antennes fix et mobile

A COMPATIBILITÉ

cour cem 2005.2006

http://siteayoyo.free.fr/Cours-CEM-2005-2006.ppt.

ÉLECTOMAGNÉTIQUE

C.E.M.

ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY

E.M.C.

Nous sommes tous exposées dans notre vie quotidienne, que nous le voulions ou non, aux champs électromagnétiques provenant de sources naturelles et artificielles.

Introduction à la compatibilité électromagnétique

Selon l'Organisation Mondiale de la Santé (OMS), l'intensité de ces ondes est supérieure de plusieurs centaines de fois à celui du rayonnement naturel. Il est quasiment impossible d'échapper à cette exposition dont l'intensité a triplé en trente ans.

Nouvelle discipline

La COMPATIBILITÉ ÉLECTROMAGNÉTIQUE

Progrès technologique

Industrialisation

Problèmes d'environnement

Les charges électriques présentes dans l'atmosphère provoquent une intensité de champ électrique de 100 à 200 V/m par beau temps. L'induction magnétique terrestre a une valeur comprise entre 35 et 50 T.

Dans le corps humain (cerveau) 5 mV/m

Dans le corps humain (cœur) jusqu 'à 50 mV/m

Habitation (sauf près des appareils ménagers) jusqu'à 20 V/m

Dans un wagon de train électrique jusqu'à 300 V/m

A proximité des lignes HT 20 V/m

Écrans ordinateurs (à 5 cm) de 1 à 10 V/m

Champ en atmosphère calme de 100 à 200 V/m

Champ pendant un orage jusqu'à 100 kV/m

Moquettes (à 5 mm, en atmosphère sèche) de 200 V/m à 20 kV/m

Émission radio FM (à qques mètres de l'antenne) qq dizaines de V/m

Émission GSM

à 1 cm de l'antenne d'un téléphone mobile 90 V/m

à 1 m d'une antenne de station de base (antenne relais) 50 V/m

à plus de 5 m de l'antenne relais de 0,01 à qq V/m

Comparaison relatifs des valeurs des champs électriques

Spectre électromagnétique

Introduction à la compatibilité électromagnétique

CEM

Absorption de ondes électromagnétiques par l'atmosphère

Pour ces longueurs d'onde, l'atmosphère absorbe très peu les ondes, c'est pourquoi elles sont très utilisées pour les communication longue portée mais peuvent provoquer des problèmes de compatibilité électromagnétique entre les différents systèmes.

QU'EST-CE QUE LA C.E.M. ?

Discipline qui étudie la cohabitation de tous les systèmes utilisant de l'énergie électrique.

Quelques exemples de problèmes CEM

* Ouverture ou fermeture intempestives de barrières, ou portails automatisés

* Airbag, freins ABS

* Déclenchement missile

Une automobile moderne contient plus d'un kilomètre de fils électriques, elle se comporte comme une antenne qui émet et capte des ondes EM. Le phénomène s'est amplifié avec l'augmentation vertigineuse du nombre de composants électroniques embarqués et le multiplexage.

QU'EST-CE QUE LA C.E.M. ?

Définition

La C.E.M. est l'aptitude d'un équipement à fonctionner dans son environnement électromagnétique de façon satisfaisante et sans produire lui même des perturbations intolérables pour les autres équipements qui se trouve dans cet environnement

Qui est concerné ?

Le fabricant ou / et l'importateur

La personne qui commercialise le produit

L'utilisateur

Les fabricants de matériel ont été les premiers à être concernés par la CEM. Depuis le 1er janvier 1996, seuls les produits conforment à la réglementation en vigueur sur la CEM et portant le marquage CE peuvent être commercialisés en France et dans l'Union Européenne.

Pourquoi faut-il se préoccuper de la C.E.M. ?

L'utilisation d'équipements électroniques se multiplie dans tous les domaines d'activités, qu'il soient grands publics, industriels ou militaire.

Les technologies employées dans la conception et le développement des matériels électroniques reposent sur trois paramètres :

 la rapidité de commutation (vitesse des microprocesseurs),

 les faibles énergies mises en œuvre pour basculer d'un état à un autre,

 le haut niveau d'intégration des composants.

"Pour aller plus vite, il faut diminuer l'énergie à commuter et réduire la distance que doivent parcourir les charges électroniques".

Pourquoi faut-il se préoccuper de la C.E.M. ?

Trois facteurs se conjuguent pour rendre sans cesse plus importants les problèmes de perturbations électromagnétiques :

Les dispositifs de contrôle-commande et de mesure comprennent désormais des composants électroniques travaillant à des niveaux de tension de plus en plus bas ; cela entraîne, si aucune précaution particulière n'est prise, une plus grande sensibilité de ces équipements aux perturbations auxquelles ils sont normalement soumis.

