FR3110780A1 - Système de connexion pour l’échange de signaux électriques à connecteurs symétriques magnétiques. - Google Patents

Système de connexion pour l’échange de signaux électriques à connecteurs symétriques magnétiques. Download PDF

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Abstract

Système de connexion pour l’échange de signaux électriques, comprenant un premier connecteur symétrique (1a), et un deuxième connecteur symétrique (1b), chaque connecteur symétrique (1a,1b) comprenant au moins un noyau magnétique (8a,8b) muni d’au moins une spire, les connecteurs symétriques (1a,1b) étant réalisés dans un substrat en matériau isolant, de sorte à former une moitié de transformateur de couplage (4), au moins une moitié de transformateur de couplage (4) de chaque connecteur (1a,1b) étant disposées en vis-à-vis de sorte à pouvoir échanger un flux magnétique, les signaux électriques étant émis par un premier connecteur (1a) sous forme de flux magnétique, le deuxième connecteur (1b) générant les signaux électriques à réception du flux magnétique. Figure pour l’abrégé : Fig 3

Description

Système de connexion pour l’échange de signaux électriques à connecteurs symétriques magnétiques.
L’invention a pour domaine technique la connectique entre calculateurs, notamment pour des calculateurs embarqués à bord d’un aéronef.
Etat de la technique antérieure
La connectique conventionnelle, utilisée dans le cadre des calculateurs embarqués dans un aéronef, notamment de type ARINC 600, est généralement très chère, trop limitée en bande passante (débit binaire des contacts Quadrax), limitée en densité et pas assez résistante à la foudre et aux environnements BCI (acronyme anglophone pour « Bulk Current Injection ») . Une évolution de la connectique actuelle envisageable pour augmenter la bande passante consiste à augmenter le nombre de contacts. Néanmoins, cela aurait pour effet d’augmenter la force d’insertion ou d’extraction à un niveau trop élevé.
Par ailleurs, une telle évolution ne résout pas le problème de la sensibilité à la foudre et aux environnements BCI.
Les évolutions des connectiques conventionnelles posent enfin un problème de maitrise des performances de transformateurs d’isolation galvanique des bus numériques avioniques (Ethernet ou ARINC 664).
L’invention a pour objet un système de connexion pour l’échange de signaux électriques, comprenant un premier connecteur symétrique et un deuxième connecteur symétrique, chaque connecteur symétrique comprenant au moins un noyau magnétique muni d’au moins une spire, les connecteurs symétriques étant réalisés dans un substrat en matériau isolant, de sorte à former une moitié de transformateur de couplage, au moins une moitié de transformateur de couplage de chaque connecteur étant disposée en vis-à-vis de sorte à pouvoir échanger un flux magnétique, les signaux électriques étant émis par un premier connecteur sous forme de flux magnétique, le deuxième connecteur générant les signaux électriques à réception du flux magnétique.
Au moins l’un des connecteurs symétriques peut être muni d’au moins un élément de liaison élastique permettant de générer une force d’appui contrôlée entre les connecteurs symétriques, la connexion entre le connecteur symétrique muni d’un tel élément élastique et le reste du circuit électrique étant alors de type souple de sorte à autoriser un débattement de position du connecteur symétrique.
Une jupe de protection peut être disposée autour d’au moins un des connecteurs symétriques de sorte à le protéger lorsqu’il n’est pas connecté à l’autre connecteur symétrique.
Un entrefer peut être ménagé entre les noyaux magnétiques disposés en vis-à-vis.
Une couche de blindage peut être disposée en surface du substrat isolant de chaque connecteur symétrique, des ouvertures étant ménagées dans la couche de blindage de sorte à ne pas entrer au contact des noyaux magnétiques et de sorte à permettre le passage des flux magnétiques, la couche de blindage étant ouverte entre les différentes parties d’un même noyau magnétique affleurant la surface d’un connecteur symétrique pour ne pas créer une spire parasite créant un court-circuit du transformateur de couplage.
Les noyaux magnétiques peuvent être réalisés par sérigraphie d’un assemblage de poudre magnétique liée par une résine époxy.
La poudre magnétique peut être de formule Y3Fe5O12.
Le noyau magnétique peut être en forme de tripode, en forme de C ou en forme de E.
La surface des spires peut être parallèle à la surface du connecteur lorsque le noyau magnétique est en forme de tripode, la surface des spires étant perpendiculaire à la surface du connecteur lorsque le noyau magnétique est en forme de C ou de E.
Un premier connecteur peut être connecté à un calculateur embarqué, le deuxième connecteur étant solidaire de l’aéronef et connecté à un harnais de communication de l’aéronef.
