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Electronique > Bases > Section fil et largeur piste PCB ? Courant max ?

Dernière mise à jour : 25/05/2015

Présentation

Nombreux sommes-nous à nous demander quelle section de fil ou quelle largeur de piste sur un circuit imprimé (PCB) on doit adopter.

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Cela dépend du courant qu'on doit y faire passer, mais encore ?

Section des conducteurs

Plus la section est grande et mieux c'est. Ah bon ? Même pour le porte-monnaie ? Le cuivre est cher, il va donc de soi qu'on ne va pas prendre plus qu'il n'est nécessaire. Mais celà ne doit pas empêcher notre cerveau de penser à des extensions futures... La formule qui indique quel est le courant max pour une section de câble donné dépend de la résistivité du fil (et donc du matériau utilisé) mais aussi de la longueur puisque de cette dernière dépend la chute de tension (perte) en ligne. On peut aussi, à l'inverse, déterminer la section (S) minimale du câble en fonction du courant max et de la chute de tension max désirée (pensez que la chute de tension se fait sur le câble aller mais aussi sur le câble retour).

S = (Rho * L * I) / U
où
Rho = résistivité du cuivre = 0.021 ohms/m
L = longueur totale (aller + retour) en m
I = courant en A
U = chute de tension en V

Si par exemple on doit installer un câble de longueur 5 mètres (10 mètres aller+retour) dans lequel pourra circuler un courant de 3 A, tout en ayant au maximum une chute de tension de 0,5 V, alors la section S du câble devra être d'au moins :

S = 0,021 * 10 * 3 / 0,5 = 1,26 mm²

Norme métrique

Pour l'électricité générale, on se base sur les valeurs de section suivantes :
16 A -> 1,5 mm² (longueur maxi du câble = 14 m)
20 A -> 2,5 mm² (longueur maxi du câble = 19 m)
25 A -> 4 mm² (longueur maxi du câble = 25 m)
32 A -> 6 mm² (longueur maxi du câble = 28 m)
La notion de longueur maxi de câble est établie pour une perte en tension maximale de 3%, cette dernière étant proportionnelle à la résistivité du câble et au courant qui y circule. Si vous ne vous vous souvenez pas de ces valeurs, essayez de retenir une valeur "empirique" de 1 mm² par tranche de 5 A. Notez en outre qu'ici on ne mentionne pas l'élévation de température du câble, qu'on ne peut pas toujours ignorer...

Norme AWG

Les pays qui utilisent le système de mesure métrique expriment la section des conducteurs en mm². Les américains quant à eux l'expriment en "gabarit (gauge) de fil" : AWG = American Wire Gauge. La valeur AWG est liée à la valeur inverse du diamètre. Ce qui signifie que plus la valeur AWG est grande, plus la section du fil est petite. Les câbles Ethernet portent souvent la dénomination AWG (par exemple monobrin AWG 24 pour les câbles de catégorie CAT5e ou encore monobrin AWG 23 pour les câbles de catégorie CAT6). Quelques exemples :
AWG 1 = 42,4 mm²
AWG 10 = 5,26 mm²
AWG 24 = 0,207 mm²
AWG 26 = 0,129 mm²
AWG 34 = 0,020 mm²
Notez qu'on rencontre plus souvent la notation inverse, à savoir "24 AWG" plutôt que "AWG 24".

Mais... je ne suis pas si gourmand !

Quand on utilise du fil pour alimenter un circuit de préamplification audio, on n'a guère besoin d'une section de fil "démesurée", car on sait que le courant qui va y circuler est très faible. A la limite, le choix de la section du conducteur pour ce type de projet résulte presque plus de l'esthétique et de la rigidité mécanique. Alors quelle valeur choisir ? Pour le câblage en électronique de faible puissance, du fil de section 0,22 mm² (et même du 0,15 mm²) suffit amplement. C'est ce que j'utilise depuis plus de 30 ans pour mes maquettes.

Largeur de piste d'un PCB

Le raisonnement est le même que pour le fil de section ronde, sauf que là on se retrouve avec un conducteur plat très mince (35 um ou 70 um en général). Comme le conducteur que constitue la piste de circuit imprimé est de faible épaisseur, on doit compenser en largeur. La formule qui suit et qui permet de déterminer la largeur de piste minimale en fonction du courant max qui doit y circuler, répond au "standard" ANSI / IPC-2221/IPC-2221A (qui remplace le "standard" IPC-D-275) :

Pistes internes : I = 0.024 x dT^0.44 x A^0.725
Pistes externes : I = 0.048 x dT^0.44 x A^0.725
où
I = courant maximum en ampères
dT = élévation de température (par rapport à la température ambiante) en °C
A = aire de l'inter-section en mils²

Ces formules sont valables pour un courant maximal de 35 A, pour une élévation maximale de température de 100°C et pour une largeur de piste maximale de 400 mils (10 mm). Pour rappel, 1 mm = 39,3700787 mils et 1 mils = 0,0254 mm (l'unité "mils" est aussi parfois appelé "thou"). Bien entendu vous êtes sans doute autant que moi allergiques aux formules. Heureusement pour nous, d'ingénieux personnages mettent à disposition des calculateurs, en voici un exemple :

Vous remarquerez que dans le calcul de la largeur de la piste de cuivre, on tient bien compte de l'élévation de température (dT). Pourquoi tenir compte de la température ? Parce que plus l'intensité de courant est élevée et plus le conducteur chauffe, à cause de l'agitation des électrons qui devient de plus en plus "volumineuse". Et plus le conducteur chauffe et plus sa résistivité augmente. Les exemples qui suivent donnent des valeurs obtenues avec le calculateur en ligne de desmith (copie d'écran ci-avant).

Courant	dT	Cu 35 um	Cu 70 um	Perte tension	Puiss.
0,1 A	10°C	0,01 mm (0,49 mils)	0,01 mm (0,25 mils)	0,42 V / 10 cm	0,40 W
1 A	10°C	0,3 mm (11,83 mils)	0,15 mm (9,91 mils)	0,17 V / 10 cm	0,17 W
3 A	10°C	1,37 mm (53,82 mils)	0,68 mm (26,91 mils)	0,11 V / 10 cm	0,34 W
5 A	20°C	2,77 mm (108,88 mils)	1,38 mm (54,44 mils)	0,09 mV / 10 cm	0,47 W
10 A	10°C	7,19 mm (283,24 mils)	3,6 mm (141,62 mils)	0,07 V / 10 cm	0,73 W

Pour des pistes internes (enfermées), il faut multiplier la largeur de la piste par deux. Dans le cas où l'élévation de température est élevée (plusieurs dizaines de degrés) il faut prévoir un espace réservé pour dissiper la chaleur. Inutile de placer juste à coté des composants qui souffriraient de la chaleur dégagée et vieilliraient prématurément.

Je n'ai pas assez de place sur mon circuit imprimé !

Comme on ne peut pas toujours octroyer une place royale aux pistes de fort courant, on peut aussi utiliser une largeur de piste plus faible que le minimum requis (par exemple 2 ou 3 mm pour 10 A) qu'on complète en épaisseur avec un fil de cuivre rigide ou une épaisse couche de soudure.