PCB de lumière Z-Wave : Guide de conception, spécifications et liste de contrôle de dépannage

PCB de lumière Z-Wave : réponse rapide (30 secondes)

La conception d'un PCB de lumière Z-Wave nécessite d'équilibrer le contrôle de l'éclairage haute tension avec une communication RF Sub-GHz sensible. Contrairement aux protocoles 2,4 GHz (Bluetooth, Zigbee), Z-Wave fonctionne à 800–900 MHz, offrant une meilleure pénétration des murs mais nécessitant des antennes plus grandes et un soin particulier de la disposition.

Spécificité de la fréquence : Vous devez concevoir le réseau d'adaptation d'antenne pour la région spécifique (par exemple, 908,4 MHz pour les États-Unis, 868,4 MHz pour l'Europe).
L'isolation est critique : Les PCB d'éclairage gèrent souvent le courant alternatif du secteur. Vous devez maintenir des distances de fuite et d'isolement strictes entre le côté CA haute tension (HV) et le côté logique Z-Wave basse tension (LV).
Dégagement de l'antenne : Les boîtiers métalliques et les dissipateurs thermiques des LED désaccordent les antennes. Maintenez un dégagement minimum de 10 à 15 mm autour de la trace d'antenne ou de l'antenne puce.
Gestion thermique : Les pilotes de LED génèrent de la chaleur. Utilisez des vias thermiques ou des PCB à âme métallique (MCPCB) pour empêcher la chaleur de dériver la fréquence de l'oscillateur à quartz Z-Wave.
Module vs. SoC : Pour un délai de mise sur le marché plus rapide, utilisez des modules Z-Wave pré-certifiés (par exemple, la série Silicon Labs 700/800) plutôt qu'une conception à partir de la puce.
Contrôle d'impédance : Les traces RF connectant le SoC Z-Wave à l'antenne doivent être adaptées en impédance (généralement 50Ω) pour éviter la réflexion du signal et la perte de portée.

Quand le PCB de lumière Z-Wave s'applique (et quand il ne s'applique pas)

Z-Wave est une norme dominante dans la domotique, en particulier pour l'éclairage, grâce à ses capacités de réseau maillé et à l'absence d'interférence avec le Wi-Fi. Cependant, ce n'est pas la solution universelle pour toutes les applications d'éclairage intelligent.

Utilisez la carte PCB Z-Wave Light lorsque :

L'automatisation de toute la maison est requise : L'appareil doit agir comme un nœud répéteur pour renforcer le réseau maillé pour d'autres appareils comme les serrures ou les capteurs.
Une pénétration intérieure à longue portée est nécessaire : Vous avez besoin que le signal traverse des murs épais en béton ou en brique là où le 2,4 GHz (Wi-Fi/Bluetooth) échoue.
L'interopérabilité est une priorité : Le produit doit fonctionner de manière transparente avec des écosystèmes établis tels que Samsung SmartThings, Hubitat ou Ring Alarm.
Une faible latence de puissance est critique : Vous avez besoin de temps de réponse instantanés (technologie FLiRS) pour les interrupteurs ou capteurs alimentés par batterie sans épuiser l'énergie.
La sécurité est primordiale : L'application nécessite la conformité au cadre de sécurité S2, ce qui est obligatoire pour la certification Z-Wave.

N'utilisez pas la carte PCB Z-Wave Light lorsque :

Une bande passante de données élevée est nécessaire : Les débits de données Z-Wave (jusqu'à 100 kbps) sont insuffisants pour le streaming audio ou vidéo ; utilisez le Wi-Fi pour ces fonctionnalités.
La simplicité des SKU mondiaux est requise : Z-Wave utilise différentes fréquences dans différents pays, nécessitant plusieurs variantes de PCB (contrairement au Bluetooth/Thread 2,4 GHz qui fonctionne globalement).
Le coût ultra-faible est le seul moteur : Le coût du silicium Z-Wave et le processus de certification obligatoire sont généralement plus élevés que ceux des solutions RF propriétaires génériques.
Un contrôle direct par téléphone est nécessaire sans concentrateur : Les appareils Z-Wave nécessitent généralement une passerelle/un concentrateur ; ils ne peuvent pas se connecter directement à un smartphone comme une Bluetooth Light PCB.

