Introduction à la compatibilité électromagnétique (CEM)

Introduction à la compatibilité

électromagnétique (CEM)

Coût de la CEM

• La compatibilité

électromagnétique (CEM) est l'aptitude d'un appareil ou d'un système électrique ou

électronique à fonctionner dans son environnement

électromagnétique de façon

satisfaisante

et sans produire lui-même des perturbations

électromagnétiques

intolérables pour tout ce qui se trouve dans cet

environnement.

Une bonne compatibilité

électromagnétique décrit un état de « bon voisinage

électromagnétique » :

• ne pas « trop » déranger les voisins

• supporter un niveau « raisonnable » de

bruit de leur part, ou plus généralement de l'environnement.

Directive CEM

DIRECTIVE 2004/108/CE DU PARLEMENT EUROPÉEN ET DU CONSEIL du 15 décembre 2004

relative au rapprochement des législations des États membres concernant la compatibilité électromagnétique

et abrogeant la directive 89/336/CEE

(Texte présentant de l'intérêt pour l'EEE)

LE PARLEMENT EUROPÉEN ET LE CONSEIL DE L'UNION EUROPÉENNE,

vu le traité instituant la Communauté européenne, et notamment son article 95,

vu la proposition de la Commission,

vu l'avis du Comité économique et social européen (1),

statuant conformément à la procédure visée à l'article 251 du

Entrée en vigueur

20 juillet 2009

Les bruits électromagnétiques et

radioélectriques sont le résultat de tous les courants électriques induisant une

multitude de champs et signaux parasites.

Définitions

• Perturbation électromagnétique : Phénomène électromagnétique

susceptible de créer des troubles de fonctionnement d'un dispositif, d'un

appareil, ou d'un système ou d'affecter défavorablement la matière vivante ou inerte.

Définitions

• Une perturbation électromagnétique peut être un bruit, un signal non désiré ou une modification du milieu de propagation lui- même.

Définitions

Pollution électromagnétique: La plupart des équipements électriques et

électroniques génèrent des champs

électromagnétiques perceptibles dans leur environnement; l'ensemble de ces champs crée une véritable pollution qui perturbe

parfois le fonctionnement d'autres équipements.

Ainsi, il est interdit d'utiliser un téléphone portable dans un avion parce qu'il émet un champ électromagnétique auxquels les

systèmes radioélectriques d'aide au pilotage (navigation, décollage /

atterrissage) risquent d'être sensibles.

La compatibilité électromagnétique, par extension (ou abus de langage), désigne en outre :

• les techniques permettant d'obtenir la

compatibilité électronique d'un appareil ou d'une installation avec son environnement (règles de conception et de fabrication) ;

Mauvaise gestion de la CEM

• les techniques permettant de vérifier la réalité de cette compatibilité (simulation numérique, ou via des essais, normalisés ou non).

Bonne gestion de la CEM

Essais normalisés

Vérifications

Émission

• Les émissions (terme choisi par les

normes aérospatiales ou similaires) ou perturbations (équivalent dans les

normes industrielles) désignent les signaux (volontaires ou non) dont la

propagation est de nature à nuire au bon fonctionnement des objets ou à la santé des êtres vivants situés au voisinage,

Susceptibilité

• La susceptibilité désigne un

comportement d'un appareil, en réponse à une contrainte externe (volontaire ou non, naturelle ou artificielle), jugé incompatible avec une utilisation normale. Le contraire de la susceptibilité est l'immunité.

Phénoménologie CEM : le modèle

« source/couplage/victime »

Qu'il s'agisse d'émission ou de susceptibilité (ce n'est qu'une question de direction), le phénomène ne se produit (ou n'est gênant) que s'il y a, simultanément :

• une « source » (d'un signal parasite)

• une « victime » (vulnérable au signal parasite) ;

• et un couplage entre les deux.

La configuration du modèle « source /

couplage / victime » dépend de l'échelle à laquelle on le regarde :

• une source peut être décomposée en une autre source et un couplage : par exemple, l'émission radio d'un micro-processeur est le résultat de la commutation de cellules logiques (source), les métallisation de la puce ainsi que les pistes du boîtier ou du circuit imprimé servant d'antenne pour

transformer les transitoires de courant

temporels dans chaque cellule individuelle en un champ électromagnétique décrit par un « brouillard coloré » fréquentiel,

• une victime peut aussi subir ce type de décomposition, mais son critère de

susceptibilité varie également selon qu'on

« regarde » le composant ou le système : par exemple, pour un même réseau

Ethernet, on pourra se focaliser

• sur la perturbation du niveau logique ou du diagramme de l'œil (associé au composant électronique) falsifiant un bit,

• sur le risque que les redondances associées au codage de la trame (par exemple en 1000baseT) ne permettent pas de la reconstituer,

• sur l'acceptabilité ou non de la réduction de bande passante causée par la ré-émission de trames perturbées (TCP/IP),

• sur l'intelligibilité des signaux analogiques

reconstitués malgré les trames perturbées (VoIP), etc., etc.

Ce genre de décomposition n'est pas

indéfini : on finit toujours par arriver à des sources ultimes (signaux fonctionnels,

phénomènes naturels ou intentionnels).

Idem pour les victimes. Même à ce stade, on n'est pas totalement démuni… (il est

rare de voir un radio-télescope installé dans une zone où les orages sont fréquents).

Les sources

Décharges électrostatiques

(d'origine humaine)

• le corps d'un être humain (utilisateur,

dépanneur, fabriquant, peu importe) est chargé par effet tribo-électrique,

• les charges accumulées se déchargent brutalement, quand une opportunité se présente : c'est la décharge

électrostatique (ou DES, ou ESD en anglais).

