Concept de câblage en embarqué.

Introduction

S’il y a bien un domaine de l’électronique où j’ai souvent observé l’effet Dunning-Kruger, c’est bien le câblage. Je ne suis pas expert en câblage, mais je vais expliquer un peu ce qu’il me parait important de savoir pour faire du câblage dans une vieille voiture. Câbleur c’est un métier (en l’occurrence c’est pas le mien) et sous-estimer l’importance du câblage entraine souvent des pannes, mais aussi des accidents ou incendies. Parmi les incendies domestiques, la proportion des incendies d'origine électrique est évaluée à au moins un tiers.

On peut citer par exemple l’incendie de Notre Dame de Paris :
"des cloches installées en 2007 et 2012 au-dessus du chœur et dans la flèche avaient été électrifiées, « en contradiction absolue avec toutes les règles sur ces vieux bâtiments ». Elles ont été utilisées pour la dernière fois le 15 avril, pour sonner à 18 h, soit quelques dizaines de minutes avant le départ de feu. […] des fils électriques se trouvaient sous les combles, au risque de provoquer un court-circuit". Que ce soit vrai ou non, ça en dit long sur le risque d’un mauvais câblage. Et dans une estafette, on a aussi du cambouis et de l’essence un peu partout sous le capot !

Mais nous on va parler de câblage en embarqué. L’embarqué, c’est quoi ?
C’est installer un équipement électrique dans un environnement à priori hostile ou contraint, c’est-à-dire pas sur une table. La notion est assez floue et change en fonction du sujet. Si on parle d’un microcontrôleur placé dans un thermostat de chauffage au mur, c’est de l’embarqué. C’est-à-dire que le programmeur est contraint par la vitesse du système, la consommation sur piles, l’espace mémoire disponible, etc.
Si on parle de câblage, on peut considérer que l’environnement présente des contraintes telles que chocs, vibrations, températures extrêmes, humidité, présence d’huile ou de cambouis etc. Comme dans un véhicule, un satellite, etc.

Alors maintenant, on va définir ce qu’est un câblage :
Un câblage, c’est un ou des fils sertis ou soudés (plutôt brasés mais on dit soudés quand même) aux terminaisons (un contact de connecteur), et parfois frettés (maintenu en place). Le câble est donc constitué de :

  • Le fil (ou les fils)
  • Le connecteur (contact + connecteur ou simplement contact) ou parfois une extrémité nue destinée à être soudée,
  • L’interface contact / fil. Je la mets comme élément à part entière, parce que sa qualité est d’un importance capitale,
  • La frette ou collier.

Enfin, je vais bien différencier un fil d’un câble :
un fil c’est un conducteur avec ou sans isolant, et sans terminaison.
Un câble, c’est un assemblage fait à partir d’un ou plusieurs fils.

  • Plusieurs fils dans une gaine c’est un câble (câble téléphonique)
  • Un fil avec une cosse au moins d’un côté, c’est un câble.

le fil

Le fil, ou câble s’il y a plusieurs fils, est destiné à transmettre de la puissance ou de l’information. Les deux présentent leur difficultés propres.

généralités à propos des fils

Un fil est caractérisé par :

  • Sa jauge ou sa taille de conducteur. En France on utilise des mm², mais on utilise aussi des jauges en AWG parce que les normes américaines sont largement utilisées partout sur la planète. Le nombre d’AWG est le nombre de tréfilage (passage dans la machine qui fait rétrécir le brin), ce qui veut dire que plus l’AWG est important, plus le fil est petit. Je vous invite à regarder ce tableau de chez RS qui permet de passer des jauges au mm²,
  • Le nombre de brins. Plus un fil est souple, plus il a de brins et plus il est cher. Dans le domestique, les installations fixes sont censées être câblées avec du monobrin. Dans un véhicule, on préfère du multibrin,
  • Son isolant. La matière et l’épaisseur,
  • Sa tension max caractérisées par son isolant (épaisseur, matière, température),
  • Sa température max d’utilisation,
  • Sa couleur. Dans un véhicule on a pas de contrainte particulière, mais il est interdit d’utiliser le vert/jaune qui est réservé à la terre, même dans un véhicule (j’ai vu un dossier refusé en laboratoire d’homologation à cause d’un fil vert/jaune utilisé),
  • J’en oublie certainement !

