compatibilite electromagnetique
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Compatibilite Electromagnetique en francaiseTRANSCRIPT
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1.1. DEFINITION, CONCEPTS, ORGANISMES DE
REGLEMENTATION ET NORMES TECHNIQUES Dfinition :
La Compatibilit Electromagntique (CEM) reprsente l'aptitude d'un systme fonctionner dans son environnement et sans produire lui-mme des perturbations lectromagntiques intolrables pour tout a qui se trouve dans cet environnement.
Concepts : Systme lectrique/lectronique (fig. 1)
Ensemble d'quipements (capteurs, actionneurs, units de dialogue compris) qui participent la ralisation d'une fonction dfinie.
Environnement lectromagntique (fig. 2)
Ensemble des phnomnes lectromagntiques existant un endroit donn.
Perturbation lectromagntique
Tout phnomne lectromagntique susceptible de dgrader les performances d'un dispositif, unit d'quipement ou systme. Une perturbation lectromagntique peut tre un bruit lectromagntique, un signal non-dsir ou une modification du milieu de propagation lui-mme.
La perturbation reprsente la consquence d'un transfre non-intentionel d'nergie lectrique dit interfrence lectromagntique.
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Fig. 2 - Environnement lectromagntique dun quipement lectrique
Immunit une perturbation
L'aptitude d'un appareil ou d'un systme fonctionner sans dgradations de qualit en prsence d'une perturbation lectromagntique.
Niveau d'immunit
La valeur d'essais spcifie dans les normes (en dB). Susceptibilit
La manque d'immunit. Relations quantitatives: Voir fig. 3a, 3b. Niveau de perturbation (d'mission)
Reprsente le niveau qui peut tre dpasse dans des trs petits nombres de cas (5%, 2%) tenant compte de la distribution statistique de perturbation.
Niveau de compatibilit lectromagntique
Reprsente le niveau maximal spcifi des perturbations auquel on peut s'tendre que soit soumis un dispositif.
Marge de compatibilit lectromagntique
Mc est la diffrence (en dB) entre le niveau d'immunit d'un systme et la limite d'mission de la source. Dans cette marge on trouve le niveau de compatibilit.
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Fig. 3b - Relation entre les diffrents niveaux dune perturbation
lectromagntique compte tenu des distributions statiques.
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Marge d'mission Me est la diffrence (en dB) entre le niveau de compatibilit et la
limite d'mission. Marge d'immunit
Mi est la diffrence (en dB) entre la limite d'immunit et le niveau de compatibilit.
Units de mesure utilises en CEM : Tension lectrique
[ ] [ ] VdBVsiVV m
m1log20 10=
Courant lectrique
[ ] [ ] AdBAsiII m
m1log20 10=
Champ lectrique
[ ] [ ]E E siVm
dB V m= 20 110log mm
Champ magntique
[ ] [ ]H H siAm
dB Am= 20 110log mm
Exemple :
V mV= 100 => V dB V= =
-
-20100 10
1010010
3
6log m
I A= 1 => I dB A= =-201
1012010 6log m
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1.2. ANALYSE DE COMPATIBILITE
ELECTROMAGNETIQUE
Schmatisation d'une interfrence lectromagntique est montre sur la figure 4.a.
La source est caractrise par le niveau des perturbations P [dB]. Le couplage assure le transfert de l'nergie de perturbation avec un affaiblissement A [dB]. La victime (le dispositif rcepteur) est caractrise par le niveau d'immunit I [dB]. But de l'analyse CEM - valuer la marge de compatibilit M :
( ) [ ]dBPAIAPIM -+=--=
Recommandation: M > 20 dB
pour chaque source et type de couplage
Dcision: M > 20 dB
compatibilit assur
M < 20 dB ou M < 0 alors on considre le facteur temps et la pondration
Conclusion: M > 0
compatibilit assure pour des priodes considrs
M < 0 on value les risques et on prend des mesures
Critres de performance pour caractriser l'immunit:
A - Le systme fonctionne conforme l'usage, sans erreurs ou
dgradation des performances spcifies. B - Le systme fonctionne conforme l'usage aprs le test mais
pendant l'essai on peut avoir des erreurs. C - Le systme perde temporairement la capacit de fonctionnement ;
aprs le test on revienne lui-mme en bon tat ou suite une manoeuvre de l'oprateur.
D - Le systme perde completement la capacit de fonctionnement ; il est detruit.
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1.3. LES MODES DE PROPAGATION DES
PERTURBATIONS
Les perturbations sont transmises (fig. 4.a) de la source vers le rcepteur (la victime) par le champ lectromagntique sous diffrents formes dites couplages (fig. 4.b) :
Fig. 4.a - Scheme dinterference
perturbationsconduitesproduites parle reseau
par reseauconduction
conductionliaisos a la
parterre
inductionmagnetique
radiationentrecarcasses radiationentre
conducteurs designal
Couplage capacitif
Source
SystmeVictime
Aquisitiondonnees
SensorsBoite dialogue
radiationpar carte secteurreseau
Fig. 4.b - Schematisation des couplages
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Couplage par conduction Interaction transmise par le rseau d'alimentation, par les
conducteurs de mesure, commande, contrle (signaux) ou par les liaisons de masse ou de terre (couplage par impdance commune).
Couplage par induction magntique
Suite l'interaction d'un champ perturbateur sur une boucle conducteur du rcepteur (couplage par champ magntique).
Couplage par induction lectrique
Suite l'interaction d'un champ lectrique perturbateur par l'intermde des capacits parasites entre la source et le circuit perturb (couplage capacitif).