La multiplication des systèmes capables de couper brusquement des puissances importantes (thyristors, triacs) engendre une prolifération d'impulsions à front raide susceptibles d'influencer les matériels sensibles.

Les dispositifs perturbateurs et les matériels sensibles à ces perturbations sont de plus en plus intégrés aux mêmes ensembles. Les perturbations sont transmises avec une atténuation d'autant plus faible que les deux types d'éléments sont plus rapprochés.

Pourquoi faut-il se préoccuper de la C.E.M. ?

Cette course aux performances à considérablement modifié les rapports entre les équipements électroniques et leur environnement.

L'environnement électromagnétique dans lequel ils sont amenés a fonctionner se trouve fortement pollué par des parasites de toutes origines : naturelles (foudre, électricité statique ...), ou industrielles (émetteurs, radars, commutations ...).

L'évolution des technologies rend les matériels plus sensibles ou plus "vulnérables" aux agressions extérieures, de plus ils deviennent eux mêmes source de perturbation !

C.E.M.

Perturbations et immunité des équipements

Effets biologiques

Décharges électrostatiques

Surtensions

foudre

IEMN

Brouillages des récepteurs hertziens

Sécurité des personnes

La CEM - Principes

Emissivité :

- Ce terme est employé pour évaluer le pouvoir perturbateur d'un appareil

- Perturbations générées par un appareil

* Perturbations conduites

* Perturbations rayonnées

La CEM - Principes

Immunité :

- On parle d'immunité pour caractériser le niveau de protection intrinsèque d'un appareil

- Immunité contre :

* Les perturbations conduites

* Les perturbations rayonnées

niveau de susceptibilité.

Il s'agit du niveau à partir duquel il y a dysfonctionnement

d'un matériel ou d'un système.

niveau d'immunité.

C'est le niveau d'une perturbation supportée par un matériel

ou un système.

niveau de compatibilité.

C'est le niveau maximal de perturbation auquel on peut

s'attendre dans un environnement donné.

marge d'immunité.

C'est la marge qui existe entre le niveau de compatibilité et le niveau de limite d'immunité.

niveau d'émission.

C'est le niveau maximal d'émission de perturbation que ne

doit pas dépasser un matériel.

marge d'émission.

C'est la marge qui existe entre le niveau de compatibilité et le niveau de limite d'émission.

Terminologie CEM

Niveau d'immunité

Niveau de compatibilité

Niveau d'émission

Marge d'immunité

Marge d'émission

Niveau de susceptibilité

OBJECTIF DE LA C.E.M.

Rendre compatible le fonctionnement d'un système ou d'une installation avec son environnement électromagnétique

- Évaluer l'environnement E.M. (sources de perturbations -

détermination des champs générés )

PLAN C.E.M.

- Intégrer le problème C.E.M. dans la conception d'un système ou d'une

installation

- Étudier les modes de couplage entre les sources de perturbations et

le système ou l'installation

- Déterminer dans quelle mesure les éléments sensibles du système ou de

l'installation supportent les perturbations

- Définir les protections des éléments sensibles ou des installations

(simulations et tests devant aboutir à l'élaboration des protections)

3 moyens de protection contre les interférences :

1. Supprimer l'émission à la source.

2. Rendre le couplage le plus inefficace possible.

3. Rendre le récepteur moins susceptible aux émissions.

Analyse de CEM

Le but de l'analyse est d'estimer la CEM d'une installation composée d'un ensemble de systèmes.

Il s'agit de déterminer la marge de compatibilité de chaque système de l'installation et de vérifier qu'elle est supérieur à une valeur positive fonction de la sécurité recherchée.

PROCEDURE

Après avoir identifié et délimité tous les systèmes de l'installation, on définit pour chaque système les paramètres suivants :

M_{jk (dB) = Ik + Ajk - Pj}

_{Les niveaux de perturbations émises par les systèmes j se comportant comme des sources de perturbations ; on les désignera par Pj.}

_{Les niveaux d'immunité de chaque système k notés Ik.}

_{Les marges de compatibilité de chaque système k vis-à-vis des systèmes j sont définis par la relation :}

_{Les affaiblissements dus aux différents couplages. Ils traduisent pour chaque système k l'action des perturbants j. On les appelera Ajk.}

Compte tenu des incertitudes de mesure, on impose des M_{jk > X dB et non pas simplement Mjk > 0 dB. Si cette condition n'est pas remplie, l'analyse doit être poursuivie par :}

_{Analyse de CEM}

_{La mise en place de dispositifs de protection permettant de modifier les valeurs des paramètres Ajk, Pj ou Ik}

_{La prise en compte du facteur temps : il est possible que le système k n'ait pas à fonctionner en même temps que le système j responsable du terme MJK < X}

_{L'acceptation d'un fonctionnement erroné du système k pendant un certain temps}

_{L'acceptation de la destruction d'une partie du système k à condition que la partie détruite soit facilement remplaçable}

Modes de couplage

• Le couplage par impédance commune

- Le couplage par capacité « effet de main »

• Le couplage par diaphonie inductive
• Le couplage par diaphonie capacitive
• Le couplage Champ à câble

- Le couplage Champ à boucle

Couplage par Conduction : Mode commun - Mode différentiel

Mode differentiel

C'est la façon « normale » de transmettre les signaux.

