incorporant - Google Patents

Abstract

CARTE ÉLECTRONIQUE COMPORTANT DES MOYENS DE PROTECTION DE HAUTE IMPÉDANCE ET BOÎTIER ÉLECTRONIQUE DE MESURE L’INCORPORANT La carte électronique à circuit imprimé (CE) comporte au moins un circuit d’entrée de signal à haute impédance destiné à recevoir un signal de mesure à traiter par la carte, le circuit d’entrée de signal à haute impédance ayant au moins un composant électronique actif (CI, OP1, OP2) ayant une entrée à haute impédance (E1+, E2+) destinée à recevoir le signal à traiter. Conformément à l’invention, la carte comprend au moins une fente traversante (F1, F2, F3) aménagée dans le circuit imprimé et ayant un cheminement déterminé de façon à délimiter dans le circuit imprimé une zone physique (Z1, Z2) ayant une isolation électrique renforcée s’opposant à une circulation de courant électrique vagabond et dans laquelle est implantée au moins l’entrée à haute impédance (E1+, E2+) destinée à recevoir le signal à traiter. Fig.6

Description

CARTE ÉLECTRONIQUE COMPORTANT DES MOYENS DE PROTECTION DE HAUTE IMPÉDANCE ET BOÎTIER ÉLECTRONIQUE DE MESURE L’INCORPORANT

L’invention concerne de manière générale le domaine des cartes électroniques à circuit imprimé. Plus particulièrement, l’invention se rapporte à une carte électronique à circuit imprimé comportant au moins un circuit d’entrée de signal à haute impédance. L’invention se rapporte aussi à un boîtier électronique de mesure comportant une telle carte électronique, notamment pour la mesure du pH de l’eau dans une piscine.

Les entrées à haute impédance ont un intérêt particulier dans les cartes électroniques dédiées à la mesure. Une entrée à haute impédance s’avère souvent nécessaire lorsque la source d’un signal, par exemple un capteur ou une sonde de mesure, a une impédance interne de sortie élevée, de façon notamment à conserver un signal de mesure ayant une amplitude qui soit proportionnel au niveau interne de la sonde de mesure et ce indépendamment de la variation dans le temps de la haute impédance interne de cette sonde, le tout et étant peu sensible à un environnement perturbateur qui peut généralement facilement perturber un signal de ce type.. Dans un dispositif ou instrument de mesure, la présence d’un circuit d'entrée à haute impédance, par exemple un amplificateur opérationnel, permet de restituer un signal conditionné avec une impédance moins importante afin de procéder plus aisément à la mesure de ce signal.

Dans les cartes électroniques à circuit imprimé, dites «PCB» par l’homme du métier pour «Printed Circuit Board» en anglais, les caractéristiques de haute impédance des circuits d’entrée sont fréquemment sujettes à une dégradation dans le temps. Cette dégradation provient essentiellement de résistances parasites de fuite dont l’effet s’accroit avec le temps et qui sont dues pour une grande part à une contamination croissante de la surface de la carte de circuit imprimé par des moisissures, des sels, la poussière et d’autres débris divers.

Dans l’état de la technique, il est connu de faire appel à un agencement aérien de certains composants de façon à limiter les courants parasites ou de fuite, dits par la suite «courants vagabonds», et qui sont liés notamment à la surface contaminée de la carte de circuit imprimé.

La Fig.1 montre un exemple d’un agencement aérien de l’état de la technique. Deux résistances R1 et R2, ayant typiquement des valeurs ohmiques de plusieurs méga-ohms, sont connectées ici en aérien avec un condensateur C1 et R1 forment avec celui-ci un filtre RC de circuit d’entrée. A travers les résistances R1, R2 et le condensateur C1, un signal d’entrée, provenant par exemple d’un câble coaxial, est appliqué à une broche d’entrée B1 à haute impédance d’un amplificateur de mesure A1. Le signal est injecté dans le filtre RC par une patte d’électrode en l’air de la résistance R1. La broche d’entrée B1 est levée, pour être éloignée de la surface de la carte de circuit imprimé et des broches environnantes, et est soudée en l’air à une patte d’électrode de la résistance R2. Les résistances R1 et R2 sont soudées conjointement à une patte d’électrode du condensateur C1 ayant son autre patte d’électrode soudée sur la carte de circuit imprimé.