Non seulement c'est très désagréable pour le porteur (ou la porteuse) de

charges, mais, si l'objet qui a servi

« d'opportunité » est d'un naturel fragile, il risque de ne pas apprécier. Les

conséquences possibles pour un matériel électronique « victime » sont :

• la destruction d'un composant (en fabrication, en utilisation ou en maintenance),

• des dysfonctionnements (« plantages », pertes de données),

• des phénomènes analogiques transitoires (« clics » dans un haut-parleur, p.ex.)

• plus complexe, certaines méthodes

d'immunisation d'un matériel (par exemple, une enveloppe conductrice) pourront conduire ses utilisateurs à craindre ou refuser de s'en servir, pour éviter des chocs électriques.

Le phénomène « décharge électrostatique d'origine humaine » est modélisé, dans la normalisation, par :

• un générateur d'impulsion, modèle électrique du corps humain, constitué d'un circuit « capacité + résistance », en série ; la plupart des normes

font appel à un condensateur de 150 pF se

déchargeant dans une résistance de 330 Ω ; ce modèle, trop grossier pour décrire intégralement l'impulsion, est complété par des

caractéristiques temporelles (majorant du temps de montée, nombre et taux de répétition des

impulsions, etc.)

• un modèle géométrique d'un doigt humain, servant d'électrode de sortie au

générateur, accompagné d'un scénario de couplage (contact direct, couplage inductif représentant un contact sur un objet

proche, etc.

• un niveau de sévérité, pouvant être la tension de charge initiale du

condensateur, ou la valeur crête de

l'impulsion (le générateur étant connecté sur une charge résistive de référence), variable selon le degré de précautions

contre les décharges électrostatiques qu'il est raisonnable d'attendre des humains

qui se trouvent à proximité.

La foudre

Avec la foudre, on ne quitte pas le

domaine de la triboélectricité, on change simplement d'échelle. Un cumulo-nimbus, c'est plusieurs km³ d'un mélange d'air, de vapeur d'eau et de particules de glace, le tout brassé par des courants violents.

Après une semaine de ce régime, la

quantité de charge cumulée est colossale.

Ces charges sont réparties « au petit

bonheur » dans des « poches » positives ou négatives, créant des différences de potentiel se chiffrant en mégavolts.

Pour compléter le tableau, les poches situées dans la couche la plus basse

créent, sur le terrain (conducteur) survolé, des zones chargées par influence, de

signe opposé.

Quand le champ électrique est

suffisamment élevé, une ou plusieurs poches (+ le sol) se déchargent

mutuellement. Cela peut se produire

• soit parce que, de manière aléatoire, le rayon de courbure local d'une poche de charge est assez réduit pour atteindre le champ d'ionisation de l'air à l'altitude

considérée, ce qui déclenche, de proche en proche, une sorte de « réaction en

chaîne »,

• soit parce qu'un conducteur (avion, fusée, qu'il s'agisse d'Ariane ou d'une fusée

« anti-foudre ») se promène dans le coin, avec pour effet :

• de diminuer la distance isolante entre

poches de charges (donc, d'augmenter le champ électrique sur la distance qui

reste),

• d'introduire des équipotentielles (bien

forcé, s'il s'agit d'un conducteur…) à faible rayon de courbure (oui, c'est cela, des

pointes).

Du coup, pour peu que le champ initial soit assez élevé, on est quasi-certain de

déclencher une ionisation se transformant en foudroiement (on parle de foudre

« déclenchée »).

Autres décharges

électrostatiques

Si des charges électrostatiques s'accumulent sur un objet isolé, il pourra survenir une décharge

électrostatique dès que le potentiel de cet objet atteindra une certaine valeur : il y aura décharge entre cet objet et un autre objet de son

environnement. L'air lui-même contient des charges: Les petites charges, constituées par des ions légers, sont dues à l'ionisation des

molécules gazeuses par le rayonnement UV du soleil. Des charges plus grosses sont

constituées par des poussières chargées, ou par des gouttelettes d'eau chargées.

Ainsi, un objet qui se déplace dans l'air

peut récupérer ces charges, ce qui va faire monter son potentiel électrostatique par

rapport à son environnement. Même un

objet immobile mais isolé pourra récupérer des charges, si l'air se déplace. Pour

toutes ces raisons, il arrive souvent qu'un objet demeuré isolé pourra générer une décharge électrostatique avec son

environnement immédiat (isolateurs...).

• Si l'objet fait partie d'un appareil

électronique, la décharge pourra avoir lieu à travers un condensateur d'isolation, et détruire ce dernier. C'est pour cette raison que les antennes des systèmes de

télécommunications ne sont jamais

parfaitement isolées en continu, et que les tests CEM sont également appliqués aux antennes des terminaux radio.

Quelques autres sources

naturelles

Émetteurs :

• Radiodiffusion

• Télévision

• Télécommunications

• Radars

•

• Les équipements hertziens, principale source de champs électromagnétiques rayonnés, qui de

plus augmentent quasi-exponentiellement, sont régis par la directive européenne1999/5/CE dite RTTE

• S'ils font l'objet de dérogation par rapport aux directives CEM, en particulier pour le niveau maximal d'émission, afin de remplir leurs

fonctions, ils doivent apporter les mêmes

garanties que les autres appareils en matière de compatibilité électromagnétique.