D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- illustre une vue d’ensemble du système de connexion,
- illustre une vue en coupe des connecteurs symétriques du système de connexion selon l’invention,
- illustre un agrandissement de la vue en coupe d’une partie de deux connecteurs symétriques du système de connexion,
- illustre voir un enroulement d’une moitié de transformateur de couplage du système de connexion,
- illustre une première vue de la surface d’un connecteur du système de connexion,
- illustre une deuxième vue de la surface d’un connecteur du système de connexion,
- illustre une vue de la couche de blindage en surface d’un connecteur du système de connexion,
- illustre une vue en coupe d’ensemble du système de connexion selon l’invention selon un deuxième mode de réalisation,
- illustre une première vue de la surface d’un connecteur du système de connexion selon un deuxième mode de réalisation, et
- illustre une deuxième vue de la surface d’un connecteur du système de connexion selon un deuxième mode de réalisation.
Description détaillée
Le système de connexion selon l’invention permet notamment la minimisation de la force d’insertion ou de désinsertion, et de réduire la sensibilité à la foudre et aux environnements BCI.
Pour répondre à ces deux besoins simultanément, le système de connexion et de transfert selon l’invention assure un transfert d’informations par l’intermédiaire de flux magnétiques contrôlés et très localisés. L’isolation diélectrique est ainsi maximisée.
En pratique, les connecteurs mâle / femelle de l’état de l’art sont remplacés par deux circuits imprimés symétriques, l’un connecté au calculateur embarqué, l’autre sur la chaise porteuse du calculateur embarqué. Ces deux circuits imprimés viennent en contact en vis-à-vis et présentent chacun l’un vers l’autre un demi circuit magnétique de transformateur. Ces circuits magnétiques sont intégrés dans le circuit imprimé. De plus, pour écouler les courants BCI vers la structure métallique du calculateur, des couches d’isolation en cuivre sont réalisées sur un substrat isolant de type PCB, en tant que blindage entre les mondes interne / externe au calculateur, tout en ménageant le passage des flux magnétiques et sans créer de court-circuit sur les transformateurs.
On a représenté sur la figure 1 un exemple de contexte de montage d’un système de connexion dans le cas des calculateurs embarqués de type ARINC 600.
Tel que représenté, le système de connexion comprend deux connecteurs 1a,1b symétriques, connectés l’un au calculateur embarqué 2, l’autre à la chaise 3 solidaire de l’avion et connectée à un harnais de communication.
Sur la figure 2, on a représenté une vue d’ensemble du système de connexion 1, avec deux premiers connecteurs 1a et deux deuxièmes connecteurs 1b, reliés respectivement au calculateur embarqué 2 et à la chaise 3.
L’homme du métier comprendra que le nombre de paires de connecteurs symétriques 1a,1b est à adapter en fonction des besoins.
Chaque connecteur symétrique 1a,1b comprend au moins une moitié de transformateur de couplage 4 disposée en vis-à-vis d’une moitié de transformateur de couplage 4 sur le connecteur symétrique opposé. Sur la figure 2, douze moitiés de transformateur de couplage ont été illustrées sur chaque connecteur symétrique 1a,1b. Ici encore, l’homme du métier comprendra que le nombre de moitiés de transformateur de couplage 4 par connecteur symétrique 1a,1b est à adapter en fonction des besoins, notamment de bande passante, à la condition qu’au moins un transformateur de couplage soit formé par la mise en vis-à-vis de deux moitiés de transformateur de couplage disposées chacune sur un connecteur symétrique 1a,1b.
Au moins l’un des connecteurs symétriques 1a,1b est muni d’au moins un élément de liaison élastique 5 permettant de générer une force d’appui contrôlée entre les connecteurs symétriques 1a,1b. La connexion entre le connecteur symétrique muni d’un tel élément élastique 5 et le reste du circuit électrique est alors de type souple de sorte à autoriser un débattement de position du connecteur symétrique.
Cet élément de liaison élastique 5 est réalisé en élastomère, par exemple de type silicone RTV (acronyme anglophone pour « room-temperature-vulcanizing silicone »), notamment de référence 20DIDC des marques VIBRACHOC ou GAMMA en épaisseur d’environ 6 mm. Chaque élément de liaison élastique 5 est collé par une colle adaptée aux silicones RTV.
Dans certains modes de réalisation, une jupe de protection 6 est disposée autour du deuxième connecteur 1b de sorte à le protéger lorsqu’il n’est pas connecté. Dans certains modes de réalisation, la jupe de protection 6 est disposée autour du premier connecteur 1a. Dans d’autres modes de réalisation, chaque connecteur symétrique 1a,1b est muni d’une jupe de protection 6, une des jupes étant agencée de sorte à être disposée autour de l’autre jupe lorsque les connecteurs symétriques 1a,1b sont connectés.