Un tel agencement aérien est réalisé manuellement au fer à souder et présente plusieurs inconvénients dont notamment un coût économique important, ainsi qu’une reproductibilité et une qualité qui ne sont pas optimales. Ainsi, par exemple, dans une carte électronique de mesure de pH, le coût de la reprise pour souder manuellement des composants peut représenter 10% à 20 % du coût total de la carte fabriquée automatiquement avec des techniques de composants montés en surface et/ou de soudure à la vague. La reproductibilité et la qualité de l’agencement réalisé manuellement ne sont pas optimales car liées à l’habileté et aux soins apportés par un opérateur humain. La soudure au fer occasionne des projections de flux, de soudure et des débordements de soudure, ce qui peut imposer un nettoyage ultérieur de la carte et au moins un contrôle visuel pour détecter un éventuel court-circuit. Par ailleurs, la robustesse mécanique de la carte est altérée par la présence de ces composants aériens, notamment la tenue au choc de la carte.

La présente invention a pour objectif de procurer une carte électronique à circuit imprimé comportant au moins un circuit d’entrée de signal à haute impédance et qui ne présente pas les inconvénients susmentionnés de la technique antérieure.

Selon un premier aspect, l’invention concerne une carte électronique à circuit imprimé comportant au moins un circuit d’entrée de signal à haute impédance destiné à recevoir un signal de mesure à traiter par la carte électronique, le circuit d’entrée de signal à haute impédance ayant au moins un composant électronique actif ayant une entrée à haute impédance destinée à recevoir le signal à traiter. Conformément à l’invention, la carte électronique comprend au moins une fente traversante aménagée dans le circuit imprimé et ayant un cheminement déterminé de façon à délimiter dans le circuit imprimé une zone physique ayant une isolation électrique renforcée s’opposant à une circulation de courant électrique vagabond et dans laquelle est implantée au moins l’entrée à haute impédance destinée à recevoir le signal à traiter.

Selon une caractéristique particulière, la carte électronique comprend au moins un pont de matière reliant la zone physique ayant une isolation électrique renforcée à une autre portion du circuit imprimé, et un moyen formant anneau de garde localisé au niveau du pont de matière de façon à empêcher une circulation de courant vagabond.

Selon une autre caractéristique particulière, la fente traversante a une largeur comprise entre 0,4 mm et 1,5 mm.

Selon encore une autre caractéristique particulière, la fente traversante a une largeur sensiblement égale à 0,8 mm.

Selon une forme de réalisation particulière, la carte électronique est une carte électronique de mesure de pH comprenant une prise d’entrée de signal, des premier et deuxième circuits d’entrée à haute impédance reliés respectivement à des première et deuxième bornes d’entrée de signal de la prise d’entrée de signal, et des premier et deuxième amplificateurs opérationnels ayant respectivement des première et deuxième entrées à haute impédance reliées respectivement aux premier et deuxième circuits d’entrée à haute impédance, et se caractérise en ce qu’elle comprend des première, deuxième et troisième fentes traversantes aménagées dans le circuit imprimé, les première et deuxième fentes traversantes délimitant une première zone physique ayant une isolation électrique renforcée dans laquelle est comprise la première borne d’entrée de signal et la première entrée à haute impédance du premier amplificateur opérationnel, et les deuxième et troisième fentes traversantes délimitant une deuxième zone physique ayant une isolation électrique renforcée dans laquelle est comprise la deuxième borne d’entrée de signal et la deuxième entrée à haute impédance du deuxième amplificateur opérationnel.

Selon une caractéristique particulière, la prise d’entrée de signal est une prise de type dit «BNC».

Selon un autre aspect, l’invention concerne aussi un boîtier électronique de mesure de pH comprenant une carte électronique telle que décrite brièvement ci-dessus.

Selon une caractéristique particulière, le boîtier électronique de mesure de pH comprend des moyens d’étanchéité agencés de façon à protéger la carte électronique contre une projection de fluide et/ou un contaminant.

Selon une autre caractéristique particulière, le boîtier électronique de mesure de pH comprend des moyens d’étanchéité dédiés à la prise de type «BNC».

