Cours Introduction à La CEM ISIMM 2023 [PDF]

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Université de Monastir ***** INSTITUT SUPERIEUR D’INFORMATIQUQE ET DE MATHEMATIQUES DE MONASTIR

Introduction à la Compatibilité Electromagnétique (CEM) ING1 Spécialité: Électronique Option: Microélectronique Mourad BAIRA – ISIMM 2015

Qu’est ce que la C.E.M. ?

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

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Qu’est ce que la C.E.M. ?

Au départ Possibilité d’un appareil de fonctionner correctement en présence d’un autre appareil ou d’un parasite externe. Cohabitation lignes fort niveau (STEG, …) / bas niveau (liaisons informatiques)

Par extension L’ensemble des techniques qui traitent de ces propriétés.

Les perturbations d’énergie E.M.

Le moyen de s’en protéger

Vaste domaine Mourad BAIRA – ISIMM 2015

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Autre définition

C.E.M. : Aptitude pour un matériel de fonctionner de manière satisfaisante dans son environnement électromagnétique et sans introduire de perturbations intolérables pour l’environnement ou tout autre matériel. Un système « électromagnétiquement compatible » respecte 3 critères : - Il ne produit aucune interférence avec d’autres systèmes - Il n’est pas susceptible aux émissions d’autres systèmes - Il ne produit aucune interférence avec lui-même.

Environnement Susceptibilité

Système électronique

Environnement Rayonnement parasite

Autoperturbation

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Décomposition D’un problème de C.E.M.

Source

Couplage

Victime

On parle d’interférence lorsque l’énergie transmise dépasse un niveau critique qui entrave le bon fonctionnement du ‘récepteur’.  3 moyens de protection contre les interférences : - Supprimer l’émission à la source. - Rendre le couplage le plus inefficace possible. - Rendre le récepteur moins susceptible aux émissions.

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Quelques définitions C.E.M. en réception … Immunité E.M.

Aptitude d’un équipement à résister à une perturbation E.M. Niveau d’immunité : valeur maximal d’une perturbation tolérable

EEM

Perturbation E.M. Signal indésirable qui se superpose à un signal utile. Dégradation des performances.

Marge d’immunité

N in ) M = 20. log10 ( EEM %

N in

Il y a Compatibilité E.M., si M > 0 dB En générale fluctuations  il faut laisser une marge de 10 →20 dB marge de compatibilité

100%

marge d’immunité marge d’émission probabilité de générer ce niveau de perturbation limite d’émission

probabilité d’être gêné par ce niveau de perturbation

limite d’immunité niveau de compatibilité

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niveau de perturbation en dB 6

Résolution d’un problème C.E.M.

 Évaluation de l’environnement électromagnétique (parasites externes / parasites internes)  Modes de couplage avec les structures  Dans quelle mesure les éléments sensibles supportent la perturbation? - dysfonctionnement gênants ?  Définition d’une protection adaptée des éléments sensibles ou des installations - niveau de protection ?  Intégration du problème C.E.M. dès la conception des systèmes - mise en place de NORMES

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Normalisation en C.E.M. Normalisation : ± ensemble de processus qui permettent de donner à des documents de référence le statut de norme et de les publier.

Niveau mondial : ISO : International Organisation for Standardisation Partie électrique  CEI : Commission Electrotechnique International Niveau européen : CEN : Comité Européen de Normalisation Partie électrique  CENELEC : Comité Européen de Normalisation Electrique Niveau français : AFNOR : Association Française de Normalisation Partie électrique  CEF : Comité Electrotechnique Français Niveau Tunisien : INNORPI : Institut National de la Normalisation et de la Propriété Industrielle Partie électrique  CET : Comité Electrotechnique Tunisienne (17 octobre 2007) Mourad BAIRA – ISIMM 2015

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Normalisation en C.E.M.

Objectifs d’une norme : répondre aux besoins du marché. éliminer les obstacles à la libre circulation des produits. Quatre types de document :  Les publications fondamentales (normes ou rapports). donnent des règles pour effectuer les mesures normatives, proposent une série de critères d’acceptabilité.  Les normes génériques. concernent un environnement particulier. deux environnements : ➘ domestique, commercial, industrie légère. ➘ environnement industriel. pour les méthodes d’essais ➘ références aux normes fondamentales.  Les normes de familles de produit. Les normes de produit. Mourad BAIRA – ISIMM 2015

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Méthodologie d’étude d’un problème CEM Identification du ou des perturbateurs Mécanismes de couplages Détermination des niveaux de couplage

Perturbations? oui Définition de protections

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non OK

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Inconvénients liés à la méthodologie Coût de la protection "à postériori" important. Exemples:

-Blindage des câbles -Routages de cartes -…

Nécessité d'une simulation théorique pour évaluer les niveaux de couplage

Prise en compte du problème C.E.M. dès la conception

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Intervention CEM

On estime que si la CEM est prise en considération : - à la conception  coût majoré de 5%. - après la construction du prototype  coût majoré de 50%. - quand le produit est sur le marché  coût majoré de 100%. % 100%

phase de conception moyens techniques

phase de production

phase de test

coût

Développement du produit, échelle du temps

La situation a changé d’une manière sensible dans ces dernières années Mourad BAIRA – ISIMM 2015

