Support de formation Compatibilité ElectroMagnétique (CEM) PDF

Support de formation Compatibilité ElectroMagnétique (CEM) Pr. EL-HALOUANI Abdelaziz 1 Compatibilité ElectroMagnétique (CEM) SUPPORT DE FORMATION 2 CEM Généralités 3 C...

Support de formation Compatibilité ElectroMagnétique (CEM) Pr. EL-HALOUANI Abdelaziz 1 Compatibilité ElectroMagnétique (CEM) SUPPORT DE FORMATION 2 CEM Généralités 3 CEM Généralités Spectre électromagnétique Rayonnements non-ionisants: Les radiations non-ionisantes sont les ondes électromagnétiques qui n’ont pas une énergie suffisante pour transformer les atomes en ions. Rayonnements ionisants: Les radiations sous une forme d'énergie libérée par les atomes qui se propage par le biais d'ondes électromagnétiques (rayons gamma ou X) ou de particules (neutrons, particules bêta ou alpha). Il a le pouvoir pénétrant. 4 5 6 7 CEM Généralités Spectre électromagnétique Le spectre électromagnétique est la description de l'ensemble des rayonnements électromagnétiques classés par fréquence, longueur d'onde ou énergie. Le spectre électromagnétique s'étend théoriquement de zéro à l'infini en fréquence (ou en longueur d'onde), de façon continue. 8 CEM Généralités Effet résistif et Loi d’Ohm Effet résistif: Il convient de noter que la dégradation d'énergie en forme thermique est un phénomène général en physique, phénomène décrit par la thermodynamique. En électricité, si on place une tension aux bornes d'un conducteur, il advient un courant. La dissipation d'énergie se manifeste par un échauffement et une chute de potentiel le long du conducteur ; il y a conversion d'énergie électrostatique (contenue dans le générateur par exemple) en énergie thermique (échauffement par effet Joules). Loi d‘Ohm : Lorsqu'on branche un conducteur à une tension donnée, il résulte un courant, dont l'intensité dépend de la résistance du conducteur à son passage. 9 CEM Généralités Effet Inductif Lorsqu'un courant circule dans un conducteur, il est responsable de la création d'un champs d'induction magnétique. Si le courant est variable dans le temps, le champs d'induction le sera aussi et alors intervient le phénomène d'auto-induction : ce champs variable rétroagit sur le courant qui le crée, en ralentissant la variation de ce courant. Cet effet correspond à un stockage d'énergie dans le circuit auto-inductif, sous forme magnétique. La bobine est l'élément technologique correspondant. 10 CEM Généralités Effet capacitif Cet effet correspond au troisième phénomène très important. Lorsqu'on applique une différence de potentiel à deux conducteurs isolés les uns des autres, on assiste à une accumulation de charges par influence électrostatique. C'est cela l'effet capacitif. Il peut être ardemment recherché et dans ce cas on fabrique des condensateurs précis ou de grande capacité. Très souvent, l'effet capacitif est présent à titre parasitaire comme par exemple lors d'accumulation de charges entre deux lignes conductrices. Dans ce cas, on cherche à minimiser ses effets sur le temps de réponse de la ligne. 11 CEM Généralités Inductance et Resistance L'inductance est un dipôle électronique qui a la propriété de stocker de l'énergie magnétique lorsqu'il est traversé par un courant, de même que le condensateur stocke de l'énergie lorsqu'il y a une tension à ses bornes. Le bobinage plonge alors dans son propre champ magnétique. Une résistance est un dipôle électrique qui résiste au passage du courant électrique. La loi d'Ohm exprime que certains matériaux ont un comportement linéaire. L’unité de l’inductance est le Henry (H). L’unité de mesure est l'ohm (symbole : Ω). 12 CEM Généralités Electromagnétique - Environnement électromagnétique commun 13 CEM Terminologie 14 CEM Terminologie CEM ? 15 CEM Terminologie Définition La Compatibilité ElectroMagnétique (CEM) est le fait, pour des équipements de supporter mutuellement leurs effets électromagnétiques. Selon le décret français concernant la CEM, il s'agit de la capacité d'un dispositif, équipement ou système, à fonctionner de manière satisfaisante dans son environnement électromagnétique, sans introduire lui même de perturbations électromagnétiques de nature à créer des troubles susceptibles de nuire au bon fonctionnement des appareils ou des systèmes situés dans son environnement 16 CEM Terminologie Histoire Début des années 30 : début des communications radio Apparition des problèmes d’interférences radio (dus aux moteurs électriques etc.) 1933 : Création du CISPR (Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques) par la CEI (Commission électrotechnique internationale) qui développe des normes pour éviter les interférences. Durant la deuxième guerre mondiale, l’utilisation d’appareils électroniques (radio, navigation, radar) s’est accélérée. Beaucoup de cas d’interférences entre radios et systèmes de navigation aérienne. Le CISPR continue son activité en produisant plusieurs publications techniques présentant des techniques de mesure des perturbations, et recommandant des valeurs limites d’émissions. Plusieurs pays européens ont adopté ces valeurs limites recommandées par le CISPR. 17 CEM Terminologie Histoire L’augmentation la plus significative des problèmes d’interférences est apparue avec l’invention des composants électroniques à haute densité, tels que le transistor bipolaire dans les années 1950, le circuit intégré dans les années 1960, et les puces à microprocesseur dans les années 1970. Par ailleurs, le spectre fréquentiel utilisé devient beaucoup plus large, ce pour subvenir aux besoins de plus en plus croissants de transmission d’information. Due à la sensibilité de plus en plus accrue des circuits électroniques, l’American Federal Communications Commission (FCC) a publié en 1979 des normes limitant les émissions électromagnétiques de tous les appareils électroniques. Les valeurs limites définies par la FCC correspondent dans l’ensemble à celles recommandées par le CISPR. 