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La compatibilité électromagnétique (CEM)

Généralités

Lors de la conception et de la réalisation d’un système il convient de tenir compte des perturbations et de prévoir les méthodes permettant de réduire suffisamment leur influence de manière à assurer un fonctionnement sûr dans tous les cas d’utilisation. De même il faut éviter que le système développé  produise trop de perturbation dans son environnement. Enfin à l’intérieur de l’équipement une partie du système peut perturber d’autre plus sensible. A cet effet la CEM revêt un triple aspect:

  • Ne pas produire d’interférence dans un autre système
  • Ne pas subir d’interférence de l’environnement
  • Ne pas interférer avec lui-même

Ici l’interférence désigne une perturbation provoquant des erreurs ou une panne du système.


Aspect généraux de la CEM

Lors de l’analyse d’un problème de perturbation électromagnétique on constate que le problème englobe 3 éléments: Une source de perturbation qui émet de l’énergie électromagnétique; Un canal de couplage au travers duquel l’énergie de cette perturbation se propage; et enfin un récepteur qui capte cette énergie, le traite, la superpose à sa fonction normale.
Si la perturbation est trop élevée et provoque des interférences alors récepteur devient une victime.

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Si la transmission se fait à travers les ondes électromagnétiques dans l’air (mode rayonné), elle peut également se faire à travers les fils et les câbles de liaison, soit directement de l’émetteur à la victime soit par conduction sur une partie du trajet. On peut noter ici 3 moyens de réduire ces perturbations à un niveau acceptable.

  • Supprimer ou réduire des émissions de la source
  • Agir sur le canal de couplage pour minimiser la transmission de la source à la victime
  • Rendre la victime insensible à la perturbation

Mise à part le blindage qui consiste à placer l’émetteur ou le récepteur dans une enceinte métallique qui aurait pour effet de réduire le couplage des perturbations. On peut également agir sur le domaine de fréquence considéré: les filtrages et les circuits de découplage tendent à ne laisser passer que les signaux utiles empêcher la propagation des perturbations.


Le constat que le couplage de perturbation peut se faire rayonnement ou par conduction dans les câbles e que tout équipement peut être selon les circonstances émetteur ou récepteur de perturbation nous conduit à établir une échelle de la CEM.

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Lors du blindage qui est une protection « rayonnée » on évalue l’efficacité de ce dernier (blindage) en mesurant en dB l’atténuation du champ électromagnétique qui règne dans l’équipement protégé par rapport au même équipement dépourvu de blindage.

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l: la dimension de l’équipement.


Normes de la CEM

Dans la quantité des normes existantes, il convient de distinguer deux catégories:

  • Les normes de base ou générique qui donnent les limites et les méthodes de base applicable de manière générale à tous les équipements
  • Les normes spécifiques à une catégorie de produit

Les normes génériques sont au nombre de quatre et devient séparément l’immunité et les émissions pour deux catégories de produit.
La première norme EN 61000-6-1 immunité pour les zones résidentielles, commerciales et d’industrie légère.
EN 6100-6-2 immunité pour les zones industrielles
EN 61000-6-3 émission pour les zones résidentielle, commerciales et d’industrie légère
EN 6100-6-4 émission pour les zones industrielle
EN : Normalisation Electromagnétique


Couplage des perturbations

L’analyse d’un rayonnement électromagnétique se fait par résolution des équations de MAXWELL.

  • Longueur d’onde: Chemin parcouru par l’onde dans une période dans l’air.

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  • L’impédance d’onde ZW: Rapport entre le champ électrique E et le champ magnétique H. ZW=E/H
  • L’impédance du vide:

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  • Constante de phase ß0:

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  • La distance à la source r: Distance entre la source et le point mesure (la victime). r(m)

Rayonnement d’un dipôle ou dipôle Hertzien

Un dipôle Hertzien est un petit conducteur de longueur dl supposé très petit et parcouru par un courant d’intensité I. La résolution des équations de MAXWELL qui se fait avec le dipôle dans l’axe vertical nous conduit au résultat suivant en coordonnée sphérique.