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Nouvelle méthodologie Suivre la progression de la perturbation → décomposition d'un système en sous systèmes. Modélisation de la structure

Champ interne, courants parois calculs tridimensionnels

Couplage avec les câbles

Modélisation de torons de câbles

Pénétration de la perturbation dans les boîtiers

Conduction / rayonnement connectique

Couplage sur la carte

Modélisation des pistes

Parasites sur les composants

C.E.M. du composant

Analyse descendante Remarque : Analyse ascendante rayonnement parasite Mourad BAIRA – ISIMM 2015

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Modes de couplage de parasites avec un véhicule Champ parasite

Perturbations induites sur le véhicule : - Courant sur les parois métalliques → propagation vers les éléments sensibles - Pénétration par les ouvertures - Pénétration par diffusion à travers les parois - Couplage avec les aériens (antennes) Mourad BAIRA – ISIMM 2015

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Mesure du couplage onde / véhicule

Illumination du véhicule par une antenne

Création de champs parasites dans le véhicule

Mesure

des densités de courant des champs internes des courants sur les torons de câbles des tensions parasites aux bornes des équipements

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Test CEM

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Test CEM

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Test CEM

Flying laboratory Mourad BAIRA – ISIMM 2015

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Besoins en modélisation numérique Logiciel d’analyse : - Calcul de la propagation des parasites sur les pistes - Détermination des tensions parasites aux bornes des équipements - Rayonnement dans le boîtier et recouplage - Rayonnement des éléments actifs

Étude de la sensibilité face aux variations des paramètres

Logiciel d'optimisation

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Choix d’une méthode de modélisation

Maillage F.D.T.D. 4 millions de mailles

Maillage volumes finis 80 000 mailles

Gain d'un facteur 3 en temps de calcul à performance égale

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Susceptibilité d’une liaison entre équipements

Couplage conduit : Propagation des parasites et pénétration dans le boîtier.

Couplage rayonné : Couplage champ / câble. Pénétration par les ouvertures. Couplage au niveau de la connectique.

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Pénétration de parasites conduits dans un boîtier

Difficultés de l'étude théorique : Accroissement de la densité de pistes Augmentation des fréquences d'horloge Cartes multicouches

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Pénétration de parasites conduits dans un boîtier Couplage par diaphonie entre pistes

Pénétration par les masses

Masse électrique Masse mécanique

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RLC

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Problèmes C.E.M. à l’échelle des composants

Susceptibilité des composants : Aux parasites rayonnés.

Aux parasites conduits.

supplier

L'alimentation propage les parasites

Un parasite électromagnétique arrive sur le composant

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Mesure de la susceptibilité d’un composant

Agression directe du composant : Mesures des dysfonctionnements

Injection par pince :

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Problèmes CEM à l’échelle du composant

Émissions parasites : Liées à l'activité interne du composant (plusieurs milliers d'éléments logiques).

Activité d'un microcontrôleur 16 bits sur un cycle de 125 ns.

Émission parasite conduite à travers les lignes d'alimentation. Mourad BAIRA – ISIMM 2015

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Activités liées à la CEM • Activités de recherche et développement menées en milieu universitaire et industriel - la proposition de modèles théoriques ; - le développement de techniques moins « polluantes » ; - le perfectionnement des méthodes d’évaluation et des systèmes de métrologie. • Activités liées à l’évaluation du comportement des appareils : - mesures de CEM en phase de développement des produits, il s’agit surtout d’unités spécialisées au sein des fabricants de matériels et qui effectuent l’essentiel des tests pour les besoins de leurs services de recherche et développement ; - mesures de CEM en phase de qualification : ce sont en particulier les laboratoires spécialisés qui agissent pour le compte des entreprises préparant la mise sur le marché de leurs produits. • Activités de réglementation et de surveillance, activités juridiques. En relation avec de nombreux partenaires issus des instances publiques, des milieux professionnels (par exemple des groupements interprofessionnels de constructeurs), des experts… il s’agit : - de proposer de nouvelles dispositions aux organismes de normalisation, - de faciliter l’adaptation et l’harmonisation au plan européen des textes réglementaires. A cela s’ajoutent toutes les activités juridiques inhérentes à l’application de la réglementation et au traitement des situations particulières des assujettis vis à vis de la réglementation. • Activités liées à la formation et à l’enseignement.

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Thèmes liés à la CEM

 Méthodes Numériques  Effets Biologiques et Dosimétrie  Protection et Blindages  CEM des Systèmes Complexes  CEM des Transports : Avionique Automobile Ferroviaire  Câblage et Lignes de Transmission : Aéronautique et Spatial Méthodes Numériques Courants Porteurs en Ligne Méthodes de Mesure  Chambres Réverbérantes à Brassage de Modes  Intégrité du Signal  Électronique de Puissance  Techniques de Mesure en Champ Proche  Moyens d’Essai  CEM des Composants

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Définition

Parasites Les parasites sont des tensions ou des courants variables et indésirables qui sont superposés au signal utile, produit ou traité par un appareillage. Contrairement au bruit de fond qui est une caractéristique physique propre à tout circuit, les parasites sont transférés par le couplage intempestif d’un circuit qui est leur source vers le circuit qu’ils perturbent.

