Compatibilité électromagnétique

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Compatibilité électromagnétique

Chambre anéchoïque RF utilisée pour les essais CEM (émissions et immunités rayonnées)

La compatibilité électromagnétique (CEM) est l'aptitude d'un appareil ou d'un système électrique, ou électronique, à fonctionner dans son environnement électromagnétique de façon satisfaisante, sans produire lui-même des perturbations électromagnétiques intolérables pour tout ce qui se trouve dans cet environnement.

Une bonne compatibilité électromagnétique décrit un état de « bon voisinage électromagnétique » :

  • limiter le niveau des émissions non désirées provenant de l'appareil, afin de ne pas perturber la réception radio ou les autres équipements ;
  • être suffisamment immunisé envers les perturbations provenant des autres équipements, ou plus généralement de l'environnement.

Les bruits électromagnétiques et radioélectriques sont le résultat de tous les courants électriques induisant une multitude de champs et signaux parasites.

Les diverses réglementations requièrent un niveau de compatibilité électromagnétique à respecter (directives européennes, FCC pour les USA...). Elles ont donc établi des méthodes d'évaluation des perturbations, ainsi que des limites de niveau de perturbation à ne pas dépasser ou à supporter dans un environnement donné.

 

Définitions

CEM

Perturbation électromagnétique : Phénomène électromagnétique susceptible de créer des troubles de fonctionnement d'un dispositif, d'un appareil, ou d'un système ou d'affecter défavorablement la matière vivante ou inerte. Une perturbation électromagnétique peut être un bruit, un signal non désiré ou une modification du milieu de propagation lui-même.

Pollution électromagnétique: La plupart des équipements électriques et électroniques génèrent des champs électromagnétiques perceptibles dans leur environnement; l'ensemble de ces champs créée une véritable pollution qui perturbe parfois le fonctionnement d'autres équipements. Ainsi, il est interdit d'utiliser un téléphone portable dans un avion parce qu'il émet un champ électromagnétique auxquels les systèmes radioélectriques d'aide au pilotage (navigation, décollage / atterrissage) risquent d'être sensibles.

La compatibilité électromagnétique, par extension (ou abus de langage), désigne en outre :

  • les techniques permettant d'obtenir la compatibilité électronique d'un appareil ou d'une installation avec son environnement (règles de conception et de fabrication) ;
  • les techniques permettant de vérifier la réalité de cette compatibilité (simulation numérique, ou via des essais, normalisés ou non).

Compatibilités électromagnétiques (au pluriel): compatibilité entre émetteurs et récepteurs volontaires colocalisés (par exemples, les antennes placées sur un même avion, un même bateau ou un même toit d'immeuble).

 

Émission / Susceptibilité

La compatibilité devant être assurée dans les deux sens, on est conduit à définir deux types de phénomènes :

  • Les émissions (terme choisi par les normes aérospatiales ou similaires) ou perturbations (équivalent dans les normes industrielles) désignent les signaux (volontaires ou non) dont la propagation est de nature à nuire au bon fonctionnement des objets ou à la santé des êtres vivants situés au voisinage,
  • La susceptibilité désigne un comportement d'un appareil, en réponse à une contrainte externe (volontaire ou non, naturelle ou artificielle), jugé incompatible avec une utilisation normale. La susceptibilité est aussi appelé l'immunité.

 

Qu'il s'agisse d'émission ou de susceptibilité (ce n'est qu'une question de direction), le phénomène ne se produit (ou n'est gênant) que s'il y a, simultanément :

  • une « source » (d'un signal parasite) ;
  • une « victime » (vulnérable au signal parasite) ;
  • et un couplage entre les deux.
  • 

Qu'un seul de ces éléments soit absent (et pas nécessairement le couplage, trop souvent le seul pris en considération), et la CEM est restaurée.