L’invention concerne aussi un système de traitement d’eau pour piscine comprenant un boîtier électronique de mesure de pH comme indiqué ci-dessus.

D’autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-dessous de plusieurs formes de réalisation particulières en référence aux dessins annexés, dans lesquels:

La Fig.1 est un dessin simplifié en perspective d’une portion de carte électronique de la technique antérieure comportant un circuit d’entrée avec un agencement aérien de composants.

La Fig.2 est un schéma général d’un système de traitement d’eau pour une piscine dans lequel est incorporée une forme de réalisation particulière d’une carte électronique selon l’invention.

La Fig.3 est une vue extérieure partielle, en perspective, d’un boîtier électronique étanche renfermant la carte électronique selon l’invention susmentionnée, dans le système de traitement d’eau de la Fig.2.

La Fig.4 est une vue intérieure partielle, en perspective, du boîtier électronique étanche de la Fig.3, montrant la carte électronique selon l’invention contenue dans celui-ci.

La Fig.5 est une vue partielle de la carte électronique selon l’invention contenue dans le boîtier des Figs.3 et 4, montrant un agrandissement d’un étage d’entrée de signal de celle-ci.

La Fig.6 est une vue simplifiée de l’étage d’entrée de signal de la Fig.5, montrant un agencement de fentes traversantes aménagées dans le circuit imprimé de la carte électronique selon l’invention.

La Fig.7 est un schéma électrique de l’étage d’entrée de signal de la carte électronique.

L’invention est décrite ici dans le contexte d’un système de traitement d’eau STA pour une piscine PS, qui est représenté schématiquement à la Fig.2.

Comme visible à La Fig.2, le système de traitement d’eau STA comprend essentiellement un dispositif de pompage et filtrage d’eau PFE, un dispositif de mesure de pH, un dispositif d’injection de produit de traitement d’eau et une unité de commande UC.

Le dispositif de mesure de pH comprend essentiellement au moins une sonde de mesure SpH et un boîtier électronique de mesure BpH. La sonde de mesure SpH est raccordée au boîtier électronique de mesure BpH typiquement par un câble coaxial. Le boîtier électronique de mesure BpH renferme une carte électronique, non visible à la Fig.2, qui est réalisée conformément à l’invention. Le signal de mesure de pH fourni par la sonde SpH est traité par la carte électronique du boîtier BpH. Une mesure de pH, sous forme numérique ou analogique, est transmise à l’unité de commande UC, typiquement par une liaison sans fil ou filaire entre le boîtier électronique de mesure BpH et l’unité de commande UC. L’unité de commande UC commande le dispositif d’injection de produit de traitement d’eau en fonction de la mesure de pH. Un produit liquide de traitement d’eau PTE, comprenant typiquement de la soude caustique, de l’acide chlorhydrique et/ou de l’acide sulfurique, est injecté dans une canalisation d’eau CL au moyen d’une pompe doseuse PD et d’un injecteur IJ du dispositif d’injection de produit de traitement d’eau.

En référence aussi aux Figs.3 et 4, le boîtier électronique de mesure BpH, montré de manière partielle, est muni de moyens d’étanchéité et contient la carte électronique, repérée CE, visible de manière partielle à la Fig.4. Un couvercle CO ferme de manière étanche le boîtier BpH.

L’étanchéité du boîtier BpH est nécessaire afin de protéger la carte électronique CE contre des projections de fluide, la poussière et d’autres contaminants.

La carte CE est alimentée par un câble électrique qui est amené à l’intérieur du boîtier BpH via une traversée de câble TC étanche, comme visible à la Fig.3. Une prise femelle PF, de type «BNC», est montée sur la carte électronique CE et débouche à l’extérieur du boîtier BpH à travers une paroi de celui-ci. La prise PF est destinée à recevoir le signal de mesure délivré par la sonde SpH et autorise un raccordement du câble coaxial provenant de la sonde. Un joint d’étanchéité JE, visible à la Fig.4, équipe la prise PF et est plaqué contre la paroi du boîtier BpH pour éviter toute intrusion de fluide et contaminants à l’intérieur du boîtier BpH.

