La Compatibilité ÉlectroMagnétique C.E.M.
par Michel LAMARCHE Lycée Jean Perrin - 13000 Marseille
RÉSUMÉ
Le téléphone mobile perturbe l’ordinateur, est-ce vraiment gênant ? Est-ce l’ordinateur de bord de l’avion ? Dois-je faire un procès et à qui ? Suffit-il d’éloigner les appareils ? Ce sont là des problèmes de parasites ; mais le message d’un amour tendre, affectueux, complice et éternel transmis par le portable mérite-t-il l’affreux nom de parasite ? Parlons donc de Compatibilité ÉlectroMagnétique (C.E.M.).
1. LE DOMAINE DE LA C.E.M.
Les lois règlent les relations entre les hommes, la C.E.M. règle les relations entre les appareils électriques. Quels appareils ? Quelles relations ?
De même que les lois peuvent concerner les relations entres individus, ou entre sociétés ou entre états, les appareils électriques peuvent être un circuit intégré et son voisin, une carte électronique et sa voisine (l’alimentation et l’amplificateur), un appareil complet et son voisin (un téléphone portable et un ordinateur), un ensemble d’appareils et son voisin (deux avions).
De même que les magistrats ne sont pas principalement préoccupés par les achats quotidiens de nourriture de chacun d’entre nous de même le spécialiste en C.E.M. ne se sentira pas d’abord concerné par le débit et le niveau des signaux électriques transmis d’un appareil à l’autre, toutefois il peut veiller à ce qu’une certaine qualité de signaux soit respectée ; il jugera surtout du tort que peut causer un appareil à son entourage.
Le bruit du marteau piqueur, l’odeur de peinture, la poussière de la cimenterie, perçus comme «normaux» par ceux qui les émettent car liés à leur activité, sont perçus comme des nuisances par leurs voisins. De même le signal créé par un appareil est souvent un parasite pour l’appareil voisin. La C.E.M. prend donc un aspect écologique.
Avant de plaindre les appareils électriques perturbés par leurs voisins, vous allez me dire : «soucions nous d’abord de l’homme perturbé par les appareils électriques !».
Le sujet est en effet des plus importants : les lignes haute tension, les téléphones mobiles... sont-ils dangereux pour l’homme ? La réponse à ces questions est difficile et nécessite d’autres compétences et des études statistiques bien plus longues, les enjeux économiques sont très importants et les réponses ne doivent pas être données à la légère. Nous manquons sans doute d’études dans ce domaine mais reconnaissons l’existence de normes pour les fours à micro-ondes, que le souci de la sécurité électrique entraîne des obligations très contraignantes, que nous confions souvent notre vie à des appareils électroniques qui ne doivent pas être perturbés et c’est là le rôle de la C.E.M.
2. LE RÔLE DU SPÉCIALISTE EN C.E.M.
Le magistrat s’appuie dans son jugement sur le code civil, le code pénal..., le spécialiste en C.E.M. s’appuie sur des normes fixant les limites à respecter pour trancher dans un débat opposant un constructeur et un utilisateur. Dans l’entreprise, le spécialiste C.E.M. veillera à ce que le produit fabriqué soit conforme aux normes.
Il n’y a pas de normes C.E.M. concernant les circuits intégrés ou les câbles, mais on fera appel à lui pour expliquer pourquoi un appareil fonctionne mal et suggérer un remède (ajouter un condensateur, choisir un autre circuit, disposer autrement les fils).
Il est indispensable que le souci de la C.E.M. accompagne à chaque étape l’élaboration du produit pour finalement aboutir à un produit fini conforme. Un constructeur qui ne se soucierait du respect de la norme qu’au stade final peut s’attendre à de sérieux problèmes car il faudra peut-être déplacer un élément, ajouter un filtre, modifier le tracé des pistes c’est-à-dire repenser le dessin du circuit imprimé, la forme du boîtier... cela va entraîner un retard considérable, des frais importants car un premier moule du boîtier a sans doute dû être réalisé. Ces frais et ce retard peuvent faire perdre une part du marché, mettre en péril la rentabilité du produit.
