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Page sur la compatibilité électromagnétique

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.
Détail
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.
Etre suffisamment immunisé contre 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. 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.

Chambre anéchoïque RF utilisée pour les essais CEM, émissions et immunités rayonnées
Définitions
Détail
Compatibilité Magnétique.
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 créé 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 auquel les systèmes radioélectriques d'aide au pilotage risquent d'être sensibles.
La compatibilité électromagnétique, désigne en outre.
Les techniques permettant d'obtenir la compatibilité électronique d'un appareil ou d'une installation avec son environnement.
Les techniques permettant de vérifier la réalité de cette compatibilité.
Les compatibilités électromagnétiques.
Compatibilité entre émetteurs et récepteurs volontaires colocalisés.
Emission / Susceptibilité.
La compatibilité devant être assurée dans les deux sens, on est conduit à définir deux types de phénomènes :
Les émissions ou perturbations désignent les signaux 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, jugé incompatible avec une utilisation normale. La susceptibilité est aussi appelée l'immunité.
Phénoménologie CEM : le modèle source / couplage / victime.
Qu'il s'agisse d'émission ou de susceptibilité, le phénomène ne se produit que s'il y a, simultanément :
Une source.
Une victime.
Un couplage entre les deux.
Qu'un seul de ces éléments soit absent 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, 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'oeil falsifiant un bit.
Sur le risque que les redondances associées au codage de la trame 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.
Ce genre de décomposition n'est pas indéfini : on finit toujours par arriver à des sources ultimes. Idem pour les victimes. Même à ce stade, on n'est pas totalement démuni.
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 types d'environnements. Résidentiel et commercial léger ou industriel dans la plupart des cas.
Classifications des perturbations
Classification par conduction et rayonnement

Couplage par rayonnement et par conduction
Détail
On classe les couplages en deux catégories :
Couplage par rayonnement : champ électrique, champ magnétique, champ électromagnétique.
Couplage par conduction : transmission du signal par un conducteur.
La frontière entre les deux comporte une part d'arbitraire, certaines normes classant certains couplages par champ électrique ou magnétique dans la case conduction.
Par ailleurs, pour les couplages par rayonnement, les normes font aussi la distinction entre champs proches et champs lointains: Une source de perturbations électromagnétiques crée au départ souvent soit un champ électrique, soit un champ magnétique. Mais à une certaine distance de cette source, l'onde observée sera une onde électromagnétique plane, combinaison d'un champ H et d'un champ E, avec le rapport E / H = 120 π ( ≈377). Cette distance est de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde. Ainsi, pour les fréquences élevées, on aura toujours une onde plane dès que l'on s'éloigne un peu de la source.
La norme pourra exiger un test de susceptibilité au champ E, au champ H ou encore à l'onde plane. Les normes exigeront des tests à l'onde plane aux fréquences les plus élevées, puisque dans le cas des fréquences élevées, on aura toujours en pratique une onde plane
Classification par fréquence
Détail
f < ~ 9 kHz :
Il s'agit principalement de perturbations de mode différentiel.
Les champs magnétiques et électriques des équipements de puissance sont aussi à considérer dans certains cas.
~9 kHz < f < ~300 MHz :
Perturbations véhiculées essentiellement en mode commun, mais peut avoir une source de mode différentiel.
Le rayonnement dans cette bande de fréquence est bien souvent véhiculé par les câbles qui font antenne.
On retrouve en général des bruits larges bandes provenant des commutations rapides des convertisseurs d'énergie.
f > ~300 MHz :
Perturbations de mode commun.
Plus on monte en fréquence, plus la perturbation sera visible uniquement selon un angle précis.
Ces perturbations sont essentiellement dues aux horloges internes des équipements, aux harmoniques de ces horloges ou de l'émetteur radio.
Classification par durée
Détail
Perturbations permanentes.
Ce sont les perturbations provenant essentiellement :
D'émetteur radio.
Du champ magnétique généré par les lignes d'alimentation.
De la déformation de la tension de l'alimentation.
En général, dans la réglementation, l'immunité de l'appareil doit être suffisante pour éviter une dégradation de fonction au-delà de la spécification pendant l'exposition à ce type de perturbations.