18 CEM Terminologie Principe de base CEM Champs magnétiques et électromagnétiques Tout conducteur traversé par un courant électrique rayonne un champ magnétique H. Si un conducteur électrique formant une boucle S est traversé par le champ magnétique H, toute variation de H va induire une f.é.m. dans la boucle entraînant la circulation d'un courant de perturbation dans le circuit si cette boucle est fermée. La perturbation est proportionnelle à la surface de boucle et à la variation dH/dt. Elle devient importante pour des phénomènes transitoires rapides ainsi que lorsque la surface de boucle est importante. 19 CEM Terminologie Principe de base CEM Caractéristiques des perturbations CEM Une perturbation électromagnétique se traduit par l'apparition d'un signal électrique indésirable venant s'ajouter au signal utile. C'est ce signal importun qui peut dégrader le fonctionnement d'un équipement. Les sources des émissions électromagnétiques peuvent être d'origine : − Naturelle : atmosphériques, galactiques, solaires, bruit thermique terrestre,... − Artificielle: parmi ces sources, certaines sont : intentionnelles : émetteurs radioélectriques, fours micro-ondes, fours à induction,... non intentionnelles : systèmes d'allumage des moteurs à explosion, tous les systèmes d'enclenchement et de coupure d'un signal électrique, lampes à décharge, horloge des systèmes informatiques,... 20 CEM Terminologie Principe de base CEM 21 CEM Terminologie Principe de base CEM 22 CEM Terminologie Principe de base CEM 23 CEM Terminologie Principe de base CEM 24 CEM Terminologie Principe de base CEM 25 CEM Terminologie Principe de base CEM - Récapitulation La Compatibilité ElectroMagnétique (CEM) est le fait, pour des équipements de supporter mutuellement leurs effets électromagnétiques. Ces dernières années, plusieurs facteurs se sont conjugués pour augmenter l'importance de la CEM : Perturbations de plus en plus importantes liées à l'augmentation de la tension et de l'intensité. circuits à niveau d'énergie de plus en plus faible, donc de plus en plus sensibles. Distances entre les circuits sensibles (souvent électroniques) et les circuits perturbateurs (souvent de puissance) qui se réduisent. Explosion du nombre des matériels de télécommunication. 26 CEM Terminologie Principe de base CEM - Récapitulation Un système « électromagnétiquement compatible » respecte 3 critères : Il ne produit aucune interférence avec d’autres systèmes. Il n’est pas susceptible aux émissions d’autres systèmes. Il ne produit aucune interférence avec lui-même. Décomposition d’un problème de CEM Dégâts La CEM concerne la génération, la transmission et la réception de l’énergie électromagnétique. Une source produit une émission et un canal de transfert ou de couplage communique l’énergie au récepteur. 27 CEM Terminologie Principe de base CEM - Récapitulation Dans la majorité des cas le canal de transmission est involontaire, et il y a toujours transmission de perturbations, mais pour considérer qu’il y a interférence, il faut que l’amplitude de ces perturbations atteigne un niveau suffisant pour fausser le comportement du récepteur, qui devient alors la victime. De cette représentation de la transmission des interférences, nous pouvons déduire qu’il y a trois moyens de réduire les perturbations à un niveau acceptable : 1) supprimer ou diminuer les émissions à la source, 2) agir sur le canal de couplage pour minimiser la transmission source à victime 3) rendre la victime insensible à la perturbation 28 CEM Terminologie Principe de base CEM - Récapitulation Le couplage des perturbations peut se faire tant directement par rayonnement que par conduction dans les câbles, et d’autre part que tout équipement peut être, selon les circonstances, émetteur ou récepteur (victime) des perturbations conduit à décomposer les essais et analyses en quatre catégories, que l’on retrouve dans les normes de compatibilité: 1. Emission rayonnée : Mesure des champs EM rayonnés par l’équipement sous test; 2. Susceptibilité aux rayonnements : Capacité de fonctionner en présence de champs EM donnés; 3. Emissions conduites par l’équipement : Mesure des perturbations injectées dans le réseau; 4. Susceptibilité à la conduction : Capacité de fonctionnement en présence de perturbations conduites (réseau ou câble de données). 29 CEM Terminologie Principe de base CEM - Récapitulation Norme: La compatibilité électromagnétique revêt en fait deux aspects : d’une part respecter les lois afin de ne pas polluer l’environnement et garantir la sécurité humaine, d’autre part respecter les critères du fabricant , dans le but d’assurer la satisfaction du client. Dans la quantité de normes existantes, il convient de distinguer deux catégories : 1. Les normes de base ou génériques, donnant les limites et méthodes de base applicable de manière générale à tous les équipements 2. Les normes spécifiques à une catégorie de produits ou d’application. Les normes génériques sont aux nombre de 4 décrivant séparément l’immunité et les émissions pour deux catégories d’équipement : - EN 61000-6-1 Immunité pour les zone résidentielles, commerciale et d’industrie légère (classe B) - EN 61000-6-2 Immunité pour les zones industrielles (classe A) - EN 61000-6-3 Emission pour les zone résidentielles, commerciale et d’industrie légère (classe B) - EN 61000-6-4 Emission pour les zones industrielles (classe A) 30 CEM Terminologie Principe de base CEM  Couplage 31 CEM Terminologie Susceptibilité - Emission 32 Susceptibilité: niveau de perturbation à partir duquel il y a dysfonctionnement par un matériel ou un système CEM Terminologie Susceptibilité  Susceptibilité des systèmes électroniques aux agressions électromagnétiques 33 CEM Terminologie Quelles sont les sources principales de perturbation? Sources permanentes (fréquence fixe) Sources transitoires (large de bande de fréq.) - Emetteurs radio - La foudre - Radars - Défauts dans les lignes d’énergie - Bruits des moteurs électriques - Interruption de courant (disjoncteurs) - Communications fixes et mobiles - Décharge électrostatique - Ordinateurs, écrans, imprimantes - Etc. - Redresseurs - Etc. Sources permanentes à large bande de fréq. - Systèmes électroniques - Microprocesseurs 34 CEM Terminologie Perturbations Fréquences et niveaux de bruit associés aux différentes sources de perturbations typiques 35 CEM Terminologie Perturbations Fréquences et niveaux de bruit associés aux différentes sources de perturbations typiques 36 CEM Terminologie Perturbations 37 CEM Terminologie Harmoniques - Les perturbations harmoniques sont situées dans un spectre basse fréquence s’étendant jusqu’à quelques kHz. - Les perturbations hautes fréquences se situent dans un spectre s’étendant jusqu’à plusieurs GHz. 38 CEM Terminologie Harmoniques la transformée de Fourier Le spectre fréquentiel contient : le niveau continu : valeur moyenne du signal la composante fondamentale, de la fréquence du signal les harmoniques, de fréquences multiples de celle de la fondamentale 39 CEM Terminologie Harmoniques la transformée de Fourier 40 CEM Terminologie Harmoniques Exemple d’application du théorème de Fourier sur un signal carré: Représentation temporelle 41 CEM Terminologie Harmoniques Exemple d’application du théorème de Fourier sur un signal carré: Représentation spectrale 42 CEM Terminologie Harmoniques et CEM Représentation fréquentielle 43 CEM Terminologie Harmoniques Formes d’onde typiques et leur spectre fréquentiel. 44 CEM Terminologie Harmoniques Exemple : Pics de courant internes dans un circuits intégré (commutation d’un inverseur CMOS) Energie Importante à 30GHz! Génération de très nombreuses harmoniques 45 CEM Terminologie Harmoniques Principaux générateurs d’harmoniques − Onduleurs − Hacheurs − Ponts redresseurs: électrolyse, machine à souder − Fours à arc et à induction − Variateurs de vitesse électroniques − Appareil domestique: Téléviseurs, lampes à décharges, lampes fluorescentes à ballast électronique − Alimentation à découpage informatique − Equipements biomédicaux − …. 46 CEM La CEM dans le système Spécification d’un système : Niveau de perturbation 47 CEM La CEM dans le système Notions de niveaux critiques ? 48 CEM La CEM dans le système Le niveau d’énergie émise par un système en fonction de la fréquence 49 CEM La CEM dans le système L’énergie susceptible de perturber un système en fonction de la fréquence 50 CEM La CEM dans le système Principe pour garantir l’immunité d’un système 51 CEM Types de perturbations EM. Les perturbations électromagnétiques (EM) se manifestent sous deux formes : en mode conduite et en mode rayonné. Ces perturbations peuvent se propager selon différents types de couplage, en fonction de leur origine et de leurs effets. La propagation dépend du mode de connexion du circuit, en particulier des modes commun et différentiel, qui influencent la circulation des signaux électriques 52 CEM Mode différentiel Le mode différentiel est le mode classique de propagation du signal électrique. Dans un circuit alimenté par 2 fils, le courant en mode différentiel circule sur l’un des conducteurs et revient en sens opposé sur l’autre conducteur (figure I.4). Ce mode est caractérisé par la circulation du courant dans un sens et son retour par un sens opposé vers la masse. En générale, les perturbations EM induites en mode différentiel sont faibles et souvent négligeables si les 2 conducteurs sont très proches et loin de la source de perturbation 53 CEM Mode Commun Le mode commun est le mode qui pose le plus de problème en CEM conduite. Lorsque la source et la victime sont reliées par une masse commune ou par un couplage capacitif, le courant de mode commun circule sur tous les conducteurs dans le même sens et revient par la masse (figure I.5). Le mode commun est caractérisé par la création d’une différence de potentiel entre les conducteurs et le plan de masse qui favorise la circulation d’un autre courant parasite dans le circuit. Les perturbations EM engendrées dans ce mode ne sont pas négligeables et peuvent être néfastes pour la victime. 54 CEM Perturbation en mode conduit Une perturbation est dite en mode conduit lorsqu’elle se propage via la liaison physique reliant la source à la victime. Les perturbations conduites sont caractérisées par une variation rapide de courant ou de tension parasite au niveau de la victime. La perturbation en mode conduit se développe dans le câble ou conducteur qui relie la source à la victime. En fonction du mode de connexion du circuit, on distingue deux types de couplages possibles en perturbation conduite : Le couplage par impédance commune et le couplage carte à châssis. 55 CEM Couplage par impédance commune Le couplage par impédance commune : est une perturbation électromagnétique qui apparaît lorsqu’une impédance est partagée par plusieurs circuits parcourus par un courant électrique variable. Il faut rappeler que tout conducteur présente une impédance non nulle. Ce conducteur se comporte comme une résistance si la variation du courant qui le parcourt est très faible ou comme une inductance non négligeable si la variation du courant est très élevée. Ainsi, lorsque la source et la victime sont connectées à la même impédance par un conducteur parcouru par un courant, des différences de potentiels parasites (en fonction de la fréquence du signal) sont créées dans le conducteur. Dans ces conditions, la victime voit la différence des deux signaux (U utile - ∆U parasite), ce qui peut conduire à un fonctionnement anormal de la victime. Le couplage par impédance commune est caractérisé par l’effet de la tension parasite qui engendre une modification d’amplitude du signal utile et conduit à une perturbation du fonctionnement de la victime. 56 CEM Couplage par impédance commune La figure suivante donne un exemple illustratif des fils de liaison utilisés entre un capteur, un conditionneur et assure également une autre liaison : circuit numérique fonctionnant à une certaine fréquence. Normalement, le courant entre le capteur et le conditionneur est relativement faible, la chute de tension dans l’impédance de liaison est alors négligeable. Dans ces conditions, la tension à l’entrée du conditionneur est égale à la tension Ue. A cause du courant Ip (provenant du circuit numérique), cette chute de tension Ue n’est plus négligeable et le conditionneur voit alors la somme des deux tensions (Ue + Up), ce qui peut conduire à des résultats catastrophiques. 