En variante, la prise femelle «BNC» recevant le signal de mesure de la sonde SpH pourra être montée mécaniquement, de manière étanche, sur la paroi du boîtier BpH. Une liaison filaire sera alors prévue entre la prise femelle «BNC» et un connecteur sur la carte électronique CE dédié à l’entrée de signal.

En référence plus particulièrement aux Figs.5 à 7, il est maintenant décrit une forme de réalisation particulière de la carte électronique CE, montrée de manière partielle, qui est réalisée conformément à la présente invention. Dans les Figs.5 et 6, la carte électronique CE est montrée par sa face avant sur laquelle sont montés les composants électroniques. Des techniques connues de composants montés en surface, dites «CMS» ou «SMD» pour «Surface Mounted Device» en anglais, et/ou de soudure à la vague sont typiquement utilisées ici. Dans d’autres formes de réalisation, des composants traversants pourront aussi être utilisés conjointement aux composants montés en surface ou à la place de ces derniers.

Comme visible à la Fig.5, la carte électronique CE comporte un étage d’entrée de signal à haute impédance, repéré EHI, auquel est connectée la prise PF. Conformément à l’invention, l’étage d’entrée de signal EHI comprend un agencement de fentes traversantes F1, F2 et F3, mieux visibles à la Fig.6. Dans l’invention, ces fentes traversantes F1, F2 et F3 sont destinées à empêcher des courants vagabonds et à préserver dans le temps les hautes impédances du circuit, en procurant une isolation électrique importante, apportée par l’air, entre des portions de circuit de part et d’autre des fentes.

Un exemple de schéma électrique de l’étage d’entrée de signal à haute impédance EHI est montré à la Fig.7.

L’étage d’entrée EHI est construit ici autour de deux composants électroniques actifs sous la forme de deux amplificateurs opérationnels OP1 et OP2, contenus dans le circuit intégré CI visible aux Figs.5 et 6. Les amplificateurs opérationnels OP1 et OP2 procurent des entrées à impédance «infinie» pour la réception du signal de mesure provenant de bornes de signal B1 et B2 de la prise PF de type «BNC». Les bornes B1 et B2 sont reliées respectivement au conducteur d’âme et à la gaine conductrice du câble coaxial transportant le signal de mesure de la sonde SpH.

Un premier circuit d’entrée à haute impédance est formé essentiellement d’une résistance R1 et de la haute impédance de l’entrée positive E1+ de l’amplificateur opérationnel OP1. La résistance R1 est montée entre la borne B1 et l’entrée E1+.

Un deuxième circuit d’entrée à haute impédance est formé essentiellement de résistances R2 et R3, d’un condensateur C1 et de la haute impédance de l’entrée positive E2+ de l’amplificateur opérationnel OP2. Le résistance R2 est placée entre la borne B2 et une tension dite de point milieu Vm de l’alimentation des amplificateurs opérationnels. La résistance R3 est connectée entre la borne B2 et l’entrée E2+. Le condensateur C1 est placé entre l’entrée E2+ et la tension dite de point milieu Vm. La résistance R3 et le condensateur C1 forment un filtre RC passe-bas entre la borne B2 et l’entrée E2+.

Par ailleurs, un condensateur C2 de faible capacité est connecté entre l’entrée E1+ et l’entrée E2+ des amplificateurs opérationnels OP1 et OP2.

L’amplificateur opérationnel OP1 comporte un circuit de boucle de réaction formé d’une résistance R4 et d’un condensateur C3 en parallèle. Le circuit est connecté entre la sortie S1 et l’entrée négative à haute impédance E1- de l’amplificateur opérationnel OP1. La résistance R4 et le condensateur C3 en parallèle forment un circuit de faible impédance. La sortie S1 est reliée une première entrée d’un étage d’amplification de signal EA.

Le circuit de boucle de réaction de l’amplificateur opérationnel OP2 comporte des résistances R5 et R6 et est de faible impédance. La résistance R5 est connecté entre la sortie S2 et l’entrée négative à haute impédance E2- de l’amplificateur opérationnel OP2. La résistance R6 est placée entre l’entrée négative E2- et la tension de point milieu Vm. La sortie S2 est reliée une deuxième entrée de l’étage d’amplification de signal EA.