Perturbations transitoires
Détail
Ce sont des perturbations provenant essentiellement :
de décharges électrostatiques.
D'ondes de foudre.
De commutations électriques dans le réseau d'énergie.
De creux de tension.
Dans la réglementation, il est globalement admis que la susceptibilité de l'appareil permette une dégradation temporaire de fonction, mais avec auto-récupération de cette fonction une fois la perturbation terminée.
Classification par type de couplage
On appelle couplage le processus par lequel l'énergie du perturbateur atteint la victime. Chaque fois que l'on parle de courant, de tension ou de champ, on n'oubliera pas qu'il s'agit de grandeurs électriques variables dans le temps.
Couplage par impédance commune
Le circuit électrique du perturbateur possède dans ce cas une impédance commune avec le circuit électrique de la victime. Aux bornes de cette impédance commune se trouve une tension générée par le courant passant dans le circuit perturbateur. Comme cette impédance est également présente dans le circuit de la victime, cette victime subit cette tension parasite. Exemple : deux appareils sont branchés sur le réseau 230 V : un perturbateur qui génère des tensions parasites sur la tension du réseau et une victime qui utilise la tension du réseau et qui récupère en même temps cette tension parasite.
Couplage capacitif

diaphonie capacitive
Dans ce cas, il existe sur un circuit perturbateur une tension susceptible de produire des perturbations. Il existe aussi une capacité entre ce circuit perturbateur et un autre circuit, qui sera la victime. Par cette capacité, de l'énergie électrique perturbatrice atteint le circuit victime.
Exemple : le phénomène de diaphonie capacitive. Un conducteur appartenant au circuit perturbateur se trouve dans le même câble qu'un conducteur appartenant au circuit victime. Ces deux conducteurs étant proches, il existe une capacité entre eux, responsable du couplage. Le couplage sera d'autant plus élevé que l'impédance du circuit victime est grande, du fait du pont diviseur de tension constitué de la capacité et de l'impédance de la victime.
Couplage inductif

diaphonie Inductive
Dans ce cas, il existe dans le circuit perturbateur un courant susceptible de produire des perturbations. A proximité de ce circuit se trouve un circuit victime. Le courant du conducteur du circuit perturbateur produit autour de lui un champ magnétique. Ce champ magnétique induit un courant dans le circuit victime.
Exemple: La diaphonie inductive. Le conducteur du circuit perturbateur se trouve dans le même câble que le conducteur du circuit victime et induit dans ce dernier une tension parasite. Plus l'impédance du circuit victime sera faible, plus cette tension induira une énergie perturbatrice importante dans le circuit victime.
Couplage par champ électrique
Ce couplage est aussi appelé couplage champ à fil. C'est un champ électrique incident qui va produire une perturbation sur un circuit victime. Remarquons tout de suite que le couplage capacitif cité plus haut est de même nature, puisque la capacité de couplage amène des lignes de champ sur la victime. La différence ici, c'est que le perturbateur est plus éloigné: Au lieu d'identifier le perturbateur lui-même, on identifie le champ électrique qui en est issu.
Exemple : le champ électrique d'impulsion issu d'une bougie d'allumage de moteur atteint l'antenne d'un récepteur autoradio.
Couplage par champ magnétique
Ce couplage est aussi appelé couplage champ à boucle. C'est un champ magnétique, issu d'un perturbateur, qui traverse un circuit victime et induit donc dans ce circuit une tension parasite. C'est l'induction. Remarquons là aussi que ce couplage est de même nature que le couplage inductif cité plus haut Au lieu d'identifier le perturbateur lui-même, on identifie le champ magnétique qu'il a généré.
Exemple : un coup de foudre à proximité de la victime. La foudre est une décharge électrostatique caractérisée par un courant de plusieurs dizaines de milliers d'ampères et de temps de montée de l'ordre de la microseconde. La tension induite dans une boucle est donc importante du fait de la variation importante de l'intensité du courant, mais aussi de la rapidité de la montée de ce courant.