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Nous n’utiliserons ces équations que pour déduire le comportement du dipôle en champ lointain:

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et en champ proche:

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Exercice d’application

Faire des simplifications dans les équations précédentes pour trouver Eo, Hø, Er, ZW en champ proche et en champ lointain.

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Zw>Z0: On parle de champ à haute impédance.

Représentation du champ électromagnétique en fonction de r:

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Rayonnement d’un dipôle magnétique: cas d’une petite boucle de courant

Soit une petite boucle de courant de rayon

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Parcouru par un courant I et placé dans un plan horizontal au tour d’une origine. Cette boucle crée un moment magnétique M proportionnel à la surface de la boucle tel que:

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Il est question ici de calculer les champs rayonnés par la boucle à une distance r de son plan.

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Blindage contre les perturbations rayonnées

On définit le blindage comme étant l’atténuation du champ électrique ou magnétique que le blindage respectif est capable de réaliser. L’efficacité d’un blindage s’évalue en mesurant en dB l’intensité du champ électromagnétique qui règne dans l’équipement par rapport au même équipement dépourvu de blindage.
SEH = 20logE/Eb
SEH = 20logH/Hb
E et H intensités des champs sans blindage
Eb et Hb intensité du champ avec blindage

But du blindage

Un blindage ou encore écran électromagnétique est une enveloppe conductrice qui sépare l’espace en deux régions, l’une contenant des sources de champ électromagnétiques et l’autre non.
Son but est d’une part de contenir les émissions rayonnées à l’intérieur de l’enceinte blindée et d’autre part d’exclure des émissions rayonnées à l’extérieur de l’enceinte. Le matériau de blindage peut être le cuivre, l’aluminium ou l’acier de très forte densité et d’épaisseur très faible pour des raisons pratiques.

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Réflexion et transmission d’une OEM dans un blindage

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Il faut également rappeler que l’objectif d’un blindage est soit de protéger les circuits placés à l’intérieur de l’enceinte contre les champs électrique et magnétique externes, soit de confiner les champs générés par les circuits à l’intérieur de l’enceinte évitant ainsi tout rayonnement sur les victimes externes.

Impédance caractéristique d’un milieu

En réalité l’impédance d’un milieu est le rapport entre le champ E et le champ H et se calcule en tenant compte des paramètres du milieu par la relation:

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Dans la pratique on exprime les propriétés des blindages par rapport à celle du cuivre d’où leur conductivité et leur perméabilité relative.

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Efficacité du blindage

S = 20logEi/Et (dB)
S = 20logHi/Ht (dB)
L’efficacité intrinsèque d’une blindage (car l’efficacité réelle dépend non seulement de la qualité du matériau utilisé mais des ouvertures utilisées pour le passage des câbles) est déterminé par trois termes:

  • L’atténuation par réflexion à l’entrée du blindage
  • L’absorption dans l’épaisseur du blindage
  • L’effet des réflexions multiples engendrées par la réflexion à la sortie du blindage

Atténuation par absorption (Sa)

L’amplitude d’une onde décroit exponentiellement lorsqu’elle traverse un milieu donné, on parle de perte ohmique provoquant une dissipation de chaleur.
§ = profondeur de pénétration
E(x) = E0e-t/§
§ : la distance à laquelle l’onde a été atténuée d’un facteur donné. Elle dépend de la fréquence de la dite onde de la perméabilité et de la conductivité.
E1r = (Z1-Z2)E1/(Z1+Z2) E2t = 2Z2E1/(Z1+Z2)
H1r = (Z2-Z1)H1/)ZZ1+Z2) H2t = 2Z1H1/(Z1+Z2)

Dans le cas d’un blindage il y’a deux interfaces: de l’air dans le blindage puis du blindage dans l’air après atténuation par absorption dont les intensités transmises du côté de l’air par l’onde incidente Ei et de l’autre côté du blindage par Et

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Cas d’un couplage capacitif ou champ proche en haute impédance

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Couplage inductif : basse impédance

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2 décembre 2021
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