Les perturbations apportées par des parasites ne sont pas inévitables; au contraire, un ensemble de méthodes permet au moins de les minimiser.

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Exemples

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Problèmes de base en CEM Le transfert de l’énergie électromagnétique peut être schématisé en quatre catégories: a) émission par rayonnement

c) susceptibilité au rayonnement

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b) émission conduite

d) susceptibilité conduite

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Classification des sources de perturbations

Suivant leur nature : Naturelles Exemple : - Orages. - Activités solaires - Bruits cosmiques Artificielles (Man made noise) : - intentionnelles (applications militaires) - non-intentionnelles

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Exemples Typiques perturbations dues à des sources de courant : -kAmp : surtensions induites par des court-circuits dans les réseaux à haute tension dans des circuits électroniques. - centaines d'Ampères (électronique de puissance) : les installation de contrôle et de protection des chemins de fer perturbés par les locomotives à thyristors. - dizaines d'Ampères (décharges électrostatiques) : destruction de diodes sensibles. - milliampères : diaphonie perturbations dues à des sources de champ électromagnétique - interférences radio : panne des circuits de contrôle d'un avion due à un émetteur radio puissant ou à des appareils électronique à l'intérieur de l'avion. - effets biologiques : - lignes à haute tension - communication mobile - radars Mourad BAIRA – ISIMM 2015

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Sources de perturbations EM permanentes et transitoires Sources permanentes (fréquence fixe) - Emetteurs radio - Radars - Bruits des moteurs électriques - Communications fixes et mobiles - Ordinateurs, écrans, imprimantes - Redresseurs - Etc. Sources transitoires (large de bande de fréquence) - La foudre - Impulsion nucléaire d’origine orageuse (NEMP : Nuclear Electromagnetic Pulse) - Défauts dans les lignes d’énergie - Interruption de courant (disjoncteurs) - Décharge électrostatique - Etc. Mourad BAIRA – ISIMM 2015

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Moyens d’action contre les problèmes d’interférences

- Mise à la terre - Filtrage - Isolation - Symétrisation (balancing) - Conception du câblage - etc.

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Décibels

Les grandeurs utilisées en CEM sont souvent exprimées en quantité logarithmique dB (décibel). Ceci est dû d’une part au fait que les calculs deviennent plus simples : les produits se transforment en additions et les quotients en soustractions. D’autre part, dans les problèmes d’interférences, il est souvent nécessaire de comparer des signaux de très grande et de très faible amplitudes. Le rapport des amplitudes se transforme alors en leur différence en dB. 2 1 2 2

P1 U /R U1 ) = 20 log10 ( ) r = 10 log10 ( ) = 10 log10 ( P2 U /R U2

U1 (dBµV ) = 20 log10 (U1 ( µV ) )

Grandeur Tension Courant Puissance Champ E Champ H

‘unité’ dBμV dBμA dBm dBμV/m dBμA/m Mourad BAIRA – ISIMM 2015

Valeur de référence 1 μV μA mW μV/m μA/m 36

Modes de propagation

Chemin de propagation par conduction ou par rayonnement

Source Susceptibilité

Champ E champ H Victime

Rayonnement et conduction

Courants parasites

Les perturbations peuvent se propager de deux manières : - soit en conduction (couplage galvanique) - soit en rayonnement (couplage radiatif). Dans le premier cas les perturbations interviennent soit en mode commun (MC) soit en mode différentiel (MD). Dans le second cas les perturbations sont rayonnées sous forme de champ électrique et de champ magnétique. Mourad BAIRA – ISIMM 2015

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Couplages Source

Couplage radiatif

Couplage galvanique Champ proche Couplage capacitif

Couplage inductif

Champ lointain Couplage électromagnétique

Victime Mourad BAIRA – ISIMM 2015

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Rappels d‛électronique Propriétés des systèmes électriques et électroniques Tout système électrique/électronique pour fonctionner nécessite une source de tension continue ou alternative: La source de tension crée une DDP (VA-VB) et un champ électrique E entre les deux potentiels (Faraday).

 V  VA − VB E  = d m La circulation d‛un courant de conduction i crée une excitation magnétique H (Ampère). i  A H =  m  2π d

Les champs E et H forment une onde électromagnétique (onde plane) qui se propage dans l‛espace libre (Maxwell). Tout système électrique alimenté génère des champs électriques, magnétiques et électromagnétiques. Mourad BAIRA – ISIMM 2015

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Rappels d‛électronique

Champ Proche et champ lointain

Les lois de propagation des perturbations varient en fonction que l‛on se trouve loin ou proche de la source d‛émission. Critère de Fresnel

Champ PROCHE

d=

λ 2π

Champ LOINTAIN

λ d< 2π

d>

Le champ E ou H domine en fonction de l‛impédance de l‛antenne.

Zant >377ohms

Les champs E ou H sont couplés et l‛impédance est de 377ohms.