Couplage par champ électromagnétique
Souvent, un perturbateur émet à la fois des champs électriques et des champs magnétiques, c'est l'ensemble de ces deux champs qui atteint la victime. Cependant, même si un perturbateur n'émet au départ qu'un champ électrique, les équations de Maxwell montrent qu'à une certaine distance de cette source, un champ magnétique apparaîtra aussi, pour former une onde plane électromagnétique. Il en est de même si le perturbateur n'émet au départ qu'un champ magnétique. Cette transformation a lieu à une distance correspondant à une fraction non négligeable de la longueur d'onde. Elle est donc grande pour les fréquences basses, mais courte pour les fréquences élevées. C'est une des raisons pour lesquelles les mesures de CEM ne sont pas les mêmes pour les fréquences basses et pour les fréquences élevées. Pour les fréquences élevées, on aura presque toujours affaire à une onde plane électromagnétique.
Classification par mode de propagation
On entend parler très souvent des deux modes de propagation : le mode différentiel et le mode commun. On aurait pu inclure ces deux définitions dans les modes de couplages, mais l'importance de ces deux termes, notamment le mode commun, mérite qu'on les définisse avec précision.
Propagation en mode différentiel

Mode différentiel
Soient deux conducteurs connectés à un appareil électrique ou électronique. On dit qu'une tension est appliquée en mode symétrique ou différentiel à cet appareil si la tension est présentée entre les deux conducteurs. Par exemple, la tension d'alimentation du secteur est appliquée en mode différentiel. Ou bien encore la tension présente sur une paire de fils téléphoniques.
Si on considère le câble constitué par l'ensemble des deux conducteurs, la somme algébrique des courants dans ce câble est nulle, puisqu'il y a un courant aller dans le premier conducteur et un courant retour de même intensité, mais opposé, dans le second conducteur.
Pour éviter les problèmes de CEM, il suffit que les deux conducteurs soient suffisamment proches.
Propagation en mode commun

Mode commun
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, puisqu'en principe, un courant parcourt un circuit fermé
Détail
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.
Détail
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. 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. 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. 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 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, sachant que le filtrage sera le même.
Les sources
Décharges électrostatiques
Détail
Il s'agit d'une source parasite naturelle, probablement la plus répandue. Le mécanisme est le suivant :
Le corps d'un être humain est chargé par effet tribo-électrique.
Les charges accumulées se déchargent brutalement, quand une occasion se présente : c'est la décharge électrostatique.
Détail
Non seulement c'est très désagréable pour le porteur de charges, mais, si l'objet qui a servi d'occasion est d'un naturel fragile, il risque de ne pas apprécier. Les conséquences possibles pour un matériel électronique victime sont :
La destruction d'un composant.
Des dysfonctionnements.
Des phénomènes analogiques transitoires.
Plus complexe, certaines méthodes d'immunisation d'un matériel pourront conduire ses utilisateurs à craindre ou refuser de s'en servir, pour éviter des chocs électriques.
Détail
Le phénomène décharge électrostatique d'origine humaine est modélisé, dans la normalisation, par :
Un générateur d'impulsion, modèle électrique du corps humain, constitué d'un circuit capacité + résistance, en série, la plupart des normes font appel à un condensateur de 150 pF se déchargeant dans une résistance de 330 Ω, ce modèle, trop grossier pour décrire intégralement l'impulsion, est complété par des caractéristiques temporelles.
Un modèle géométrique d'un doigt humain, servant d'électrode de sortie au générateur, accompagné d'un scénario de couplage.
Un niveau de sévérité, pouvant être la tension de charge initiale du condensateur, ou la valeur crête de l'impulsion, variable selon le degré de précautions contre les décharges électrostatiques qu'il est raisonnable d'attendre des humains qui se trouvent à proximité.
La 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 survolé, des zones chargées par influence, de signe opposé.
Détail
Quand le champ électrique est suffisamment élevé, une ou plusieurs poches 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 se promène dans le coin, avec pour effet :
De diminuer la distance isolante entre poches de charges.
D'introduire des équipotentielles à faible rayon de courbure.
Du coup, pour peu que le champ initial soit assez élevé, on est quasi-certain de déclencher une ionisation se transformant en foudroiement.
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.
Détail
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, 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, 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.
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.
Le courant est donc instable, mais avec une inertie importante.