Couplage par rayonnement lectromagntique
Suite la propagation du champ lectromagntique produit par la source et rceptionn par la victime en qui devienne antenne.
SIGNAUX D'INTERFERENCE - voir figure 5
Fig. 5 - Signaux dinterference
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Signal de mode difrentiel Interfrence de conduction qui se propage (va et vient) entre les
conducteurs d'interconnexion d'quipements; il est peru par la victime comme signal utile!
Signal de mode commun
Interfrence de conduction qui se propage sur les deux fils de signal utile avec le retour par la terre. Si les impdances parasites Z A et ZB entre les fils sont diffrentes, Z ZA B , alors un signal de mode commun produit un signal diffrentiel: ( )V I Z Zi CM A B= - .
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2.1. ORGANISMES DE REGLEMENTATION, NORMES
La Commission Electrotechnique Internationale (CEI) a cre
organismes spciaux: le Comit International Spcial des Perturbations Radiolectronique
(CISPR) qui labore des normes CISPR ; le Comit Technique 77 - Compatibilit Electromagntique qui
labore les normes CEI. En Europe, la Communaut Economique Europenne a cre le
Comit Europen de Normalisation en Electrotechnique (CENELEC) : La Directive Europenne nr 89/336/CEE, en application de 28
octobre 1992 (avec 4 ans de transition) impose les normes CEE au niveau des pays de la communaut.
Les normes europennes sont notes EN, elles sont compatibles
avec les normes CEI. En France, les normes nationales sont notes NF-C, en Roumanie SR, aux Etats Unies FCC.
Exemples - Normes gnrales CEM
CEI 1000-1 EN 61000-1
1re Partie Gnral - Dfinitions
CEI 1000-2 EN 61000-2
L'environnement lectromagntique
CEI 1000-3 EN 61000-3
Limites (missions et immunit)
CEI 1000-4 EN 61000-4
Mthodes d'essais et de mesure
CEI 1000-5 EN 61000-5
Guide d'installation
CEI 1000-9 Divers
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2.2. SOURCES DES PERTURBATIONS
ELECTROMAGNETIQUES Sources d'origine naturelle
la foudre, le bruit solaire Sources de l'activit humaine
metteur radio, TV, radar, micro-ondes utilisation de l'lectricit (transitoires, alimentation dcoupage) dcharges lectrostatiques
2.2.1. BREF DESCRIPTION DES SOURCES La foudre
Dcharge due l'lectricit statique accumule par le nuage ; phnomnes complexes, incompltement connus. Valeurs typiques :
- courants 10100 KA crte, - dure: front 1020 mS ; queue - 100 mS
Une explication simplifie en trois tapes (voir la figure 6) : pr-dcharge (prcurseur par pas) avance par bonds ; prcurseur continu du nuage au sol ; arc en retour (sol-nuage) grande vitesse (c/3) et luminosit.
Fig. 6 - La foudre (prsentation schematique)
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La foudre (suite) Normalisation (voir la figure 7) :
- onde de tension 1,2/50 mS - onde de courant 8/20 mS
Emetteurs de tlcommunication (voir le tableau 1)
Puissance : quelques W (radiotlphone) jusqu' MW (radars) Bandes de frquences bien prcises par l'Union Internationale de Tlcommunications (U.I.T.)
Emetteurs industriels, medicaux et domestiques (voir le tableau 2)
Puissance : quelques 10 W jusqu'au quelques 100 KW Bandes de frquences bien prcises par U.I.T. (par exemple : 6,78 ; 13,56 ; 27,12 ; 40,68 MHz)
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Impulsion lectromagntique nucleaire (I.E.M.N.) Apparat suite une explosion d'une bombe atomique ; l'on
considre (dans le domaine civil) une explosion en haute altitude (>50 km). L'effet lectromagntique: un champ produit sur des vastes surface (un pays). Modlisation : onde biexponentielle 5/200 ns, amplitude 50kV/m, des autres effets magntiques sont aussi envisags.
Sources des parasites ds lutilisation de llectricit
Lignes lectriques haute tension les perturbations de 50 Hz :
- champ lectrique au sol (7kV/m), - champ magntique (1014mT/KA 15 m d'axe),
les perturbations haute frquence (ex. 3070 mV/m 500Hz) : - l'effet couronne, - les aigrettes en effleuves dans les zones du champ
intense, - les microarcs de type clateur.
Phenomenes de commutation
Fermeture et coupure des circuits : - surtensions et surcharges fermeture des condensateurs
(voir la figure 8), - coupure des charges inductives avec arrachement (voir la
figure 9).
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Perturbations conduites a basse frequence (harminiques)
Provoques par les charges non-lineaires : - clairage fluorescent (lampes dcharge), - convertisseurs statistiques (redresseurs, onduleurs) - voir
la figure 10. Traction electrique (a courant continu ou alternatif)
Ncessite un traitement spcifique.
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2.2.2. CARACTERISATION DES SIGNAUX D'INTERFERENCE
Les signaux dterministes peuvent tre reprsents : - dans le domaine temporal f (t) - dans le domaine frquentiel A (w), r(w)
Approche ncessaire: -circuits avec lments concentr si e = lmin 10 -circuits avec constantes localiss (ligues longues) dans l'autre cas. Exemples caractristiques (voir la figure 11)
L'onde trapzodale (voir la figure 12) La formule generale : ( ) ( )x t C C n tn n
n
a
= = +=
0 012 cos v r
La valeur moyenne : C A T0 = t
Les harmoniques: ( )2 2C A Tn
Tn
T
nT
nT
n
r
r=
t pt
pt
pt
ptsin sin
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Si on connat la caractristique A(f) on peut reconstituer un signal trapzodal:
La frquence fondamentale : f0 0,64 A La dure moyenne du signal : t
p=
1
1f
La dure de monte : tpr f
=1
2
f1 et f2 tant les frquences de cossue des asymptotes 20 et 40 dB/dcade.