Règles et spécifications de la carte PCB Z-Wave Light (paramètres clés et limites)

L'intégration réussie de Z-Wave dans les produits d'éclairage dépend du respect strict des règles de sécurité RF et électrique. Vous trouverez ci-dessous les spécifications critiques pour l'ingénierie d'une carte robuste.

Règle / Paramètre	Valeur / Plage recommandée	Pourquoi c'est important	Comment vérifier	Si ignoré
Impédance de la piste RF	50Ω ±10%	Assure un transfert de puissance maximal de la radio à l'antenne.	Tests TDR (Time Domain Reflectometry) sur des coupons.	La réflexion du signal entraîne une mauvaise portée et une perte de paquets élevée.
Zone d'exclusion d'antenne	>10mm (espace 3D)	Le cuivre, le métal ou les composants à proximité désaccordent l'antenne et absorbent l'énergie RF.	Examen des couches Gerber et de la CAO mécanique 3D.	Portée considérablement réduite ; l'appareil devient "sourd".
Tolérance du cristal	±10 ppm	Z-Wave nécessite une synchronisation précise pour le saut de fréquence et la synchronisation du maillage.	Vérifier la fiche technique du composant et la capacité de charge.	L'appareil ne parvient pas à rejoindre le réseau ou perd fréquemment la connexion.
Isolation HT/BT	>6,4 mm (Renforcée)	Empêche l'arc électrique de la tension secteur 110/220V vers l'interface utilisateur basse tension ou l'antenne.	Test Hi-Pot (Rigidité diélectrique) à 3000V+.	Danger pour la sécurité ; risque de choc électrique ; échec de certification.
Matériau PCB (RF)	FR-4 (Tg >150°C)	Le FR-4 standard est généralement suffisant pour le Sub-GHz, mais la cohérence est essentielle.	Vérifier la stabilité de la constante diélectrique (Dk) avec le fabricant.	Désadaptation d'impédance si Dk varie significativement entre les lots.
Vias thermiques	Trou de 0,3 mm, pas de 0,6 mm	Dissipe la chaleur du TRIAC du gradateur ou du pilote LED loin du SoC Z-Wave.	Simulation thermique ou test par caméra IR sur prototype.	Dérive de l'oscillateur due à la chaleur ; durée de vie des composants réduite.
Plan de masse	Solide, ininterrompu sous RF	Fournit un chemin de retour pour les signaux RF et protège contre le bruit.	Inspection visuelle des couches internes ; vérifier les "îles".	Émissions EMI élevées ; faible sensibilité du récepteur.
Condensateurs de découplage	Placer à <2 mm de la broche	Filtre le bruit haute fréquence de la ligne d'alimentation entrant dans le SoC.	Examiner le placement dans le logiciel de conception.	Fonctionnement instable ; réinitialisations aléatoires ; bruit radio.
Épaisseur du cuivre	1 oz ou 2 oz	Les circuits d'éclairage transportent souvent un courant élevé ; un cuivre plus épais gère la chaleur et le courant.	Spécifier dans les notes de fabrication.	Les pistes surchauffent ou brûlent sous pleine charge d'éclairage.
Région Z-Wave	868 MHz / 908 MHz / 921 MHz	Le réseau d'adaptation matériel doit correspondre à la fréquence du marché cible.	Balayage du port d'antenne par un analyseur de réseau (VNA).	Le produit fonctionne en laboratoire mais échoue dans le pays cible.

Étapes de mise en œuvre des PCB de lumière Z-Wave (points de contrôle du processus)

APTPCB (APTPCB PCB Factory) recommande de suivre un processus de conception structuré pour minimiser les itérations RF.

Sélection de la fréquence régionale :
- Action : Déterminez immédiatement le marché cible (par exemple, États-Unis, UE, ANZ).
- Paramètre clé : Les valeurs du filtre SAW et du réseau d'adaptation d'antenne changent en fonction de la fréquence.
- Vérification : Confirmez que la nomenclature (BOM) correspond aux exigences de fréquence régionale.
Décision SoC vs. Module :
- Action : Choisissez entre un module SiP (System in Package) ou une conception SoC discrète.
- Paramètre clé : Surface du PCB vs. Coût de certification. Les modules réduisent le temps de certification.
- Vérification : Vérifiez si l'empreinte du module s'adapte au boîtier d'éclairage (par exemple, la base de l'ampoule ou la boîte de dérivation).
Conception schématique et alimentation électrique :
- Action : Concevez une alimentation AC-DC propre (SMPS) pour abaisser la tension secteur à 3,3 V.
- Paramètre clé : Tension d'ondulation <50mV.
- Vérification : Assurez-vous que la fréquence de commutation de l'alimentation ne crée pas d'harmoniques dans la bande 800–900 MHz.
Définition de l'empilement et de l'impédance :
- Action : Définissez l'empilement des couches avec le fabricant de PCB.