• On ne peut présumer le respect de la

compatibilité électromagnétique en matière de champs électromagnétiques rayonnés par un essai d'immunité à 3 V/m, si l'environnement d'utilisation est supérieur à cette valeur. La

compatibilité électromagnétique n'apporte pas une garantie totale d'immunité : Dans des cas très particuliers, comme la proximité immédiate d'émetteurs de radio fréquences,

l'environnement où va être utilisé l'appareil peut présenter des champs supérieurs à ceux que

Transitoires dans les réseaux d'énergie (dus à l'exploitation du

réseau)

• Appareillage

• Disjoncteurs

• Lignes à haute tension

Effets indirects de la foudre

• Quand la foudre tombe quelque part (ou qu'un éclair survient au sein d'un nuage), le courant produit un important champ

magnétique impulsionnel, qui vient se coupler avec tous les conducteurs

environnants (tous les conducteurs, pas seulement ceux que l'on a mis là dans le but d'y transmettre de l'électricité, y

compris donc les réseaux de terres, masses métalliques...).

Commutations « courants

forts »

L'archétype de ce genre de source est l'omniprésente « alimentation à

découpage ».

Commutations « courants

faibles »

La plupart des cartes électroniques modernes font appel à des circuits

logiques rapides. Ces circuits intégrés et les connexions qui les associent sont le siège de courants à fronts raides,

susceptibles de rayonner des ondes

électromagnétiques sur un large spectre.

Bien que de niveaux assez faibles, ces rayonnements peuvent en particulier

perturber les récepteurs radios placés à proximité.

Il suffit, pour s'en convaincre, de placer un récepteur radio à proximité d'un

ordinateur... Les concepteurs de ces

systèmes doivent respecter les directives CEM concernant le rayonnement des

appareils, et concernant les émissions conduites qui pourraient être présentes sur les câbles de sorties de ces appareils.

IEMN, guerre électronique,

armes hyperfréquences

• l'impulsion électromagnétique d'origine nucléaire (IEMN), pas forcément si

nucléaire que cela d'ailleurs,

• la guerre électronique : leurres, brouilleurs et autres attrape-radars (militaires ou

civils) ou tueurs de conversation,

• la dernière mode : les armes électromagnétiques.

Les victimes

Effets biologiques

Effets thermiques

L'avènement de la génération GSM a conduit à une démarche beaucoup plus sophistiquée, prenant de mieux en mieux en compte :

• le fait qu'au voisinage d'un téléphone portable (par exemple, dans le cerveau), le champ n'a rien d'une onde plane (d'autant que le corps de l'utilisateur participe à la structure antennaire…),

• la complexité de la structure corporelle (on est passé du « sac de sérum physiologique » des temps héroïques à une structure multicouche représentative de la peau, des os du crane, des méninges et de la matière cérébrales

• la capacité d'évacuation thermique de la circulation sanguine, etc.

• pour aboutir à une évaluation crédible du débit d'absorption spécifique ou SAR

(specific absorbtion rate). En dépit de

toute cette sophistication, on en reste à un unique phénomène physique : l'élévation de température de tissus biologique

soumis à un transfert de puissance électromagnétique.

Effets « athermiques » ou « non-

thermiques » ou « spécifiques »

• en thermique, la puissance moyenne et la fréquence suffisent à caractériser le

champ

• ici, il faut tenir compte de tout, à

commencer par le procédé de modulation (qui change à chaque nouvelle génération de portables, pour ne citer qu'eux).

Effets électriques

Certaines normes tiennent compte du risque d'électrisation par courant haute fréquence (induit dans une structure

conductrice), complétant ainsi utilement les normes sur la sécurité électrique. Là encore, on s'en tient au risque thermique (brulures superficielles)

Effets CEM

• La normalisation actuelle suppose l'humain de référence

• en bonne santé

• nu, ou du moins aux vêtements 100%

diélectriques.

En pratique,

• nous sommes toujours plus ou moins porteurs de métal (monnaie, clef, lunettes, etc.) pouvant être portés à température élevés dans un champ électromagnétique, et provoquer des brûlures,

• mais, surtout, de plus en plus nombreux sont les gens qui ne restent en vie (ou, du moins, en

relativement bonne santé) que grâce au bon fonctionnement d'appareils électroniques

externes ou internes, que ce soit en milieu hospitalier ou dans la rue (ou au travail).

Redressement parasite

• Un signal HF (du point due vue du circuit qui le reçoit) peut-être démodulé.

• S'il est modulé en amplitude (ou en fréquence, et que le gain de démodulation varie

suffisamment vite autour de la fréquence

porteuse), le signal de modulation sera injecté dans le circuit : c'est de là que viennent toutes les histoires de sonorisations d'églises recevant la CB des camionneurs de passage.

• Il y aura démodulation d'amplitude si le circuit est "non linéaire". Tout circuit

électronique contenant des

semiconducteurs est non linéaire si on atteint un certain niveau de signal. Les

amplificateurs bas niveau , qui se saturent plus vite, seront plus sensibles à ces

phénomènes de démodulation

d'amplitude. Les entrées audio bas niveau des amplificateurs doivent donc faire

l'objet d'une attention particulière.

• Si le signal HF n'est pas modulé, on n'est pas tiré d'affaire pour autant, car la

composante continue démodulée peut modifier le point de polarisation des

composants, entrainant blocages ou saturations

« Plantages »

• Tout signal à fort facteur de forme (par

exemple un signal impulsionnel), modulant ou non une porteuse, peut provoquer un

changement d'état d'un circuit « logique ».

