Composant inductif et procédé de fabrication d'un tel composant .
La présente invention concerne les composants inductifs, du type comportant un ou plusieurs bobinages, et pouvant donc servir selon le cas d'inductance ou de transformateur de courant alternatif. De tels composants, en tant qu'inductances, sont généralement utilisés pour réaliser dans des circuits électriques ou électroniques des fonctions de filtrage ou lissage, ou de stockage d'énergie, en étant classiquement parcourues par des courants ayant une composante continue à laquelle se superpose une composante alternative. Une gamme courante de fréquences d'utilisation est de 10 KHz à 3 MHz. De tels composants sont par exemple couramment utilisés dans des alimentations à découpage, ou convertisseurs de courant continu. Ces composants sont par ailleurs classiquement réalisés de manière à pouvoir être montés sur des circuits imprimés, de manière connue en soi.
Les inductances connues du type mentionné ci-dessus sont généralement formées d'un ou plusieurs bobinages en fil de cuivre émaillé réalisés sur un noyau de forme torique porté par une embase de support comportant des picots de connexion. Classiquement, notamment pour réduire l'encombrement surfacique sur le circuit imprimé, les bobinages toriques sont disposés verticalement sur l'embase, de manière à s'étendre perpendiculairement à la surface du circuit imprimé. Les extrémités des fils sont reliées aux picots de connexion, ou forment elles même les dits picots, qui sont destinés à être insérés dans des perçages du circuit imprimé et soudés sur celui-ci, de manière classique. Bien qu'il soit possible d'adopter également une réalisation du type composant monté en surface (CMS) , qui se prête mieux à un montage automatique, le volume et le poids importants de ces composants interdit généralement une telle réalisation,
et ces composants doivent être reportés manuellement sur le circuit imprimé avant soudure. De plus, la tenue mécanique en cas de fortes vibrations n'est pas très fiable, du fait du poids important et de 1 ' éloignement relatif du tore par rapport au circuit imprimé, en comparaison avec les relativement petites dimensions de 1 ' embase .
Par ailleurs, les matériaux magnétiques utilisés pour le noyau torique sont généralement à base de poudre de fer, par exemple fer-silicium, lorsque la fréquence d'utilisation prévue est faible, jusqu'à environ 100 KHz, ou, lorsque les fréquences sont plus élevées, jusqu'à environ 200 KHz, en alliage de ferronickel tel que du permalloy, par exemple le matériau connu couramment sous le nom de Moly-Permalloy ou encore MPP, qui est une poudre frittée de fer et de nickel à 80 ou 50 % de nickel .
Ces deux matériaux présentent 1 ' avantage de supporter un champ magnétique continu de valeur importante, ce qui permet de réduire la section du noyau et donc 1 ' encombrement global du composant .
Mais ils présentent des pertes élevées lorsqu'ils sont utilisés en haute fréquence, c'est à dire de l'ordre de quelques centaines de KHz à plusieurs MHz, et de ce fait sont mal adaptés à des utilisations telles que dans des circuits d'alimentation à découpage qui utilisent de plus en plus des fréquences très élevées.
Un autre inconvénient des bobinages de type torique est qu'ils ne sont pas étanches, les enroulements de fil étant simplement réalisés autour du noyau torique sans protection extérieure.
La présente invention a pour but de résoudre ces problèmes et vise particulièrement à fournir un composant inductif de poids et volume réduits, limitant les pertes lors d'une utilisation en haute fréquence, et dont le montage puisse être facilité et automatisé en autorisant
la réalisation de ces composant sous la forme de composants à monter en surface (CMS) .
Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un composant inductif destiné à être monté sur un circuit imprimé, comportant au moins un bobinage d'un fil électriquement conducteur et un noyau magnétique, caractérisé en ce que : le bobinage est constitué d'un fil conducteur enroulé sous forme d'une bobine plate et dont les extrémités sont reliées à des extrémités internes de plots de connexion,
- un corps, formé d'un bloc de matière isolante présentant une face inférieure sensiblement orthogonale à l'axe de la bobine, est surmoulé sur la bobine et sur les dites extrémités internes des plots, le corps comportant une ouverture centrale qui le traverse selon 1 ' axe de la bobine, le noyau est réalisé en ferrite et entoure le corps dans un plan médian contenant 1 ' axe de la bobine et présente un élément central passant dans l'ouverture du corps .
