Comment sélectionner le bon connecteur pour votre jetpack et d'autres réalisations !

Vous est-il déjà arrivé de regarder un film et de vous demander si vous pourriez faire la même chose ? C'est la pensée qu'avait Richard Browning lorsqu'il a vu Tony Stark interpréter le rôle d'Iron Man, et il a décidé de se confectionner une tenue volante.

Fig. 1 : Richard Browning dans sa combinaison volante Daedalus

Il y a quelques décennies, on a déjà fait des expériences de vol individuel. En 1965, le monde entier a vu James Bond évoluer dans les airs avec un réacteur dorsal dans le film Opération Tonnerre. Ce jetpack baptisé Bell Rocket Belt était un développement entièrement opérationnel de la Défense américaine visant à assurer la mobilité des soldats sur le champ de bataille. Mais les quelque 20 litres de peroxyde d'hydrogène utilisés comme carburant permettaient juste de voler 21 secondes, et l'armée américaine a décidé d'investir dans d'autres activités de recherche.

Fig. 2 : James Bond (Sean Connery) équipé du réacteur dorsal Bell Jet Belt en 1965
(Image: http://jamesbond.wikia.com)

Plus récemment, on a effectué plusieurs essais pour déclencher la révolution du vol personnel. Saisissez le terme "jetpack" dans un moteur de recherche et vous trouverez plusieurs entreprises prêtes à vous vendre un tel dispositif. L'approche de Richard était différente, puisqu'il a voulu créer sa propre combinaison volante.

50 ans de recherche-développement dans le domaine des moteurs, du carburant, des éléments de commande et des composants électroniques l'ont aidé. Les moteurs à réaction miniaturisés modernes délivrent une remarquable puissance pour un gabarit dépassant à peine une grande boîte de haricots (et au moyen de carburants bien plus sûrs que le peroxyde d'hydrogène !). En voyant les performances d'un nano-ordinateur comme le Raspberry Pi, on ne s'étonnera sans doute pas non plus de la facilité avec laquelle se commande cette nouvelle génération de moteurs, un thème qui relevait encore de la science-fiction en 1965.

Mais où commencer ?

Aujourd'hui, si vous vous demandez où commencer, les réponses en relation avec les moteurs et la commande sont déjà disponibles. La plus grande difficulté du projet consiste à les intégrer dans un appareil fonctionnel unique.

Les moteurs doivent être reliés à la source de carburant. L'IHM (interface homme-machine), l'unité d'affichage et les capteurs doivent être en mesure de communiquer ensemble. Et tout doit être connecté au cerveau électronique central, qui contrôle l'ensemble.

À ce stade, vous réalisez sans doute qu'un système d'un tel niveau de complexité sera truffé d'autres composants qui, à défaut d'exercer le même degré de fascination, sont aussi indispensables que les moteurs maintenant Richard en l'air.

Mais comment choisir les produits qui rendent la combinaison Daedalus opérationnelle ? Nous allons étudier quelques-uns des connecteurs et câbles dont Richard a besoin, et expliquer comment choisir des composants appropriés à l'aide du site Internet de RS. En raison de l'étendue des types, des applications et des capacités, les câbles et connecteurs peuvent présenter un ensemble d'options qui rendent le choix difficile. Alors que le projet Daedalus est somme toute assez inhabituel, notre mode de sélection des produits s'applique aussi à des situations plus courantes.

Définir la tâche

Notre premier travail consiste à définir la fonction du produit recherché. Les questions concernant un connecteur ou un câble sont similaires. Combien de conducteurs sont nécessaires ? Quelles sont la tension et le courant véhiculés ? Faut-il prévoir un blindage ? Dans la plupart des cas, la réponse à ces questions détermine les dimensions totales du produit.

Nous devons à présent étudier les conditions de fonctionnement des produits. La question la plus fréquente est de savoir s'ils seront exposés à l'eau ou aux intempéries et par conséquent si l'étanchéité à l'eau s'avère impérative. Mais parfois, il faut aussi tenir compte de facteurs comme les vibrations et les chocs et de l'exposition à des produits chimiques. Combinées, les réponses à ces questions dictent la conception physique du connecteur ou du câble, et les matériaux dont il est constitué.

Pour finir, nous devons vérifier si des exigences spéciales influent sur la sélection du produit. Est-on amené à manipuler ce produit fréquemment ou est-ce juste un matériel que l'on monte ? Le produit doit-il être léger ? Devrait-il avoir une couleur particulière pour être plus facile à utiliser ? L'application devrait rendre évidentes les réponses à ces questions (et à une infinité d'autres), mais il est toujours bon de prendre l'inattendu en considération.