On l'appelle aussi mode symétrique.

Z_MD

_VMD

_IMD

_IMD

_{*Mode de propagation le moins redouté}

_{- aisément repérable}

_{- le plus souvent faible}

_{- négligeable si les conducteurs aller-retour proches}

_{• éloignés des câbles perturbateurs}

_{*Mode de propagation prépondérant à l 'intérieur des systèmes}

_IMD

_IMD

_{Pince ampèremétrique}

_{Mesure 2IMD}

Mode Commun

Il utilise le réseau de masse ou de terre partagé par plusieurs dispositifs comme retour de courant

*Le courant se propage sur tous les conducteurs dans le même sens et revient par la masse

Ex: - Traction ferroviaire avec retour du courant par les rails

- Automobile, l'ossature sert de retour et de circuit de masse

On l'appelle aussi mode asymétrique.

Principale source de perturbations

IMC

IMC

La tension de mode commun est définie comme étant égale à la valeur moyenne de la d.d.p. entre les différents fils et la masse.

Couplage par impédance commune

U1

Z1

Zcom

Z2

U=Zcom.I1

I1

* Piquet de terre

* Plan de masse circuit imprimé

* Câble de mise à la masse (tresse)

* Câble d 'alimentation

• La résistance d'un conducteur rectiligne se calcule par

où  est la résistivité du matériau

• pour le cuivre :  = 17,5·10^{-9 [m]}
• ^{pour l'aluminium :  = 28,6·10-9 [m]}
• ^{pour le fer :  = ~120·10-9 [m]}

• ^{Un courant continu circule de manière homogène dans le conducteur}
• ^{Un courant alternatif HF se concentre en périphérie de la surface du conducteur}
• ^{l'intérieur du tube « ne sert à rien »}
• ^{l'épaisseur de cette « peau » se calcule par}

• ^{L'épaisseur de la peau diminue avec la racine carrée de la fréquence}

^{Effet pelliculaire}

^

• L'augmentation de R en fonction de la fréquence dépend du rapport d/

(pour une section circulaire : A = ·d^2/4)

• ^{la relation approximative est la suivante}

^{si d/ < 2 :}

^{si d/ compris entre 2 et 4 :}

^{si d/ compris entre 4 et 10 :}

^{si d/ > 10 :}

Impédance d'un conducteur Z_{conduc » R + j L w}

_{- Lois empiriques des conducteurs classiques avec F en MHz}

_{• plan de cuivre d 'épaisseur e en mm}

_{RBF()=17,2/e}

_{ZHF()=370F}

_{• fil cylindrique de diamètre d en mm et de longueur L en m}

_{RBF (m) = 22 L/d²}

_{ZHF () = 1,25 L [Ln(L/d) + 0,64] F}

_{Avec L=0,4ln(2s/d) H/m (s<2L) L=0,2ln(4L/d) H/m (s>2L)}

_{• piste de cuivre de 35µm d 'épaisseur, de longueur L en mm et de largeur W en mm}

_{RBF (m) = 0,5 L/W}

_{ZHF () = 1,25 L [Ln(L/W) + 1,2 + 0,22W/L] F}

_{(piste 1mm de largeur, L1H/m)}

_s

e=1mm

e=35um

W=10mm

W=1mm

=0,8 mm

=6,5 mm

Exercice 1

Quelle est la différence de potentiel entre les 2 points distants de 10 cm d'une piste de circuit imprimé de 1 mm de large parcourue par un courant de 1 A à la fréquence de 10 MHz?

Exercice 2

Sur une carte simple couche, la distribution des tensions et masses est faite par des pistes de 1mm de large. Un des boîtiers comporte 4 portes HCMOS synchrones de l'horloge. Au moment des commutations logiques, le courant transitoire est de 12 mA par porte, avec un temps de montée de 3,5 ns. Si aucune précaution n'est prise, quelle est la tension parasite sur une piste 0V (largeur 1mm, longueur 100mm) lorsque ce courant retourne à la source de tension 5V? (L1H/m)

Exercice 3

Pour mesurer la température d'un corps, on utilise un capteur qui transforme la différence de température en une tension électromotrice. La sensibilité du capteur, dans le domaine de travail, est de 100 V/°C. Le signal issu de ce capteur est amplifié par un ampli non inverseur qui absorbe de la source d'alimentation un courant de 5mA.