Paramètre clé : Épaisseur diélectrique entre la couche supérieure (RF) et la couche 2 (Masse).
Vérification : Directives PCB haute fréquence pour l'impédance contrôlée.

Disposition et placement de l'antenne :
- Action : Placez l'antenne en premier, au bord de la carte, loin de l'entrée d'alimentation CA.
- Paramètre clé : Dimensions de la zone d'exclusion.
- Vérification : Exécutez un DRC (Design Rule Check) spécifiquement pour le dégagement de l'antenne.
Disposition pour la gestion thermique :
- Action : Acheminez les pistes à courant élevé pour la charge d'éclairage et placez des vias thermiques sous les MOSFETs/TRIACs.
- Paramètre clé : Température de jonction (Tj) max.
- Vérification : Assurez-vous que la chaleur ne s'écoule pas directement vers le cristal Z-Wave.
Examen DFM :
- Action : Soumettez les fichiers Gerber pour l'examen de la conception pour la fabrication (DFM).
- Paramètre clé : Largeur/espacement minimum des pistes et tailles de perçage.
- Vérification : Directives DFM pour prévenir les défauts de fabrication.
Prototypage et assemblage :
- Action : Fabriquez la carte nue et assemblez les composants (SMT).
- Paramètre clé : Profil de pâte à souder (température de refusion).
- Vérification : Inspectez les joints de soudure sur le module/SoC Z-Wave à pas fin.
Réglage et validation RF :
- Action : Utilisez un VNA pour mesurer la perte de retour de l'antenne (S11).
- Paramètre clé : S11 < -10dB à la fréquence centrale.

Vérification : Ajustez le réseau Pi (inductances/condensateurs) pour centrer la résonance.

Pré-analyse de certification Z-Wave :
- Action : Tester la conformité aux normes de la Z-Wave Alliance.
- Paramètre clé : Puissance de sortie RF et sensibilité du récepteur.
- Vérification : Vérifiez que l'appareil s'inclut/s'exclut d'un contrôleur Z-Wave standard.

Dépannage de la carte PCB d'éclairage Z-Wave (modes de défaillance et corrections)

Même avec une bonne conception, des problèmes surviennent lors des tests. Utilisez ce flux logique pour diagnostiquer les défauts courants d'éclairage Z-Wave.

Symptôme : L'appareil s'apparie mais a une très courte portée (<5 mètres).

Cause : Désaccord d'antenne dû au boîtier ou à une désadaptation.
Vérification : La carte PCB est-elle installée dans un boîtier métallique ? Le réseau d'adaptation est-il réglé pour la carte nue ou pour l'assemblage final ?
Correction : Réajustez le réseau d'adaptation d'antenne avec le boîtier en plastique et la mécanique finale en place.
Prévention : Simulez le matériau du boîtier (diélectrique) pendant la phase de conception.

Symptôme : La lumière scintille ou clignote lorsque la radio Z-Wave transmet.

Cause : Bruit d'alimentation ou chute de tension. Le pic de courant de transmission RF (TX) fait chuter le rail 3,3 V, affectant le signal de commande du pilote LED.
Vérification : Surveillez le rail 3,3 V avec un oscilloscope pendant les rafales TX.
Correction : Augmentez la capacité de découplage sur le rail 3,3 V ; ajoutez des perles de ferrite entre la section RF et la section du pilote LED.
Prévention : Séparez les domaines d'alimentation pour la radio et la logique de commande d'éclairage. Symptôme : L'appareil se déconnecte du réseau après quelques heures.
Cause : Dérive de fréquence de l'oscillateur à quartz due à la chaleur.
Vérification : Mesurez la température près du quartz après que la lumière ait été allumée à 100 % de luminosité pendant 1 heure.
Solution : Améliorer l'isolation thermique ; éloigner le quartz de la source de chaleur ; utiliser un quartz conçu pour les hautes températures.
Prévention : Utilisez la technologie PCB à âme métallique pour une meilleure dissipation de la chaleur si vous utilisez des LED de haute puissance.

