COMPATIBILITÉ ÉLECTROMAGNÉTIQUE + http://youtu.be/jyaq-7sozxq 1- INTRODUCTION 1.1) Qu'est-ce que la compatibilité électromagnétique? Définition : Aptitude d un dispositif ou d un système à fonctionner dans son environnement électromagnétique de façon satisfaisante et sans produire lui-même des perturbations électromagnétiques de nature à créer des troubles graves dans le fonctionnement des appareils ou des systèmes situés dans son environnement. Origine : Les problèmes de compatibilité entre les appareils électriques existent depuis que l'électricité est utilisée vecteur d'énergie (1869 : Première dynamo) ou d'information (1832 : Codage Morse / Télégraphie). Avec les progrès techniques, les niveaux d'énergie ont considérablement augmentés pour la partie vecteur d'énergie (ex : TGV) et considérablement diminués pour la partie vecteur d'information (ex : Téléphonie). Les probabilités de dysfonctionnement d'un appareil dans son environnement a évidemment beaucoup augmenté rendant nécessaire l'application de normes. Normes : Depuis le 1er janvier 1996, tout appareil électrique ne peut-être mis sur le marché sans «marquage CE». Celui-ci certifie que l appareil respecte les niveaux d émission et de susceptibilité inférieurs à ceux spécifiés par les normes. Rappels sur le champ électromagnétique : Un champ électromagnétique apparaît dès lors que des charges électriques sont en mouvement. Ce champ résulte de la combinaison de 2 ondes (l une électrique, l autre magnétique) qui se propagent à la vitesse de la lumière. Tout fil électrique (antenne) sous tension produit un champ électrique. Son intensité se mesure en volts par mètre [V/m]. Il est lié à un comportement capacitif (couplage entre deux antennes). 1 17
Contrairement aux champs électriques, les champs magnétiques n apparaissent que lors du passage d un courant électrique dans un conducteur. Leur intensité se mesure en ampères par mètre [A/m] dans le cas de l excitation magnétique H, ou en teslas [T] dans le cas du champ magnétique B. Il est lié à un comportement inductif (couplage de spires parcourues par des courants). Thématiques de la CEM Analyse des sources (production de perturbations) Analyse des modes de couplage (possibilité de passage d'une perturbation d'un dispositif vers un autre / environnement électromagnétique) Analyse de l'immunité des appareils (résistance de l'appareil aux agressions provenant de son environnement) Protection contre les perturbations rayonnées Protection contre les perturbations conduites Protection contre la foudre Normes s'appliquant aux appareils électriques (normalisation), tests, mesures 1.2) Les grandeurs et unités utilisées en CEM Tension = V en volt [V] Courant = I en ampère [A] Champ magnétique = Induction magnétique = B en tesla [T] Champ magnétique =H en ampère par mètre [A/m] (B = µ0 µr H) µr = 1 dans l air - µr = 1000 dans le fer Champ électrique = E en Volt / mètre [V/m] Pour couvrir de grandes étendues de valeurs, on utilise les décibels 20 log ( V / Vref) Pour une tension : 20 log (V) dbv 0 db <=> 1 V -6 20 log (V/10 ) dbµv 0 db <=> 1 µv Pour un champ : 20 log (E) 20 log (E/10-3) dbv/m dbmv/m 0 db <=> 1 V/m 0 db <=> 1 mv/m 1.3) Equipements concernés Traitement de l'information (Ordinateur, serveurs...) Récepteur radio et télévision Matériel électronique embarqué (calculateur d'un véhicule...) Equipement de traitement de l'énergie (lignes EDF, moteurs...) Appareils électroménagers Téléphonie (relais HF, mobiles...) Bref... l'ensemble des équipements utilisant l'électricité. 2 17
2- LES PERTURBATIONS Définition Une perturbation est un phénomène susceptible de dégrader les performances et/ou le fonctionnement d un dispositif (courant, tension, champ électromagnétique). Il y a 3 gammes de fréquences qui font l'objet de normes : 50 Hz - 2 khz : on étudie les perturbations conduites basses fréquences (BF) 150 khz - 30 MHz : on étudie les perturbations conduites hautes fréquences (HF) 30 MHz - 2 GHz : on étudie les perturbations rayonnées (HF) 2.1) Couplage des perturbations Pour qu'une perturbation se propage d'un équipement à un autre elle emprunte un "chemin" (mode de propagation) que l'on appelle mode de couplage. Eléments parasites : Résistance Inductance Capacité 3 17