Si ce circuit participe à un automate séquentiel (tel qu'un ordinateur), l'état interne risque d'en être modifié, et le

fonctionnement ultérieur devient aberrant.

Métastabilité

• C'est une variante extrêmement insidieuse du cas précédent. Il faut se souvenir que le concept de « circuit logique » est

purement artificiel. Il s'agit en fait de

circuits analogique à la transmittance non- linéaire. Du coup, suite à une perturbation, il arrive qu'une sortie se retrouve à l'état

« ½ » (« quelque part entre 0 et 1 »)

durant un temps pouvant se chiffrer en millisecondes.

Verrouillage (alias Latch Up)

• « Loi de Moore » aidant, ce phénomène, mis en évidence avec les premiers circuits logiques

CMOS, présente maintenant un risque potentiel pour toutes les technologies de circuit intégrés faisant appel à l'isolation par jonction en inverse.

Lors de la fabrication d'un circuit intégré, on

crée, au passage, de multiples structures PNPN ayant un gain suffisant pour constituer un

thyristor. Il suffit qu'un phénomène impulsionnel (signal électrique ou photon ou particule

ionisante) amorce un de ces thyristors pour que ce dernier court-circuite l'alimentation. À partir

• soit le gain est un peu « juste » (compte tenu du courant de court-circuit) et le

thyristor s'auto-désamorce : cela ressemble à la métastabilité,

• soit on reste dans cet état jusqu'à coupure du courant,

• soit on « grille un fusible », quelque part dans la métallisation.

Obtention de la CEM

Pour obtenir ou améliorer la compatibilité, on peut jouer sur les 3 termes de la triade

« source/couplage/victime » :

Diminuer le niveau d'émission

des sources

Par exemple, dans le domaine de la conversion d'énergie :

– un convertisseur à résonance sera, s'il est

bien conçu et bien implanté, beaucoup moins

« baveux » qu'un convertisseur à commutations dures,

– le remplacement d'un redresseur classique

« diodes + condensateur » par un redresseur à PFC (correcteur de facteur de puissance) évitera le plus gros de l'injection de courant harmonique dans le réseau énergie.

Diminuer de niveau de

vulnérabilité des victimes

Par exemple

– remplacer une liaison RS422 avec ses ±7 V de dynamique admissible en mode commun par une liaison Ethernet qui en supporte 1500 change quelque peu la donne…

– l'introduction de l'étalement de spectre dans les communications radio a beaucoup

diminué la capacité de nuisance des parasiteurs à bande étroite.

• Mais si, comme c'est trop souvent le cas, toutes les erreurs de conception sont

déjà figées avant de s'inquiéter de CEM, on ne peut plus agir que sur les

couplages.

• Cela consistera souvent à traiter

l'environnement des cartes électroniques de l'appareil en cause, qu'il soit victime ou pollueur. Il existe 6 méthodes

permettant de séparer des victimes de

Le blindage

• On divise l'espace en domaines

électromagnétiques séparés, certains

« propres » et d'autres « sales » (l'enfer, c'est les autres), sans aucune

communication entre eux. En pratique, une carte électronique sera placée dans un boitier métallique qui la protègera des rayonnements extérieurs . Pour plus de précision, Voir Blindage

• Un blindage est très efficace en théorie, dès que les fréquences mises en causes dépassent le MHz. En pratique, il en est tout autrement, car une carte électronique est généralement en relation avec

l'extérieur par des câbles électriques, ne serait-ce que l'alimentation. On constate alors que l'efficacité du blindage peut être réduite à néant si les courants de "mode commun" ne sont pas bloqués au niveau des entrées des câbles.

La suppression des signaux en

mode commun

• La protection contre les signaux de mode

commun consiste, pour un appareil victime, à

empêcher les courants induits sur les câbles, de pénétrer dans la carte électronique et de

perturber les fonctions qui s'y trouvent. Pour les appareils perturbateurs, cette protection consiste à empêcher les courants parasites de sortir de la carte et d'aller circuler sur les câbles extérieurs.

La protection du mode commun vise donc les mêmes buts qu'un blindage, et souvent rend ce dernier efficace. En effet, il ne sert à rien de

blinder un appareil, si les perturbations passent

Si l'appareil concerné possède un boîtier métallique, et si la carte possède une

couche de masse, la protection sera plus aisée à obtenir: On devra, si c'est

possible, blinder les câbles qui entrent sur la carte, en connectant ce fil de blindage à la masse de la carte ET au boîtier

métallique à l'endroit de l'entrée dans le boitier, c'est-à-dire dès l'arrivée sur la

connectique.

Mais il n'est pas toujours possible de blinder le câble d'entrée. Dans ce cas, on traitera chaque conducteur du câble de façon que les courants de fréquences élevées soient bloqués ou bien dérivés vers la masse de la carte ET vers le boitier métallique. D'une façon générale, tout

courant de haute fréquence arrivant par l'un des conducteurs du câble doit être soit bloqué, soit dérivé vers le boîtier, par un découplage, par le chemin le plus court possible.

Pour ces raisons, si le découplage est réalisé sur la carte, il faudra :

• - que la longueur de câble dans le boîtier soit minimum, nulle si possible.

• - que le condensateur de découplage soit au plus près du connecteur.

• - que la masse de la carte soit reliée au boitier au plus près du connecteur ( ou du trou d'arrivée du câble).