Observation :
Soit un conducteur de longueur l et un signal avec le temps de mont tr. Si tr > 2l/c, alors le circuit a les lments concentr. Sinon, on devra considrer le conducteur commun une ligne longue.
Exemple: tr = 4ns et l = 1 m ligne longue!
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TABLEAU 1.- Principaux metteurs de tlcomunication.
FREQUENCE
UTILISATION PUISSANCE MAXIMALE ORDRE DE GRANDEUR DU CHAMP A
PROXIMITE DE L'EMETTEUR
< 130 kHz Balises maritimes 150 kHz Radiodiffusion grandes
ondes et Radionavigation quelques MW 150 dB (V/m) 500 m
500 kHz Radiodiffusion ondes moyennes
quelques 100 kW
145 dB (V/m) 200 m
1600 kHz
Comunication MF et HF (marine, aviation, militaire) Radiodifusion ondes courtes
quelques 10 kW
quelques 100 kW
123 dB (V/m) 500 m 130 dB (V/m) 500 m
27/1000 MHz Talkie - Walkie Radiotlphones privs et
services publics C.B. (27 MHz)
quelques W quelques 10 W
140 dB (V/m) 1 mtre 130 dB (V/m) 30 m
87/108 MHz Radiodiodiffusion modulation de frquence
quelques 10 kW 130 dB (V/m) 200 m
176/223 MHz Tlvision VHF quelques 10 kW 125 dB (V/m) 200 m 108/144 MHz 328/335 MHz 960/1215 MHz
Emeteurs VHF et UHF aronautiques et maritimes,
balises
10 50 W 100 dB (V/m) 200 m
470/862 MHz Tlvision UHF quelques 10 kW 120 dB (V/m) 200 m 1 GHz Radars quelques MW (*) 146 dB (V/m) 1 km
2 40 GHz Tlcommunications hyperfrquences
Faisceaux hertziens
quelques W 70 dB (V/m) 1 km
(*) On peut obtenir des puissances de crte de l'ordre de GW.
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TABLEAU 2.- Emetteurs industrials, mdicaux et domestiques frquence radiolectrique. APPLICATION FREQUENCE PUISSANCE MAXIMALE ORDRE DE GRANDEUR DU CHAMP RAYONNE
Tables de cuisson induction domestiques
quelques 10 kHz quelques kW 110 130 dB (V/m) 3 m (fondamental)
70 100 dB (V/m) 3 m (harmoniques)
HF mdical et paramdical fonctionnant clateurs
(diathermie,massages,)
spectre large quelques 10 kHz quelques 100 kHz
quelques 10 W 70 100 dB (V/m) 3 m en ondes kilometriques
Machines inductions pour traitement des mtaux
100 600 kHz quelques 100 kW 90 110 dB (V/m) 3 m
Chauffage dilectrique pour traitement des matires
plastiques
6,78 MHz 13,56 MHz 27,12 MHz 40,68 MHz
quelques 100 W
quelques 100 kW
80 130 dB (V/m) 30 m
HF mdical (diathermie, bistouri lectrique)
27 MHz quelques 10 W 60 90 dB (V/m) 30 m
Fours de schage (laine, bois) 27 MHz quelques 10 kW 80 110 dB (V/m) 30 m Tunnels de dconglation
Strilisation 915 MHz
(sous drogation) 2450 MHz
quelques 10 kW
quelques kW
90 120 dB (V/m) 30 m
Fours micro-ondes domestiques
2450 MHz quelques 100 kW 80 110 dB (V/m) 3 m
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3. TYPES DE COUPLAGE
3.1. COUPLAGE PAR IMPEDANCE COMMUNE
(GALVANIQUE OU PAR CONDUCTION)
Couplage assur par les liaisons lectriques entre deux systmes : par l'alimentation commune, le rseau de terre et les capacits parasites entre les quipements et les masses mtalliques - voir la figure 13.
Fig. 13 - Couplage par lment commun
Modlisation - voir le schma quivalent sur la figure 14.
Fig. 14 - Schma quivalent
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Circuit 1 - perturbateur Le courant dans le circuit perturbateur est :
IV
R R ZV
R RS C S C1
1
1 1
1
1 1=
+ +@
+
parce que Z R RS C
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L'inductance: [ ]L L l H= 0
o L0 = 1 mH/m est l'inductance linique Exemple:
En basse frquence (BF) Soit une piste de 10 cm longueur et 1mm largeur.
Le courant perturbateur I1 =1A courant continu et R = 50 mW. La tension perturbatrice est : V mVp = =-50 10 1 503 C'est trop pour une carte analogique bas niveau!
En haute frquence (HF)
Soit la mme piste parcourue par un courant 1 A 10 MHz. La tension perturbatrice est : V ZI fI Vp @ - = =2 6 28 10 1 6 287p , , parce que L>>R. La valeur est inacceptable pour une carte numrique.
Observations
- en courant continu et BF, l'inductance ne compte plus ; - en HF la section du conducteur n'a pas d'importance (suite
l'effet de peau). Remdes
- diminution de la rsistance commune, - sparation des circuits perturbateur et perturb, - liaisons de masse courtes et spars.