fils ul Les américains, ayant beaucoup de maisons en bois, et donc des risques d’incendies importants, ont défini des normes qui sont largement utilisées sur la planète pour les fils. On rajoute donc aux caractéristiques précédentes celles-ci :

  • Son enregistrement UL « UL file » (le fichier d’homologation de la forme E123456),
  • Son style UL (par exemple UL 1007) et sa résistance au feu (par exemple V-W1, FT1),
  • Son marquage. Il faut en effet indiquer à même le fil ce qu’il est avec un marquage du genre « E123456 UL Style 1007 300V 80°C V-W1 18 AWG ». Il n’y a pas d’ordre pour les différents éléments.

Presque toutes ces caractéristiques sont définies dans le « Style UL », un numéro qui doit être clairement indiqué sur le fil.
Par exemple, le UL style 1007 fixe les jauges limites pour le type (la famille), l’isolant (épaisseur et matière), norme anti-feu (test de la flamme), température max, tension max, norme général applicable (ex : Standard UL 758) et utilisation typique (ex : domestiques, embarqué). Ce n’est pas parce qu’une utilisation n’est pas mentionnée qu’elle n’est pas possible.
Dans le cas du style UL 1007, on remarque que la présence d’huile est possible, ce qui en fait un bon argument pour l’utiliser dans nos véhicules !
Le fils UL style 10072 est caractérisé par un isolant en PTFE (Teflon), et est tolérant aux huiles et au gasoil. Forcément, il est plus cher.
Il existe de nombreux type et je n’en connais en fait que quelques-uns.
Note : on dit parfois « ça prend pas feu c’est UL » mais l’UL est un organisme d’homologation dont le champ de compétences va bien au-delà. Mais en Europe, on utilise souvent les normes anti-feu. Les tests anti-feu pour les fils sont par exemple : V-W1, FT1, … Les tests anti-feu pour les matières (plastiques,…) sont par exemple 94V-0, 94H-B, etc (V ou H comme flamme verticale ou horizontale…) Plus d’infos ici : exemple, exemple, exemple.

fils de puissance

fil oxyde Les risques principaux sur un fil de puissance sont la coupure de la gaine entrainant un court-circuit à la masse du véhicule (dans notre cas) et potentiellement un départ de feu, ou une coupure de l’âme du fil dans la gaine (sans forcément une coupure de la gaine) provoquant un mauvais contact, et un échauffement, donc un départ de feu. Dans les 2 cas, il est probable qu’un arrêt du système alimenté surviennent, mais pas toujours.
Ce type de panne peut rester inaperçu jusqu’au moment où on va utiliser le consommateur d’énergie. Par exemple, si c’est le fil d’alimentation d’un phare (60W, donc 5A) qui est défectueux, le problème ne surviendra qu’au moment d’allumer les phares. Il ne faut jamais laisser un câblage non terminé relié et/ou non protégé. On finit par oublier et provoquer l’incident voir accident.
Dans le cas des fils de puissance dans une voiture de collection, voici quelques conseils pour leur choix et leur câblage :

  • Fil UL anti-feu (V-W1 donc), qui résiste aux huiles. Le Style 1015 est pas mal.
  • Fil multibrins.
  • Pour la section, on compte grosse maille 5A / mm². Donc pour une ampoule de phare de 60W, il faut au moins 1mm². Je pense que les feux de l’estafette sont câblés en 1,5 mm²
On portera une attention particulière au câblage d’un fil de puissance :
  • Protection par fusible des sources d’alimentation le plus en amont possible. Il existe des boites à fusible à ajouter dans les véhicules.
  • Double protection du conducteur (une gaine autour du fil)
  • Qualité des connexions et du sertissage.
  • Le chemin du câble est très important, le fil doit évidemment être bien fixé au châssis (mais protegé correctement !)
  • Ajustement de la taille du fil en longueur. Ni trop long, ni trop tendu.

fils de communication

Pour des fils de communication, le risque est de perdre la com, par une perturbation (CEM), par une coupure, etc. Imaginez que la sonde d’altitude ou de vitesse d’un avion ne puisse plus transmettre ses données !