• Si le découplage vers la masse de certains conducteurs est impossible, on pourra placer en série avec ces

conducteurs une impédance grande en HF ( mais on conservera un découplage ou un contact pour le

conducteur de masse). Le découplage sera souvent

• Bien sur, on ne peut filtrer, bloquer ou découpler les signaux de mode commun que si les signaux utiles transportés par le conducteur sont de fréquence plus

basse ( il s'agit d'un filtrage fréquentiel, voir plus loin). Si les signaux utiles sont dans la même bande que les

signaux de mode commun, un blindage du câble pourra résoudre le problème.

• Si l'appareil ne possède pas de boîtier métallique, la protection sera plus difficile à obtenir : on regroupera

toutes les arrivées de câble d'un même côté de la carte, afin que le courant de mode commun, qui va d'un

connecteur à l'autre, en passant dans la masse de la carte, emprunte le trajet le plus court possible et ne traverse pas toute la carte.

• Si l'appareil est déjà conçu, un pis-aller consistera à enfiler dans le câble une

ferrite de suppression de mode commun.

• Si la carte de l'appareil ne possède pas de plan de masse, la protection sera difficile à obtenir. On devra imposer une seule

arrivée de câble, afin de réduire au

maximum les courants de mode commun à travers la carte.

Le filtrage fréquentiel

On sépare le domaine des fréquences « utiles » de celui des fréquences « polluées » ; à la condition que ce ne soit pas les mêmes, bien entendu, car tous les signaux ne sont pas « filtrables ». On a vu par exemple dans le paragraphe suppression du mode commun que l'on pouvait "découpler"

par un condensateur certaines connexions. Il s'agit généralement des connexions pour des

signaux de fréquences basses ou même pour le

• Ce "découplage n'est rien d'autre qu'un filtrage passe bas. Le filtrage pourra être mis en œuvre pour le mode symétrique ou pour le mode commun. Hélas, les

techniques modernes mettent en œuvre

des signaux utiles de plus en plus rapides, et on se heurte souvent au fait que les

signaux utiles et les signaux perturbateurs occupent des bandes de fréquences

communes.

Le filtrage temporel

• Si le signal pollueur n'est pas présent en permanence (et que sa présence peut être prédite avec un préavis suffisant), il suffit de mettre la victime à l'abri durant les

intempéries. Par exemple :

c'est le principe du radar monostatique à impulsion : un émetteur (puissant) et un récepteur (sensible) se partagent la même

antenne, mais l'émetteur ne s'en sert que très peu (au plan technologique, le récepteur est

protégé par écrêteur, mais la logique « système » est bien celle du filtrage temporel),

dans un automate séquentiel synchrone (par

exemple, un micro-processeurs), à chaque coup d'horloge, des millions de bascules commutent simultanément, mettant l'alimentation « à

genoux » ; néanmoins, les derniers millivolts

suffisent pour que, quand « la lumière revient », ces bascules soient dans l'état voulu. Puis, la circuiterie de logique combinatoire redevient fonctionnelle pour mitonner les bons états en entrée de bascules, à temps pour le coup

d'horloge suivant. Alors qu'en cas de multiplicité d'horloges, le risque d'états logiques

L'écrêtage

Quand le signal perturbateur est de grande amplitude, l'équipement victime risque de subir des dommages

irréversibles; l'écrêtage consiste à limiter l'amplitude du signal perturbateur de façon à protéger les composants électroniques. on trouve à cet effet des composants dits

"limiteurs" que l'on place en parallèle sur les connexions.

On admet en général que la fonctionnalité de l'appareil est interrompue au moment de la perturbation, le

composant d'écrêtage ayant avant tout une fonction de

"survie".En effet, il n'est pas possible de discriminer le signal utile et le perturbateur au moment de l'écrêtage.

Plusieurs types de composants seront utilisés, en fonction des critères suivants:

• - faible capacité

• - énergie absorbable très élevée

• - temps de réponse court

• - réarmement automatique etc...

La porte de bruit

• Il s'agit typiquement de protéger un signal

analogique en comptant sur l'effet de masquage ( le bruit ne se remarque que quand le signal

utile est faible ou absent. Par exemple:

• 1- le squelch des récepteurs radio, qui consiste à couper l'audio quand le signal radio est trop faible pour être utilisable.

• 2- les systèmes Dolby ( dynamic noise limiter Philips) ou similaires, consistent, en gros, en un filtrage des aigus si le signal est faible.

Les couplages

• Afin de caractériser le comportement d'un appareil indépendamment des

autres, les couplages sont nécessairement décomposés en deux sous couplage :

source/environnement et environnement/

victime, c'est pour cela que les normes font appels à différents type d'environnements:

Résidentiel et commercial léger ou industriel dans la plupart des cas.

Classifications des perturbations

Classification par conduction et

rayonnement

Catégories

On classe les couplages en deux catégories :

• couplage par rayonnement : champ électrique, champ magnétique, champ électromagnétique ;

• couplage par conduction : transmission du signal par un conducteur (n'importe quel

conducteur, et pas nécessairement un morceau de fil destiné à conduire de courant électrique : un tuyau de climatisation fait parfaitement l'affaire).

La frontière entre les deux comporte une part d'arbitraire, certaines normes classant certains couplages par champ électrique ou magnétique (mais pas tous…) dans la case

« conduction ».

• Par ailleurs, pour les couplages par rayonnement, les normes font aussi la distinction entre champs proches et champs lointains: Une source de

perturbations électromagnétiques génère au

départ souvent soit un champ électrique, soit un champ magnétique. Mais à une certaine distance de cette source, l'onde observée sera une onde électromagnétique "plane" (dite aussi "lointaine"), combinaison d'un champ H et d'un champ E, avec le rapport E/H = 377. Cette distance est de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde. Ainsi, pour les fréquences élevées, on aura toujours une onde plane dès que l'on s'éloigne un peu de la source.