Zant < 377ohms

Faraday,Coulomb,Amper,Lorentz,…

λ 2π

Zant = 377ohms Maxwell,Hertz,Marconi, ,…

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Rappels d‛électronique

Champ Proche et champ lointain

Les lois de propagation des perturbations varient en fonction que l‛on se trouve loin ou proche de la source d‛émission. Les champs E et H évoluent différemment.

E∝

1 E∝ 2 d

1 d3 H∝

1 E∝ 2 d

H∝

1 d2

1 d3

E∝

H∝

1 d

1 d

Zône de Fresnel

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Rappels d‛électronique

Electromagnétisme

Tout conducteur parcouru par un courant I variable dans le temps génère un champ magnétique variable B. Le sens du champ magnétique est donnée par la règle du tire bouchon ou de la main droite.

Du point de vue de la CEM - B est la perturbation. Fil, boucle, … sont des antennes

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Rappels d‛électronique

Electromagnétisme

• Champ magnétique • Champs émis par une boucle - Une boucle possède 3 composantes de champ: champ magnétique radial et tangentiel, champ électrique. - L‛expression de ces champs dépend de l‛angle par rapport l‛axe z. - L‛expression ci-dessous sont données pour une boucle fermée.

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Rappels d‛électronique

Electromagnétisme

• Force Electromotrice Induite •

Un flux d‛induction magnétique traversant une boucle ouverte induit une force électromotrice (FEM) (Faraday):

dΦ e= dt

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Rappels d‛électronique

Electromagnétisme

• Force Electromotrice Induite • Un flux d‛induction magnétique F traversant une boucle fermée induit une FEM (Faraday) • Cette FEM induit un courant qui génère a son tour un flux d‛induction magnétique F1 qui tend a s‛opposer au flux d‛induction ɸ qui l‛a crée (Lenz).

e1 = −

d Φ1 dt

• La fem résultante est la somme des deux fem: E =e +e1

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Electromagnétisme

Rappels d‛électronique

• Force Electromotrice Induite Du point de vue de la CEM - Toute boucle placée à coté de cette boucle émettrice reçoit par induction magnétique: - une tension perturbatrice induite pour une boucle ouverte - un courant perturbateur induit pour une boucle fermée.

C1: circuit inducteur I: courant inducteur C2: circuit induit I2: courant induit dans C2 e: fem induite dans C2

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Rappels d‛électronique

Electromagnétisme

• Champ magnétique

𝝁𝝁𝟎𝟎 . 𝒊𝒊 𝑩𝑩 = 𝟐𝟐𝟐𝟐. 𝒅𝒅

𝝁𝝁𝟎𝟎 = 𝟒𝟒𝝅𝝅. 𝟏𝟏𝟏𝟏−𝟕𝟕 𝑺𝑺𝑺𝑺

𝝁𝝁𝟎𝟎 . 𝒊𝒊 𝑩𝑩 = 𝟐𝟐. 𝑹𝑹

R: rayon du spire N: nombre de spires

𝝁𝝁𝟎𝟎 . 𝑵𝑵. 𝒊𝒊 𝑩𝑩 = 𝒍𝒍 Mourad BAIRA – ISIMM 2015

l 47

Electromagnétisme

Rappels d‛électronique • Inductance propre

B: Champ magnétique induit à l’intérieur d’un solénoïde

𝝁𝝁𝟎𝟎 . 𝑵𝑵. 𝒊𝒊 𝑩𝑩 = 𝒍𝒍

∅𝟎𝟎 : Flux magnétique induit à l’intérieur d’une spire

l

𝝁𝝁𝟎𝟎 . 𝑵𝑵. 𝒊𝒊 ∅𝟎𝟎 = 𝑩𝑩. 𝑺𝑺 = . 𝐒𝐒 𝒍𝒍

∅𝑷𝑷 : Flux magnétique induit à l’intérieur d’un solénoïde

𝝁𝝁𝟎𝟎 . 𝑵𝑵𝟐𝟐 . 𝒊𝒊 ∅𝑷𝑷 = 𝑵𝑵. ∅𝟎𝟎 = . 𝐒𝐒 𝒍𝒍

𝒅𝒅𝒅 𝒇𝒇𝒇𝒇𝒇𝒇 = = 𝒅𝒅𝒅𝒅

𝝁𝝁𝟎𝟎 . 𝑵𝑵𝟐𝟐 . 𝒊𝒊. 𝑺𝑺 𝒅𝒅 𝒍𝒍 𝐝𝐝𝐝𝐝

𝝁𝝁𝟎𝟎 . 𝑵𝑵𝟐𝟐 . 𝑺𝑺 𝒅𝒅𝒅𝒅 = . 𝒍𝒍 𝒅𝒅𝒅𝒅

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Electromagnétisme

Rappels d‛électronique • Inductance propre

- Le coefficient de proportionnalité entre le flux ɸ et le courant i définit l‛inductance propre.

