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Cours CEM Formation FEE 2008-2009
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Bonjour !
Maurizio Tognolini HEIG-VD / iAi version 2.0 du 25 mai 2010
Cette présentation est inspiré de l’ouvrage de Alain Charoy : Compatibilité électromagnétique Tome 3; Dunod ISBN 2-10-001441-2
jeudi, 9 juin 2011
Cours CEM Formation FEE 2008-2009
Au programme aujourd’hui
Introduction: Rappel concernant les perturbations en mode commun.
Moyens de réduction du mode commun MC
Role des isolements galvaniques.
Composants isolement galvanique.
opto-électronique
relais et contacteurs
transformateurs de signaux
convertisseurs DC/DC pour I/O
Amplificateurs d’isolement
Fibres optiques
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Rappel concernant le mode différentiel et le mode commun MC
Les signaux électriques ont deux (exactement , ni moins ni plus) façons de se propager par conduction sur une liaison bifilaire:
Le mode différentiel MD : En intensité un courant en MD se propage sur un des
conducteurs et dans le sens inverse dans l’autre. La différence de potentiel entre ces deux conducteurs est la cause de ce courant et est appelée Tension différentielle.
Le mode commun MC : Le mode commun est un mode parasite. En intensité le courant MC se propage dans les deux conducteurs dans le même sens et revient par la masse ou la terre soit par couplage capacitif soit par couplage galvanique. La différence de potentiel en mode commun est mesurée entre la masse d’une part et le potentiel moyen (point milieu) des conducteurs d’autre part. La tension mode commun est la source du courant mode commun.
Les perturbations électromagnétiques se couplent avec efficacité sur les câbles en mode commun (elles affectent les deux câbles de la même façon). Tous les mécanismes de couplage en MC sont éfficaces en HF: impédence commune, effet de main, diaphonie inductive et capacitive, champ à cable et champ à boucle de masse. Le MC est le problème récurrent en CEM.
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+
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Définition: Mode différentiel et mode commun
S1 S2
2 2
1 1
0V référence de potentiel
u1 u2
i1
i2
uD/2
uD/2
uMC
ZD/2
ZD/2
ZMC
iMC
uMC
uD/2
uD/2
La source de tension uMC est chargée avec l'impédance ZMC uniquement.
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Exemple 1
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S1 S2
2 2
1 1
0V référence de potentiel
u1 u2
i1
i2
Us
Up Zf
Us = 12V; I_lampe = 1A; Up = 1000V ;
Calculer i1, i2 u1,u2 , ainsi que les valeurs en mode commun (MC) et en mode différentiel pour Zf infini.
Même calcul avec Zf = 10 kOhm. Conclusions?
jeudi, 9 juin 2011
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Exemple 2
S1 S2
2 2
1 1
0V référence de potentiel
u1 u2
i1
i2
Us
Up Cp
Zi
Us = 100mV; Zi = 1kOhm; Up = 50V* sin(2*pi*10MHz*t) ;
Calculer i1, i2 u1,u2 , ainsi que les valeurs en mode commun et en mode différentiel pour Cp = 100pF.
H1
H2
HMC
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Exemple 3
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S1 S2
2 2
1 1
0V référence de potentiel
u1 u2
i1
i2
Us
Up Cp
Zi
Us = 100mV; Zi = 1kOhm; Up = 50V* sin(2*pi*10MHz*t) ;
Calculer i1, i2 u1,u2 , ainsi que les valeurs en mode commun et en mode différentiel pour Cp = 100pF et Lp = 1 uH (50 cm entre les 2 appareils).
Lp
jeudi, 9 juin 2011
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Mesure: Le mode différentiel MD
Tension différentielle:
Mesure du courant différentiel à l’aide d’une sonde de courant:
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Mesure: Le mode commun MC
Selon la définition donnée avant on peut la schématiser ainsi:
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Mesure du courant de MC avec une sonde de courant.
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Réduction: Filtre Mode commun
But: Réduire la perturbation MC en haute fréquence sans affecter le signal en mode différentiel.
S1 S2
2 2
1 1
0V référence de potentiel, Terre ou inaccessible à l’équipement
i1
i2
Up Zf
Cy
Cy Cy
Cy
0V de l’appareil, boitier ou GND accessible dans l’équipement
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Inductance MC
Une self MC est composée d’un tore magnétique (ferrite) plus ou moins bobiné placé en série sur un câble. Elles sont appelées aussi bobines avec courant de
compensation.