L’étage d’amplification de signal EA reçoit en entrée les signaux issus des sorties S1 et S2 et délivre un signal de mesure MES auquel a été appliqué un gain d’amplification.

L’invention n’est pas limitée à un schéma électrique spécifique de l’étage d’entrée de signal à haute impédance tel que celui représenté à la Fig.6 et décrit ci-dessus. L’invention pourra être mise en œuvre dans une grande variété d’étages d’entrée de signal à haute impédance. Ainsi, par exemple, dans une forme de réalisation particulière, l’étage d’entrée de signal à haute impédance comprendra un seul amplificateur opérationnel et la circuiterie de composants passifs associée, à savoir, l’amplificateur OP1 dédié à la borne B1, la borne B2 étant alors connectée à la masse du circuit.

En référence plus particulièrement à la Fig.6, le cheminement des fentes traversantes F1, F2 et F3 dans le circuit imprimé de la carte électronique CE est optimisé de façon à minimiser des courants vagabonds et à préserver dans le temps les hautes impédances des premier et deuxième circuits d’entrée à haute impédance susmentionnés.

Le premier circuit d’entrée à haute impédance susmentionné est protégé essentiellement par les fentes F1 et F2 qui délimitent dans la carte CE une première zone physique Z1 dans laquelle sont situées la borne de signal B1, une première borne d’électrode C2-1 du condensateur C2, la résistance R1 et la broche 5 du circuit intégré CI correspondant à l’entrée E1+ de l’amplificateur opérationnel OP1.

Le deuxième circuit d’entrée à haute impédance susmentionné est protégé essentiellement par les fentes F3 et F2 qui délimitent dans la carte CE une deuxième zone physique Z2 dans laquelle sont situées la borne de signal B2, une première borne d’électrode R2-1 de la résistance R2, la résistance R3, une première borne d’électrode C1-1 du condensateur C1, la broche 3 du circuit intégré CI correspondant à l’entrée E2+ de l’amplificateur opérationnel OP2 et une deuxième borne d’électrode C2-2 du condensateur C2.

Dans cette forme de réalisation particulière, les fentes F1 à F3 permettent d’obtenir dans la carte électronique CE les deux zones physiques Z1 et Z2 dans lesquelles les éléments de circuit critiques vis-à-vis des caractéristiques de haute impédance sont protégés par l’isolation électrique importante apportée par les fentes.

Comme visible à la Fig.6, des ponts de matière PO1 et PO2 sont conservés dans la carte électronique CE entre les fentes F2, F3 et les fentes F2, F1, respectivement. Ces ponts de matière PO1 et PO2 sont nécessaires pour la tenue mécanique des deux zones physiques Z1 et Z2 dans la carte électronique CE. Des dispositions particulières pourront être prévues pour empêcher des courants vagabonds au niveau de ces ponts de matière PO1, PO2. Ainsi, dans cette forme de réalisation particulière, les localisations de ces ponts de matière PO1, PO2, sont choisies judicieusement de façon à pourvoir y former des anneaux de garde, dits «guard ring» en anglais, évitant des courants vagabonds dans les circuits d’entrée à haute impédance. Concernant le pont de matière PO1, des courants vagabonds sont évités à ce niveau par la présence de la broche 1 du circuit CI, qui correspond à la sortie S2 de l’amplificateur OP2, et qui est à un potentiel sensiblement égal à celui de l’entrée E2+. Concernant le pont de matière PO2, une ou plusieurs pistes de cuivre (non représentées) ayant une fonction d’anneau de protection sont typiquement prévues à ce niveau sur la face avant et/ou arrière de la carte électronique CE afin d’empêcher des courants vagabonds.

Les fentes traversantes prévues dans la présente invention sont réalisées typiquement, mais pas exclusivement, par des techniques de fraisage et/ou de forage. Les essais réalisés par l’entité inventive ont mis en évidence une largeur de compromis optimal d’environ 0,8 mm pour les fentes traversantes. Selon les applications, de manière générale, la largeur des fentes traversantes sera comprise dans l’intervalle de 0,4 mm à 1,5 mm, pour l’obtention d’un compromis satisfaisant entre le coût de fabrication et l’isolation électrique recherchée.