  • Paire torsadée ou câble multiconducteur. On peut créer une paire torsadée avec une visseuse, tout simplement. Dans le cas d’un capteur ou d’une consigne de faible puissance, donc vulnérable au bruit on préfèrera une paire différentielle torsadée. C’est comme ça que sont câblées mes mesures de température.
  • Norme anti feu pour la non propagation du feu. Ce serait-dommage qu’un feu démarre par autre chose puis se propage dans le véhicule parce que la gaine de votre fil brule. C’est pourtant ce qui arrive souvent.
  • Qualité du sertissage pour éviter des pertes de com surtout ici.

En résumé

Si vous avez trouvé du fil pas cher sur Amazon, vérifier son marquage. Mais si vraiment il est pas cher, j’ai bien une idée de son marquage. Il y a certaines fiches produit (par exemple chez Conrad) qui indiquent « anti feu » sans mentionner de norme. Vu qu’il y a plein de test de flamme différents, ça vaut pas grand-chose. Pour le choix de votre fil vérifiez dans l’ordre :

  • La section. Elle doit pouvoir passer le courant, et être compatible avec les cosses bien sûr. Pas de fil de 0.75mm² dans une cosse bleue ou jaune !
  • Le style UL. Le fil de puissance que je fourni avec l’ordinateur de bord est UL Style 1015.
  • La résistance au feu, celle si doit être UL V-W1 ou à défaut sinon FT1.
  • La tension max (précisé dans le style UL)
  • La température d’utilisation max (précisé dans le style UL)
  • L’épaisseur de la gaine (précisé dans le style UL) doit être compatible avec la/les cosses que vous comptez utiliser.
Si vous changez de marque de fil, et que vous prenez le même style UL, vous aurez les mêmes caractéristiques. C’est beau la standardisation !

Sertissage

Pour bien illustrer la problématique du sertissage, je vais évoquer une anecdote :
Il y a fort longtemps, dans une très grosse entreprise qui fait des très gros onduleurs, une série d’onduleurs a pris feu après un certain temps sur batterie. Sur ce type d’onduleur, les batteries étaient de type batterie de moto, câblées avec des cosses Fast’On 5 mm sur du fil 6². Ils se sont aperçu qu’avec le temps, les pinces à sertir ne serraient plus aussi bien les cosses, qui chauffaient donc jusqu’à prendre feu. Depuis, les pinces à sertir les cosses Fast’On sont vérifiées tous les ans.
La qualité du sertissage est donc primordiale pour la sécurité d’un appareil. Ma vie d’électronicien me permet même de dire que les problèmes de connexion sont ceux le plus souvent rencontrés.
Plutôt que de réécrire la bible, je vous invite à lire les pages sur la qualité des connexions dans le catalogue général Mécatraction.
Je ne vais pas rentrer dans les normes, c’est trop compliqué pour l’objet de cette page. Mais je vais reprendre quelques lignes du catalogue Mécatraction. On y trouve les caractéristiques d’une connexion électrique à sertir :

  • Une parfaite conductibilité,
  • Une bonne tenue à la traction,
  • Une bonne résistance à la corrosion,
  • Une bonne résistance aux vibrations,
  • Ne pas être cause d’une chute de tension ou d’un échauffement.
Pour arriver à ça, ils considèrent 4 éléments essentiels :
  • Une connexion à sertir de qualité adaptée à l’application
  • Un conducteur correctement dénudé et adapté à l’application
  • Un outil de sertissage de qualité adapté à l’application
  • Un opérateur formé aux techniques de sertissage
Vous pouvez relire ce dernier point plusieurs fois :-)

Outils

pince mauvaise D’emblée, oubliez la pince d’électricien à 10€ chez leroy du bricolage.
ça ne sertie pas, pas plus que ça dénude ou ça coupe, bref c’est de la merde !