Le spécialiste en C.E.M. joue donc dans l’entreprise un rôle de conseiller, de médecin.
3. LES DEUX GRANDS ASPECTS
Un appareil ne doit pas émettre trop de parasites, il doit être assez discret pour ne pas gêner ses voisins, il faut donc contrôler ses émissions.
Il doit être également assez robuste pour ne pas être gêné par les parasites émis par les voisins, il faut contrôler son immunité.
Il est normal de limiter les émissions. Des émissions non limitées entraîneraient des abus contre lesquels il serait impossible de se protéger et cela pourrait devenir dangereux également pour l’homme. Il est indispensable de garantir une certaine immunité car toutes les émissions ne sont pas contrôlées. Il est vrai que les appareils commercialisés émettent peu de parasites et que l’immunité peut paraître superflue mais il faut bien se protéger contre les émissions radio auxquelles vous tenez par ailleurs, contre la foudre et contre les décharges électrostatiques contre lesquelles vous ne pouvez pas grand chose. L’immunité est donc essentielle, la question est «à quel prix, jusqu’à quel niveau de perturbation qui a quelle chance de se produire ?».
4. POURQUOI LE SUJET EST-IL DEVENU «A LA MODE» ?
Autrefois, il y avait peut d’appareils électriques en service, ils étaient peu polluants car ils travaillaient souvent «en linéaire». Ils étaient aussi peu sensibles car ils travaillaient avec des niveaux de tension et de courant élevés. Enfin, nous leur confiions moins souvent notre vie : pensez au stimulateur cardiaque ou au freinage de la voiture : en 1940 on freinait un peu plus tôt de peur que les câbles de frein soient déréglés, aujourd’hui on freine un peu plus tard confiant dans l’A.B.S. Bref, autrefois il n’y avait guère que le problème du parasitage des émission radio, aujourd’hui le problème est omniprésent.
Parmi les sources de pollution dont le nombre croît très rapidement, citons les tubes fluorescents et les alimentations à découpage qui remplacent de plus en plus les tranquilles lampes à incandescence et les alimentations linéaires. La voiture électrique, si propre par ailleurs, peut être une source de pollution avec son chargeur de batterie et l’alimentation de ses moteurs.
Une législation européenne s’est mise en place. L’organisation des normes a beaucoup gagné en clarté (on aurait souhaité que dans la foulée le choix des valeurs numériques et des processus de mesure soient un peut simplifiés). Un produit ne peut être commercialisé que s’il porte le label CE qui sous-entend la conformité aux normes de sécurité électrique et de C.E.M., une non conformité entraînant le risque de retrait du marché et de poursuites judiciaires. Les usagers (ou les concurrents) faisant de plus en plus facilement des procès et la responsabilité de conformité du produit étant nominative, le respect de la norme est vivement conseillé.
5. QUELQUES EXEMPLES DE PROBLÈMES
La qualité du secteur (du 220 V) est importante, l’appareil branché sur le secteur doit pouvoir subir des microcoupures, des surtensions passagères, des tensions non sinusoïdales, des parasites haute fréquence.
Il ne doit pas consommer une intensité trop riche en harmoniques car cela entraîne une tension non parfaitement sinusoïdale chez les voisins et un échauffement du conducteur neutre. C’est là le gros problème des appareils électroniques (ordinateurs, téléviseurs) fonctionnant sous tension continue et dont le premier souci est de redresser-filtrer la tension d’entrée : le courant consommé présente des pics chaque demi-période au moment où le condensateur de filtrage se recharge.
L’appareil ne doit pas envoyer sur le secteur des parasites haute fréquence. C’est le problème des moteurs à collecteur. C’est le problème des alimentations à découpage, hacheurs, etc. où des organes de puissance fonctionnent en commutation. Cette électronique de puissance est très riche en possibilités : on peut abaisser, élever une tension continue, modifier une fréquence. Elle est remarquable par le fait que le rendement est voisin de 100 %, mais ceci n’est vrai que si les composants travaillent effectivement en commutation c’est-à-dire avec des signaux à front raide, à di/dt important, donc riches en harmoniques haute fréquence.