Sélection de connecteurs pour un usage particulier

Examinons une situation hypothétique. Un client recherche un connecteur utilisé dans une application sur le pont d'un bateau. La conception l'aiguille vers un circuit non blindé à 3 conducteurs, capable de véhiculer 5 volts à 0,5 ampère. Ces valeurs ne sont vraiment pas extrêmes, et un petit connecteur sera donc idéal. Il est prévu d'installer le connecteur lors de la construction du bateau et, en l'absence de défaillances, on ne le débranchera qu'au moment d'une révision générale. Mais le milieu marin est rude et l'exposition à l'eau salée et au soleil (et par conséquent aux rayons ultraviolets (UV)) constitue un problème permanent.

Dans ce cas, il nous faut un connecteur étanche à l'eau résistant aux éléments. Comme ce connecteur ne nécessite pas de blindage, nous pouvons envisager une coque en plastique. Certaines matières synthétiques ne supportent pas les rayons UV. Aussi, le métal peut se révéler plus judicieux. Mais l'eau salée est susceptible d'affecter divers types de métaux, notamment l'aluminium. Comme alternative, on pourrait choisir l'acier inoxydable, résistant à la corrosion. Ce métal est très dur, ce qui rend son usinage difficile et son prix élevé. Une petite recherche nous conduit à une solution alternative : l'alliage nickel aluminium bronze (NAB).

L'alliage NAB est un métal très dense ayant la couleur de l'or. Il présente une excellente résistance aux rayons UV et à la corrosion causée par l'eau salée. Et la composante cuivre offre un avantage supplémentaire, en inhibant une colonisation par les organismes marins (algues, moules et lichens). La densité du métal le rend aussi lourd, mais cela ne pose en général pas de problèmes pour les applications marines.

Vous l'avez deviné : la sélection de produits revient souvent à soupeser le pour et le contre et à identifier les caractéristiques vraiment importantes. Dans ce cas, la résistance à la corrosion est plus déterminante que la question du poids. Aussi, l'alliage NAB est le bon choix.

Sélection de connecteurs pour Daedalus

L'élaboration de Daedalus a confronté Richard à une série de défis, et le créateur de la combinaison volante nous a demandé de l'aider. Chaque bras de Richard est pourvu d'une paire de moteurs et d'éléments de commande. Sous son index se trouve un déclencheur pour commander le papillon des moteurs. Il ne s'agit pas d'un simple interrupteur marche/arrêt, mais d'un déclencheur variable qui permet au porteur de la tenue volante de doser avec une grande précision la puissance nécessaire. En combinaison avec d'autres éléments de commande, chaque poignée doit être reliée à l'électronique contenue dans le sac à dos. Toutes les connexions exigent 5 conducteurs, uniquement amenés à traiter des courants de signaux à basse tension.

Fig. 3 : Richard portant la combinaison Daedalus. Vous pouvez voir le contacteur de papillon sous son index droit, de même qu'une série de câbles et de conduites de carburant sur le dessus des moteurs.

Cette application présente un certain nombre d'exigences. Comme le câble passe le long de la manche de la tenue volante jusqu'à la main, il doit être flexible et le rester en permanence. Lorsque le câble atteint la poignée, il a besoin d'un connecteur que l'utilisateur doit avoir la possibilité d'enlever à tout moment. Alors que le but suprême de Richard est de peaufiner sa combinaison afin de pouvoir la mettre et la retirer facilement, la conception actuelle implique un débranchement du connecteur à chaque enfilement de la combinaison.

C'est la raison pour laquelle le connecteur doit être robuste et avoir une longue durée de vie, même si l'étanchéité à l'eau n'est pas une caractéristique clé. Il serait pratique que le connecteur dispose d'un mécanisme de débranchement rapide, tout en résistant aux vibrations afin de rester branché en toute sécurité pendant l'utilisation de la combinaison. Pour finir, comme Daedalus doit élever Richard et tout son équipement avec une réserve de puissance, tout composant sélectionné doit être léger.

Choisir les câbles avant les connecteurs

Selon mon expérience, il est toujours plus facile de sélectionner d'abord le câble, puis de trouver un connecteur adéquat, plutôt que l'inverse. En gardant cela à l'esprit, j'ai commencé par étudier des câbles très flexibles et j'ai choisi une série d'Alpha Wire appelée XTRA-GUARD FLEX.

Fig 4: Alpha Wire XTRA-GUARD FLEX

Ces câbles sont conçus pour des applications hautement dynamiques, qui les soumettent à une flexion constante. J'ai choisi un conducteur blindé à 5 conducteurs (408-895) qui selon les tests supporte jusqu'à 6 millions de cycles de flexion et utilise des âmes toronnées d'une section limitée à 0,14 mm2 (26 AWG). En d'autres termes, le diamètre total du câble mesure tout juste 5,36 mm. Le blindage est assuré par une feuille d'aluminium/polyester, qui aide à réduire le poids au maximum.