Bien entendu, l’invention ne se limite pas aux exemples de réalisation qui ont été décrits ici à titre illustratif. L’homme du métier, selon les applications de l’invention, pourra apporter différentes modifications et variantes entrant dans le champ de protection de l’invention.

Claims (10)

1. Carte électronique à circuit imprimé (CE) comportant au moins un circuit d’entrée de signal à haute impédance destiné à recevoir un signal de mesure à traiter par ladite carte électronique (CE), ledit circuit d’entrée de signal à haute impédance ayant au moins un composant électronique actif (CI, OP1, OP2) ayant une entrée à haute impédance (E1+, E2+) destinée à recevoir ledit signal à traiter, caractérisée en ce qu’elle comprend au moins une fente traversante (F1, F2, F3) aménagée dans ledit circuit imprimé et ayant un cheminement déterminé de façon à délimiter dans ledit circuit imprimé une zone physique (Z1, Z2) ayant une isolation électrique renforcée s’opposant à une circulation de courant électrique vagabond et dans laquelle est implantée au moins ladite entrée à haute impédance (E1+, E2+) destinée à recevoir ledit signal à traiter.
2. Carte électronique selon la revendication 1, caractérisée en ce que qu’elle comprend au moins un pont de matière (PO1, PO2) reliant ladite zone physique (Z1, Z2) ayant une isolation électrique renforcée à une autre portion dudit circuit imprimé, et un moyen formant anneau de garde (CI, 1, S2) localisé au niveau dudit pont de matière (PO1) de façon à empêcher une circulation de courant vagabond.
3. Carte électronique selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ladite fente traversante (F1, F2, F3) a une largeur comprise entre 0,4 mm et 1,5 mm.
4. Carte électronique selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite fente traversante (F1, F2, F3) a une largeur sensiblement égale à 0,8 mm.
5. Carte électronique selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, sous la forme d’une carte électronique de mesure de pH comprenant une prise d’entrée de signal (PF), des premier et deuxième circuits d’entrée à haute impédance reliés respectivement à des première et deuxième bornes d’entrée de signal (B1, B2) de ladite prise d’entrée de signal (PF), et des premier et deuxième amplificateurs opérationnels (OP1, OP2) ayant respectivement des première et deuxième entrées à haute impédance (E1+, E2+) reliées respectivement auxdits premier et deuxième circuits d’entrée à haute impédance, caractérisée en ce qu’elle comprend des première, deuxième et troisième dites fentes traversantes (F1, F2, F3) aménagées dans ledit circuit imprimé, lesdites première et deuxième fentes traversantes (F1, F2) délimitant une première dite zone physique (Z1) ayant une isolation électrique renforcée dans laquelle est comprise ladite première borne d’entrée de signal (B1) et ladite première entrée à haute impédance (E1+) dudit premier amplificateur opérationnel (OP1), et lesdites deuxième et troisième fentes traversantes (F2, F3) délimitant une deuxième dite zone physique (Z2) ayant une isolation électrique renforcée dans laquelle est comprise ladite deuxième borne d’entrée de signal (B2) et ladite deuxième entrée à haute impédance (E2+) dudit deuxième amplificateur opérationnel (OP2).
6. Carte électronique selon la revendication 5, caractérisée en ce que ladite prise d’entrée de signal (PF) est une prise de type dit «BNC».
7. Boîtier électronique de mesure de pH (BpH), caractérisé en ce qu’il comprend une carte électronique (CE) selon la revendication 5 ou 6.
8. Boîtier électronique de mesure de pH selon la revendication 7, caractérisé en ce qu’il comprend des moyens d’étanchéité (CO, TC, JE) agencés de façon à protéger ladite carte électronique (CE) contre une projection de fluide et/ou un contaminant.
9. Boîtier électronique de mesure de pH selon la revendication 8 et la revendication 6, caractérisé en ce qu’il comprend des moyens d’étanchéité (JE) dédiés à ladite prise (PF) de type dit «BNC».
10. Système de traitement d’eau pour piscine (STA), caractérisé en ce qu’il comprend un boîtier électronique de mesure de pH (BpH) selon l’une quelconque des revendications 7 à 9.