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3.2. COUPLAGE PAR INDUCTION MAGNETIQUE
(COUPLAGE INDUCTIF)
Couplage du au phnomne dinduction produit par le champ magntique variable
Loi de Faraday: ( )V t ddtp
= -F
o le flux magntique est: [ ] ==Fs s
WbdSHSdH Jmmmm cos00
S - tant laire de boucle du conducteur du circuit perturb (voir la figure 16)
La tension perturbatrice dpend de la grandeur de laire A, de longle dincidence J , de la valeur du champ perturbateur et aussi de la vitesse de variation du flux magntique.
ETUDE DE CAS : COUPLAGE ENTRE DEUX LIGNES SIMPLES Soit la disposition montre sur la figure 17.a avec le schma
quivalent 17.b, ou :
linductance mutuelle M : [ ]Mi
H=F12
1
F12 tant la partie du flux produit par le courant i1 qui embrasse laire S du circuit perturb.
En rgime sinusodal :
( )V R R I j L I j M IS C1 1 1 1 1 1 2= + + +w w ( )0 2 2 2 2 2 1= + + +R R I j L I j M IS C w w
~2V
R 2S R 2C
V~
p
H
F ig . 1 6 L e c o u p la g e in d u c t if
F V S
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La fonction de transfert :
II
jM
R R
jL
R R
S C
S C
2
1
2 2
2
2 21
= -+
++
w
w
et le module reprsent sur la figure 18.
Fig. 17 Cas de deux lignes simple cupls
V1 ~
RS1
RC1
RS2
RC2
a)
I 1*
*M
H1
L
1
M *
~V1
*
L
2RS1
I1
I2
RS2
RC1RC1
b)
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En bassses frquences (BF) L'hypothse no. 1 - basses frquences : wL R RS C2 2 2
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Le flux perturbateur: F = =+
--
+
m m pm m
p01 0
12 21
1rr
d a
d arI d
rlI
ad
ad
ln
Linductance mutuelle: M la
da
d=
+
-
m mp0
21
1ln
Exemples Circuit perturbateur: courant 10 A, 50 Hz Circuit perturb: paire simple, 100m longueur avec une distance
d'enterres 2a = 5 mm; impdance de source RS2 100= W
Position : parallle a 5 cm distance entre les deux circuits
Linductance mutuelle: M H= +
-=
-jpp
m10
2100
1 2 5501 2 550
27
ln,
,
La tension induite (basse frquence):
$ , ,V mV dB VS = + = =-
1010 10
314 2 10 10 6 21 75 94
4 26 m
Variante : cbles joints d=1 cm de longueur l=500 m et courant
I = 100 A 150 Hz $ , ,V V dB VS = +
= =-10
10 106 28 150 84 10 100 7 8 138
4
4 26 m
Dans le premier cas on a une valeur acceptable pour une carte numrique; dans le deuxime cas cest inacceptable. LE CABLE BLINDE
- construction coaxiale avec un conducteur centrale et une enveloppe en matriau conducteur (tresse flexible) ;
- assure la rduction du couplage entre les lignes si les extrmits sont relies a le terre - voir la figure 20 ;
- proprit remarquable : le champ produit du courant parcourant le blindage passe par la boucle dfinie par le conducteur intrieur et la masse; par consquence l'inductance mutuelle est gale a linductance du blindage : M LS=
- l'intrieur de l'enveloppe le champ produit par la circulation du courant par celui-ci est nulle.
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Conforment en model quivalent on peut crire:
( ) ( )R j L I j L I R I IS S S S G S+ - + - =w w 1 1 0 et la fonction de transfert est:
II
R j L R
R R jL
R R
S GS
G
G SS
G S
1
1
1=
+
+ ++
w
w
Le module de cette fonction a une variation prsente sur la figure 21. En dessous de la frquence angulaire de cause R LG S/ le cble pert son efficacit.
En haute frquence (au-del de quelques dizaines de MHz) il faut
considrer l'impdance de transfre. La dfinition de l'impdance de transfre correspond en notations
de la figure 22 : [ ]Z VI l mt iS= W
Donc comme a on peut valuer la tension perturbatrice si un courant induit I S circule par l'cran ( l < l 2 ).
Fig. 20 Cable blind
~V1 CR
1I
~1V
I 1
RS
*
*M
RG
L1
LS
I-I1
I S
S
Fig. 21 Le fonction de transfert
1
s
II
lg
1
decdB20
SG
G
RRR
+
S
G
LR
S
SG
LRR + wlg
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Soit la disposition normale dusage dun cble coaxial et, suit a une perturbation extrieure un courant I S circule.
Sur la charge on a une tension perturbatrice VMD ; en gnral R RG C= et donc:
VV
MDi=
2
En utilisant la notion de l'impdance de transfre on peut calculer la perturbation:
VZ I l
MDt S=2
En basse frquence l'impdance de transfre est pratique la rsistance ohmique de la tresse; en haute frquence elle est indique par les producteurs.
~
R1SI
a)
iV
Fig. 22 Sur l'impedance de transfert
IS~
Vi
RC VMD
IS
E , H
b)
RG
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3.3. COUPLAGE PAR INDUCTION ELECTRIQUE
(COUPLAGE CAPACITIF)
Couplage d aux capacits parasites qui existent entre les circuits, contes lectroniques, carcasses, terre et masses - voir la figure 23.
MODELISATION
La ligne 1 nest pas charge ( I RC1 10@ ) pour le sparer de la situation dinduction magntique - voir la figure 24a.
Le schma quivalent complet (approche circuit) est reprsent sur la figure 24.b
L'lment de couplage cest la capacit parasite qui peut tre value par calcul avec les formules connues ou par la rsolution du problme de champ (approche champ).