57 CEM Couplage capacitif carte à châssis Le couplage capacitif carte à châssis : C’est un type de perturbation électromagnétique créée entre un circuit et son châssis.Lorsque le circuit est soumis à une tension variable (provenant d’un fil d’alimentation par exemple), entre le circuit et son plan de masse (châssis) se crée une capacité dans laquelle un courant parasite peut circuler. Par conséquence, ce courant parasite modifiera le fonctionnement des composants se trouvant dans le circuit. Le couplage capacitif carte à châssis est caractérisé par l’effet de la circulation d’un courant parasite variable dans le circuit. 58 CEM Couplage capacitif carte à châssis 1.Tension variable dans le circuit : Si le circuit est alimenté par une tension qui change constamment (comme une alimentation en courant alternatif), cela crée une "capacité" entre le circuit et le châssis. Ici, "capacité" signifie que ces deux éléments (circuit et châssis) agissent comme les plaques d'un condensateur. 2.Courant parasite : Dans cette capacité, un petit courant parasite peut circuler entre le circuit et le châssis, à cause de la tension variable. Ce courant parasite est non désiré et n’a rien à voir avec le fonctionnement normal du circuit. 3.Effet sur le circuit : Ce courant parasite, circulant de manière incontrôlée, peut interférer avec les composants électroniques du circuit, en modifiant leur comportement normal. En résumé, le couplage capacitif carte à châssis résulte d’une circulation de courant parasite entre le circuit et son châssis, qui peut perturber le fonctionnement des composants du circuit. 59 CEM Couplage par impédance commune La figure suivante donne un exemple illustratif des fils de liaison utilisés entre un capteur, un conditionneur et assure également une autre liaison : circuit numérique fonctionnant à une certaine fréquence. Normalement, le courant entre le capteur et le conditionneur est relativement faible, la chute de tension dans l’impédance de liaison est alors négligeable. Dans ces conditions, la tension à l’entrée du conditionneur est égale à la tension Ue. A cause du courant Ip (provenant du circuit numérique), cette chute de tension Ue n’est plus négligeable et le conditionneur voit alors la somme des deux tensions (Ue + Up), ce qui peut conduire à des résultats catastrophiques. 60 CEM Couplage en Mode Rayonné On parle d’un couplage ou perturbation en mode rayonné lorsque la perturbation électromagnétique de la source vers la victime s’effectue sans aucune liaison physique qui les relie(Dans l’air). Les perturbations EM rayonnées sont caractérisées par la « propagation » de champ électrique ou de champ magnétique ou de champ électromagnétique rayonné par un composant (source) qui va attaquer un autre composant (victime).On distingue deux mode de perturbation dans ce Mode : Couplage en champ Proche Couplage en champ Lointain 61  CEM Limite de la zone de champ proche et lointain La délimitation de ces zones (champ proche et champ lointain) est définie par un diagramme appelé le diagramme de Rayleigh, Fresnel et Fraunhofer. Ce diagramme se base sur l’évolution de l’impédance d’onde en fonction de la distance qui sépare la source de rayonnement, au point où le champ rayonné est caractérisé. L’impédance d’onde est définie par le rapport entre le module du champ électrique et le module du champ magnétique. 62 CEM 63 CEM Couplage champ proche Le couplage champ proche comme son nom l’indique est le type de couplage qui apparait lorsque la source de Rayonnement et la victime se trouvent à une distance très proche et échangent de l’énergie. Dans ce type de couplage, on parle souvent d’une perturbation ou interférence mutuelle. Il en sorte deux cas de couplages en champ proche : Couplage par diaphonie capacitive ou couplage par champ électrique. Couplage par diaphonie inductive 64 CEM Couplage par diaphonie capacitive ou couplage par champ électrique. Une perturbation électromagnétique produite fondamentalement par le champ électrique rayonné par un conducteur qui va perturber un autre conducteur voisin. La source perturbatrice est couplée au signal utile via une liaison capacitive. Dans ces conditions, il se rajoute au signal utile un autre signal qui est le signal parasite. 65 CEM Couplage par diaphonie Inductive correspond à une perturbation électromagnétique produite par le champ magnétique variable rayonné par un circuit (source) qui va venir perturber un autre circuit voisin (victime) se comportant comme une boucle. Le couplage par diaphonie inductive est caractérisé par l’effet d’une tension parasite variable aux bornes de la victime. 66  Exemple du couplage en champs proche Imaginons un cas où vous avez deux conducteurs parallèles, A et B, et un champ magnétique variable est créé à proximité de A. Ce champ magnétique variable peut être généré par un courant alternatif circulant dans un fil à proximité. Voici comment le couplage en champ proche peut se manifester : 1.Source (Conducteur A) : Un courant alternatif circule dans le conducteur A, créant un champ magnétique variable autour de lui. 2.Récepteur (Conducteur B) : Le conducteur B, situé à proximité immédiate de A, est exposé au champ magnétique variable créé par A. 3.Induction Électromagnétique : En raison du champ magnétique variable, le conducteur B subit une induction électromagnétique. Un courant est induit dans le conducteur B, même s'il n'y a pas de connexion électrique directe entre A et B. 4.Couplage en Champ Proche : Ce phénomène représente un exemple de couplage en champ proche, car l'interaction entre les conducteurs A et B se produit à des distances relativement courtes. Les champs électriques et magnétiques ne se sont pas encore propagés à une distance où ils se comportent comme des ondes électromagnétiques dans le champ lointaines 67  CEM Ci-contre un schéma simplifié illustrant le couplage entre un champ électrique variable (par exemple, un routeur Wi-Fi) et un câble connecté à un haut-parleur. Il montre comment les interférences (le bruit) peuvent se mélanger avec le signal utile, causant des perturbations dans le son du haut-parleur. Ces signaux parasites deviennent audibles comme un bourdonnement ou des craquements dans l’enceinte audio. 