C’est aussi le problème des microprocesseurs gérés par une horloge de fréquence élevée fournissant un signal carré donc riche en harmoniques.
Les mêmes types de problème se rencontrent sur les éventuels fils de sortie (vers des récepteurs, des actionneurs) et d’entrée (de signaux de commande, de capteurs...).
Après les perturbations conduites, il faut se soucier des perturbations rayonnées : chaque morceau de conducteur, partie de circuit, joue le rôle d’une antenne qui peut donc émettre des parasites ou au contraire capter des signaux.
Prévoir le comportement d’un circuit est extrêmement difficile principalement en raison des hautes fréquences considérées.
Il faut connaître exactement le comportement des diodes, transistors, circuits intégrés.
Chaque morceau de fil à une inductance (de l’ordre de 0,5µH par mètre) qui fait que son impédance n’est pas nulle pour les parasites haute fréquence, il devient donc difficile de réaliser un court-circuit.
Deux conducteurs voisins forment un condensateur ou présentent une inductance mutuelle, permettant le passage de parasites d’un circuit à l’autre.
La disposition des éléments les unes par rapport aux autres a de l’importance.
Les circuits forment antenne, mais elles n’ont pas le comportement simple (?) d’une antenne électrique (fouet) ou magnétique (boucle).
Le champ magnétique 50 Hz rayonné par le transformateur traverse aisément un blindage.
Un circuit travaillant en basse fréquence (10 kHz par exemple) peut créer des parasites importants à haute fréquence (100 MHz). Un signal carré 10 kHz est très riche en harmoniques ; leur amplitude décroît avec la fréquence. Toutefois si le carré présente un petit défaut (une diode reste conductrice un court instant quand elle est placée sous tension inverse), des harmoniques haute fréquence peuvent être renforcés.
Ils peuvent être encore renforcés par des circuits résonnants (inductance parasite des fils et capacités parasites) et par le rendement des antennes constituées par les fils.
Inversement un circuit travaillant sur un signal basse fréquence peut être perturbé par un parasite haute fréquence par le même principe que votre poste de radio qui extrait un signal basse fréquence (audible) d’un signal haute fréquence 100 MHz.
6. QUELQUES EXEMPLES DE REMÈDES
Le premier remède consiste à supprimer la source de parasite, mais comme nous l’avons déjà dit, le parasite des uns est souvent le signal des autres.
On peut améliorer le signal en réduisant l’amplitude des harmoniques haute fréquence : réduire les petits défauts, adoucir les fronts. Ce dernier point entraînera la baisse de rendement des alimentations à découpage, l’échauffement des transistors...
On peut éviter la propagation des parasites en évitant les couplages entre circuits (en les éloignant), en les localisant (liaisons courtes, condensateur de découplage à côté de chaque circuit intégré, condensateurs et écrêteurs aux entrées et sorties de boîtier, présence d’un plan de masse), en réduisant la dimension des antennes (liaisons courtes, câbles torsadés, absence de boucle).
On peut arrêter les parasites au moyen de bobines dans des filtres, de noyaux de ferrite sur le cordon secteur (vous avez peut-être cela derrière votre ordinateur) et de blindages (câbles blindés, boîtiers métalliques).
7. LES MESURES
Pour les émissions (normes civiles habituelles) :
– les harmoniques du courant sont mesurées avec une pince ampèremétrique et un analyseur de spectre de 50 Hz à 2 kHz.
– perturbations conduites : les parasites envoyés sur le secteur sont mesurés au moyen d’un filtre et d’un analyseur de spectre de 150 kHz à 30 MHz ;
– les parasites rayonnés sont captés par une antenne située à 3 m ou 10 m et mesurés avec un analyseur de spectre de 30 MHz à 1 GHz. Pratiquement on est amené à opérer dans une cage de Faraday pour ne mesurer que les parasites émis par l’objet testé et non par les émissions radio et les parasites industriels locaux. Les murs et le plafond sont recouverts d’absorbants pour éviter les réflexions et les ondes stationnaires. La disposition de l’objet et en particulier celle du cordon secteur doivent être notées avec précision sur l’on veut des résultats reproductibles ;
– l’analyseur de spectre est l’outil de travail de base.