La norme pourra exiger un test de

susceptibilité au champ E, au champ H ou encore à l'onde plane (ou champ lointain).

Les normes exigeront des tests à l'onde plane aux fréquences les plus élevées, puisque dans le cas des fréquences

élevées, on aura toujours en pratique une onde "plane"

Classification par fréquence

2 types de perturbations:

• BF :basses fréquences

• HF :hautes fréquences

Les sources

Décharges électrostatiques

(d'origine humaine)

• Il s'agit d'une « source » parasite naturelle, probablement la plus répandue. Le mécanisme est le suivant :

• le corps d'un être humain (utilisateur, dépanneur, fabriquant, peu importe) est chargé par effet tribo- électrique,

• les charges accumulées se déchargent brutalement, quand une opportunité se présente : c'est la décharge électrostatique (ou DES, ou ESD en anglais).

• Non seulement c'est très désagréable pour le porteur (ou la porteuse) de charges, mais, si l'objet qui a servi

« d'opportunité » est d'un naturel fragile, il risque de ne pas apprécier. Les conséquences possibles pour un matériel électronique « victime » sont :

• la destruction d'un composant (en fabrication, en utilisation ou en maintenance),

• des dysfonctionnements (« plantages », pertes de données),

• des phénomènes analogiques transitoires (« clics » dans un haut-parleur, p.ex.)

• plus complexe, certaines méthodes

d'immunisation d'un matériel (par exemple, une enveloppe conductrice) pourront conduire ses utilisateurs à craindre ou refuser de s'en servir, pour éviter des chocs électriques.

Classification par type de

couplage

• On appelle couplage le processus par

lequel l'énergie du perturbateur atteint la victime. Chaque fois que l'on parle de

courant, de tension ou de champ, on n'oubliera pas qu'il s'agit de grandeurs électriques variables dans le temps.

le couplage par impédance

commune

Le circuit électrique du perturbateur possède dans ce cas une impédance commune avec le circuit électrique de la victime. Aux bornes de cette impédance commune se trouve une

tension générée par le courant passant dans le circuit perturbateur. Comme cette impédance est également présente dans le circuit de la victime, cette victime subit cette tension parasite.

Exemple : deux appareils sont branchés sur le réseau 230V : un perturbateur qui génère des tensions parasites sur la tension du réseau, et une victime qui utilise la tension du réseau, et qui récupère en même temps cette tension

le couplage capacitif

Dans ce cas, il existe sur un circuit

perturbateur une tension susceptible de produire des perturbations. Il existe aussi une capacité entre ce circuit perturbateur et un autre circuit, qui sera la victime. Par cette capacité, de l'énergie électrique

perturbatrice atteint le circuit victime.

Exemple

Le phénomène de diaphonie capacitive. Un

conducteur appartenant au circuit perturbateur se trouve dans le même câble qu'un conducteur appartenant au circuit victime. Ces deux

conducteurs étant proches, il existe une capacité entre eux, responsable du couplage. Le

couplage sera d'autant plus élevé que

l'impédance du circuit victime est grande, du fait du pont diviseur de tension constitué de la

Le couplage inductif

Dans ce cas, il existe dans le circuit

perturbateur un courant susceptible de

produire des perturbations. À proximité de ce circuit se trouve un circuit victime. Le courant du conducteur du circuit

perturbateur produit autour de lui un champ magnétique. Ce champ

magnétique induit un courant dans le circuit victime.

Exemple

• La diaphonie inductive. Le conducteur du circuit perturbateur se trouve dans le

même câble que le conducteur du circuit victime, et induit dans ce dernier une

tension parasite. Plus l'impédance du circuit victime sera faible, plus cette

tension induira une énergie perturbatrice importante dans le circuit victime.

Le couplage par champ

électrique

Ce couplage est aussi appelé couplage champ à fil. C'est un champ électrique incident qui va

produire une perturbation sur un circuit victime.

Remarquons tout de suite que le couplage capacitif cité plus haut est de même nature, puisque la capacité de couplage amène des

lignes de champ sur la victime. La différence ici, c'est que le perturbateur est plus éloigné: Au lieu d'identifier le perturbateur lui-même, on identifie le champ électrique qui en est issu.

Exemple

le champ électrique impulsionnel issu

d'une bougie d'allumage de moteur atteint l'antenne d'un récepteur auto-radio.

Le couplage par champ

magnétique

Ce couplage est aussi appelé couplage champ à boucle. C'est un champ magnétique, issu d'un perturbateur, qui traverse un circuit victime, et induit donc dans ce circuit une tension

parasite.C'est l'induction. Remarquons là aussi que ce couplage est de même nature que le

couplage inductif cité plus haut...Au lieu

d'identifier le perturbateur lui-même, on identifie le champ magnétique qu'il a généré.

Exemple

Un coup de foudre à proximité de la victime ( et non dessus). La foudre est une décharge électrostatique caractérisée par un courant de plusieurs dizaines de milliers d'ampères, et de temps de montée de l'ordre de la microseconde.

La tension induite dans une boucle est donc importante du fait de la variation importante de l'intensité du courant, mais aussi de la rapidité de la montée de ce courant.