𝝁𝝁𝟎𝟎 . 𝑵𝑵𝟐𝟐 . 𝑺𝑺 𝒅𝒅𝒅𝒅 𝒇𝒇𝒇𝒇𝒇𝒇 = . 𝒍𝒍 𝒅𝒅𝒅𝒅

𝒅𝒅𝒅𝒅 𝒇𝒇𝒇𝒇𝒇𝒇 = 𝑳𝑳. 𝒅𝒅𝒅𝒅

l

𝝁𝝁𝟎𝟎 . 𝑵𝑵𝟐𝟐 . 𝑺𝑺 𝑳𝑳 = 𝒍𝒍

De l’ordre de mH

𝝁𝝁. 𝑵𝑵𝟐𝟐 . 𝑺𝑺 𝑳𝑳 = 𝒍𝒍

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Rappels d‛électronique

Electromagnétisme

Exercice 1 Les extrémités d’une bobine de 1000 spires de 5 cm de rayon sont reliées à un galvanomètre. La bobine est amenée en 0.5 seconde dans un champ uniforme dont les lignes d’induction sont parallèles à son axe et dont le vecteur d’induction magnétique a pour intensité B=0.01 T. Calculez l’intensité moyenne du courant induit sachant que la résistance du circuit vaut 50 Ω. – Rép. 3.14x10-3 A. Exercice 2 Les deux bornes d’un galvanomètre à cadre mobile sont reliées aux deux extrémités d’une bobine comprenant 1000 spires de 5 cm de rayon. Le galvanomètre n’indique le passage d’aucun courant. Un aimant est approché de la bobine : l’induction magnétique B à l’intérieur de la bobine, qu’on suppose uniforme avant et après l’opération, varie de 0.1 T en 5 secondes. Quelle est la tension moyenne induite ? Sachant que le galvanomètre donne une déviation de 10 divisions sur la règle graduée quand il est traversé par un courant de 1 microampère, on demande de combien sera la déviation moyenne du galvanomètre pendant l’approche de l’aimant. Le fil de la bobine est en maillechort de résistivité 6.10-7 Ωm et son diamètre vaut 4/10 mm. La résistance du galvanomètre est de 500 Ω. – Rép. 0.157 V, 785 divisions. Mourad BAIRA – ISIMM 2015

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Rappels d‛électronique

Electromagnétisme

Exercice 3 Sur un cylindre isolant ayant 10 cm de diamètre et 3 m de longueur, on enroule régulièrement 1884 m de fil de cuivre dans lequel on fait passer un courant de 1 A. On demande de calculer l’induction magnétique B au centre 0 de cette longue bobine. On place en 0, normalement à l’axe de cette longue bobine, une petite bobine ayant 1 000 spires de 10 cm2 de section. Quelle est la tension induite dans la petite bobine lorsqu’on fait varier le courant qui traverse la longue bobine de 0 à 1 A en 1/100 de seconde, la variation de ce courant se faisant proportionnellement au temps ? – Rép. 2.5x10-3 T, 0.25 V.

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Rappels d‛électronique

Electromagnétisme

• Induction magnétique (Diaphonie magnétique) • Deux conducteurs proches l‛une de l‛autre s‛influencent: - Les lignes de champs magnétiques du conducteur C1 entourent C2 et vis et versa, - Le flux d‛induction magnétique vu par Cn est la somme du flux d‛auto-induction et du flux induit par l‛autre conducteur, - L‛inductance équivalente est donc la somme de l‛inductance propre et de l‛inductance mutuelle.

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Rappels d‛électronique

Electromagnétisme

• Induction magnétique (Diaphonie magnétique)

• Deux conducteurs et donc deux inductances proches l‛une de l‛autre sont couplées par leur champ magnétique d‛ou la présence d‛une inductance mutuelle.

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Rappels d‛électronique

Electrostatique

• Induction capacitive (diaphonie capacitive) • Toute capacité exposée a un champ électrique est parcourue par un courant de déplacement.

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Rappels d‛électronique

Electrostatique

• Force électromotrice induite par le champ E ou Couplage champ à fil • Un conducteur exposé à un champ E induit une force électromotrice. • E peut être peut provenir d‛une lointaine ou proche

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Rappels d‛électronique

Caractéristiques des signaux

• Signaux Périodiques • •

Décomposition en série de Fourier -> Signaux à “bande étroite”. Signaux composes d‛un ensemble de fréquences pures (fondamentales et/ou harmoniques).

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Rappels d‛électronique

Caractéristiques des signaux

• Signaux Non Périodiques • Spectre comportant une infinité de fréquences -> signaux a “bande large”.

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Rappels d‛électronique

Caractéristiques des signaux

• Vitesse de propagation, longueur d‛onde et fréquence

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Rappels d‛électronique

Domaine temps et fréquence

• La réalité d‛un signal électrique • Bande passante utile d‛un signal trapézoïdal

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Rappels d‛électronique

Domaine temps et fréquence

• La réalité d‛un signal électrique •

Enveloppe spectrale utile d‛un signal trapézoïdal

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Modélisation des composants passifs

Origine des éléments parasites

• Lois physiques de l‛électricité et de l‛électromagnétisme • Les composants passifs possèdent des éléments parasites qui limitent leurs utilisations. • Ils sont dus aux lois physiques électriques et a leur technologie de construction.

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Modélisation des composants passifs

Condensateur réel

• Les éléments parasites d‛un condensateur (L et R) • Exemple: Z(f) d‛une capacité réelle.