68 CEM Le champ électrique variable émis par un routeur Wi-Fi est généré par les ondes électromagnétiques qu'il produit pour transmettre des données sans fil. Fonctionnement : Courant électrique oscillant dans l’antenne : Le routeur Wi-Fi contient une antenne dans laquelle un courant alternatif (oscillant) circule. Ce courant change rapidement de direction, généralement à des fréquences de plusieurs gigahertz (GHz, des milliards de cycles par seconde). Création du champ électrique variable : Lorsque le courant oscille dans l’antenne, il produit un champ électrique autour d’elle qui change constamment d’amplitude et de direction, car il suit les variations du courant. Ce champ électrique variable est une composante des ondes électromagnétiques. Propagation des ondes électromagnétiques : Les ondes Wi-Fi sont des ondes électromagnétiques, composées d’un champ électrique et d’un champ magnétique perpendiculaires l’un à l’autre, qui se propagent dans l’espace. Ces ondes sont responsables de la transmission des données sans fil. Perturbation des câbles voisins : Si un câble est à proximité du routeur, le champ électrique variable des ondes peut induire une tension dans le câble, générant des courants parasites. Ces courants s’ajoutent au signal utile et peuvent causer des interférences. 69 CEM Couplage champ lointain comme son nom l’indique est le type de couplage qui apparait lorsque la source de Rayonnement et la victime sont éloignées. En champ lointain, les valeurs de champs électrique et magnétique sont identiques et indépendantes de la source de rayonnement ou les champs électrique et magnétique sont couplés. Il en sorte deux cas de couplages en champ proche: Couplage champ à fil ou champ à câble Couplage champ à boucle : 70 CEM Couplage champ à fil ou champ à câble : Lorsqu’un conducteur est soumis à un champ électrique variable, il se crée dans ce conducteur un signal électrique parasite. Le champ électrique variable génère aux bornes du conducteur une tension parasite variable (de même fréquence) qui se superpose au signal utile. Le couplage champ à fil est caractérisé par l’augmentation de l’amplitude du signal utile dans le circuit. 71 72 CEM Couplage champ à boucle : c’est un type de perturbation EM qui est dû à l’effet d’un champ magnétique variable dans une boucle. A travers la surface de la boucle constituée par exemple par un conducteur, on observe un champ magnétique variable. Les variations de ce champ induit une force électromotrice. 73 CEM PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DE LA RADIO Les ondes radio, qui servent à transmettre des informations, ont des fréquences comprises entre quelques kilos Hertz et 300 giga Hertz, c’est-à- dire 300 milliards d’oscillations par seconde. Parmi les ondes qui passent par les postes de radio, on trouve : La radio AM avec une fréquence de 106Hz et une portée de plusieurs centaines de kilomètres, autrefois très utilisée. La radio FM avec une fréquence de 108Hz et une portée de quelques dizaines de kilomètres. La radio FM est la plus écoutée aujourd’hui. 74 CEM 75 CEM Les antennes permettent de rayonner les ondes radio se propageant dans l’air. Pour diffuser une émission de radio par exemple, la voix de l'animateur est transformée en signal électrique par le micro. Ce signal électrique oscille au même rythme que la voix, on dit qu'ils ont la même fréquence. Cependant, cette fréquence est beaucoup trop basse pour que le signal soit transmis sous forme d'onde électromagnétique. Il est donc nécessaire de fabriquer un signal électrique alternatif à très haute fréquence transmis à l’antenne pour qu'elle émette d'abord une onde porteuse. Pour transporter la voix par exemple, il faut alors mélanger notre signal électrique de basse fréquence, celui qui correspond à la voix de l’animateur, au signal électrique de haute fréquence. Il existe par exemple deux façons de faire : Pour la radio AM, on change l’amplitude, c’est à dire la hauteur des oscillations du signal électrique en fonction du signal de la voix. L’onde porteuse est modulée en amplitude. Pour la radio FM, on change la fréquence, c’est à dire le nombre d’oscillations par seconde du signal électrique en fonction du signal de la voix. L’onde porteuse est modulée en fréquence. La modulation en fréquence est beaucoup plus fiable ; il y aura moins de grésillements qu'avec la modulation d'amplitude. 76  **Scénario : Téléphone Mobile et Interférences en Champ Lointain** 1. **Émission RF du Téléphone Mobile :** Lorsqu'un utilisateur utilise un téléphone mobile pour passer un appel, le téléphone émet des ondes radiofréquences (RF) pour établir la communication avec la station de base. 2. **Propagation des Ondes RF :** Les ondes RF émises se propagent à travers l'espace en se comportant comme des ondes électromagnétiques. Ces ondes se déplacent sur de longues distances, atteignant potentiellement d'autres dispositifs électroniques sur leur chemin. 3. **Réception par des Dispositifs Sensibles :** Si d'autres dispositifs électroniques sensibles se trouvent à proximité, les ondes RF peuvent interférer avec leur fonctionnement normal. Par exemple, des câbles non blindés peuvent agir comme des antennes captant les ondes RF et induisant des courants indésirables. 