La figure 3 est une vue agrandie d’une partie de deux connecteurs symétriques 1a,1b. Un connecteur symétrique 1a,1b comprend au moins une moitié de transformateur de couplage 4 munies chacune d’au moins deux enroulements superposés réalisés dans un substrat isolant 7a,7b, notamment de type PCB. Les enroulements sont entourés d’un noyau magnétique 8a,8b. Le noyau magnétique 8a,8b peut présenter une configuration en tripode tel qu’illustré sur la figure 5, décrite ci-après.
Les connecteurs symétriques 1a,1b sont disposés de sorte qu’un entrefer 9 minimal soit ménagé entre les noyaux magnétiques 8a,8b disposés en vis-à-vis.
Une couche de blindage 10 en cuivre est disposée en surface du substrat isolant 7a,7b de chaque connecteur symétrique 1a,1b. Cela implique donc que la couche de blindage 10 n’entre pas au contact des noyaux magnétiques 8a,8b.
La figure 4 illustre un enroulement d’une moitié de transformateur de couplage 4. L’enroulement comprend deux spires 11,12 reliées entre elles par une liaison 13 réalisée en via à travers le substrat isolant, les spires 11,12 étant reliées chacune à une connexion 14 d’entrée/sortie.
Les spires 11,12 sont alignées de manière à générer un flux magnétique perpendiculaire à la surface du connecteur symétrique 1a,1b.
Un tel enroulement est réalisé sur chacune des faces d’un substrat isolant de type PCB.
La figure 5 est une vue de la surface d’un premier connecteur symétrique 1a, dans laquelle la couche de blindage 10 n’est pas représentée. Les différentes spires 11 d’un connecteur symétrique 1a sont disposées de sorte que chaque spire entoure l’élément central d’un noyau magnétique 8a en forme de tripode. Le deuxième connecteur symétrique 1b correspondant présenterait le même agencement.
Les noyaux magnétiques sont réalisés par sérigraphie d’un assemblage de poudre magnétique (Y3Fe5O12) liée par une résine époxy appropriée. Cette solution permet de garantir que le noyau magnétique formera un « tout » homogène et robuste avec le substrat isolant.
La figure 6 est une vue de la surface d’un connecteur symétrique 1a,1b correspondante à la figure 5, dans laquelle la couche de blindage 10 est maintenant représentée.
La couche de blindage 10 forme un blindage électrique capacitif entre les primaires et secondaires des transformateurs. La couche de blindage 10 est reliée à la masse mécanique du calculateur. Elle a pour fonction de proposer un chemin privilégié aux courants haute fréquence injectés en mode commun (BCI).
La couche de blindage 10, réalisée en cuivre, est percée au droit des noyaux magnétiques 8a,8b pour permettre le passage des flux magnétiques. Elle est également ouverte entre le noyau central et les noyaux secondaires pour ne pas créer une spire parasite créant un court-circuit sur le transformateur. Par conception (topologie du design de la couche de blindage), la fréquence de résonance de cette zone de blindage sera de fréquence bien plus élevée que celle de la fréquence fondamentale des signaux à véhiculer par chaque transformateur. La largeur des ouvertures permet de choisir cette fréquence de résonance.
La figure 7 est une vue de la couche de blindage 10 présente sur la figure 6.
Le deuxième connecteur symétrique 1b correspondant présente le même agencement.
Alternativement, les enroulements peuvent être réalisés autour d’un noyau magnétique, le noyau magnétique étant en forme de C ou de E.
La figure 8 illustre un tel mode de réalisation dans lequel des enroulements sont disposés autour d’un noyau magnétique en forme de C. Les spires sont alors sensiblement perpendiculaires à la surface libre du connecteur.
La figure 9 illustre la surface libre d’un premier connecteur symétrique 1a similairement à la figure 5. La couche de blindage 10 n’est pas représentée. Comme on peut le voir, les extrémités des noyaux magnétiques 8a en forme de C apparaissent dans cette surface. Les spires 11 formées par les enroulements sont perpendiculaires au noyau et à la surface libre.
La figure 10 illustre la surface libre du premier connecteur symétrique 1a illustré par la figure 9, dans laquelle la couche de blindage 10 est représentée. Comme dans le premier mode de réalisation, la couche de blindage en cuivre n’est disposée que sur le substrat isolant de sorte qu’une découpe est pratiquée au niveau de l’affleurement du noyau magnétique ainsi qu’entre deux affleurements d’un même noyau électrique de sorte à ne pas bloquer le flux magnétique.
Il est à noter que les couches de protection sont décrites ci-dessus comme étant en cuivre. Néanmoins, l’homme du métier pourra utiliser tout autre matériau adapté en remplacement du cuivre.

