La dégradation des composants est inévitable, mais pas les défaillances des systèmes ni les blessures des utilisateurs

Les concepteurs de circuits, en particulier ceux qui implémentent des fonctions analogiques comme des circuits d'entrée de capteur ou des alimentations, vivent dans un monde de composants dont les spécifications vont inévitablement évoluer et changer en raison du temps qui passe (vieillissement), de l'utilisation active, des variations de tension et des changements de température. Par conséquent, ils doivent prendre en compte ces variations afin que leur produit fini ne soit pas en dehors des spécifications une fois déployé. Pas de manière prématurée, tout du moins.

Le besoin de protection contre les défaillances est bien évidemment antérieur à l'électronique. Le frein ferroviaire à sécurité intégrée de Westinghouse a été développé à la fin des années 1800 et est toujours utilisé aujourd'hui. Dans cette architecture, la présence d'air comprimé est nécessaire pour desserrer les freins. Si le compresseur, le réservoir d'air comprimé ou les tuyaux d'air ne fonctionnent pas correctement, les freins s'enclenchent et il est impossible de les desserrer.

Pour l'électronique, le principe est le même : nous concevons dans le but de réduire les risques de défaillance et de limiter les dommages en cas de panne. Petit tour de magie : en plus des mesures de sécurité, nous travaillons aussi sur l'auto-régénération.

Prévenir les défaillances

Il existe plusieurs moyens standard pour éviter que la dégradation ne devienne un véritable problème. Ces moyens peuvent être utilisés de manière individuelle ou combinée :

1. Choisissez des composants dont les spécifications sont suffisamment strictes pour les paramètres critiques liés aux dérives dues au vieillissement, aux changements de température et aux décalages des points de fonctionnement. Il s'agit généralement d'une approche relativement coûteuse. Il se peut qu'il n'existe pas de composants avec des spécifications suffisamment précises, et s'ils existent, leur disponibilité peut être limitée.

2. Exécutez périodiquement une procédure d'étalonnage lorsque le produit est en cours d'utilisation. Cela nécessite au moins un composant « principal », comme une référence de tension, qui présente une stabilité supérieure sur le temps et la température. Ce composant peut être utilisé comme norme pour la procédure d'étalonnage. Là encore, ce composant de qualité supérieure peut être coûteux ou disponible en quantité limitée. Par ailleurs, l'architecture système globale et le logiciel doivent inclure des circuits d'étalonnage supplémentaires, comme un convertisseur analogique-numérique (CAN) haute résolution et le logiciel d'étalonnage correspondant.

3. Utilisez une architecture ou une topologie dans laquelle de nombreuses erreurs s'annulent d'elles-mêmes. Pour y parvenir, il est notamment possible d'utiliser des circuits différentiels où les changements dans les deux « branches » d'un circuit d'entrée analogique (AFE) se suivent, de manière à ce que le différentiel soit assez faible. Cette solution est particulièrement intéressante lorsque les résistances d'entrée d'un amplificateur peuvent être placées sur la même puce, comme par exemple avec l'amplificateur différentiel INA133UA de Texas Instruments et R1 et R3 (Figure 1).

Figure 1 : Pour des performances optimales, les résistances d'entrée de l'amplificateur différentiel INA133UA sont sur la puce et peuvent ainsi se suivre, malgré les changements de température et d'autres conditions de fonctionnement. (Source de l'image : Texas Instruments)

Dans cet exemple, les résistances internes présentent un décalage de ±3 ohms (Ω) chacune dans le meilleur des cas, soit ±0,012 % par rapport à leur valeur nominale de 25 kΩ. En fait, elles pourraient avoir une précision de seulement ±15 % dans les unités de production. Même si un décalage de ±0,012 % semble plutôt insignifiant, cela correspond à la limite de ce qui est acceptable pour la précision de performances requise. L'inexactitude de ±15 % dans le pire des cas place les performances largement en dehors des limites de conception. Mais le facteur le plus important est que les deux résistances se comportent de manière presque identique face aux changements de température et autres variations de fonctionnement, et que leur rapport différentiel reste le même, ce qui donne un circuit haute précision.

De la même manière, le pont de Wheatstone classique utilise une relation entrée/sortie ratiométrique où les rapports des composants plutôt que leurs valeurs absolues sont importants (Figure 2). Il est beaucoup plus facile de maintenir des performances précises et régulières à l'aide de ces relations basées sur les rapports.

Figure 2 : Le célèbre pont de Wheatstone utilise le rapport des bras de la résistance pour mesurer et annuler les signaux plutôt que les valeurs absolues de la résistance. Les rapports sont relativement peu affectés par les décalages indésirables. (Source de l'image : PEIO.org)

Quand les bons composants commencent à se dégrader : sécurité intégrée et auto-régénération

Les composants qui sortent des spécifications en raison d'un décalage ou du vieillissement ne représentent qu'une catégorie de problème. Un autre problème survient lorsqu'un composant est sollicité jusqu'à la défaillance partielle ou développe un défaut interne dû à un défaut de fabrication.

Dans la plupart des cas, il n'existe pas de solution facile pour résoudre ce problème. Dans les applications essentielles ou présentant des tensions dangereuses, le concepteur doit prendre en compte l'impact des défaillances potentielles et réfléchir à la manière de les minimiser ou fournir une couche de protection supplémentaire (des normes réglementaires entrent souvent en jeu).