4. **Interférences sur des Signaux Faibles :** Les ondes RF peuvent perturber les signaux faibles dans d'autres dispositifs électroniques, tels que des capteurs, des dispositifs de communication, des systèmes de contrôle, etc. Cela peut entraîner une dégradation des performances ou même un dysfonctionnement complet de ces dispositifs. 77 CEM La CEM dans le système SOLUTIONS filtrage, blindage et protection De nombreuses dispositions constructives permettent d’avoir à coûts réduits des matériels présentant une bonne tenue aux perturbations électromagnétiques. Ces précautions concernent : -la conception des circuits imprimés (leur découpage fonctionnel, leur tracé, leur connectique), -le choix des composants électroniques, -la réalisation des enveloppes, -l’interconnexion des masses, -le câblage. 78 CEM Les techniques de protection en CEM Nous avons vu qu’une source de perturbations atteignait sa victime par le biais d’un couplage. C’est à ce niveau qu’il faut agir. On a recours pour cela à des dispositifs de découplage, terme qui existait bien avant que la compatibilité électromagnétique ne figure au vocabulaire. 79 CEM Les techniques de protection en CEM Le schéma ne nous donne qu’une vue idéalisée et incomplète du circuit réel !!! Il faut prendre en compte toutes les exigences en matière de CEM dès le début de la conception d'un appareil ou d'une installation si l'on veut satisfaire aux exigences du cahier des charges. Ceci nécessite une démarche méthodique en plusieurs étapes. 80 CEM Les techniques de protection en CEM Repérages préliminaires Nous sommes habitués dans la vie, à considérer comme très différentes les grandeurs qui sont plusieurs fois plus grandes ou plus petites les unes que les autres. Un adulte fait 3 fois la taille d'un nouveau-né, un homme est 4 fois moins haut que sa maison, un avion est 10 fois plus vite qu'une voiture etc… Or en électronique, nous manipulons avec désinvolture des ordres de grandeur bien plus grands ! entre les 100 nV qui constituent le signal à l'entrée d'un amplificateur différentiel et les 380 volts de crête sur le cordon secteur à quelques centimètres de distance. Donc on parle ici d’un rapport de 3 800 000 000 !!!!! Identifier et classifier les différentes parties du système, sur la base des signaux qui y sont impliqués : ordres de grandeur, impératifs de précision, spectre de fréquences... 81 CEM Les techniques de protection en CEM Recherche d'une stratégie de placement Tout dépend du cas que l'on doit traiter. Il y a cependant un ordre logique dans les décisions à prendre. On commence par ébaucher un plan de disposition global que l'on affinera ensuite par une démarche similaire en plusieurs étapes:  placer les éléments dont la position est obligatoire (nécessité fonctionnelle, contrainte mécanique ou thermique, réglementation...)  placer les éléments, dont la position relative est cruciale pour le bon fonctionnement et pour la CEM (il est rare qu'il y ait antinomie entre les deux aspects). On fera particulièrement attention : 82 CEM Les techniques de protection en CEM  aux parties qui doivent être éloignées : celles qui impliquent des signaux les plus incompatibles : par exemple un signal de plusieurs ampères avec un fort dV/dt vis à vis d'un signal de mesure de faible niveau) ;  aux parties qui doivent être le plus rapprochées, soit parce qu'elles échangent un grand nombre de signaux, soit parce que les signaux échangés sont susceptibles de rayonner (amplitude et rapidité des variations de tension ou de courant, fréquences élevées), soit par ce que les signaux sont sensibles aux perturbations (références de tension, signaux faibles, signaux traduisant des données de précision...)  aux parties qui devront recevoir un blindage, en répertoriant les conduites qui devront le traverser. 83 Tirage des câbles de puissance et de contrôle dans un tranché NOOR Boujdour PV PLANT 84 CEM Les techniques de protection en CEM  Assigner des zones de placement pour les éléments restants de manière à résoudre le mieux possible l'acheminement des différentes masses et alimentations.  Placer les éléments de manière à simplifier le câblage en tenant compte des espaces disponibles. 85 CEM Les techniques de protection en CEM Etude de la disposition du câblage Au cours de cette étape, on est fréquemment amené à remettre en cause, dans le détail, les premières dispositions du placement. Une bonne disposition du câblage est fondée sur quelques principes et beaucoup de réflexion. Citons les principes et illustrons-les par un exemple. 1) Eviter les tronçons communs entre signaux de nature différente, ceci pour éviter le couplage par impédance commune. 2) Raccourcir le câblage, en se souciant en premier lieu des signaux les plus à même de perturber, d'une part et des signaux les plus sensibles aux perturbations d'autre part ; 3) Espacer les conducteurs ou les pistes et au besoin intercaler des zones cuivrées réunies à la masse (pour éviter le couplage capacitif). 4) Réduire autant que possible la surface des circuits en boucle, en particulier pour les courants les plus élevés (susceptibles de générer du champ H) et pour les signaux les plus sensibles. 86 CEM Les techniques de protection en CEM Etude de la disposition du câblage Lorsqu'on fait la synthèse de ces quatre propositions, on remarque qu'elles tendent à ce que tout le câblage soit formé de paires différentielles séparées, chacune faisant passer par le même chemin les conducteurs aller et retour conduisant à un élément donné, générateur ou récepteur. Dans le cas idéal de la figure en bas, il n'y aurait ni couplage capacitif, ni couplage par impédance commune, ni couplage inductif (surface de boucle nulle) et peu de perturbation rayonnée, alors que sans précautions particulières tous les modes de couplages existeraient probablement à 87 différents degrés (Figure en haut). CEM La CEM dans le système Les solutions de filtrage, blindage et protection Filtrage -- Principe Il permet en CEM d'éviter de propager des perturbations par les fils de liaison entre les appareils, et en particulier par le cordon secteur. Lors des essais, elles seront perçues de différentes manières : perturbations conduites si elles sont transmises de point à point par les conducteurs proprement dits, perturbations rayonnées si elles sont le fait d'une émission par les câbles faisant antenne. C'est la raison pour laquelle la longueur et la position des câbles est réglementée lors des essais. Il faut considérer dans chaque cas le domaine de fréquences qui concerne le type de perturbation. 