La combinaison de caractéristiques selon l'invention présente notamment l'avantage d'un gain important en volume et en poids par rapport à des composants inductifs ayant des propriétés équivalentes réalisées sous forme d'inductances à noyau torique : un composant selon 1 ' invention occupe par exemple un volume de 1200 mm alors qu'une inductance équivalente avec noyau torique a un volume de l'ordre de 3240 mm . Ces avantages résultent notamment de l'utilisation d'un bobinage de faible hauteur et d'un noyau magnétique en ferrite qui permet, grâce à ses caractéristiques magnétiques, d'en diminuer la section. Les ferrites présentent de faibles pertes en haute fréquence et un tel matériau est donc particulièrement adapté pour les applications visées par le composant selon l'invention,
c'est à dire pour des fréquences pouvant aller jusqu'à 3 MHz, tel que par exemple dans des alimentations à découpage dans lesquelles les fréquences de découpage tendent à être de plus en plus élevées. De plus, la faible hauteur du composant permet de réduire 1 ' encombrement en épaisseur du circuit imprimé sur lequel il est monté.
Le corps, par exemple en résine époxy ther odurcissable, surmoulé directement sur la bobine et les connexions, assure une grande résistance mécanique, une bonne dissipation des pertes engendrées par le passage du courant dans le bobinage, et une bonne étanchéité permettant une utilisation du composant en milieu humide. Le fait de ne pas inclure le noyau de ferrite dans le moulage, mais de le rapporter autour du corps, et apparent extérieurement, améliore encore, la dissipation de l'énergie thermique, générée notamment par les courants de Foucault, ceci grâce à un contact direct d'une grande aire des surfaces externes du noyau avec l'extérieur et la possibilité d'y associer aisément un drain thermique .
Selon une disposition particulière de 1 ' invention, le noyau est formé de deux éléments s ' étendant respectivement sur chacune des faces du corps, l'un au moins des dits éléments ayant une forme en E dont la branche centrale passe dans 1 ' ouverture du corps et les branches extrêmes passent sur deux cotés opposés du dit corps. Cette disposition offre, à volume identique, par rapport à une utilisation de noyaux en ferrite réalisés sous des formes connues, par exemple une forme torique, une section de fer beaucoup plus importante. A niveau d'induction équivalent, le nombre de spires du bobinage peut donc être réduit, ce qui diminue les pertes dans le fil conducteur, et autorise en conséquence un courant plus important.
Cette réalisation des noyaux en ferrite permet par
ailleurs de ménager aisément dans le circuit magnétique un entrefer entre les deux éléments constitutifs du noyau, au niveau des faces d'extrémité d'au moins une des branches du E. Cet entrefer peut être adapté par exemple en jouant sur les longueurs respectives des branches du E. Cet entrefer permet de faire supporter au noyau un champ continu important, et corrélativement, pour un champ donné, de réduire le volume du noyau.
Préférentiellement , les deux éléments du noyau sont collés l'un sur l'autre, lors de leur mise en place de part et d'autre du corps. Le joint de colle, réalisé par une colle amagnétique à l'interface entre les deux éléments du noyau peut par ailleurs être placé dans l'entrefer mentionné ci-dessus, au niveau de l'une ou de plusieurs des branches du E . Le maintien du noyau sur le corps peut être complété par un joint de colle supplémentaire disposé entre les bords des éléments du noyau et le corps, en particulier sur les côtés du composant . Selon une autre disposition particulière, des plots de connexion émergent du corps au niveau de la face inférieure du corps, sur deux côtés du corps opposés par rapport au dit plan médian. Ces plots sont solidarisés avec le corps par le surmoulage . Les extrémités externes de ces plots peuvent être conformés pour former des picots pour un montage classique sur circuit imprimé. Ils seront toutefois préférentiellement conformés de manière à former des pattes s ' étendant dans le plan de la surface inférieure du corps, ou légèrement au-delà de celle-ci, permettant de fixer le composant sur le circuit imprimé par soudage de ces pattes à la surface du dit circuit, selon la technique connue pour les composants CMS.