Symptôme : Impossible d'inclure (appairer) l'appareil.

Cause : Inadéquation de région ou absence d'entrée DSK (clé spécifique à l'appareil) pour la sécurité S2.
Vérification : Vérifiez que la fréquence du module Z-Wave correspond à celle du contrôleur. Vérifiez si le contrôleur nécessite le scan du code QR (SmartStart).
Solution : Réinitialisez l'appareil aux paramètres d'usine ; assurez-vous que le firmware de la bonne région est chargé.
Prévention : Étiquetez clairement les PCB avec les codes de région pendant la production.

Symptôme : Taux élevé d'échecs EMI lors de la certification.

Cause : Harmoniques de la fréquence de commutation du pilote LED se couplant à l'antenne.
Vérification : Effectuez un balayage de sonde en champ proche sur la carte.
Solution : Ajoutez des boîtiers de blindage sur le circuit du pilote LED ; améliorez le raccordement de la masse.
Prévention : Gardez la trace de l'antenne aussi éloignée que possible du nœud de commutation de l'alimentation.

Comment choisir une carte PCB de lumière Z-Wave (décisions de conception et compromis)

Lors du développement d'un produit d'éclairage intelligent, les ingénieurs comparent souvent les PCB d'éclairage Z-Wave à d'autres protocoles comme les PCB d'éclairage Bluetooth, les PCB d'éclairage Matter ou les PCB d'éclairage Thread.

1. Portée et Pénétration

Z-Wave: Fonctionne à ~900 MHz. La longueur d'onde est plus longue, ce qui lui permet de traverser les murs, les meubles et les sols mieux que les signaux de 2,4 GHz. Idéal pour les grandes maisons ou les structures en béton.
Bluetooth/Thread/Matter (via Thread): Fonctionnent à 2,4 GHz. Les signaux sont plus facilement absorbés par l'eau (personnes) et les obstacles. Nécessite plus de nœuds répéteurs pour couvrir la même zone.

2. Topologie du Réseau

Z-Wave: Utilise un maillage à routage par la source. Le contrôleur connaît le chemin. Il est très stable pour les appareils statiques comme les interrupteurs d'éclairage. Limite de 232 nœuds (historiquement), bien que Z-Wave Long Range étende cette capacité.
Bluetooth Mesh: Utilise le flooding géré. Robuste mais peut être "bruyant" sur le spectre.
Thread/Matter: Maillage basé sur IP. Auto-réparateur et très robuste, mais l'écosystème est encore en phase de maturation par rapport au marché Z-Wave établi.

3. Consommation Électrique (pour Capteurs/Interrupteurs)

Z-Wave: Excellent pour les capteurs ou interrupteurs alimentés par batterie et liés aux lumières (utilisant FLiRS).
Wi-Fi: Trop gourmand en énergie pour les commandes d'éclairage alimentées par batterie.
Bluetooth LE: Très faible consommation d'énergie, mais la portée est la limitation.

4. Coût et Écosystème

Z-Wave : Les puces proviennent principalement de Silicon Labs (source propriétaire), et la certification est obligatoire. Cela garantit une haute qualité et une interopérabilité, mais augmente les coûts de la nomenclature (BOM) et de NRE.
Matter/Thread : Normes ouvertes avec plusieurs fournisseurs de silicium (Nordic, TI, Silicon Labs, NXP). La concurrence peut réduire les coûts des puces, mais la complexité logicielle est plus élevée.

Matrice de décision :

Choisissez Z-Wave si vous construisez un produit domotique haut de gamme où la fiabilité, la portée et la sécurité (S2) sont non négociables.
Choisissez Matter/Thread si vous souhaitez une pérennité et une connectivité basée sur IP.
Choisissez Bluetooth si vous souhaitez une connexion simple et directe au téléphone sans concentrateur.