Une pince à sertir c’est ça : pince cosseça ne fait que sertir, mais ça le fait bien. Je vous épargne la pince Mécatraction à 300€, on peut en trouver des modèles convenables à 20~30 €, qui, associés à une bonne utilisation, donne des résultats très convenables. La pince Facom coute 80€, ça peut valoir le coup pour quelqu’un qui serti beaucoup de cosses.
La pince doit sertir en même temps le conducteur et l’isolant : elle doit être double sertissage, donc avec 2 mords.
La pince pour les cosses fast'On comporte 3 zones de sertissage en fontion des 3 tailles de cosses standardisées, représentées par leur couleur rouge, bleu ou jaune.

Control du sertissage

Pour s’assurer que la connexion est bonne, une fois sertie, je tire sur la cosse. En théorie, il faut mesurer la force en Newton, etc. Bon, chez nous c’est compliqué, on se contente de tirer un bon coup sur la cosse. Si elle vient trop facilement, il faut reprendre les 4 points au-dessus.

mauvais denudage Pour le dénudage avant de sertir, on s’assure également que : La gaine est coupée proprement, L’isolant n’est pas endommagé en amont de la partie dénudée, Aucun brin n’est arraché, la longueur de dénudage est adaptée à la cosse qui va recevoir le fil. C’est indiqué dans la doc. Ces infos sont illustrées dans le catalogue Mécatraction.

les cosses

cosse doublesertissagePour les cosses Fast’ON et apparentées, il existent plein de types. Je vais m’attarder sur deux grande familles :
Il existe des cosses « simple sertissage » et « double sertissage » (ci-contre des double sertissage). La simple sertissage n’est sertie que sur l’âme du fil (le cuivre). La double sertissage est sertie sur l’âme et la gaine. Si l’âme vient à casser, la gaine est toujours maintenue. On peut malgré tout ajouter une frette pour maintenir le fil en cas de casse ou s’il se libère (mauvais sertissage). Lorsque les fils sont par 2, on peut ainsi fretter au plus près des cosses, après installation.

Rappelle sur les cosses.

cosse isolee

  • Rouge : 0,34 - 1,5 ou parfois 0,5 - 1,5 mm²
  • Bleu : 1 - 2,5 (on note un recouvrement entre 1 et 1,5 mm² avec la cosse rouge)
  • Jaune : 2,5 à 6 mm²
Attention, il existent des cosses dont les couleurs ne représentent pas la taille du fil.

Taille des languettes La largeur de la languette pour les Fast’On est communément :

  • 2.5 mm : utilisé pour des signaux (les enceintes des HP des voitures, par exemple)
  • 4.8 mm : utilisé pour des signaux ou des petites puissances
  • 5.2 mm : utilisé essentiellement sur les batteries type batterie de moto
  • 6.35 : puissance. Dans l’estafette, les cosses sur la boite à fusible sont en 6.35.
SAUF QUE ! Parce qu’il y a un sauf que. Ceci concerne la largeur de la languette, pas son épaisseur, parce que oui il y en a plusieurs pour chaque largeur (en général 0,5 ou 0,8). Bien regarder la doc. En pratique, on met un petit coup de pince plate pour resserrer quand c’est trop lâche, ou un petit coup de tournevis quand c’est trop serré. Mais c’est pas bien.

cosse faston femelle a languette laiton T 2912254 6160070 1 Dans pas mal de normes, on impose un double système de rétention. Certains fabricants ajoutent donc un petit clip au milieu de la languette. Dans ce cas, la languette présente un trou et la Fast’On le clip.

cosse oeil Pour les cosses à visser, préferer les cosses à œil plutôt que les fourches. Évidemment, ça va de soi.

Petite comparaison

Vous avez trouvé des cosses à bon prix sur Banggood, DealExpress, Amazon ou autre site dans le genre… On va comparer à celle ci : " Cosse à sertir Femelle 6.3 x 0.8mm Isolé Rouge" chez RS à 12€ les 100 (en 2019)

cosses comparaison Je sertie avec une pince double sertissage à 30€ les 2 cosses sur du fil 18 AWG (1mm2) en Style UL 1015, soit un diamètre exterieur de 2,8 mm. On note en passant que dans la doc RS, on ne trouve pas le diamètre max du fil, mais dans le catalogue Mécatraction (décidement) le diamètre max du fil est donné pour chaque référence (environ 3,6 mm). Si l'isolant est trop petit, il est possible, en fonction du type de cosse, que le fil ne soit pas bien maintenu.
Les différences sont :