Et l'avion, dans tout cela ? Il continue d'avancer, avec une vitesse de l'ordre de 100 à 250 m / s : un gros avion de ligne avance de sa propre longueur en 300 ms environ et il est donc balayé par l'arc qui, lui, reste plus ou moins fixe, selon un processus évidemment pas linéaire.
L'endroit de l'impact, le courant de foudre vaporise un petit bout d'avion, ce qui fournit une excellente électrode pour profiter du raccourci que constitue l'avion.
Au fur et à mesure que l'avion avance, ce point d'entrée s'éloigne du cheminement d'ensemble : le courant de foudre commence à faire un détour, dont la longueur augmente très vite dès que le champ magnétique s'exerce sur lui.
Du coup, le champ au début du détour se met à augmenter, suffisamment pour percer un nouveau trou.
C'est comme cela qu'une cellule d'avion touchée par un foudroiement bien élevé, respectueux du modèle, se retrouve ornée d'un joli pointillé, avec un espacement variable en fonction de la présence et de l'épaisseur de la peinture.
Avec accrochage occasionnel un peu plus prolongé sur des machins qui dépassent.
Tout ceci jusqu'au moment où les points d'entrée ou de sortie arrivent à un cul de sac : le courant de foudre, s'il existe encore après tout ce temps, finit par se rebrancher sur lui-même, sans passer par l'avion, quand le champ provoqué par la chute de tension le long du détour est suffisant pour ioniser l'air aux bornes du détour.
Détail
Naturellement, il existe de multiples cas de foudroiement malpolis, qui ont refusé le modèle qu'on avait prévu pour eux.
Pour les fusées, c'est à peu près pareil, en plus vertical. Plus quelques différences :
Les gaz en sortie de tuyère d'un moteur fusée sont beaucoup plus chauds que ceux sortant d'un turbo-réacteur, ce qui les rendent faciles à transformer en canal de foudroiement.
Les fusées servant à étudier la foudre sont munies d'une laisse reliée à la terre, fournissant, en se volatilisant, un canal naturel à la foudre déclenchée.
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. 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.
Quelques autres sources naturelles
Emetteurs : radiodiffusion, télévision, télécommunications, radars etc.
Les équipements hertziens, principale source de champs électromagnétiques rayonnés, sont régis par la directive européenne 1999 / 5 / CE dite RTTE
S'ils font l'objet de dérogations par rapport à la directive CEM, en particulier pour le niveau maximal d'émission, ils doivent apporter les mêmes garanties que les autres appareils en matière de compatibilité électromagnétique.
La norme fondamentale d'immunité aux champs électromagnétiques ( CEI / EN 61000-4-3) prévoit d'ores et déjà la possibilité d'essais jusqu'à 6 GHz, afin de prendre en compte les fréquences plus élevées des émetteurs. Toutefois, les normes produits limitent en général l'utilisation de la norme fondamentale jusqu'à 1 GHz ou 2,7 GHz. Une évolution à long terme est prévue pour faire évoluer la norme fondamentale jusqu'à 18 GHz. La modulation utilisée habituellement par cette norme ( AM 80 % 1 kHz) n'est cependant pas représentative des équipements à large bande, même si la simple modulation AM est reconnue comme la plus perturbante envers les équipements.
Les limites d'immunité des domaines civil et médical sont déterminées en fonction des cas courants dans un environnement type. Les niveaux d'immunité requis sont de 1 V / m ( en environnement protégé), 3 V / m ( résidentiel), 10 V / m ( industriel) et 30 V / m ( exceptionnel). Dans les domaines automobile, aéronautique, ou militaire, certaines spécifications exigent des niveaux d'immunité exprimés en kV / m.
Ces niveaux d'immunité des équipements permettent de fonctionner comme prévu en présence d'émetteur à proximité. La réglementation prévoit, au travers des normes produits, l'utilisation d'une catégorie d'appareil ( électrodomestique, TV, industriel, téléphone) dans un environnement type ( résidentiel, industriel). Toutefois, les niveaux d'immunité type ne permettent pas de s'assurer de l'immunité d'un appareil dans toutes les conditions dans lesquelles il pourrait être exceptionnellement placé.