La configuration du modèle « source / couplage / victime » dépend de l'échelle à laquelle on le regarde :

  • une source peut être décomposée en une autre source et un couplage : par exemple, l'émission radio d'un microprocesseur est le résultat de la commutation de cellules logiques (source), les métallisation de la puce ainsi que les pistes du boîtier ou du circuit imprimé servant d'antenne pour transformer les transitoires de courant temporels dans chaque cellule individuelle en un champ électromagnétique décrit par un « brouillard coloré » fréquentiel,
  • une victime peut aussi subir ce type de décomposition, mais son critère de susceptibilité varie également selon qu'on « regarde » le composant ou le système : par exemple, pour un même réseau Ethernet, on pourra se focaliser
  • sur la perturbation du niveau logique ou du diagramme de l'œil (associé au composant électronique) falsifiant un bit,
  • sur le risque que les redondances associées au codage de la trame (par exemple en 1000baseT) ne permettent pas de la reconstituer,
  • sur l'acceptabilité ou non de la réduction de bande passante causée par la réémission de trames perturbées (TCP/IP),
  • sur l'intelligibilité des signaux analogiques reconstitués malgré les trames perturbées (VoIP), etc., etc.
  • 

Ce genre de décomposition n'est pas indéfini : on finit toujours par arriver à des sources ultimes (signaux fonctionnels, phénomènes naturels ou intentionnels). Idem pour les victimes. Même à ce stade, on n'est pas totalement démuni… (il est rare de voir un radiotélescope installé dans une zone où les orages sont fréquents).

Afin de caractériser le comportement d'un appareil indépendamment des autres, les couplages sont nécessairement décomposés en deux sous couplage : source/environnement et environnement/victime, c'est pour cela que les normes font appels à différents type d'environnements. Résidentiel et commercial léger ou industriel dans la plupart des cas.

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La propagation d'une perturbation en mode commun est considérée par la plupart des ingénieurs en CEM comme le principal problème de la CEM ! ... ce qui justifie qu'on s'y attarde un peu.

Soit un câble constitué de plusieurs conducteurs, connecté à un appareil électrique ou électronique. Supposons que des champs électromagnétiques extérieurs induisent un courant parasite dans l'ensemble des conducteurs de ce câble. Ce courant entre dans l'appareil victime par ce câble. Remarquons que dans le mode différentiel, il existait dans le câble un conducteur pour le courant « aller » et un conducteur pour le courant « retour ». Ce n'est pas le cas ici : le champ électromagnétique a induit des courants en phase dans tous les conducteurs du câble. Comme il n'y a pas de conducteur de retour de ce courant dans ce câble, il faut se poser la question de savoir par quel chemin le courant de mode commun va se refermer, puisque en principe, un courant parcourt un circuit fermé...

Puisque ce courant est « entré » dans l'appareil, il va nécessairement ressortir de l'appareil :

- par d'autres câbles de l'appareil, s'ils existent.

- par un conducteur de « terre », s'il existe.

- par la capacité entre l'appareil et la « terre », qui existe toujours.

Ce courant, via ces trois chemins possibles va finir par retourner « à la terre ». Il va alors circuler dans la terre, et va revenir pour boucler le circuit, en principe jusqu'à l'autre extrémité du câble considéré. L'extrémité du câble sera l'appareil d'où provenait le câble, par exemple son alimentation, etc. Le circuit est ainsi bouclé.

Ce courant est dit « de mode commun ». Son circuit peut être très grand :

- en longueur, car le câble peut venir de loin. Pensez au réseau EDF....

- en largeur, car le câble peut être haut par rapport au sol.

Donc la surface de ce circuit peut être grande, il en résulte :

- le flux du champ magnétique traversant ce circuit peut être grand,

- la ddp entre les éléments de ce circuit peut être élevée.

Il en résulte que des perturbations extérieures peuvent créer des courants importants dans ce circuit et perturber l'appareil (appareil victime). En effet, ce courant perturbateur qui entre dans l'appareil va, si rien n'est fait, traverser la carte électronique et perturber les circuits électroniques qu'elle comporte.

Nous avons considéré jusqu'à maintenant que l'appareil était victime. Imaginons que ce soit l'appareil lui-même qui génère une perturbation dans ce circuit, par exemple en générant un courant RF sur son câble . Ce courant va circuler dans le circuit de mode commun cité plus haut. Comme ce circuit est très grand, il va jouer le rôle d'une antenne, et créer des perturbations très loin. L'appareil sera un perturbateur important.