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Modélisation des composants passifs

Condensateur réel

• Les éléments parasites d‛un condensateur (L et R) • Exemple: Ou sont les éléments parasites?

Structure Interne

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Modélisation des composants passifs

Condensateur réel

• Les éléments parasites d‛un condensateur (L et R) • Choix du boitier - L‛ESL produit une impédance nuisible dans les découplages. - Plus L‛ESL est petite et mieux c‛est.

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Modélisation des composants passifs

Inductance/Résistance Réelle

• Exemples de modèles pour une inductance et une résistance Inductance

Résistance

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Modélisation des composants passifs

Résistance Réelle

• Exemples de modèles pour une inductance et une résistance • Résistances UHF et SHF - “Flip” et “Wrap around” résistance

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Modélisation des composants passifs

Résistance Réelle

• Modèle d‛une piste de Circuit imprimé • Les pistes de circuits imprimes (PCB) • En première approximation une piste circuit imprime peut être représentée à partir d‛une impédance série de type Résistance/Inductance.

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Modélisation des composants passifs

Résistance Réelle

• Les pistes de circuits imprimes (PCB) • Représenter rapidement le profil d‛impédance d‛une piste PCB.

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Modélisation des composants passifs

Inductance Réelle

• Modèle d‛un conducteur cylindrique loin de toute masse métallique •

La capacité d‛un câble isole est faible et ignorée.

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Modélisation des composants passifs

Inductance Réelle

• Modèle d‛un conducteur cylindrique au-dessus d‛un plan de masse.

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Modélisation des composants passifs

Inductance Réelle

• Modèle de deux conducteurs cylindriques sépares par une distance D au-dessus d‛un plan de masse. • Rappels sur le couplage magnétique entre deux inductances proches.

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Modélisation des composants passifs

Inductance Réelle

• Modèle de deux conducteurs cylindriques séparés par une distance D au-dessus d‛un plan de masse. • L11 et C11 pour chacun des fils séparés auxquels sont rajoutés une inductance et capacité mutuelle.

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Modélisation des composants passifs

Inductance Réelle

• Modèle de deux conducteurs cylindriques séparés par une distance D au-dessus d‛un plan de masse. •

Exemple pour 2 hauteurs différentes

L=1m, d=3mm, D=5cm

L11=518nH , R11=2.4mΩ, C11=46.2pF, L12=14.8nH, C12=0.61pF

L11=379nH, R11=2.4mΩ, C11=109pF, L12=4nH , C12=0.3pF

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Modélisation des composants passifs

Capacité

Modèle de capacité de deux plans conducteurs: • •

Deux plans conducteurs et séparés par un isolant constituent une capacité plan. L‛inductance des plans sont négligées.

Exemple: Deux plans de 10cm x 10cm Séparés par une épaisseur d’air de 10cm.

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C=0.0885pF.

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Sources de perturbation

Les acteurs de la CEM • Deux types de sources

• •

intentionnelles (humaines) non intentionnelles (naturelles)

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Sources de perturbation

Les acteurs de la CEM

• Sources intentionnelles (humaines) • • • •

Communications, Activités Industrielles, Informatique, etc…

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Les acteurs de la CEM

Sources de perturbation

• Sources intentionnelles (humaines) •

Exemple - Fermeture d‛un contact électrique

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Sources de perturbation

Les acteurs de la CEM

• Sources intentionnelles (humaines) •

Exemple - Lampe fluorescente

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Les acteurs de la CEM

Sources de perturbation

• Sources intentionnelles (humaines) •

Répartition spectrale des perturbations

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Sources de perturbation

Les acteurs de la CEM

• Sources non intentionnelles (naturelles) •

ESD (Décharge Electrostatique)

•

Charge électrique accumulée en fonction du matériaux par effet triboélectrique.

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Les acteurs de la CEM

Sources de perturbation

• Sources non intentionnelles (naturelles) •

Foudre

Tension d’amorçage:10KVolts

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Les acteurs de la CEM

Sources de perturbation

• Sources non intentionnelles (naturelles) •

Foudre

Une trentaine de fois par seconde en moyenne, la foudre frappe le sol habité de la planète, générant pendant quelques micro-secondes des courants typiquement 25000 ampères, mais pouvant atteindre 100 000 ampères et plus. Mais les décharges atmosphériques vers le sol ne sont pas les seuls phénomènes, il y a également les décharges entre des masses d’air (décharges intra-nuages et entre nuages).

propagation de fortes perturbations par les lignes électriques

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Les acteurs de la CEM

Sources de perturbation

• Sources non intentionnelles (naturelles) •

Foudre

 L’atmosphère est en permanence le siège de phénomènes électriques, du fait en particulier du frottement et du télescopage des molécules d’eau entre elles.  Par beau temps, le champ électrique au sol est de l’ordre de 100 à 150 volts par mètre. Sous l'influence d’un nuage d’orage, il croît dans de fortes proportions : 10000, 20000 volts par mètre.  Le champ électrique s’accroît, avec un renforcement à proximité des objets dont la hauteur et la forme facilitent l’effet de pointe.  Dans le cas le plus fréquent du coup de foudre descendant, l’amorce se fait dans un premier temps par la formation d’un « traceur », canal ionisé se propageant par bonds de 30 à 50 mètres vers le sol, et qui se ramifie. Les charges du nuage descendent le long de ce canal. A l’approche du traceur, le champ au sol augmente encore, pouvant quelquefois atteindre quelque 300 000 volts par mètre.  La décharge atteint un pic de l'ordre de 25000 A en quelques microsecondes (temps de monté : tm), dure environ 100 microsecondes, et est suivie de répliques de moins en moins intenses pendant une durée qui peut se chiffrer en millisecondes mais quelquefois aussi en centaines de millisecondes. Entre ces décharges, un courant de l'ordre de 100 A persiste. Les décharges à long courant persistant sont les plus à même de provoquer des incendies.