Soumettez les fichiers Gerber pour l'examen de la conception pour la fabrication (DFM)

Qu'est-ce qui influence le coût d'un PCB de lumière Z-Wave ? Les principaux facteurs de coût sont le SoC/Module Z-Wave (fournisseur unique), le matériau du PCB (un FR-4 cohérent est requis) et le nombre de couches (généralement 4 couches pour le contrôle d'impédance). De plus, la certification obligatoire de la Z-Wave Alliance ajoute un coût NRE fixe au projet, contrairement aux standards ouverts de 2,4 GHz.

Quel est le délai standard pour les prototypes de PCB de lumière Z-Wave ? Pour les conceptions FR-4 standard, APTPCB peut livrer des cartes nues en 24 à 48 heures. Cependant, si vous avez besoin d'un assemblage clé en main incluant le module Z-Wave, le délai dépend de la disponibilité des composants. Le silicium Z-Wave peut parfois avoir des délais plus longs que les composants passifs ; généralement, les prototypes clé en main prennent 1 à 2 semaines.

Quels matériaux sont les meilleurs pour les performances RF des PCB lumineux Z-Wave ? Le FR-4 standard avec une Tg (température de transition vitreuse) élevée de 150°C ou 170°C est généralement suffisant pour les fréquences Sub-GHz. Les matériaux coûteux en PTFE ou Rogers sont rarement nécessaires pour le Z-Wave, sauf si l'environnement est extrême. Le facteur critique est la cohérence de la constante diélectrique (Dk) du fournisseur de stratifié.

Quels tests sont requis pour l'acceptation des PCB lumineux Z-Wave ? Les critères d'acceptation devraient inclure :

Test d'impédance : Vérification des pistes de 50Ω sur les coupons.
Test fonctionnel (FCT) : Mise sous tension, appairage avec un contrôleur de référence et commutation de la charge.
Mesure de puissance RF : Vérification que la puissance TX respecte la limite de la région (par exemple, +13dBm).
Test Hi-Pot : Assurer l'isolation entre le secteur CA et la section logique/antenne.

Comment préparer les fichiers DFM pour un projet d'éclairage Z-Wave ? Lors de la soumission à APTPCB, incluez :

Fichiers Gerber : Format RS-274X.
Dessin d'empilement (Stackup Drawing) : Spécifiant clairement l'épaisseur diélectrique pour le contrôle d'impédance.
Fichier de perçage (Drill File) : Distinguant les trous plaqués des trous non plaqués (en particulier pour le montage d'antenne).
Plan d'assemblage : Indiquant l'orientation du module Z-Wave et de l'antenne.
BOM (Nomenclature) : Spécifiant le numéro de pièce exact pour le SoC/module Z-Wave.

Puis-je utiliser une antenne puce ou une antenne à trace PCB ? Oui, les deux sont courants. Une antenne à trace PCB (comme une F inversée) est gratuite (coût BOM nul) mais nécessite plus d'espace sur la carte et un réglage minutieux. Une antenne puce économise de l'espace mais ajoute des coûts (0,20 $ à 0,50 $) et introduit une perte d'insertion. Pour les ampoules avec un espace restreint, une antenne filaire ou une antenne métallique estampée sur mesure est souvent utilisée.

Quels sont les défauts courants dans la fabrication des PCB de lumières Z-Wave ?

Vides de soudure : Sous le grand pad de masse du module Z-Wave (style QFN), entraînant une mauvaise mise à la terre et des performances thermiques médiocres.
Effet de pierre tombale (Tombstoning) : Des petits composants de réseau d'adaptation 0402 en raison d'un chauffage inégal.
Résidus de flux : Les résidus de flux conducteurs près de l'antenne peuvent désaccorder la fréquence.

APTPCB prend-il en charge les conceptions Z-Wave Long Range (LR) ? Oui. Z-Wave LR fonctionne sur la même fréquence mais utilise une modulation différente (DSSS OQPSK). Les règles de conception des PCB sont identiques, mais les exigences de puissance de sortie peuvent être plus élevées (+14 dBm ou +20 dBm), nécessitant une conception d'alimentation robuste et des stratégies de dissipation thermique.

Comment "SmartStart" affecte-t-il la production de PCB ? SmartStart permet d'appairer des appareils via un code QR avant qu'ils ne soient mis sous tension. Cela nécessite que l'assembleur de PCB imprime et appose un code QR unique (contenant le DSK) sur le PCB ou le boîtier du produit pendant le processus d'assemblage de boîtier. Le DSK doit correspondre au firmware flashé dans la puce.