Pour réduire les effets de ces perturbations de mode commun, que l'appareil soit victime ou perturbateur, l'appareil doit être convenablement traité au niveau de la connectique d'entrée, par les techniques appropriées de protection CEM. Par exemple, on imposera aux courants qui entrent par chaque conducteur du câble d'aller directement à la masse de l'appareil, et d'éviter ainsi de passer par les fonctions de la carte. Il est préférable aussi de relier la masse de l'appareil à la terre, ou au plan de masse (voir plus loin). Ou bien, on tentera d'empêcher ces courants d'entrer dans l'appareil, en enfilant dans le câble un tore de ferrite dit « suppresseur de mode commun ». On peut aussi blinder l'ensemble des conducteurs du câble, et connecter le blindage à la masse de l'appareil, à l'arrivée du câble. Le courant de mode commun, qui passe uniquement à la surface extérieure du blindage, est ainsi dérivé vers la masse, et ne traverse plus la carte électronique.

Nous avons considéré jusqu'à maintenant que le retour du courant de mode commun se faisait par la « terre ». Dans les systèmes complexes, on trouve souvent un plan de masse commun aux différents appareils (bancs de mesures de laboratoires, véhicules, etc.) C'est évidemment alors ce plan qui tient lieu de « terre ». On peut dans ce cas réduire les perturbations de mode commun en maintenant les câbles d'entrée le plus près possible du plan de masse du système, afin de réduire la surface de la boucle de mode commun.

Nous avons traité le problème du mode commun en considérant les courants. Dans la littérature technique, on considère parfois non pas les courants, mais les tensions de mode commun. Ces tensions sont présentes entre les conducteurs du câble, et la « terre ». C'est évidemment un point de vue dual.

On rencontre des problèmes de mode commun même pour les fréquences de plusieurs centaines de mégahertz. On peut même dire que ce sont les problèmes qui se sont le plus multipliés depuis le foisonnement des émissions radioélectriques. Sur ces fréquences élevées, on notera simplement une différence en ce qui concerne la boucle de mode commun: Comme cette boucle est souvent de dimensions supérieures à la longueur d'onde, il ne faut plus tenir compte de la surface de la boucle, mais considérer tout simplement que le câble qui entre dans l'appareil est une antenne qui capte les rayonnements perturbateurs. La protection en mode commun de la victime consistera toujours à empêcher ces courants d'entrer sur la carte électronique. Si l'appareil est considéré comme perturbateur, on évitera que les courants internes ne sortent de la carte.

La foudre

Article connexe : foudre.

Avec la foudre, on ne quitte pas le domaine de la triboélectricité, on change simplement d'échelle. Un cumulo-nimbus, c'est plusieurs kilomètres cubes d'un mélange d'air, de vapeur d'eau, de gouttelettes et de particules de glace, le tout brassé par des courants violents. Après quelques dizaines de minutes de ce régime, la quantité de charge cumulée est colossale. Ces charges sont réparties « au petit bonheur » dans des « poches » positives ou négatives, créant des différences de potentiel se chiffrant en mégavolts. Pour compléter le tableau, les poches situées dans la couche la plus basse créent, sur le terrain (conducteur) survolé, des zones chargées par influence, de signe opposé.

Quand le champ électrique est suffisamment élevé, une ou plusieurs poches (+ le sol) se déchargent mutuellement. Cela peut se produire

  • soit parce que, de manière aléatoire, le rayon de courbure local d'une poche de charge est assez réduit pour atteindre le champ d'ionisation de l'air à l'altitude considéré, ce qui déclenche, de proche en proche, une sorte de « réaction en chaîne »,
  • soit parce qu'un conducteur (avion, fusée, qu'il s'agisse d'Ariane ou d'une fusée « anti-foudre ») se promène dans le coin, avec pour effet :
  • de diminuer la distance isolante entre poches de charges (donc, d'augmenter le champ électrique sur la distance qui reste),
  • d'introduire des équipotentielles (bien forcé, s'il s'agit d'un conducteur…) à faible rayon de courbure (oui, c'est cela, des pointes).
  • 
Du coup, pour peu que le champ initial soit assez élevé, on est quasi-certain de déclencher une ionisation se transformant en foudroiement (on parle de foudre « déclenchée »).