Pour l’immunité :
– des perturbations sont envoyées sur le cordon secteur (un filtre placé en amont évite aux voisins d’en profiter), il s’agit de surtensions brèves en rafales (ex : 1 kV, durée 50 ns répétées à 5 kHz) ou isolées (ex : 1 kV, durée 50µs, simulant l’effet de la foudre) ; – des décharges électrostatiques sont infligées sur le boîtier de l’appareil sous test (ex : 4 kV) ;
– les mesures en rayonnement sont difficiles, il faut arroser l’appareil par une onde haute fréquence, faire varier cette fréquence, maintenir un champ uniforme (ex : 3 V/m), éviter de gêner les voisins donc travailler en cage... ;
– pour tous ces essais, on note le niveau de perturbation infligé et les dommages éventuels subis par l’appareil sous test.
Les constructeurs de matériel font quelques progrès en offrant des solutions adaptées aux mesures courantes faciles à utiliser, mais tout ce matériel coûte cher et les P.M.E. se tournent souvent vers des laboratoires spécialisés ce qui ralentit la mise au point du produit. L’ensemble du matériel décrit ici (excepté la mesure de l’immunité au rayonnement) représente au minimum 300 000 F.
8. UN EXEMPLE DE MESURES
Elles concernent l’étude des perturbations émises par un appareil alimenté en 220 V (un oscilloscope numérique) (voir figure 1) :
– le courant consommé n’est pas sinusoïdal (voir figure 2) ;
– perturbations conduites de 150 kHz à 30 MHz (figure 3) : on remarque les raies équidistantes de 400 kHz harmoniques de la fréquence de découpage de l’alimentation de l’appareil testé, bien visibles sur l’agrandissement (autour de 20 MHz). La limite fixée par la norme (60 dBµV soit 1 mV) est respectée ;
– perturbations rayonnées de 30 à 300 MHz (figure 4) : «L’herbe» est due au bruit de fond de l’analyseur, des raies en émergent. La valeur limite de 40 dBµV/m (0,1 mV, l’antenne est à 3 m de l’appareil) est atteinte. On remarque les raies équidistantes (en particulier le groupe de trois au centre) provenant de la partie numérique de l’appareil testé (fréquence d’échantillonnage).
Sur l’agrandissement autour de 180 MHz, on retrouve les raies équidistantes de 400 kHz de l’alimentation à découpage.
Figure 1 : Mise en situation.
Figure 2 : Harmonique du 50 Hz.
Figure 3
Figure 4
CONCLUSION
La C.E.M. est une discipline incontournable pour l’industriel, nos étudiants doivent être au moins sensibilisés au problème. Ceci est fait dans certaines écoles d’ingénieurs et maîtrises de génie électrique. Le lycée Jean Perrin, à Marseille, offre une année post B.T.S. ou D.U.T. spécialisée en électronique de puissance et en C.E.M.
Il dispose d’une cage de Faraday munie d’absorbants et du matériel nécessaire aux mesures en émission.
Remarque : Voir d’autres détails dans l’article suivant «Quelques expériences pour se familiariser avec les problèmes de la C.E.M.».
BIBLIOGRAPHIE
– A. KOUYOUMDJIAN: «La compatibilité électromagnétique», Institut Schneider For- mation (voir la rubrique «Parus ou à paraître» dans le B.U.P. n° 792, mars 1997, p. 615).
– M. MARDIGUIAN : «Manuel pratique de compatibilité électromagnétique», Prana Recherche et Développement - 10, avenue du Québec - 91946 LES ULISCedex.
– A. CHAROY: «Compatibilité électromagnétique» (quatre tomes), Dunod Tech.
– P. DUNAND: «Tracé des circuits imprimés», Dunod Tech.