Fig. 24 Couplage capacitif
~1V
CC
RS1C C2
1
Z 1C SR 2 RC2
b)
SV
V1 ~
RS1
RC1
1C
RS2
2
2C
CC
a)
a) amplacementb) scheme
RC
Fig. 23 Les capacits parasites
~
P
N
chasis chasis
signel
massepC
1C
pC
2CpC
cC
-
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ETUDE EN FREQUENCE La fonction de transfert sobtient en ngligeant RS1, alors:
( )VV
j R Cj R C C
S C
C1
2
2 21=
+ +
ww
Le module de la fonction de transfre est prsent sur la figure 26. Cas particuliers :
En basse frquences (BF) Voir le schma quivalent sur la figure 25.a R R RS C2 2 2 , on ngligew wC C1 2, , La tension perturbatrice : V C R VS C@ w 2 1 en tant que R CC2 1w
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ETUDE DE CAS : ETUDE EN REGIME TEMPORAL TRANSITOIRE Permet une bonne description de comportement dans des cas de
signaux perturbateurs de commutation. Soit un signal perturbateur linaire croissant dans un temps tr ,
comme il est montr sur la figure 27-a.
Fig. 27 Signal perturbateur et rponse temporel
En utilisant la transforme de Laplace, le signal est:
( ) ( )[ ]V p Vt p ptr r10
2
11= - -exp
tenant compte aussi de superposition et de la rlation de Borel. Dans la fonction de transfre on change jw p et on obtient la
rponse du systme lexcitation V1:
( )( )[ ]
( )V p CC C
p
p R C CV pS
C
C C
=+ + +
-2 2 2
1 1
En repassant dans le domaine temporel, on obtienne:
( ) ( ) ( )V t Vt R Ct
tt t
t tSr
Cr
r= - -
- - -
-
-
02 1 1 1 1exp expt t
o ( )t = +R C CC2 2 est la constante de temps et 1(t) la fonction chelon unitaire : 1(t) = 0 pour t < 0, et 1 ailleurs.
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La rponse est montre sur la figure 27-b et on peur voir que le maximum est:
VVt
R C tr
Cr
max exp= - -
02 1 t
Exemples: Soit un transformateur secteur avec la capacit parasite primaire-
secondaire Cc = 100 pF soumis une surtension Vo = 3 kV avec tr = 50 ms. Le circuit secondaire a C2 = 20 pF et une rsistance de charge R2 = 1 MW.
La valeur maximale de la tension:
V Vmax exp=
- -
@-
-3 1010 10
10 10 110120
24003
66 10
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3.4. COUPLAGE PAR RAYONNEMENT
ELECTROMAGNETIQUE
Le champ lectromagntique est produit par une source de radiations (oscillateur etc.) et se propage dans l'environnement.
MODELISATION - LE RAYONNEMENT DU DIPOLE
Le diple = paire des charges Q(t) et -Q(t) la distance h avec un lment de courant
I(t) = Io cos wt = Re (Io ejwt).
Soit les notations faites sur la figure 28.
Fig. 28 - Dipole elementaire
Soit b =w/g constante de phase et v = 1me
vitesse de propagation
Le potentiel scalaire : V Q h v eR R
jj R
= +
-0
41
peb
b
cos
et le potentiel vecteur : A I eR
hij R
Z=mp
b
4 0
en coordonns sphriques (R, g, r),
on obtient : H hI vR
hIj
vR
e j Rjb
p pb= +
-02
0
4 4sin sin
composante 12R composante 1R
(champ proche) (champ rayonn)
-
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CHAMP RAYONNE A GRANDE DISTANCE - voir fig. 29
Fig. 29 - Le champ a grande distance de source
HH
HI h
vje
R
R
vj R
==
=
-
00
40
j
b
pbsin
et
E
EI h
je
RE
R
v
j R=
=
=
-0
40
0
pwm J
b
j
sin
Donc H H i= j j et E E iv v= sont dans le mme plan normal sur la
direction de propagation (onde plane). L'impdance de l'onde dans lair et le vide :
EH
= = =me
p120 377W W
CHAMP PROCHE - CHAMP LOINTAIN
La variation de l'impdance de l'onde Z EH
= est prsente sur la
figure 30. Le champ est considr proche si R < l p2 Dans cette zone sont prdominantes les effets dinduction
magntiques (dans les circuits basse impdance) ou les effets d'induction lectriques (dans les circuits haute impdance).
Le champ est considr lointain si R > l p2
-
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Fig. 30 Limpedance donde
Exemples:
f MHz[ ] l[ ]m lp2
[ ]m
1 300 47,7 3 100 15,9
10 30 4,77 30 10 1,59 100 3 0,477 300 1 0,159
1000 0,3 0,0477
LA THEOREME DE RECIPROCITE
La fonction de transfert entre deux structures rayonnantes est
complment rciproque - voir la figure 31.