Après la sélection du câble, j'ai recherché des connecteurs. Richard utilise actuellement un connecteur DIN à visser. Bien que ces articles soient parfaitement adaptés du point de vue électrique, Richard les a trouvés plutôt grands et lourds. Par ailleurs, on ne peut pas vraiment considérer le vissage comme un mode de déconnexion rapide. En plus, la conception de ces connecteurs est standard, non adaptée à des cycles de branchement/débranchement fréquents. Richard a besoin d'une réalisation plus robuste.

Applications spéciales

Pendant de longues années, le connecteur cylindrique militaire a occupé une position dominante pour ce type d'application spéciale. Ces produits sont conformes à de nombreuses normes, mais tous conçus pour présenter une grande robustesse et de hautes performances. Ils sont souvent constitués d'un alliage d'aluminium afin d'être légers et de convenir ainsi aux installations aérospatiales. Au fil des années, ils ont investi de nombreux secteurs industriels, allant de la robotique à la construction automobile.

Mes premières recherches se sont concentrées sur des connecteurs respectant la norme MIL-DTL-26482. Il s'agit d'un connecteur à fixation baïonnette, qui permet de le débrancher plus rapidement que le connecteur DIN actuellement utilisé. Bien qu'ils soient disponibles dans des matériaux inhabituels comme l'acier inoxydable, la majorité de ces articles sont formés d'un alliage d'aluminium et offrent l'avantage d'être commercialisés par de nombreux fabricants en raison de leur conception standard. Les options englobent des modèles Souriau (687-6645) , Glenair (190-156) et Amphenol (540-4902) .

Fig. 5 : connecteurs MIL-DTL 26482 d'Esterline Souriau

En l'étudiant de plus près, je constate qu'une version 5 pôles de ce connecteur serait logée dans une coque de taille 14, avec un diamètre total de presque 30 mm. Je n'ai pas considéré ce format comme assez fin et j'ai donc continué ma recherche.

Dans le secteur industriel, il existe un type de connecteur push-pull inventé par le fabricant suisse LEMO. Le verrouillage est très compact, sûr pendant l'utilisation mais permettant un branchement/débranchement aisé. Cette caractéristique rend le connecteur complet très fin - la fiche de la série 0B a un diamètre de moins de 10 mm (433-2351) . Pourvus de contacts décolletés plaqués or, ces connecteurs sont prévus pour une utilisation fréquente, avec une durée de vie qui s'étend à plus de 5 000 cycles de branchement/débranchement.

Fig. 6 : connecteurs push-pull LEMO de la série B

La série B de connecteurs LEMO semble être faite pour Daedalus - fine, robuste, à longue durée de vie et à débranchement rapide, mais elle présente un inconvénient. La coque est en général constituée de laiton chromé, qui n'est pas un matériau léger.

Ce facteur aurait pu signifier l'exclusion de LEMO. Mais le fabricant propose un remède. S'appuyant sur son expérience dans le domaine de la Formule 1, LEMO a développé la série F. Cette gamme combine les avantages des modèles push-pull de la série B avec des caractéristiques des connecteurs cylindriques militaires. Les modèles F sont dotés des mêmes contacts décolletés de petites dimensions que les versions de la série B, mais les logent dans un connecteur en alliage d'aluminium fin et court, ce qui réduit le poids au maximum.

Fig. 7 : la série F de connecteurs push-pull légers de LEMO

Le connecteur de taille 0F a lui aussi un diamètre de tout juste 12 mm et s'affranchit d'un capot support pour le câble, celui-ci étant fixé à l'aide d'un manchon moulé thermorétractable.

Matériel thermorétractable

Le matériel thermorétractable est un miracle de la technologie plastique moderne. Et un manchon moulé thermorétractable est une alternative intéressante aux méthodes classiques de fixation du câble. Dans l'application de Richard, la partie arrière du connecteur 0F mesure environ 9 mm et le diamètre du câble à peine plus de 5 mm. J'ai donc choisi un produit de HellermannTyton (829-0153) parfaitement adapté pour une pose du câble le long de la manche de la combinaison de Richard. La paire de connecteurs branchés a un diamètre de tout juste 12 mm, avec une longueur de moins de 80 mm, les manchons thermorétractables étant inclus.

Fig. 8 : vue éclatée d'une paire de connecteurs compléte.
Les connecteurs tout à gauche et tout à droite sont des modèles thermorétractables de HellermannTyton (401-04024).
Au centre, on voit les connecteurs LEMO FGN.0F.305.XLC et PHN.0F.305.XLM.

Cet exemple montre très bien que la sélection d'un produit revient à identifier les exigences, à se concentrer sur celles qui constituent le plus grand défi ou sont les plus importantes et à rechercher un connecteur procurant le meilleur compromis. À première vue, cela peut sembler compliqué, mais avec une définition claire des exigences clés, du bon sens et l'aide du site Internet RS, vous aussi pouvez trouver la meilleure solution pour votre application.