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Les acteurs de la CEM

Sources de perturbation

• Sources non intentionnelles (naturelles) •

Foudre

Élévation de potentiel du sol Lorsque la foudre frappe et que la décharge se répartit dans le sol, elle provoque une importante montée de potentiel formant un gradient autour du point d’impact

Cela signifie qu’entre deux points proches situés à la surface du sol, va apparaître une différence de potentiel : la tension de pas, responsable de la mort de nombreuses têtes de bétail (une vache peut être électrocutée suite à la tension apparue entre les pattes avant et les pattes arrière). Mourad BAIRA – ISIMM 2015

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Les acteurs de la CEM

Sources de perturbation

• Sources non intentionnelles (naturelles) •

Foudre

Surtension sur les structures aériennes et les lignes électriques et téléphoniques

Lorsqu’une ligne électrique aérienne est soumise sur une certaine longueur de son parcours à une variation brutale de champ, elle développe donc par influence une surtension qui va se propager de part et d’autre.

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Les acteurs de la CEM

Sources de perturbation

• Sources non intentionnelles (naturelles) •

Foudre

Perturbations produites par induction

Une décharge entre nuage et sol ou entre nuages entraîne des champs électromagnétiques qui engendrent sur les milieux conducteurs des tensions/courants dans une gamme de fréquence de 100Hz à 10 MHz. Ces rayonnements peuvent être reçus par tout conducteur formant une antenne plus ou moins bien adaptée, mais c’est sous forme de champ d’induction magnétique «champ H» agissant sur des conducteurs formant une boucle de surface conséquente que son effet est le plus important.

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Les acteurs de la CEM

Sources de perturbation

• Sources non intentionnelles (naturelles) •

Foudre

 Les lignes aériennes véhiculent les pics de tension consécutifs à la foudre. Sans dispositifs de protection, ils seraient de quelque 10 à 20KV, et entraîneraient des avaries ou tout au moins un vieillissement accéléré des composants de distribution électrique.  La protection contre les surtensions repose sur l’écrêtage des pics par des dispositifs tels que des éclateurs, qui s’amorcent d’eux-mêmes à partir d’une certaine tension et dérivent vers la terre le courant nécessaire à l’écrêtage.  On reproduit donc localement et à une échelle réduite, un phénomène comparable à celui qui se produit au lieu d’impact. Les pointes de courants ainsi provoquées sont des phénomènes transitoires à variations rapides, vis à vis desquelles les lignes présentent des impédances beaucoup plus élevées que ce que l’on connaît comme valeur ohmique, à cause de l’élévation de résistance par effet pelliculaire et de l’influence des inductances de lignes.

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Les acteurs de la CEM

Sources de perturbation

• Sources non intentionnelles (naturelles) •

Foudre - Caractéristiques de l‛impulsion foudre

féq =

1 π .tr

- Effets électriques instantanés de la foudre: - Elévation des potentiels le long des structures verticales. - Elévation des potentiels autour du point d‛impact (terre). - Rayonnement d‛un fort champ électromagnétique.

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Les acteurs de la CEM

Sources de perturbation

• Sources non intentionnelles (naturelles) •

Foudre

- Elévation des potentiels autour du point d‛impact:

1   1 U (V ) 0.16.I .ρ  = −   D 2 D1  I (A) : Courant foudre au point d‛impact. D2,D1 (m) : Distances par rapport au point d‛impact foudre. ρ(Ω,m): Résistivité moyenne du sol.

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Les acteurs de la CEM

Sources de perturbation

• Sources non intentionnelles (naturelles) •

Foudre

- Elévation des potentiels autour du point d‛impact:

100m Mourad BAIRA – ISIMM 2015

102m 90

Les acteurs de la CEM

Sources de perturbation

• Sources non intentionnelles (naturelles) •

Foudre - Rayonnement d‛un champ électromagnétique

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Sources de perturbation

Les acteurs de la CEM • Les sources de perturbation •

Autres classements - Sources permanentes (fréquence fixe) • • • •

Emetteurs radio, Radars Bruit des moteurs électriques Ordinateurs, écrans,… Redresseurs, alimentation à découpage,..