Que se passe t'il si la masse est connectée au point A? (rAB=0,1)

Quelle est l'erreur faite sur la mesure

A

B

+12

+

-

capteur

R

R

Z_{HF () = 1,25 L [Ln(L/W) + 1,2 + 0,22W/L] F}

_i

Couplage par Capacité « effet de main »

Ct : capacité totale de la carte /masse

Ct = Ci + Cp avec Ci = 35 D et Cp = 9 S/H

Ci: capacité intrinsèque en pf (D : diamètre du disque ou diagonale de la carte en m)

Cp : capacité plane en pF

Cv=Ct. r : pourcentage de perturbation reçue par la piste victime considérée

En cas de variation de la ddp entre la carte et son environnement (la masse), une piste victime reçoit directement un courant

I=2.f.Cv.U

Couplage inductif - Couplage Champ à boucle

En général, la boucle étant fixe, la variation du flux est produite par une variation du champ magnétique, donc par une variation d'un courant perturbateur ip

• Réduction du couplage

- action sur la victime

• réduire S ou S apparente

• limiter les boucles en rapprochant les conducteurs aller et retour et les câbles de masse

• réorienter les câbles par rapport au champ

- action sur la source• réduire dB/dt

- action sur le couplage

• séparer les fils coupables et victimes

• écran magnétique

• blinder les équipements sensibles

• filtrer les perturbations

Étude de la propagation sur les lignes de transmission

Équations de propagation

Étude en régime sinusoïdal

Solution des équations

Relation :

Impédance d 'entrée d 'une ligne fermée par Zl

V(0)

I(o)

V(l)

I(l)

z

0

l

Zl

l

/4

Im[Zeco]

3/4

Im[Zecc]

/4

/2

3/4

l

Coefficient de réflexion - TOS

i1

i2

V

Couplage par diaphonie inductive

• Réduction du couplage

- action sur la victime

• réduire S de la boucle victime en plaçant le fil retour proche du fil aller • blinder le fil victime

- action sur la source

• réduire di/dt (ferrites sur câbles sensibles) blinder le câble perturbateur

- action sur le couplage

• séparer les fils coupables et victimes • croiser les fils • installer des écrans

Couplage par diaphonie capacitive

effet d 'une tension variable entre un conducteur et son voisin quand deux conducteurs sont parallèles sur une longueur importante

• Réduction du couplage

- action sur la victime

• choisir les diélectriques d'enrobage des fils pour diminuer r, C

- action sur la source

• réduire dV/dt dans la paire coupable

- action sur le couplage

• séparer les fils coupables et victimes • croiser les fils • blinder les câbles sensibles

eg1

Rg1

C12

Rc2/2

Vp2

eg1

Rg1

C1

Rc1

C12

Rg2

C2

Rc2

Vp2

V1

V1

Tension parasite

4 premiers conducteurs utilisés

2 premiers et 2 derniers conducteurs utilisés

Perturbation d'un signal de 50KHZ par horloge 1MHz, amplitude 5V

C1b

C2b

C1

Rc1

Rg2

Rc2

V2bm

Rb/2

C12

Rg2

C2

Rc2

Vp2

Us

C2b

Rb/2

Rc2

V2md

Vmc

Rb/2

Rg2

Blindage raccordé d'un seul côté :

Le raccordement des blindages

Blindage raccordé des deux côtés :

• Inefficace en HF pour couplage inductif
• Efficace en BF pour couplage capacitif, peu en HF

• Efficace en HF pour couplage inductif
• Inefficace pour couplage capacitif si reseau de masse non equipotentiel

Solution privilégiée tout de même

Paradiaphonie - Télédiaphonie

Courant perturbateur

Couplage capacitif

Courant perturbateur

Couplage inductif

l

Vcp

Rc

Rg

Is

eg

télédiaphonie

paradiaphonie

Permittivité du vide

+q

-q

r

I

.

P

Champ Electrique - Champ Magnétique

µ_{o = perméabilité magnétique du vide}

_=410^-7

^{= 1.256 10-6 H/m}

^{B=H H(A/m)}

^{Cas statique - grandeurs constantes}

Le champ magnétique B produit par un courant I circulant dans un conducteur rectiligne de longueur infinie, à une distance d du conducteur, vaut, d'après la loi d'Ampère:

Où o est la perméabilité magnétique du vide

Et _{r est la perméabilité relative du matériau par rapport au vide}

_{r vaut 1 pour l'air et la plupart des matériaux}

_{r vaut 98 pour l'acier}

_{r vaut 30 000 pour le Mumétal (74% nickel, 20% fer, 5% Cuivre, 1% chrome)}

_{r vaut 10 ... 100'000 pour les matériaux ferromagnétiques, le nickel et quelques autres}

_B

_I

_d

_{Champ Magnétique}

Champ Electromagnétique

Direction propagation

I

P

E

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