La faible hauteur du composant associée à des dimensions transversales nettement plus grandes, notamment la distance entre les pattes situées de chaque côté du composant, ainsi qu'à un faible poids, améliore
considérablement la tenue au vibrations lorsque le composant est soudé sur le circuit.
Outre leur fonction de fixation mécanique par soudure sur le circuit imprimé, les pattes, au moins celles auxquelles sont raccordées les extrémités de la ou des bobinages, servent bien sûr à leur connexion électrique. On notera à ce sujet un avantage particulier, résultant de la réalisation du type CMS selon l'invention, qui réside dans la grande surface de contact possible entre les pattes et le circuit imprimé, qui permet d'obtenir des résistances de connexion très faibles et des courants importants. Cet avantage est encore plus marqué, lorsque, comme cela peut être réalisé dans le cas où le composant ne comporte qu'un seul bobinage, ce bobinage est raccordé à des connexions qui s ' étendent sur toute la longueur des côtés du composant .
Un autre avantage encore des composants inductifs selon l'invention est qu'ils peuvent être conditionnés en bande pour être utilisés par les machines de pose automatique, leur format aplati et leur faible poids autorisant une pose automatique par aspiration ou par griffes .
L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un composant inductif destiné à être monté sur un circuit imprimé et comportant au moins un bobinage et un noyau magnétique, ce procédé étant caractérisé en ce que :
- on réalise le bobinage sous forme d'une bobine plate par enroulement d'un fil sans utiliser de carcasse, - on place le bobinage sur une grille, l'axe du bobinage étant perpendiculaire à la grille, et on soude les extrémités du fil sur la dite grille,
- on surmoule sur l'ensemble ainsi obtenu un corps en matière isolante, de manière à laisser une ouverture centrale dans l'axe de la bobine et à laisser apparent les bords de la grille sur deux cotés opposés du corps,
on place de part et d'autre du corps deux éléments de noyau en ferrite, dont l'un au moins a une forme en E, la branche centrale du E étant insérée dans la dite ouverture centrale du corps et les deux autres branches passant sur deux côtés opposés du corps, et on fixe les deux éléments de noyau l'un sur l'autre.
Préférentiellemen , le bobinage est réalisé avec un fil comportant une couche externe thermo-adhérente, et, après bobinage, on fait passer dans le fil un courant électrique d'intensité suffisante pour l'échauffer et obtenir 1 ' adhérence des spires entre elles .
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va être faite d'un composant conforme à l'invention et de son procédé de fabrication. On se reportera aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue en perspective d'une inductance conforme à l'invention, les figures 2 et 3 illustrent deux autres variantes de réalisation, - les figure 4 et 5 illustrent, respectivement en vue frontale et de dessus, le montage du bobinage sur une grille destinée à former par la suite les pattes de connexion,
- la figure 6 est une vue de dessus du composant après moulage du corps,
- la figure 7 est une vue latérale du corps,
- la figure 8 est une vue en coupe selon la ligne VIII-VIII de la figure 6,
- la figure 9 montrent le composant après mise en place d'un des deux éléments du noyau,
- la figure 10 montre en vue de côté le composant terminé,
- la figure 11 est une vue en coupe du composant selon la ligne XI -XI de la figure 9, avec le noyau complet.
L'inductance représentée figure 1 comporte un corps
1, d'où émergent de chaque côté des pattes de connexion
2, et un noyau magnétique 3 en ferrite. Le corps est par exemple en résine époxy thermodurcissable , ou en un matériau similaire adapté pour une mise en forme par surmoulage sur un bobinage 4 , comme on le voit notamment figures 8 et 11. Le noyau est composé de deux éléments 31 ayant une section de forme en E, placés de part et d'autre du corps. La ferrite utilisée est par exemple du type ferrites de puissance, présentant de faibles pertes, avec une fréquence d'utilisation de 10 KHz à 5 MHz et une perméabilité relative de 200 à 2500, ou tout type de ferrite à forte perméabilité relative, de l'ordre de 3000 à 15000.