- Sources Impulsionnelles (durée courte) • • • • •

La foudre IEMN (Impulsion électromagnétique Nucléaire) Défauts dans les lignes d‛énergie Décharge électrostatique …

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Dispositifs de couplage

Les acteurs de la CEM • Différentes types: • • • • • •

Par impédance commune Couplage champ H a boucle Couplage champ E a fil Couplage par diaphonie magnétique Couplage par diaphonie capacitive Mode de couplage

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Les acteurs de la CEM

Dispositifs de couplage

• Couplage par impédance commune •

Tout conducteur présente une impédance:

- Une résistance car la section d‛un conducteur n‛est pas infinie.

- Une inductance car tout courant parcourant un conducteur génère un champ magnétique B et un flux d‛induction magnétique. - Une capacité car deux conducteurs distincts sont toujours séparés par un isolant.

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Les acteurs de la CEM

Dispositifs de couplage

• Couplage par impédance commune • • •

Une connections peut être commune a plusieurs dispositifs. Cette connexion présente une impédance (Z) qui est commune aux dispositifs. Z crée une perturbation qui peut affectée l‛un, l‛autre ou les deux dispositifs.

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Dispositifs de couplage

Les acteurs de la CEM Couplage champ H a boucle

• H (A/m) : excitation magnétique • B (Telsa) : champ magnétique • F (Weber) : flux magnétique Avec :

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r : distance en m μ0 : perméabilité magnétique μr : perméabilité relative S : surface du contour ferme

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Dispositifs de couplage

Les acteurs de la CEM • Couplage champ E a fil

• Un champ électrique E illuminant un conducteur (câble, fil, piste,…) • engendre un courant i dans ce conducteur.

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Les acteurs de la CEM

Dispositifs de couplage

• Couplage par diaphonie magnétique • •

Deux conducteurs proches l‛un de l‛autre se comportent comme un transformateur. Le courant i parcourant le premier conducteur induit une tension U dans le deuxième par couplage magnétique ou par induction magnétique M.

- Exemple

- Deux pistes de circuits imprimes

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Les acteurs de la CEM

Dispositifs de couplage

• Couplage par diaphonie capacitive Deux conducteurs proches l‛un de l‛autre et séparés par un isolant (air, plastique,…) se comportent comme une capacité parasite C. • Une variation de tension appliquée a l‛un des conducteurs crée un courant de déplacement dans C et une tension parasite induite dans l‛autre conducteur. •

• Exemple

- Deux pistes de circuits imprimes

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Les acteurs de la CEM

Dispositifs de couplage

• Synthèse des différents mécanismes de couplage

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Victimes

Les acteurs de la CEM • Classification •

Biologiques et matérielles

Victimes Biologiques: 􀆑􀆑 Hommes, 􀆑􀆑 Animaux, 􀆑􀆑 Plantes, 􀆑􀆑 etc…

Victimes Matérielles: 􀆑􀆑 Récepteurs, amplificateurs, 􀆑􀆑 Capteurs, téléphones, 􀆑􀆑 etc…

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Illustration pragmatique de problèmes de CEM En vous propose d’étudier le montage suivant:

(

EHF = 2 sin 2π ×13.106 t

)

1. Donner la valeur de Vm prévue. 2. Réaliser le montage 3. Relever l’allure de Vm mesurée. 4. Identifier le circuit perturbateur et le circuit victime. 5. Identifier le type de couplage de perturbation entre les deux circuits.

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102

Illustration pragmatique de problèmes de CEM En vous propose d’étudier le montage de la figure ci-dessous réaliser sur un circuit imprimé double face d’épaisseur 1.5mm.

(

E HF = 2 sin 2π × 25.106 t

)

Piste longue et large (Face 1)

E DC = 9V R = 1kΩ RG = 50Ω

Plan de masse (Face 2)

1. Donner la valeur de Vm prévue. 2. Réaliser le montage 3. Relever l’allure de Vm mesurée. 4. Identifier le circuit perturbateur et le circuit victime. 5. Identifier le type de couplage de perturbation entre les deux circuits.

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103

Illustration pragmatique de problèmes de CEM En vous propose d’étudier le montage suivant:

(

EHF = 5 sin 2π × 20.106 t

)

EDC = 2V R = 50Ω RG = 50Ω

1. Donner la valeur de Vm prévue. 2. Réaliser le montage 3. Relever l’allure de Vm mesurée. 4. Identifier le circuit perturbateur et le circuit victime. 5. Identifier le type de couplage de perturbation entre les deux circuits.

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104

Illustration pragmatique de problèmes de CEM En vous propose d’étudier le montage suivant:

(

EHF = 2 sin 2π × 25.106 t

)

R = 2kΩ

1. Donner la valeur de Vm estimée. 2. Réaliser le montage 3. Relever l’allure de Vm mesurée. 4. Identifier le circuit perturbateur et le circuit victime. 5. Identifier le type de couplage de perturbation entre les deux circuits.

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Quelques formules approchées en CEM Résistance linéique d’une piste de circuit imprimé: ρ 1,7.10 −8 Epaisseur de la piste : e ; largeur: b→ section S= b.e →R = = (Ω / m )

S

b.e

Capacité linéique entre deux conducteurs de section circulaire d:

C=

d

a

π .ε 0

 a ln 2   d

( F / m)

1 ε0 = ( F / m) 9 36π .10

Capacité linéique entre un conducteur et un plan de masse:

d

b

d