Le couplage par champ

électromagnétique

Souvent, un perturbateur émet à la fois des

champs électriques ( dus aux tensions ) et des champs magnétiques ( dus aux courants) ; C'est l'ensemble de ces deux champs qui atteint la

victime. Cependant, même si un perturbateur n'émet au départ qu'un champ électrique, les équations de Maxwell montrent qu'à une

certaine distance de cette source, un champ magnétique apparaîtra aussi, pour former une onde plane électromagnétique (voir onde

électromagnétique)

Il en est de même si le perturbateur n'émet au départ qu'un champ magnétique. Cette

transformation a lieu à une distance

correspondant à une fraction non négligeable de la longueur d'onde. Elle est donc grande pour

les fréquences basses, mais courte pour les

fréquences élevées. C'est une des raisons pour lesquelles les mesures de CEM ne sont pas les mêmes pour les fréquences basses et pour les fréquences élevées. Pour les fréquences

élevées, on aura presque toujours affaire à une

Classification par mode de

propagation

On entend parler très souvent des deux

modes de propagation: le mode différentiel et le mode commun. On aurait pu inclure ces deux définitions dans les modes de

couplages, mais l'importance de ces deux termes, notamment le mode commun,

mérite qu'on les définisse avec précision.

Propagation en mode

différentiel

Soient deux conducteurs connectés à un appareil électrique ou électronique. On dit qu'une tension est appliquée en mode

symétrique (ou différentiel) à cet appareil si la tension est présentée entre les deux conducteurs. Par exemple, la tension

d'alimentation du secteur est appliquée en mode différentiel.

Ou bien encore la tension présente sur une paire de fils téléphoniques. Si on considère le câble constitué par

l'ensemble des deux conducteurs, la

somme algébrique des courants dans ce câble est nulle, puisqu'il y a un courant

"aller" dans le premier conducteur, et un courant "retour" de même intensité, mais opposé, dans le second conducteur.

Pour éviter les problèmes de CEM, il suffit que les deux conducteurs soient

suffisamment proches.

Propagation en mode commun

La propagation d'une perturbation en mode commun est considérée par la

plupart des ingénieurs en CEM comme le principal problème de la CEM ! ... ce qui justifie qu'on s'y attarde un peu.

Soit un câble constitué de plusieurs conducteurs, connecté à un appareil

électrique ou électronique. Supposons que des champs électromagnétiques

extérieurs induisent un courant parasite dans l'ensemble des conducteurs de ce câble.

• Ce courant entre dans l'appareil victime par ce câble. Remarquons que dans le mode

différentiel, il existait dans le câble un conducteur pour le courant "aller" et un

conducteur pour le courant "retour" . Ce n'est pas le cas ici: le champ électromagnétique a induit des courants en phase dans tous les conducteurs du câble. Comme il n'y a pas de conducteur de retour de ce courant dans ce

câble, il faut se poser la question de savoir par quel chemin le courant de mode commun va se refermer, puisque en principe, un courant

parcourt un circuit fermé...

Puisque ce courant est "entré" dans

l'appareil, il va nécessairement ressortir de l'appareil :

• - par d'autres câbles de l'appareil, s'ils existent.

• - par un conducteur de "terre", s'il existe.

• - par la capacité entre l'appareil et la "terre", qui existe toujours.

Ce courant, via ces trois chemins

possibles va finir par retourner "à la terre".

Il va alors circuler dans la terre, et va

revenir pour boucler le circuit, en principe jusqu'à l'autre extrémité du câble

considéré. L'extrémité du câble sera l'appareil d'où provenait le câble, par

exemple son alimentation, etc... Le circuit est ainsi bouclé.

Ce courant est dit « de mode commun ».

Son circuit peut être très grand :

• - en longueur, car le câble peut venir de loin. Pensez au réseau EDF....

• - en largeur, car le câble peut être haut par rapport au sol.

Donc la surface de ce circuit peut être grande, il en résulte :

• - le flux du champ magnétique traversant ce circuit peut être grand,

• - la ddp entre les éléments de ce circuit peut être élevée.

Il en résulte que des perturbations

extérieures peuvent créer des courants importants dans ce circuit et perturber l'appareil ( appareil victime). En effet, ce courant perturbateur qui entre dans

l'appareil va, si rien n'est fait, traverser la carte électronique et perturber les circuits électroniques qu'elle comporte.

Nous avons considéré jusqu'à maintenant que l'appareil était victime. Imaginons que ce soit l'appareil lui-même qui génère une perturbation dans ce circuit, par exemple en générant un courant RF sur son câble . Ce courant va circuler dans le circuit de

mode commun cité plus haut. Comme ce circuit est très grand, il va jouer le rôle

d'une antenne, et créer des perturbations très loin. L'appareil sera un perturbateur

• Pour réduire les effets de ces perturbations de mode commun, que l'appareil soit victime ou

perturbateur, l'appareil doit être convenablement traité au niveau de la connectique d'entrée, par les techniques appropriées de protection CEM.

Par exemple, on imposera aux courants qui

entrent par chaque conducteur du câble d'aller directement à la masse de l'appareil, et d'éviter ainsi de passer par les fonctions de la carte.

Il est préférable aussi de relier la masse de

l'appareil à la terre, ou au plan de masse ( voir plus loin). Ou bien, on tentera d'empêcher ces courants d'entrer dans l'appareil, en enfilant

dans le câble un tore de ferrite dit "suppresseur de mode commun". On peut aussi blinder

l'ensemble des conducteurs du câble, et

connecter le blindage à la masse de l'appareil, à l'arrivée du câble. Le courant de mode commun, qui passe uniquement à la surface extérieure du blindage, est ainsi dérivé vers la masse, et ne

Nous avons considéré jusqu'à maintenant que le retour du courant de mode commun se faisait

par la "terre". Dans les systèmes complexes, on trouve souvent un plan de masse commun aux différents appareils ( bancs de mesures de

laboratoires, véhicules, etc.. ) C'est évidemment alors ce plan qui tient lieu de "terre" . On peut dans ce cas réduire les perturbations de mode commun en maintenant les câbles d'entrée le plus près possible du plan de masse du

système, afin de réduire la surface de la boucle de mode commun.