Quelle est la différence entre les séries Z-Wave 700 et 800 pour la conception de PCB ? La série 800 offre une meilleure portée et une plus longue durée de vie de la batterie. La compatibilité des broches varie selon les boîtiers. Du point de vue du PCB, la série 800 nécessite souvent moins de composants passifs externes, ce qui simplifie la disposition, mais les principes de disposition thermique et RF restent les mêmes.

Ressources pour PCB Z-Wave Light (pages et outils connexes)

Fabrication de PCB haute fréquence: Capacités pour les cartes RF et à impédance contrôlée.
Assemblage SMT & THT: Détails sur l'assemblage de modules sans fil à pas fin.
Directives DFM: Liste de contrôle essentielle avant de soumettre votre conception.
Calculateur d'impédance: Outil pour estimer la largeur de trace pour une adaptation de 50Ω.

Glossaire PCB Z-Wave Light (termes clés)

Terme	Définition
Sub-GHz	Fréquences radio inférieures à 1 GHz (par exemple, 868/908 MHz). Offre une meilleure portée et pénétration que 2,4 GHz.
Réseau maillé	Une topologie de réseau où les appareils (nœuds) relaient les messages pour d'autres appareils, étendant ainsi la portée totale.
FLiRS	Esclave Récepteur à Écoute Fréquente. Un mode d'économie de batterie permettant aux appareils de se réveiller instantanément (latence <1s).
Sécurité S2	Cadre de sécurité 2. Norme de chiffrement obligatoire pour les appareils Z-Wave afin de prévenir le piratage.
SmartStart	Une fonctionnalité permettant de provisionner des appareils dans le réseau en scannant un code QR avant la mise sous tension.
Inclusion/Exclusion	Le processus d'ajout (appairage) ou de suppression (désappairage) d'un appareil du réseau Z-Wave.
Passerelle / Hub	Le contrôleur central qui gère le réseau Z-Wave et le relie à Internet.
OTA (Over-The-Air)	La capacité de mettre à jour le micrologiciel de l'appareil sans fil après l'installation.
Répéteur	Un appareil Z-Wave alimenté sur secteur qui reçoit et retransmet les signaux pour étendre la couverture du réseau.
Z-Wave Long Range	Un mode de topologie en étoile permettant une communication directe du hub à l'appareil sur plus de 1 mile, en contournant le maillage.
SoC (Système sur Puce)	Un circuit intégré qui combine la radio Z-Wave, le microcontrôleur et la mémoire dans un seul boîtier.
Réseau d'adaptation	Un circuit d'inductances et de condensateurs utilisé pour adapter l'impédance de la radio à l'antenne.

Demander un devis pour un PCB Z-Wave Light (Soumettez les fichiers Gerber pour l'examen de la conception pour la fabrication (DFM) + prix)

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Ce qu'il faut envoyer pour un devis précis :

Fichiers Gerber : Incluant toutes les couches de cuivre, de masque de soudure et de perçage.
Exigences d'empilement : Spécifiez le contrôle d'impédance pour les pistes RF (par exemple, 50Ω sur la couche 1).
BOM (Liste de matériaux) : Mettez en évidence le module/SoC Z-Wave et tous les composants passifs RF critiques.
Volume : Quantité de prototypes par rapport au volume de production de masse estimé.
Exigences de test : Spécifiez si vous avez besoin d'un flashage de firmware ou de tests fonctionnels.

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Conclusion : Prochaines étapes pour les PCB de lumière Z-Wave

Le déploiement réussi d'un PCB de lumière Z-Wave nécessite plus qu'une simple connexion d'une puce radio ; il exige une approche holistique de l'accord RF, de la gestion thermique et de l'isolation de sécurité. En respectant des règles d'impédance strictes, en gérant la chaleur des pilotes de LED et en concevant pour la fréquence régionale spécifique, vous garantissez que votre produit offre la fiabilité et la portée qui font la renommée de Z-Wave. Que vous construisiez un interrupteur de rénovation ou une ampoule intelligente, suivre ces directives simplifiera votre chemin vers la certification et le lancement sur le marché.