F i g . 3 1 T h e o r e m e d e r e c i p r o c i t e
~
21 1 2
~I 1
V2 1V 1 2
I
2
1
21
2
12
IV
IV
=
-
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La fonction antenne mettrice ou rceptrice sont de mme type, donc une connexion courte peut rayonner ou peut rceptionner les parasites hautes frquences
La tension aux bornes dune antenne (voir aussi la figure 32) : v E heffa = [ ] [ ] [ ]m mV V M m
Si on utilise les units relatives : E V Ke= + Champ dterminer : [ ][ ][ ]dBVdBmVdB mm (donn par le constructeur
dantenne) Pour une onde plane on peut dterminer aussi H :
H E=1
120p et 20 1
120515310log ,p
= - dB
Alors :
H V Ke= + - 5153,
[ ] [ ] [ ]dB Am dB V dBm m Le calcul de la densit de puissance :
p EZ
=2
0
[ ][ ]
Vm
2
W
Z0 120= pW [ ]W m2
76,145-= Ep [ ] [ ] [ ]dBW m dB V m dB2 m
Va
aZ
eV RZChampE
Antenne Recepteur demesure
Valeur mesuree
Fig. 32 Relativement a le mesure
-
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Fig. 33 Antennes
0,96
blindage
a)b)
d)c)
accord
balun
2l
ANTENNES UTILISEES EN CEM On utilise une large gamme dantennes ; parmis les plus connues :
diples accords - voir la figure 33-a
La longueur des diples l = 0,96 l/2; plage recommande des frquences 30-300 MHz, adaptation par longueur.
antenne boucle blinde - voir la figure 33-b
Sensible aux champs magntiques et peu sensible aux champs lectriques parasites. Domaine de frquences : 10 KHz - 30 MHz; accord avec circuits passifs inductance - condensateur.
antennes log priodiques (Yagi) voir la figure 33-c
Bande de frquence 200 MHz - 1 GHz. antenne biconique voir la figure 33-d
Peuve tre utilise trs prs source bande: 200 MHz - 1 GHz
-
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3.5. PROBLEMES
Problme 1
Sur une carte lectronique il y a une piste conducteur o circule i1=I1sint [A]. En parallle, une boucle forme par un autre circuit - comme il est montr sur la figure 3.1 - subit l'influence du courant i1. Evaluez le rapport I2/I1 en fonction de la frquence en considrant Rs2=Rc2=50. i1 d Rs2 i2 Vp Rc2 2a V2
l
Fig. 1 Solution
Calculons d'abord l'inductance de couplage M :
nH
dada
lrM 48)
06.005.01
06.005.01
ln(*1.0*2
7104)1
1ln(*
20
=-
+-=
-
+=
pp
pmm
Evaluation de l'inductance propre du circuit 2 : L2=L0 l=100 nH
Le rapport de courant est donc:
2
2
2
1
2
1
*
RLjRMj
II
w
w
+-= ou
R2=Rs2+Rc2
~
-
37 / 51
Alors : 99
10*110*48.0
12
-
-
+-=
ww
jj
II
1
2
II
M/L2=0.48
2LM
910 w Fig. 2 Conclusions En bases frquences :
w 10 9 et I2 / I1 = 0,48 = constant Par example : f = 200 MHz et w = 1,2510 9
-
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kWdtdif
rrS
em
8,410
1020502
601042 6
370 =
== --
pp
pm
Problme 2
Supposons que le courant foudre circule dans un conducteur de descente de paratonnerre.
Un quipement de commande avec son variateur de vitesse qui il appartient forme une boucle de surface S = 60 m2. Lisolement est assur par optocoupleurs comme on a montr sur la figure 3.3.
Fig. 3
Calculez la tension induite et vrifiez lisolation en considrant
dif/dt = 20 kA/ms , rm = 50m. Solution
La tension induite dans la boucle est : La valeur moyenne du champ magntique est :
Alors : Cette valeur entrane la destruction de loptocoupleur par amorage
travers le dilectrique interne. Pour viter de tels situations la boite de commande doit tre isolante ; la liaison la terre se fera dans un seul point (vitant les boucles grande surface). On peut aussi utilis la liaison de commande en fibre de verre.
( )SHdtd
dtde m0m
f-=-=
mm r
ifHp2
=
-
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Problme 3
Un conducteur du rseau industriel est parcouru au court-circuit monophas, dun courant Icc = 10 kA. Supposons que petite distance (d = 210 cm) on trouve un circuit monophas parallle, form par deux conducteurs loigns 5 mm entre eux, dans le mme plan. Evaluez le niveau de la tension perturbatrice dans le circuit perturb supposant une longueur d = 10 m.
Solution
Considrons la disposition gomtrique montre sur la figure 4.
Fig. 4
Linductance mutuelle M a une valeur entre :
et la valeur maximale (conducteur trs proche) : qui reprsente la valeur pour la distance d = 10 cm.
La valeur de la tension perturbatrice dans le circuit est donc :
HM 67
2 101,0
1005,21
1005,21
ln102104 -- =
-
+
=
pp
max22
max46
11
44,02
21,210105,05022
VIMV
VIMV
ccp
ccp
==
=== -
w
pw)
)
H
dada
M l 67
1
101 105,0
205,21
205,21
ln102104
1
1ln
2-
-
=-
+
=
-
+=
pp
pmm
-
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Sur limpdance de charge du circuit perturb on peut avoir une partie importante de cette tension ; si limpdance de la source est petite par rapport celle de charge alors :
Dans des situations que le circuit perturb est un circuit de mesure bas niveau ou un circuit numrique, les valeurs de la tension induite sont inacceptables. Conclusions Remdes
- loignement des circuits force signal ; - torsadage du cble (rduction du signal avec 1030 dB) ; - canalisations spars, eventuellment blindage.
Problme 4 Considrons de nouveaux la situation examine auparavant, au lieu du conducteur supposons un cble monophas (2 fils loigns 5 mm) parcouru par le courant de court-circuit I = 10 kA. Solution
On va considrer de nouveau la gomtrie discute - voir dans la figure 3.5 :
Fig. 5.
Fig. 3.5 D au fait que le courant de court-circuit circule "aller-retour" dans les conducteurs 1 et 2, linduction magntique dans laire du circuit perturb est diminue considrablement.