88 CEM La CEM dans le système Les solutions de filtrage, blindage et protection Filtrage -- Principe 89 CEM La CEM dans le système Les solutions de filtrage, blindage et protection Le filtre montré est une combinaison de composants passifs (inductance L et capacité C) qui bloque ou atténue les perturbations électriques venant d’un appareil ou entrant dans celui-ci. L’inductance (L) : Bloque les hautes fréquences (perturbations). La capacité (C) : Offre un chemin facile (faible impédance) aux hautes fréquences pour les détourner vers la masse. Ces deux éléments travaillent ensemble pour empêcher les perturbations d'atteindre les 90 parties sensibles du circuit. Fonctionnement combiné : L’inductance (L) bloque les perturbations en série (empêche leur progression dans le circuit). La capacité (C) absorbe ou détourne les perturbations en parallèle (les envoie vers la masse). Objectif : Réduire le bruit électrique dans un circuit et protéger les composants sensibles. 91 CEM La CEM dans le système Les solutions de filtrage, blindage et protection Filtrage des alimentation 92 CEM La CEM dans le système Les solutions de filtrage, blindage et protection Filtrage des alimentation 93 CEM La CEM dans le système Les solutions de filtrage, blindage et protection Filtrage -- Les ferrites* * La ferrite est une céramique ferromagnétique obtenue par moulage à forte pression et à haute température à partir d’oxyde de fer. 94 CEM La CEM dans le système Les solutions de filtrage, blindage et protection Filtrage -- Les ferrites* Une ferrite est une céramique ferromagnétique composée principalement d'oxyde de fer. Elle est utilisée pour limiter les perturbations électromagnétiques en augmentant l'impédance des câbles, en particulier pour les hautes fréquences. Application principale : Les ferrites agissent comme un filtre passif pour bloquer les courants indésirables tout en laissant passer le signal utile. Ces ondes « parasites » peuvent perturber le signal que l’on souhaite transmettre : par exemple, si on utilise un câble sans filtre sur une TV, l’image peut clignoter, certaines pixels peuvent changer de couleur ou le son peut grésiller. Dans certains cas extrêmes, sur un ordinateur, ces ondes parasites peuvent planter le système ou corrompre des données. 95 CEM La CEM dans le système Les solutions de filtrage, blindage et protection Filtrage -- Les ferrites* 96 CEM La CEM dans le système Les solutions de filtrage, blindage et protection Blindage – Définition et Classification Le blindage est constitué d'une enveloppe conductrice que l'on met en place autour de composants électriques pour constituer une barrière vis à vis des influences électrostatiques, magnétiques, ou électromagnétiques. On distingue :  le blindage magnétique ;  le blindage amagnétique. 97  CEM La CEM dans le système Blindage – Définition et Classification Le Blindage Magnétique : Le blindage magnétique consiste à protéger une zone, un composant ou un système contre les champs magnétiques externes ou à empêcher les champs magnétiques générés par un dispositif de se propager vers l'extérieur. Caractéristiques : Réalisé avec des matériaux ferromagnétiques tels que le fer doux, le nickel, ou des alliages comme le mu-métal (très perméable magnétiquement). Capte et dévie les lignes de champ magnétique autour du blindage pour qu’elles ne pénètrent pas dans la zone protégée. Utilisé dans des environnements où les champs magnétiques pourraient affecter le fonctionnement d'équipements sensibles (par exemple : équipements électroniques ou médicaux comme les IRM). Exemple : Applications : Les blindages autour des transformateurs pour éviter la perturbation des circuits proches. Les boîtiers métalliques protégeant les appareils contre les champs magnétiques 98 industriels. CEM La CEM dans le système Blindage – Définition et Classification Le Blindage Amagnétique : Le blindage amagnétique protège principalement contre les champs électriques ou les ondes électromagnétiques (et non contre les champs magnétiques purs). Il ne repose pas sur l’interaction avec les champs magnétiques comme le blindage magnétique. Caractéristiques : Réalisé avec des matériaux conducteurs mais non magnétiques tels que le cuivre, l'aluminium ou l'acier inoxydable. Réduit les interférences électromagnétiques (EMI) en créant une cage de Faraday. Bloque ou atténue les perturbations électromagnétiques externes en les reflétant ou en absorbant leur énergie. Exemple : Applications : Les câbles blindés (avec gaine en cuivre ou aluminium) pour limiter les interférences radiofréquences (RF). Les armoires électriques en aluminium pour protéger contre les champs électromagnétiques. 99 CEM La CEM dans le système Les solutions de filtrage, blindage et protection Blindage -- Efficacité 100 CEM La CEM dans le système Les solutions de filtrage, blindage et protection Blindage – Efficacité La qualité du blindage dépend bien évidemment de la matière utilisée, de son épaisseur, de sa géométrie, mais surtout de ses imperfections. On peut espérer trouver des abaques permettant de dimensionner convenablement un blindage, ou des méthodes de calcul approché, mais le problème est extrêmement complexe, et dans la pratique, il n'y a encore que la mesure qui soit à même de valider son efficacité. 