Dans un cas comme dans l'autre, il faut se souvenir que la foudre est un processus naturel complexe, faisant intervenir aussi bien les lois de l'électrostatique, de l'électromagnétisme, de la thermodynamique, de l'aérodynamique, etc., etc. Il existe des modèles relativement satisfaisants du phénomène, à 1, 2 ou 3 dimensions. Et des photos de foudroiement réel qui montrent des choses beaucoup plus compliquées.

Revenons au foudroiement d'un avion de ligne, phénomène qui se produit à peu près toutes les 2000 ou 3000 heures de vol. Le « scénario de base », qui se produit « souvent » est le suivant :

  • l'avion met le nez dans une zone à champ élevé, c'est donc le nez qui est foudroyé (en premier) ; de haut en bas ou de droite à gauche, ou tout intermédiaire, dans le sens de votre choix : tout dépend de la position des « poches » de charges au départ et, donc, de l'orientation du champ électrique,
  • durant les dizaines ou centaines de millisecondes qu'il faut pour « vidanger » les « poches » de charges, éventuellement avec des à-coups (on n'a jamais prétendu qu'une poche de charges était quelque chose d'homogène à l'instant t…), le canal de plasma servant à écouler le courant de foudre est soumis à de multiples influences, les principales étant :
  • le champ magnétique produit par le courant de foudre tend à augmenter tout rayon de courbure local et, donc, à déstabiliser, déformer, voire éclater le canal (ce champ est d'ailleurs mis à profit de cette façon dans un très astucieux type de bandes parafoudres),
  • le gradient de température, qui tend à recentrer le courant « là où il fait chaud », tout déplacement physique du canal devant se payer d'un chauffage du nouveau trajet (et d'un refroidissement de l'ancien) ;
  • 
le courant est donc instable, mais avec une inertie importante ;

 

Autres décharges électrostatiques

Si des charges électrostatiques s'accumulent sur un objet isolé, il pourra survenir une décharge électrostatique dès que le potentiel de cet objet atteindra une certaine valeur : il y aura décharge entre cet objet et un autre objet de son environnement. L'air lui-même contient des charges: Les petites charges, constituées par des ions légers, sont dues à l'ionisation des molécules gazeuses par le rayonnement UV du soleil. Des charges plus grosses sont constituées par des poussières chargées, ou par des gouttelettes d'eau chargées. Ainsi, un objet qui se déplace dans l'air peut récupérer ces charges, ce qui va faire monter son potentiel électrostatique par rapport à son environnement. Même un objet immobile mais isolé pourra récupérer des charges, si l'air se déplace. Pour toutes ces raisons, il arrive souvent qu'un objet demeuré isolé pourra générer une décharge électrostatique avec son environnement immédiat (isolateurs...). Si l'objet fait partie d'un appareil électronique, la décharge pourra avoir lieu à travers un condensateur d'isolation, et détruire ce dernier. C'est pour cette raison que les antennes des systèmes de télécommunications ne sont jamais parfaitement isolées en continu, et que les tests CEM sont également appliqués aux antennes des terminaux radio.

  • essais d'immunité aux champs électromagnétiques rayonnés :
  • Les autres équipements électroniques et les émetteurs intentionnels produisent des champs électromagnétiques. L'équipement sous test doit fonctionner normalement lorsqu'il est soumis à ces champs électromagnétiques.

    Tous les produits comportant de l'électronique sont concernés par les obligations des directives en matière de CEM, les matériels mis sur le marché européen (peu importe qu'ils soient vendus, donnés, prêtés…) doivent recevoir un marquage CE, attestant la conformité aux exigences découlant de toutes les directives européennes applicables, dont la directive CEM.

    Du point de vue de la directive CEM, les installations fixes, non soumises au marquage CE, doivent néanmoins apporter les mêmes garanties que celle qui y sont soumises.

    En outre, il existe d'autres marquages :

    • le sigle VDE allemand, bien qu'officiellement obsolète (remplacé par le marquage CE), conserve un certain prestige sur son marché,
    • l'industrie automobile a développé son propre marquage
    • le marquage américain FCC fait l'objet d'une reconnaissance réciproque (il est équivalent du CE pour les questions d'émissions CEM, mais pas pour les questions d'immunité CEM).