Claims (10)

  1. Système de connexion pour l’échange de signaux électriques, comprenant un premier connecteur symétrique (1a) et un deuxième connecteur symétrique (1b), chaque connecteur symétrique (1a,1b) comprenant au moins un noyau magnétique (8a,8b) muni d’au moins une spire, les connecteurs symétriques (1a,1b) étant réalisés dans un substrat en matériau isolant de sorte à former une moitié de transformateur de couplage (4), au moins une moitié de transformateur de couplage (4) de chaque connecteur (1a,1b) étant disposée en vis-à-vis de sorte à pouvoir échanger un flux magnétique, les signaux électriques étant émis par un premier connecteur (1a) sous forme de flux magnétique, le deuxième connecteur (1b) générant les signaux électriques à réception du flux magnétique.
  2. Système de connexion selon la revendication 1, dans lequel au moins l’un des connecteurs symétriques (1a,1b) est muni d’au moins un élément de liaison élastique (5) permettant de générer une force d’appui contrôlée entre les connecteurs symétriques (1a,1b), la connexion entre le connecteur symétrique muni d’un tel élément élastique (5) et le reste du circuit électrique étant alors de type souple de sorte à autoriser un débattement de position du connecteur symétrique.
  3. Système de connexion selon la revendication 2, dans lequel une jupe de protection (6) est disposée autour d’au moins l’un des connecteurs symétriques (1a,1b) de sorte à le protéger lorsqu’il n’est pas connecté à l’autre connecteur symétrique.
  4. Système de connexion selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un entrefer (9) est ménagé entre les noyaux magnétiques (8a,8b) disposés en vis-à-vis.
  5. Système de connexion selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une couche de blindage (10) est disposée en surface du substrat isolant (7a,7b) de chaque connecteur symétrique (1a,1b), des ouvertures étant ménagées dans la couche de blindage de sorte à ne pas entrer au contact des noyaux magnétiques (8a,8b) et de sorte à permettre le passage des flux magnétiques, la couche de blindage (10) étant ouverte entre les différentes parties d’un même noyau magnétique affleurant la surface d’un connecteur symétrique (1a,1b) pour ne pas créer une spire parasite créant un court-circuit du transformateur de couplage.
  6. Système de connexion selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les noyaux magnétiques (8a,8b) sont réalisés par sérigraphie d’un assemblage de poudre magnétique liée par une résine époxy.
  7. Système de connexion selon la revendication 6, dans lequel la poudre magnétique est de formule Y3Fe5O12.
  8. Système de connexion selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le noyau magnétique (8a,8b) est en forme de tripode, en forme de C ou en forme de E.
  9. Système de connexion selon la revendication 8, dans lequel la surface des spires est parallèle à la surface du connecteur (1a,1b) lorsque le noyau magnétique (8a,8b) est en forme de tripode, la surface des spires étant perpendiculaire à la surface du connecteur lorsque le noyau magnétique (8a,8b) est en forme de C ou de E.
  10. Système de connexion embarqué dans un aéronef, selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un premier connecteur (1a) est connecté à un calculateur embarqué, le deuxième connecteur (1b) étant solidaire de l’aéronef et connecté à un harnais de communication de l’aéronef.
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