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Filtre EMC avec fusible et interrupteur
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Protection d’un Equipement contre MC
Avec une bonne équipotentielle les systèmes sont moins sensibles aux perturbations en MC.
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Environnement isolant
Avec un système isolé de l'équipotentielle on favorise les perturbations en MC.
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Réjection MC par amplificateur différentiel
L’amplificateur différentiel amplifie le MD et rejette le MC.
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Dissymétrie et MC
En présence d’une tension MC si les impédances des deux conducteurs ne sont pas identiques une tension MD résulte du MC.
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Génerateurs de MC
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Moyens de réduction du mode commun
En point à point un seul isolement galvanique suffit, soit au émetteur soit au récepteur.
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Isolement galvanique double -> coûteux
Une alimentation DC-DC est nécessaire pour alimenter les opto-coupleurs.
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•
Une telle option peut se j u s t i f i e r q u e p o u r respecter une norme d’immunité.•
En aviation par ex. on p r é f è r e u t i l i s e r u n isolement galvanique plutôt que un limiteur de tension.jeudi, 9 juin 2011
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Cas d’un automate avec des entrées isolées
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Protection contre surtension au lieu de l’isolation galvanique
Dans bien des cas il est préférable de protéger contre les surtensions une entrée plutôt que d’utiliser une isolation galvanique. C’est très efficace en HF et bien moins coûteux.
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•
Une idée répandue soutient que les entrées isolées sont plus robustes que les entrées non isolées.•
C’est vrais en mode commun, faux en mode différentiel maisseulement pour une entrée mal protégée.
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Composants pour l’isolement galvanique
Tout composant d’isolation galvanique se comporte en mode commun comme une capacité parasite (donc le courant HF passe). Quelques pF pour un opto-coupleur a quelques centaines de pF pour un transformateur.
Au delà de qque MHz un isolement galvanique devient non seulement inutile mais
néfaste puisque il abaisse la première fréquence de résonance. (Lambda/4 au lieur de Lambda/2)
Un isolement galvanique peut:
ouvrir une boucle de masse en BF
si l’équipotentialité est suffisante éviter le para-surtenseur.
Un isolement galvanique ne peut pas en principe:
Résoudre un problème de mode commun en HF
résoudre les problèmes de mode différentiel
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Optoélectronique
Bande passante: DC -> 10 MHz Tension d’isolation: 1.5...5 kV
Capacité parasite: env. 1 pF
Durée de vie: Médiocre, vieillit.
Coût: de 1 $ à 5 $
Température de fonctionnement:
-40....+85 °C mais son facteur de transfert CTR en dépend fortement.
Sensibilité aux perturbation: grande
dU/dt supporté jusque 10 kV/uS .
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Application exercice:
Sensibilité d’un récepteur optique:
Une diode de réception optique en limite de portée délivre un courant de 1uA. On souhaite conserver un fonctionnement correct lorsque la d.d.p en MC est
impulsionnelle et représente un saut de 10 V en 5 ns. Quelle est la capacité maximale tolérable entre l’émetteur et le récepteur?
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Relais et contacteurs
Un relais est un composants de puissance de taille variable mais dont les capacité de coupure de courant sont limitées.
Un contacteur c’est un gros relais capable de commuter des courants de plus que 10 A.
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Bande passante: DC -> quelques Hz au maximum , temps de réponse 100 ms.
Tension d’isolation: 1.5...5 kV pour les gros modèles
Capacité parasite: env. 10 pF
Durée de vie: Variable selon sa capacité de coupure du courant.
Coût: de 5 $ à 500 $ (contacteur)
Température de fonctionnement: -55....+85 °C
Sensibilité aux perturbation: grande
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Transformateur de signaux
Bande passante: 3 décades avec bon rendement énergétique.
Tension d’isolation: 2...50 kV (spécial)
Capacité parasite: env. 1 pF à 1 nF
Durée de vie: Exceptionnellement longue, increvable.
Coût: de 5 $ à ... selon taille et performances.
Température de fonctionnement:
-55....+85 °C.
Sensibilité aux perturbation: grande
Sensible aux perturbations différentielles.
Ne passe pas le DC
Champ magnétique de fuite.
capable d’adapter les impédances.
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Ecran statique
Pour réduire le couplage capacitif entre primaire et secondaire on peut introduire un écran statique. Il est efficace que si on le connecte au plus court à la masse châssis.
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Convertisseurs DC-DC
Il est bien adapté à l’alimentation des circuits galvaniquement isolées.