  • cosse Banggood : simple sertissage ; cosse RS : double sertissage
  • cosse Banggood : s'arrache à la main (et sans forcer) ; cosse RS : bonne tenue grace au cylindre de cuivre supplémentaire (y'a pas de secret !)
  • cosse Banggood : déformation du profil par la pince ; cosse RS : RAS
  • cosse Banggood : épaisseur du cuivre 0,3mm ; cosse RS : 0,4 mm et Mécatraction : 0,5mm… décidement !
La probabilité de faire de travail de qualité avec ces cosses Banggood est nulle. Je ne les utilise même pas pour mes petits bricolage.

Il ne faut pas tirer les prix sur la connectique !

brasure

Alors on va être clair : La brasure d’un fil est interdite. C’est trop fragile.
Le problème de la brasure d’un fil, est qu’il y a une modification de la structure moléculaire de la partie brasée, avec une accumulation d’étain formant une longueur rigide, et donc un point de fragilité à sa limite. J’ai assisté plusieurs fois à des problème de casse sur des fils brasés en production de produits en grande série. La solution est toujours la même : sertir les fils au lieu de les braser. SolderRight.gif Il existe pour cela plein de type de connecteurs :

  • Cosses poignard
  • Connecteurs à déplacement d’isolant « connecteurs de transition »
  • Jeu embase / jupe / contacts.

cable effet hall Cependant, il peut arriver qu’on ait pas le choix. Dans ce cas, on brase le fil et on s’assure qu’il n’ait aucune souplesse au-delà de la brasure, avec par exemple de la gaine thermo (plusieurs couches), un frettage proche et serré, etc. Dans tous les cas, il faut aussi s’assurer que si le fil casse, alors il ne peut pas aller se promener et toucher des parties conductrices par une gaine supplémentaire ou une frette.

les indices de protections

(les connecteurs étanches, les connecteurs protégés
Les indices de protection permettent de mesure l’étanchéité d’un ensemble à l’eau ou à des corps solides (pas que, mais c’est ici ce qui nous intéresse). Pour une connexion dans une voiture, il peut arriver 2 évènements dangereux : présence de liquide conducteur ou présence d’un corps conducteur.

La présence d'eau dans un circuit 12V n'est pas forcément dangereux imédiatement. Par contre, ça va entrainer de l'oxydation et des soucis à plus ou moins long terme. Je connais 3 moyens d’empêcher un liquide d’entrer en contact avec un conducteur :

  • Utiliser un connecteur étanche (par exemple pour les attaches caravane)
  • Isoler la connexion dans un boitier étanche et en utilisant des presse-étoupes.
  • Placer la connexion dans un endroit inaccessible aux liquides. Mais dans un véhicule, c’est compliqué.
cable inter Pour empêcher un corps conducteur d’entrer en contact avec un autre corps conducteur :
  • Tous les fils doivent être correctement attachés
  • Les connecteurs (les cosses) doivent être isolées. Si elles ne sont pas isolées d’origine, on peut utiliser de la gaine thermo.

Torron

Les fils qui traversent un espace comme le compartiment moteur ou l’habitacle doivent être mis en toron. Bon, un vrai câbleur va prendre le temps de faire un beau toron avec les fils bien rangés et tout, et il a raison. J’ai beaucoup de mal à faire des très jolis toron, mais je m’assure que :

  • frette ou collier tous les 10cm environ
  • fixation à un support tous les 20~30 cm environ
  • gaine de protection du toron
  • laisser du mou lorsque le toron doit vibrer (berceau moteur…)
  • les fils doivent sortir du toron proprement, et encadrés par des colliers
  • On sépare si possible les fils de puissance et les fils de signaux (pour éviter les perturbations)
Pour la gaine, il faudrait utiliser une gaine de protection fermée. Mais comme on revient régulièrement sur nos cablage pour ajouter ou modifier, on peut utiliser une gaine zippable. Mais ça coute une blinde, du coup on met une gaine fendue.

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