Mode de propagation Il y a 2 modes de propagation des perturbations conduites : Mode différentiel Mode commun Couplage par impédance commune Exemple de la liaison de masse Exemple du découplage des alimentations de circuits numériques 4 17
Exemple du découplage de l'alimentation d'un Hacheur 5 17
Couplage par Diaphonie inductive - couplage entre un fil et une boucle : e=mdi/dt (remède : paires torsadées) 6 17
Couplage par Diaphonie capacitive Si deux fils se suivent sur une grande longueur, la capacité entre eux va permettre aux dv/dt du conducteur perturbateur de créer un courant dans le conducteur victime. - exemple : capacité entre une carte et son châssis métallique (remède : feuillard relié au 0V de la carte) Problème : courant de mode commun qui circulent vers la terre à travers le châssis Solution : les courants ne circulent plus vers la terre, ils sont confinés au 0V de la carte et ne ne polluent pas l environnement extérieur Résumé des modes de Couplages 7 17
2.2) Perturbations conduites BF Le réseau impose la tension (source de tension) sinusoïdale 50 Hz. La charge branchée sur le réseau absorbe du courant... Courant absorbé par un convecteur : 0 0 T/2 T 3T/2 2T Courant absorbé par une ampoule fluo-compacte : 0 0 T/2 T 3T/2 2T Lorsque le courant n'est pas purement sinusoïdal il se décompose (théorie de Fourier) en une somme de sinus (le fondamental à f0=50 Hz et les harmoniques 2f0, 3f0, 4f0,...). Les harmoniques de courant sont des perturbations. Ils déforment la tension du réseau Ils provoquent des dysfonctionnements sur les équipements voisins Ils réduisent la durée de vie des équipements par échauffement Ils consomment de l énergie inutilement Il faut les limiter au maximum. Ce que dit la norme : Il existe pour une limite à ne pas dépasser pour chaque harmonique. Cette limite dépend du type d'appareil et de sa puissance (Cf. chapitre 5) 8 17
2.3) Perturbations conduites hautes fréquences (HF) Au delà de 150 khz les perturbations conduites sont considérés comme HF. A ces fréquences on ne parle plus d'harmoniques, mais de spectre. Exemple d'un spectre d'une perturbation : La perturbation est un courant de mode commun dont on force le passage dans une résistance de 50 (mesure normalisée). On mesure alors la tension aux bornes de la résistance dans la gamme [150 khz ; 30 MHz]. Ce type de perturbation (courant HF) peut : - circuler entre les équipements par des couplages capacitifs (dysfonctionnements) - circuler dans les masses et blindages (perturbe le 0V) - déclencher des protections différentielles (coupure de courant) Ils sont généralement créés par des découpages de tensions (Hacheur, Onduleur...) et des couplages capacitifs (Ic = dvc/dt). 2.4) Perturbations rayonnées Au-delà de 30 MHz on considère que la perturbation se propagera facilement par rayonnement électromagnétique de la même façon qu'un signal radio/télécom. Sources possibles : - Foudre - Emetteur radio/télécom - Courant HF (ex : issu d'un Hacheur, Onduleur...) Câbles blindés 9 17
Champ électrique E induit un courant sur un fil I=KdE/dt (même effet que le couplage capacitif). La présence d un champ électrique variable provoque des surintensités dans les circuits. Les câbles de liaison sont les plus touchés (longueur!) - On blinde les câbles de liaison. - On place les cartes dans des coffrets métalliques. - On écoule le courant collecté dans un filtre et dans la masse. Champ magnétique B induit une tension dans une boucle e = d /dt = S db/dt (même effet que le couplage inductif) La présence d un champ magnétique variable provoque des surtensions dans les circuits. Les câbles de liaison et pistes de circuits imprimés sont touchés. - Les blindages en champ magnétique sont difficiles à réaliser Réduire la surface de la boucle victime : - Raccourcir, regrouper, torsader les fils conducteurs - Rapprocher la masse, utiliser un plan de masse Mi-conduit / mi-rayonné : la décharge électrostatique Par frottement, des charges électriques peuvent s'accumuler et engendrer des potentiels très élevés. Quand la décharge se produit (DES), un courant de forte valeur circule et peut endommager des circuits fragiles. Exemple de profil de décharge électrostatique Porter des gants/bracelets métalliques raccordés à la masse pour manipuler les circuits. 10 17