De petite puissance 1..10W.
Bande passante: DC !.
Tension d’isolation: 1.5...5 kV
Capacité parasite: env. 30 pF à 300 pF
Durée de vie: Très variable selon le modèle.
Coût: de 5 $ à 50$ selon taille et performances.
Température de fonctionnement: -40....+85 °C.
Sensibilité aux perturbation: faible
Génère du bruit en MC.
Rayonnement champ magnétique HF.
Faible rendement à basse puissance , chauffe.
Petit (DIL8).
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Un convertisseur DC DC peut générer du MC
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Les courants de mode commun sont des sinus amortis répétés à la fréquence de résonance.
La fondamentale est entre 5 et 50 MHz (résonance ) et la répétition se fait à 30...
300 kHz.
Leur amplitude est entre 10 et 100 mA!
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Bande passante: DC -> dizaines de kHz
Tension d’isolation: 0.5...2.5 kV
Capacité parasite: env. 5-50 pF
Durée de vie: Très bonne.
Coût: de 15 $ à 100 $
Température de fonctionnement:
-40....+85 °C.
Sensibilité aux perturbation: variable
dU/dt supporté jusque 10 kV/uS .
Coûteux, difficile d’obtenir deuxième
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Amplificateurs d’isolement
Permet de passer des signaux analogiques à l’aide d’un amplificateur différentiel et d’une barrière galvanique ( couplage optique, capacitif ou inductif). La transmission se fait par modulation d’une porteuse HF.
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Alternative: Amplificateurs à haute Z entrée
Pour des tension en mode commun inférieures à 250 V il existe des amplificateurs différentiels haute impédance d’entrée, qui n’apportent pas une isolation galvanique véritable mais se comportent en pratique de la même manière.
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•
Exemple d’amplificateur pour signaux à très bas niveau avec bandepassante de quelques Hz.
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Fibres optiques
Les fibres optiques isolantes suppriment tous les problèmes de boucle de masse. Ne sont pas sensibles à la différence de potentiel entre émetteur et récepteur. Elles sont insensibles aux champs électromagnétiques.
Bande passante: 1 Mb/s à 1 Gb/s (monomode)
Tension d’isolation: illimitée
Capacité parasite: nulle entre exterminées
Durée de vie: dépend de l’émetteur de lumière.
Coût: de 20 $ en plastique à 1000$ selon débit et performances.
Température de fonctionnement: -40....+85 °C. (récepteur et émetteur)
Sensibilité aux perturbation: faible, voir nulle
Prend de la surface sur une carte électronique.
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Entrées symetriques
Un étage différentiel peut rejeter les perturbations en mode commun de façon efficace. La réjection en MC d’une paire est limitée par la dissymétrie de la paire.
Un étage de sortie analogique peut être symétrique que si l’étage amplificateur au quel il transmet le signal à une entrée symétrique.
En numérique on préfère une transmission différentielle (donc symétrique) car cela diminue l’émission et rend la liaison plus robuste au perturbations.
Pour un récepteur symétrique ce n’est pas la capacité parasite qui limite ses performances mais sa réjection en MC (CMRR)
Pour réaliser des entrées symétriques on utilise des amplificateurs d’instrumentation.
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Amplificateur d’instrumentation.
Bande passante: DC -> 1 MHz
Tension MC : +/- 5V...+/-300V
Réjection MC (CMRR) : 120 dB @ 100Hz , 80 dB @ 100 kHz.
Durée de vie: Excellente.
Coût: de 1$ à 10 $
Température de fonctionnement:
-40....+85 °C.
Supporte des faibles tensions MC
Composant intégré, petit.
Faible bruit , faible offset 1 mV.
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Réduction du CMRR par dyssimmetrie de la capacité d’entrée.
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Emetteurs récepteurs de ligne.
Les émetteurs et récepteurs de ligne ( aussi appelés driver de ligne) utilisés pour les signaux numériques permettent de rejeter le MC de façon efficace pour des tension inférieures aux tension d’alimentation.
Bande passante: du DC à 30 Mb/s
Tension MC : Typiquement +/- 15 V
Réjection en MC: 100 mV pour 10 V de MC
Durée de vie: excellente.
Coût: de 1 $ à 30$ selon débit et performances.
Température de fonctionnement: -55....+85 °C.
Sensibilité aux perturbation: faible en HF
Une seule alimentation +5V suffit.
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Solution des exercices
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