PPCS
Cc VVRR
RV @+
=22
22
-
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La valeur de cette induction est :
Alors, la distance de 2 cm, la tension perturbatrice est :
Pour la distance de 10 cm on trouve : On peut facilement voir, par comparaison avec le problme prcdent, que la perturbation est beaucoup rduite.
Concusions
Les court-circuits monopolaires la terre aussi comme les perturbations de mode commun sont plus dangereux en ce qui concerne les tensions induites. Les court-circuites bipolaires, tripolaires symtriques aussi comme les perturbations de mode diffrentiel produisent des tensions induites plus rduits dans les zones voisines avec les cbles.
( ) ( )
( ) mTbd
bibd
ibd
iBBBr
6,71105,220
10522
102104
2222
622
347
22101010
21
=-
=
=-
=+
--
=-=
-
--
pp
pm
pm
pm
))))))
max33 124,110510106,71502 VSBe r -=-=-=
--pw))
max33
322
0
1,22105101041,1502
1041,122
mVSBe
Tbd
biBr
-=-=-=
=-
=
--
-
pwp
m
))
))
-
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Problme 5
Un cble coaxial a le blindage constitu par 40 fils en cuivre dun diamtre de 0,1 mm. Evaluez la fonction de transfert considrant le blindage connect la terre aux extrmits (RG = 50 mW) et la longueur de 10 m. Solution
La fonction de transfert a lexpression :
avec les notations faites sur la figure 3.6 :
Fig. 3.6. La rsistance du blindage :
Linductivit peut tre value : LS = L0 l = 1 10-6 10 = 10 mH Les pulsations de cassure sont : et le rapport BF :
La fonction de transfert varie donc entre les limites 0,08 en basses frquences et 1 en hautes frquences ; le graphique a t montr sur la figure 3.7 :
SG
S
G
S
S
RRLj
RL
j
II
++
+=
w
w
1
1
1
W=
=
=
-
-
57,0
44010
10108,18
8
p
rS
lRS
136
3
1 10510101050 -
-
-
=
== SLR
S
Gw
1362 1062101057,005,0 -
- =+
=+
= SL
RR
S
GSw
08,062,005,0
==+ SG RR
Rt
-
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Fig. 3.7 Concusions
On peut voir que lefficacit du blindage se manifeste dune faon effective de quelques kilohertz. En basses frquences on doit avoir une bonne terre et aussi un blindage avec un grande nombre de fils (double couche) en parallle.
Problme 6
Un cble coaxial fait la liaison entre deux matriels informatiques ; avec les cbles secteur on constitue un boucle de 8 8 m2.
Un coup de foudre atteint un paratonnerre 150 m distance; un courant de fondre avec dif/dt = 20 kA/mS se produit (frquence quivalente 300 kHz).
Vrifiez leffet du courant induit dans la boucle mentionne auparavant. Solution Considrons le schma montr sur la figure 3.8.
La foudre produit une tension induite dans la boucle :
( )
Ve
dtdif
rrSSH
dtd
dtde
mm
170610
1020641502104
2
6
37
00
=
=
-=-=-=
-
-
pp
pm
mf
-
44 / 51
Fig. 3.8
Linductance de la boucle avec 1 mH/m est : L = L0 l = 1 8 10-6 = 8 mH Le courant dans la boucle a une variation : une frquence quivalente de 300 kHz on a :
Ce courant circule comme impulsion dans le blindage du cble
coaxial ; lextrmit apparat une tension entre le conducteur central et blindage :
up = zt l Ib o zt est limpdance de transfert. Pour les cbles blinds habituelles 300 kHz :
zt = 10 50 mW/m Dans un cas dfavorable (cble avec cran en aluminium bobin) :
zt = 50 mW/m on obtient :
up = 50 10-3 8 113 = 45,2 Vmax Cette valeur peut endommager llectronique connect (circuit
analogiques or digitales) sil ne sont pas protgs par des limitateurs de tension (diodes etc.).
HV
Le
dtdibdoncete
dtdibL 21310
81706:, 6 ====
max56 113103210213/ AdtdiI b =
== - pw)
-
45 / 51
4.1. OBTENTION DE LA COMPATIBILITE
ELECTROMAGNETIQUE
Le rle principal est jou par le responsable CEM - un ingnieur qui a les coupeuses et lautorit dappliquer les normes.
Tches principales du responsable CEM : - contrle et avis des projets ;
- application des normes CEM au niveau de l'entreprise ; - approbation sous signature de la conformit aux normes CEM ; - coordination des actions CEM entre divers dpartements ; - mise jour avec les nouveauts CEM.
La gestion des problmes CEM :
Se fait avec deux documents oprationnels : - le Plan de Contrle CEM, - le Plan dEssais CEM.
LE PLAN DE CONTROLE CEM prvoit:
- les principales thmes CEM envisags ; - catalogue des sources et victimes probables ; - techniques dobtention de la CEM, comme suit :
les liaisons le terre (les rseaux de terre), les liaisons dinterface, lusage des conducteurs blinds et des blindages, les sources d'alimentations, les filtres secteur et pour signal, les isolations galvaniques et optcouplages.
- la gestion du projet : contrle des plans et des cartes, l'laboration de plan de test, le contrle final et les responsabilit pour la conformit
CEM. - les rgles dassurance de la qualit.