Nous avons traité le problème du mode commun en considérant les courants.

Dans la littérature technique, on considère parfois non pas les courants, mais les

tensions de mode commun. Ces tensions sont présentes entre les conducteurs du câble, et la "terre". C'est évidemment un point de vue dual.

On rencontre des problèmes de mode commun même pour les fréquences de plusieurs centaines de mégahertz. On

peut même dire que ce sont les problèmes qui se sont le plus multipliés depuis le

foisonnement des émissions

radioélectriques. Sur ces fréquences élevées, on notera simplement une

différence en ce qui concerne la boucle de mode commun:

Comme cette boucle est souvent de dimensions supérieures à la longueur d'onde, il ne faut plus tenir compte de la surface de la boucle, mais considérer tout simplement que le câble qui entre dans

l'appareil est une antenne qui capte les rayonnements perturbateurs.

La protection en mode commun de la victime consistera toujours à empêcher ces courants d'entrer sur la carte

électronique. Si l'appareil est considéré comme perturbateur, on évitera que les courants internes ne sortent de la carte.

Bu r e a u Ve r i t a s LCIE • www. l c i e . f r

Face aux changements importants apportés par la nouvelle directive 2004/108/CE relative à la compatibilité

électromagnétique (CEM) et face aux récentes évolutions normatives en CEM, les fabricants et leurs représentants

doivent être prêts pour leurs produits qui devront satisfaire à ces nouvelles exigences réglementaires et normatives.

CEM : Importants changements en 2009 ! Nouvelle directive CEM (2004/108/CE) : Evolutions normatives

Préparez votre mise en conformité

La Nouvelle Directive CEM 2004/108/CE : bientôt obligatoire !

La « nouvelle » directive relative à la compatibilité électromagnétique (CEM), directive 2004/108/CE est entrée en vigueur depuis le 20 Juillet

2007 et remplacera définitivement la directive CEM 89/336/CEE le 20 Juillet 2009.

A compter du 20 Juillet 2009, les fabricants et leurs représentants devront se conformer aux prescriptions de la nouvelle directive CEM 2004/108/CE dont les principaux changements sont :

• Exigences essentielles pour les installations fixes

• Procédure d’évaluation de la conformité des équipements aux exigences essentielles simplifiée (consultation volontaire des Organismes Notifiés)

• Responsabilité accrue des fabricants et mandataires (documentation technique détaillée obligatoire)

• Surveillance du marché améliorée.

• La Nouvelles liste de Normes Harmonisées en CEM

• Le Journal Officiel de l’Union Européenne (JOUE) a publié le 4 Novembre 2008 une nouvelle liste des normes

• harmonisées au titre de la directive 2004/108/CE qui remplace la liste précédente publiée en Septembre 2007.

Normes CENELEC · Evolutions de normes

· Ajout de nouvelles normes :

EN 60947-5-9 (2007) : Appareillage à basse tension (Appareils et éléments de commutation pour circuit de commande – Détecteurs de débit

EN 61557-12 (2008) : Sécurité &lectrique dans les

réseaux de distribution basse tension de 1000V c.a. et 1500V c.c. – Dispositifs de mesure et de surveillance

des performances (PMD)

EN62026-1 (2007): Appareil à basse tension- Interfaces appareil de commande-appareil (CDI)

EN 62135-2 (2008): Matériels de soudage par résistance

Normes ETSI

Suppression de la norme : EN300386-2 V1.1.3

La norme CISPR 22 ed 5.2 (03-2006) définit les limites et méthodes de mesure pour les Appareils de Traitement de

l’Information (ATI).

La dernière version CENELEC applicable est la norme européenne EN 55022

(2006) et son amendement A1(2007).

Normes applicables au titre de la protection des personnes face aux champs

électromagnétiques

L’exposition du public et des travailleurs aux champs électromagnétiques est au centre des préoccupations actuelles dans le domaine de la santé. Afin d’évaluer ce danger potentiel sur le corps humain, des réglementations

européennes existent :

La recommandation européenne 1999/519/CE relative à la limitation de l’exposition du public aux champs électromagnétiques (de 0Hz à 300GHz)

définit les paramètres à évaluer suivants : - les restrictions de base

- les niveaux de référence

- les courants de contact et courants induits dans les membres Une directive travailleurs 2004/40/CE fixe les obligations des

employeurs quant à l’évaluation des niveaux de champs et des risques, les informations et le suivi du personnel, ainsi que les précautions à prendre.

Son application prévue en 2008 est reportée en 2012.

http://ec.europa.eu/enterprise/n

ewapproach/legislation/guide/document/1999_1282_en.pdf

Le decibel (dB)

Le dB est utilisé pour les limites (FCC, CISPR, etc.)

Le dB est une manière pratique d’exprimer de grands et de vraiment petits nombres.

Bel = LOG₁₀(P₂/P₁) dB = 10LOG₁₀(P₂/P₁) Tension et courant:

dB (U ou I) = 20LOG₁₀(U₂/U₁)

Il porte mon nom!