3- LES SOLUTIONS 3.1) Précautions pour la réalisation de circuits imprimés Sans plan de masse - pistes larges et courtes - pistes en aller/retour Avec plan de masse : - en multicouches, plans de masse internes - noyer les parties non routées dans la masse Tracé des alimentations : On sépare l alimentation des circuits puissants et «bruyants» de celle des circuits de faible puissance et sensibles. 11 17
3.2 Réduction des harmoniques réseau Comment réduire les harmoniques impaires du courant secteur des d électronique de puissance (redresseurs, variateurs de vitesse, hacheurs)? circuits Courant absorbé par un variateur de vitesse (redresseur + onduleur) Deux types de filtres existent : 1) Filtre passif accordé sur la fréquence à éliminer 2) Filtre actif à base de micro contrôleur. Le courant est asservi pour rester sinusoïdal. 12 17
3.3) Filtrage CEM (HF) Objectif : atténuer un signal dans une bande fréquentielle HF Généralités En basses fréquences (BF) En hautes fréquences (HF) Inductance ZL = Capacité ZC = Exemples : Ajout d'une capacité efficace en HF (Capacités de marque MURATA) La capacité va permettre de court-circuiter la perturbation HF, la victime est protégée! Filtrage inductif des perturbations de mode différentiel 13 17
Filtrage inductif des perturbations de mode commun Filtrage CEM réseau : 14 17
- 3.4) Blindage Les blindages sont des coffrages métalliques Ils doivent servir de référence de potentiel le «0V» d une carte doit être relié en de nombreux points à ce blindage Les câbles blindés doivent être connectés à cette masse aux 2 extrémités en HF 3.5) Précaution lors des câblages dans les armoires électriques 4 - NORMES, TESTS ET MESURES 4.1) Limitation des émissions conduites a) Harmoniques BF (50 Hz - 2 khz) Limites des harmoniques de courant pour les appareils de classe A 15 17
b) Perturbations conduites HF Les valeurs maximum des perturbations renvoyées vers le réseau de 150 KHz à 30 MHz sont définies par la norme : IEC 55011, 55014 et 55022 Le Réseau Séparateur d Impédance de Ligne (RSIL ou LISN) filtre les parasites et les dirigent sur une résistance de 50Ω. On mesure la perturbation aux bornes de cette résistance. Pour l équipement à tester, l impédance du réseau vaut 50Ω quelle que soit la fréquence. Cela permet d'avoir une mesure identique quel que soit l endroit où la mesure est faite (Nice, Paris, Tokyo ). RSIL Spectre d'une perturbation comparé à la norme 4.2) Immunité contre les perturbations conduites L'équipe doit résister (continuer à fonctionner) à des agressions extérieures. 4 tests principaux : - EFT (Electrical Fast Transients) : Immunité aux transitoires rapides (impulsions provoquées par la commutation d inductances, de relais ) (IEC 61000-4-4) SURGE : Immunité aux ondes de chocs (impulsions de forte énergie provoquées par la mise en marche de forte puissance ou par la foudre (IEC 61000-4-5) ESD : Immunité aux décharges électrostatiques (IEC 61000-4-2) DIPS et VAR : Immunité aux creux, variations et micro coupures (IEC 61000-4-11) 16 17
4.3) Mesure des émissions rayonnées On place l équipement à tester dans une chambre qui absorbe les rayonnements et évite les réflexions sur les murs de la pièce (chambre anéchoïde), et on mesure avec une antenne et un analyseur de spectre le rayonnement émis par l équipement. La norme définit des niveaux à ne pas dépasser. 4.4) Mesure d immunité contre les perturbations rayonnées Dans ce test on mesure la capacité de l équipement à supporter des rayonnements électromagnétiques de forte puissance le test est validé si l équipement fonctionne correctement. 17 17