101 CEM La CEM dans le système Les solutions de filtrage, blindage et protection Blindage – Câble blindés 102 CEM La CEM dans le système Les solutions de filtrage, blindage et protection Protection 103 CEM La CEM dans le système Les solutions de filtrage, blindage et protection Protection 104 CEM Quelques équipements de mesure CEM 105 CEM Quelques équipements de mesure CEM chambre semianéchoique - Cage de Faraday Appareils de mesure HF (Hautes Fréquences Waveform generator Amplifier Oscilloscope A GTEM or Gigahertz Transverse TEM (transverse 106 Electromagnetic cell electromagnetic mode CEM Appareils de mesure HF (Hautes Fréquences) Rôle : Ces appareils détectent et mesurent les signaux et perturbations à hautes fréquences (MHz à GHz). Ils permettent d’analyser les émissions électromagnétiques des appareils pour vérifier qu’ils respectent les normes. Exemple : Analyseurs de spectre HF pour mesurer les émissions dans des bandes de fréquences spécifiques. 107 CEM Equipements de mesure CEM Générateur de formes d’ondes (Waveform Generator) Rôle : Produit des signaux électriques avec des formes d’ondes spécifiques (sinusoïdales, carrées, impulsions) utilisées pour tester la susceptibilité des appareils aux perturbations. Utilisation : Injection de signaux pour simuler des perturbations électromagnétiques. Validation de la réponse des systèmes électroniques face à ces signaux. 108 CEM Equipements de mesure CEM Amplificateur Rôle : Amplifie les signaux électromagnétiques pour effectuer des tests à des niveaux plus élevés d’intensité, reproduisant des scénarios réels ou extrêmes. Utilisation : Simuler des perturbations fortes. Tester la robustesse des équipements face à des signaux amplifiés. 109 CEM Equipements de mesure CEM Oscilloscope Rôle : Visualise les signaux électriques en fonction du temps. Il permet d’analyser la forme, la fréquence, l’amplitude et d’autres caractéristiques des signaux perturbateurs. Applications : Observation des transitoires électriques. Mesure des impulsions ou des variations de tension dues à des interférences. 110 CEM Equipements de mesure CEM Chambre semi-anéchoïque (Cage de Faraday) Rôle : C’est un environnement contrôlé qui isole les appareils en test des perturbations extérieures. Caractéristiques : Les murs absorbent les ondes électromagnétiques pour éviter les réflexions. La cage de Faraday bloque les signaux extérieurs, créant un espace sans interférences. Applications : Mesure des émissions d’un appareil. Test de la résistance d’un appareil aux interférences. 111 CEM Equipements de mesure CEM GTEM (Gigahertz Transverse Electromagnetic Mode) Rôle : Chambre de test compacte qui simule un champ électromagnétique homogène. Permet de tester les émissions et la susceptibilité des appareils dans une large gamme de fréquences. Avantages : Gain de place comparé à une chambre anéchoïque. Convient aux petits appareils. 112 CEM Equipements de mesure CEM TEM (Transverse Electromagnetic Mode) Rôle : Similaire au GTEM, cette cellule crée un champ électromagnétique transverse pour des tests en basse fréquence ou à une fréquence spécifique. Utilisation : Évaluation des interférences de proximité. Vérification des câbles ou circuits imprimés. 113 CEM Equipements de mesure CEM Exemples d’utilisation concrète des équipements : 1.Test de conformité d’un appareil électronique : 1. On place l’appareil dans une chambre semi-anéchoïque. 2. On utilise un générateur de formes d’ondes pour simuler des signaux perturbateurs. 3. L’oscilloscope ou les appareils HF mesurent les signaux émis par l’appareil. 2.Analyse des perturbations dans une usine : 1. Un analyseur HF identifie les fréquences perturbatrices dans l’environnement. 2. Un amplificateur simule des scénarios d’interférences pour évaluer la robustesse des systèmes critiques (ex. : automates industriels). 3.Tests des équipements médicaux : 1. Les appareils médicaux (IRM, ECG) subissent des tests dans une chambre GTEM pour garantir leur fonctionnement sans interférences externes. 114 CEM La CEM dans le système Illustration d’une étude de disposition 115 CEM La CEM dans le système Étude de la disposition CEM dans un système électronique Un système électronique est composé de plusieurs parties, comme illustré dans le schéma : Partie sensible : circuits de mesure de faible niveau. Partie logique : circuits numériques. Partie perturbatrice : composants générant des variations rapides de courant (di/dt) et de tension (dV/dt). Blindages : interne (cloison) et externe (coffret). 116 CEM La CEM dans le système Perturbations internes : a. Identifiez deux types de perturbations électromagnétiques pouvant être générées par la "partie perturbatrice". b. Expliquez pourquoi la "partie sensible" est particulièrement vulnérable à ces perturbations. Protection CEM : a. Justifiez l'utilisation du blindage interne et externe pour limiter les perturbations électromagnétiques. b. Quelle est l'importance d'un câble blindé pour la transmission des signaux de faible niveau dans la partie sensible ? Couplage entre circuits : a. Identifiez deux mécanismes de couplage pouvant créer des interférences entre la "partie logique" et la "partie sensible". b. Proposez deux mesures pour réduire ces interférences. Application pratique : Imaginez que vous devez optimiser la disposition des différentes parties du système pour minimiser les perturbations CEM. Décrivez vos choix en matière de placement 117 CEM Conclusion La maîtrise de la compatibilité électromagnétique (CEM) constitue un élément fondamental pour garantir la fiabilité et la sécurité des systèmes électriques et électroniques. Une gestion inadéquate ou une négligence en matière de CEM peut entraîner des conséquences variées, allant de simples désagréments, tels que des interférences sur les appareils de communication, à des interruptions critiques de service, voire des dommages matériels importants ou des risques pour la sécurité des personnes. Ces perturbations, qu’elles se manifestent par une dégradation du signal ou des dysfonctionnements sporadiques, soulignent l’importance de considérer la CEM comme une priorité dans la conception et l’exploitation des systèmes modernes. 118 MERCI DE VOTRE ATTENTION 119 Compatibilité ElectroMagnétique (CEM) EXPOSÉES 120 CEM Directive CEM Perturbations harmoniques Appareils de Mesure des CEM 121 122 123 124 125 126