-
46 / 51
LE PLAN D'ESSAIS CEM : Doit mentionner les normes, les procdures et les techniques
dessais pour certifier la conformit CEM. Contenu principal : - le choix du niveau d'immunit selon les critres de
performance, - les quipements qui doivent tre analys, - les objectifs dessais les normes de rfrence et les quipement
dessais ncessaires, - bref description des emplacements et schmas dessais, - l'valuation de rsultats et les rapports dessais, - les conclusions et mesure prendre. Pour les producteurs quipements, les essais font partie du plan
d'assurance de la qualit, selon les normes IS0-9000. Les actions ont donc un caractre de continuit aprs un plan
dessais sur les enchantions bien dfinies or sur le base d'essais de recomformation priodiques
METHODES ET MOYENS DE METISSER LE CEM - rgles de type rgles de lart (rule of thumb) qui sont
indiqus dans la littrature suite l'exprience industrielle, - analyse au stade de projet des sources et couplages probables,
conception des interfaces et liaison de terre conforme aux rgles CEM,
- modlisation, tude sur maquette, - simulation aprs le dimensionnent prliminaire, - application des normes CET au niveau de prototype, - essais prliminaires sur maquette.
ACTIONS SUR LES SOURCES
- les sources intentionnelles (ammetters etc.) doit tre bien stabiliss dans leur tende de frquence ; en gnral elles ne peuvent pas tre modifies,
- les sources non intentionnelles (d lapplication de llectricit) doivent tre bien connues; leur influence doit tre limit par moyens techniques appropris.
-
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EC
L
R
LC
R
+
_
C
R
p
'
_
+
L
R
a) b) c)
Fig. 34 Trateiment des bobines
Exemples : Les bobines des relais et les transformateurs vide qui
produisent des surtensions au moment de l'ouverture. La valeur maximale de la surtension:
uER
LCmax
= en courant continu
u Effmax
@ 2 h en courant alternatif
o: E est la tension de la source, R, L sont les lments de la bobine, C est la capacit parasite, F est la frquence industrielle, ( )f LC2
12=
-p est la frquence propre d'oscillation,
h = 0 25 0 4, , est le coefficient de restitution de l'nergie magntique,
On peut facilement atteindre 510 fois E!
Remdes couplage dun condensateur C Cp @ 40 20 ou dune diode en
parallle (pour les bobines de relais courant continu) - voir la figure 34 b) et c),
circuits dalimentation "haute qualit", pour viter les effets des coupures brves ou prolonges sur les
quipements sensibles (rseaux des computers etc.) on utilise des montages dalimentation statique sans interruption (ASI) - voir la figure 35.
-
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Fig. 35 Alimentation sans interruption
Commutateur statique
~ =
= ~
Redresseur
Onduleur
utilisation
Reseau
Batterie
-
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Circuit 1 Circuit 2 Circuit 3
terre multipoint
Fig. 36 Les liaison a la terre
Fig. 37
V
L R
C
L R
1 2
iD
V
l
Z cV1
V1
t0t=0 v
2lt =
iZ c
ACTIONS SUR LES COUPLAGES COUPLAGES PAR IMPEDANCE COMMUNE
Mthodes de mise la masse et la terre : - tous quipements doit tre connecte la terre (toute partie
mtallique et carcasse) par des saisons dlectroscurit ; - pour viter le couplage par lment commun, on va utiliser un
seul point de terre comme il est montr sur la figure 36 on mthodes de mise la terre multipoint.
Linfluence des inductances propres :
lorsque sur le conducteur commun doivent circuler courants impulsionnels dons l'inductive des liaisons jouent un grand rle,
linductance propre dune connexion - 8 nH/cm, soit le schma typique pour l'lectronique numrique prsent
sur la figure 37.
Soit le cas dune liaison de 25 cm, donc avec L = 200 nH et R =
62,5 mW et le courant Di = 8 mA avec un temps de mont Dt = 4 ns (valeurs usuelles en numrique).
-
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Circuit 1 Circuit 2 Circuit 3
reccommande !
b)
La variation de tension a l'apparition de limpulse de courant est:
D DDD
V R L mVii
t1 400= - - @ -
Si quelques portes logiques commutes dans le mme temps on peut avoir des erreurs logiques.
Remde - emploie dun condensateur comme il est montr sur la figure pour rduire la variation de la tension.
DD D
Vi tC11' =
La valeur de ce condensateur - dite de dcouplage - se calcule pour assurer que Dvi = 5%V1 .
Vue autre phnomne qui peut se produire est la propagation dune telle variation sur la liaison qui devienne une ligne longue. Aprs avoir parcouru la longueur l, on a une rflexion cte surce (qui a une impdance interne trs faible) avec changement de la polarit et aprs le signal apparaisse de nouveau puce aprs le temps 2l/o comme il a t montr sur la figure 37c.
Pour viter a on doit rduire impdance linique en ralisant des trajets rapprochs va et vient.
Circuit 1 Circuit 2 Circuit 3
point de terre
a)
A eviter!
-
51 / 51
BIBLIOGRAPHIE
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Ed. POPEE 85, Avon 1991. 2. Williams T. - EMC for Product Designers, Newnws II-nd ed. 1996. 3. Charoy A. - Compatibilit Electromagntique, Tome 1, 2, 3, 4,
Dunodtech 1992. 4. Degauque P., Hamelin J. - Compatibilit Electromagntique, Dunod
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l'Ingenieur D 1900-E 3750. 6. Boudenot J.-C., Labanne G. - La compatibilit lectromagntique et
nucleaire, Ed. Ellipses 1998, Paris. 7. Tesche F.M., Janoz M.V., Karlson T. - EMC Analysis methods and
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Bucuresti. 10. Schwab A. - Compatibilitatea electromagnetica, Ed. Tehnica, 1996,
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