Le bobinage 4 est réalisé avec un fil conducteur isolé et comportant un enrobage de résine thermoadhérente, tel que par exemple un fil de cuivre émaillé de type Thermibond R. Ce fil est bobiné sous forme d'une bobine de forme rectangulaire, comme on le voit figure 5, par enroulement du fil sur un mandrin de dimension adaptée. Le maintien en forme des spires et la liaison des spires entre elles pour obtenir une résistance mécanique de la bobine est assuré par thermo-adhérence , en faisant passer dans le fil un courant électrique calibré qui permet d'élever sa température par effet Joule à une température de l'ordre de 180°C, de manière .à assurer la fusion de l'enrobage et la liaison des spires après refroidissement. La bobine peut ensuite être retirée du mandrin sans se déformer. Ce type de bobinage sans utilisation d'une carcasse de support permet de réduire au maximum l'encombrement de la bobine et assure une meilleure dissipation thermique en cours d' utilisation.
Comme on le voit figures 4 et 5 , le bobinage 4 est ensuite monté sur une grille 21 en métal conducteur, par exemple en alliage cuivreux étamé . La grille 21 est conformée de manière à présenter des éléments 22
s ' étendant de chaque côté de la bobine et destinés à former les pattes de connexion 2 comme on le verra par la suite. Les extrémités 41 du fil sont soudés sur des extrémités internes 24 des éléments 22 par apport d'étain à haute température, d'environ 300°C, au fer à souder ou tout procédé équivalent. Dans l'exemple représenté, où une seule bobine est ainsi montée, les éléments 22 situés d'un même côté de la bobine peuvent être reliés entre eux. Dans le cas où le composant comporterait plusieurs bobinages, les éléments 22 seraient alors séparés, chaque élément 22 pouvant recevoir une extrémité d'un bobinage. Des points de colle 23 assurent par ailleurs le maintien temporaire du bobinage sur la grille.
On réalise ensuite le surmoulage du corps 1 sur l'ensemble ainsi obtenu, de manière à noyer le bobinage et les raccords de la bobine sur la grille dans la résine, comme représenté figures 6 à 8, et à obtenir le corps 1 présentant deux parties latérales 11, situées symétriquement par rapport au plan médian P et d'où émergent les éléments 22 de la grille, et deux parties transversales 12 ménageant une ouverture centrale 13 qui traverse le corps dans la direction de 1 ' axe de la bobine .
Les deux éléments 31 du noyau sont ensuite placés de part et d'autre du corps, comme indiqué figure 11, les branches extrêmes 32 des E passant à l'extérieur des parties transversales 12 du corps, et les branches centrales 33 passant dans l'ouverture 13. Le maintien des éléments 31 de ferrite est assuré par des joints de colle 34, 35 disposés respectivement entre les faces d'extrémité des branches des E et sur les côtés entre les éléments de ferrite et le corps, comme indiqué figures 10 et 11.
Les éléments 22 de grille sont par ailleurs coupés et conformés par pliage pour constituer les pattes de connexion 2, qui s'étendent sensiblement dans le plan de
la face inférieure 18 de l'inductance.
Le dessin de la figure 2 illustre une variante de réalisation utilisable dans le cas d'une inductance comportant un seul bobinage. Les pattes 2 situées d'un même côté sont alors remplacées par une barrette 2 ' qui s'étend dans l'angle du composant, sur toute la longueur de celui-ci.
Le dessin de la figure 3 illustre encore une autre variante, dans laquelle les plots de connexion 2' ' sont aménagés uniquement sur les bords des parties latérales 11 du corps, un tel composant pouvant notamment être monté perpendiculairement à la surface du circuit imprimé .
La fabrication de ces composants peut être réalisée comme indiqué précédemment, en adaptant simplement la forme de la grille de manière adéquate.
L'invention n'est pas limité aux modes de réalisation décrits ci-dessus uniquement à titre d'exemple. En particulier, le bobinage pourra comporter plusieurs éléments, séparés ou connectés entre eux, pour réaliser divers types de transformateurs ou d'inductances. Egalement, le noyau pourra être formé d'une seule partie en forme de E ayant des branches plus longues et l'autre partie étant plane.