Par exemple, les systèmes électroniques médicaux branchés sur secteur peuvent nécessiter des transformateurs d'isolement pour empêcher la moindre fuite de courant vers la terre en cas de défaillance d'un composant interne ou de l'isolement. De la même manière, les outils électriques branchés sur secteur (non alimentés par batterie) sont maintenant dotés de boîtiers à double isolement sans aucun composant conducteur que l'utilisateur pourrait toucher. Ainsi, même si un fil haute tension interne court-circuite le boîtier, il n'y pas de risque qu'un flux de courant dangereux atteigne (et traverse) l'utilisateur, même en l'absence de fil de terre de sécurité au niveau du cordon d'alimentation CA.

Dans d'autres cas, les concepteurs peuvent choisir des composants tels que des condensateurs conçus pour se rétablir après une défaillance partielle, ou se dégrader de manière bénigne. Par exemple, les condensateurs à film polypropylène métallisé comme le 5MPA2475E d'Electronic Concepts Inc. s'auto-régénèrent après une défaillance du diélectrique, qui survient en raison de surtensions transitoires ou de surcharges élevées (Figure 3).

Figure 3 : Les condensateurs à film polypropylène métallisé comme le 5MPA2475E sont capables de s'auto-régénérer après des défaillances locales (courts-circuits) qui peuvent survenir en raison de surcharges ou de surtensions transitoires. (Source de l'image : Electronic Concepts Inc.)

Lorsque l'isolement connaît une défaillance, un arc très localisé de courte durée se forme à l'endroit du claquage (Figure 4.1). La chaleur intense générée par cet arc entraîne la vaporisation de la métallisation à proximité de l'arc (Figure 4.2) et les électrodes sont simultanément ré-isolées pour maintenir le fonctionnement et l'intégrité du condensateur (Figure 4.3).

Figure 4 : Le processus d'auto-régénération est initié lorsqu'un arc se forme entre la couche métallique (a) et le film polypropylène (b) au niveau du claquage (1). La métallisation dans cette zone se vaporise (2), ce qui laisse une zone isolée qui maintient la séparation entre les couches et permet au condensateur de continuer à fonctionner (3). (Source de l'image : Schneider Electric, modifiée par Bill Schweber)

D'autres condensateurs ne se régénèrent pas, mais possèdent plutôt ce que l'on appelle un « mode de défaillance bénigne ». Même en cas de court-circuit, par exemple, les condensateurs tantale polymère comme le TCOD106M050R0150E d'AVX ne présentent pas d'« événement thermique transitoire » indésirable (formation d'arc ou chaleur intense) comme cela peut se produire avec de nombreux condensateurs au tantale à cathode MnO₂, pouvant entraîner une combustion et/ou des incendies.

Conclusion

Les concepteurs doivent prendre en compte l'impact d'une défaillance partielle ou totale sur les performances dans le contexte de l'application d'un produit. Si un composant défaillant dans le sous-système d'alimentation d'un smartphone ne présente pas de risques pour l'utilisateur ni pour le système, un court-circuit dans une alimentation branchée sur secteur peut facilement présenter un danger. C'est pourquoi la plupart des alimentations de ce type sont dotées de composants de protection contre la surintensité, la surtension, les courts-circuits à la charge et même les blocages thermiques en cas de surchauffe.

Dans un monde idéal (ou peut-être dans le monde du futur), les composants défaillants pourraient s'auto-régénérer, comme la peau, les os et les autres organes du corps humains qui se régénèrent dans de nombreux cas, à condition que les dommages ne soient pas trop graves. Pour l'heure, une approximation d'auto-régénération n'est possible qu'en utilisant des schémas compliqués au niveau du système, comme des circuits redondants avec une sorte de basculement automatique ou manuel.

Cependant, de nombreux chercheurs universitaires s'attaquent au défi de concevoir des fils et des éléments de circuits passifs, voire actifs, capables de s'auto-régénérer (voir les Références). Qui sait, peut-être qu'un jour des composants individuels initieront des modes d'auto-régénération dans le cadre normal de leur conception et de leur fonctionnement ?

Lectures recommandées

1. Comprendre les condensateurs polymère et hybrides

https://www.digikey.fr/fr/articles/understanding-polymer-and-hybrid-capacitors

2. Makers et ingénieurs : familiarisez-vous avec votre amplificateur de mesure pour une capture précise des données IoT

https://www.digikey.fr/fr/articles/makers-engineers-get-to-know-instrumentation-amplifier-accurate-iot-data-capture

3. Capteurs et leur conditionnement approprié : 1re partie : capteurs à pont piézorésistif

https://www.digikey.fr/fr/articles/sensors-and-their-proper-conditioning-part-1---piezoresistive-bridge-sensors

Références externes

• Texas Instruments, "Difference Amplifiers—the need for well-matched resistors"
• European Passive Components Institute, "When benign is better: fail safe capacitor technology"
• European Passive Components Institute, "The self-healing characteristics of metallized film capacitors"
• AVX, "Technical Summary and Application Guidelines"
• AVX, "MLCC & Tantalum Interchangeability"
• AVX, "Conductive Polymer Capacitors Basic Guidelines"
• Kemet Electronics Corporation, "New Reliability Assessment Practices for Tantalum Polymer Capacitors"
• Kemet Electronics Corporation, "Evaluation of Polymer Counter-Electrode Tantalum Capacitors for High Reliability Airborne Applications"
• Vishay, "Conductive Polymer Capacitors: Frequently Asked Questions (FAQs)"
• Schneider Electric, "What is Self-healing for capacitors?"
• Electronic Concepts, Inc, "The Self-Healing Affect of Metallized Capacitors"
• Université du Texas, "New 'Self-Healing' Gel Makes Electronics More Flexible"
• Tech Briefs, "Scientists Invent Self-healing Battery Electrode"
• Tech Briefs, "Self-Healing Wire Insulation"