    Matériels aérospatial ou militaire

    Les matériels montés sur avions font l'objet de certifications reconnues au niveau mondial (FAR/JAR), ainsi que d'exigences particulières des avionneurs, vérifiées sous le contrôle de ces derniers (après tout, ce sont eux qui auront leur nom dans les journaux en cas d'ennuis). La certification se substitue au marquage CE. Par contre, le matériel aéronautique restant au sol est marqué CE comme le matériel industriel « ordinaire » qu'il est.

    Exigences particulières aussi pour les engins spatiaux et le matériel militaire. Si le statut des premiers est clair (le pouvoir de la commission de Bruxelles est soumis à la pesanteur…), l'exemption des seconds (dans la plupart des pays d'Europe) vient d'une des clauses du traité de Rome, autorisant un gouvernement à ne pas appliquer une décision communautaire au matériel militaire. En France, cette décision, portant sur la seule directive CEM « ancien modèle » (obsolète en 2007) est matérialisée par une circulaire interministérielle, qui n'a, semble-t-il, jamais été notifiée à la commission de Bruxelles.

     http://fr.wikipedia.org/wiki/Pollution_%C3%A9lectromagn%C3%A9tique

    La pollution électromagnétique (également nommée smog électromagnétique) est un concept physique décrivant l'exposition excessive d'êtres vivants, ou d'appareils, à des champs électromagnétiques. Ce phénomène dépend essentiellement du niveau de champs électromagnétique, de la fréquence, et de la durée d'exposition.

    Le terme de pollution est employé car les champs électromagnétiques sont soupçonnés, pour les espèces vivantes, d'être un facteur de perturbation, d'affecter leur santé ou leur reproduction, ou encore d'être un facteur de fragmentation écopaysagère. Cette question fait l'objet de controverses et n'est pas tranchée, notamment en ce qui concerne les impacts sur la santé, lors d'une exposition chronique à des champs de relativement faible niveau.

    Cet article traite des champs électromagnétiques du spectre de fréquence DC - 300GHz (champs continus et radiofréquence). Les pollutions dues aux rayonnements ionisants et à la pollution lumineuse ne sont pas traitées dans cet article.

    Définitions

    Article connexe : Électromagnétisme.
    Une partie du public et des chercheurs s'interroge sur d'éventuels effets synergiques ou d’interactions entre les champs électriques et/ou magnétiques envers l’environnement et la santé
    • Champ électromagnétique : Champ produit par des objets chargés électriquement. Celui-ci est la résultante des composantes électriques et magnétiques du champ. Le niveau d’intensité de champ électromagnétique est généralement exprimé en V/m, ou en A/m lorsqu’il est purement magnétique.
    • Compatibilité électromagnétique : Aptitude d’un appareil de ne pas émettre de perturbations conduites ou rayonnées susceptibles de perturber les équipements situés dans son environnement, ainsi que de supporter des perturbations conduites ou rayonnées produites par les équipements situés dans son environnement.
    • Émetteur volontaire : Équipement dont sa fonction est d’émettre un champ électromagnétique dans un but de télécommunication (Émetteur TV, Émetteur radio, téléphonie mobile…), ou d’action sur la matière (four à micro-onde, plaque à induction…).
    • Émetteur involontaire : Équipement dont sa fonction n’est pas d’émettre un champ électromagnétique. Cet équipement produit des perturbations inhérentes à son fonctionnement et provenant de ses composants (fréquences d’horloge, commutations d’énergie, circulation de courant fort, tensions élevés…). Un émetteur volontaire est considéré comme émetteur involontaire lorsqu’il émet en dehors de sa bande de fréquence autorisée.
    • Rayonnement : Action d’un appareil émettant un champ électromagnétique. Un rayonnement se produit par effet d’antenne, capacitif ou d’induction.
    • Perturbation électromagnétique : Signal, volontaire ou non, rayonné ou conduit, pouvant provoquer un dysfonctionnement d’un équipement.
    • Pollution électromagnétique : Signal rayonné, volontairement ou non, pouvant provoquer une perturbation envers un équipement, ou susceptible de dégrader la santé des personnes ou la nature.
    • spectre électromagnétique : ensemble de la gamme de fréquence couverte par les ondes électromagnétiques. Les fréquences traitées dans cet article vont de 0Hz (continu) à 300GHz (limite de l’infrarouge), couvrant les basses fréquences (inférieur à 9kHz), les ondes radio dont les micro-ondes (300MHz à 300GHz) :

     

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