Aussi, les niveaux limites d'immunité des équipements préconisés dans les normes civiles sont plus faibles que les limites d'exposition humaine. Ainsi, il est possible qu'à proximité immédiate d'un émetteur alors que celui-ci respecte la réglementation par tous ses aspects, un équipement qui respecte lui aussi la réglementation puisse être perturbé. Cela peut poser des problèmes pour les équipements électroniques de sécurité ou de support de vie.
Transitoires dans les réseaux d'énergie dus à l'exploitation du réseau
Dans cette catégorie, la perturbation est d'origine humaine et est liée à la fermeture d'une grande boucle.
Détail
A titre d'exemple, il faut imaginer :
Une centrale électrique de base.
Une grande ville, pour laquelle les 5 GW ne représentent qu'une partie des besoins.
Entre les deux, deux lignes haute tension plus ou moins parallèles, sur 1 500 km.
Or, 1 500 km correspondent à un quart de longueur d'onde λ / 4 d'un signal à 50 Hz. Pour des raisons de maintenance, une seule des deux lignes est ouverte au raz de la centrale. Finalement, une ligne aller et une ligne retour se forment et sont similaires à un circuit accordé à λ / 2 : la tension fabriquée par la centrale est en opposition de phase au bout des 3 000 km de ligne par rapport à la tension provenant directement de la centrale. On peut obtenir aisément 800 000 volts efficaces, juste séparés par un interrupteur ouvert.
A la fermeture de l'interrupteur, les tensions en opposition de phase sont assimilable par la centrale comme un court circuit.
Jusqu'à ce qu'un nouvel équilibre soit établi, les 5 GW produits par la centrale vont être consommé en totalité à l'instant de la fermeture par le court-circuit dynamique.
Dans le réseau électrique européen maillé et entièrement interconnecté, ce genre de manœuvre est réalisé plusieurs fois par jour. Toutefois, la résonance n'étant jamais exacte et la nature répartie des charges et des autres sources fournissent un amortissement. Malgré tout, à chacune de ces fermetures de grande boucle, l'ensemble du réseau européen est fortement déséquilibré durant plusieurs secondes. Les pays en bout de ligne, jouent particulièrement le rôle de réflecteur.
Ce genre de phénomène, bien qu'atténué dans la mesure du possible, laisse des traces jusqu'à l'utilisateur final. Il faut aussi ajouter à ces résidus tous les phénomènes similaires affectant les divers réseaux à tension de plus en plus basse jusqu'à l'utilisateur.
Effets indirects de la foudre
Quand la foudre tombe quelque part ou qu'un éclair survient au sein d'un nuage, le courant produit un important champ magnétique d'impulsion, qui vient se coupler avec tous les conducteurs environnants.
Commutations courants forts
L'archétype de ce genre de source est l'omniprésente alimentation à découpage.
Commutations courants faibles
La plupart des cartes électroniques modernes font appel à des circuits logiques rapides. Ces circuits intégrés et les connexions qui les associent sont le siège de courants à fronts raides, susceptibles de rayonner des ondes électromagnétiques sur un large spectre. Bien que de niveaux assez faibles, ces rayonnements peuvent en particulier perturber les récepteurs radios placés à proximité. Il suffit, pour s'en convaincre, de placer un récepteur radio à proximité d'un ordinateur Les concepteurs de ces systèmes doivent respecter les directives CEM concernant le rayonnement des appareils et concernant les émissions conduites qui pourraient être présentes sur les câbles de sorties de ces appareils.
Les méchants : IEMN, guerre électronique, armes hyperfréquences
Il faut rendre cette justice aux militaires de tous les pays : depuis Archimède et ses miroirs ardents, censés avoir incendié la flotte romaine devant Syracuse, ils ont généreusement financé de nombreuses idées de Rayon de la Mort, avec des résultats variables.
Détail
Parmi la multitude d'idées sérieuses ou loufoques en la matière, il y en a 3 touchant particulièrement la CEM :
L'impulsion électromagnétique d'origine nucléaire ( IEMN), pas forcément si nucléaire que cela d'ailleurs.
La guerre électronique : leurres, brouilleurs et autres attrape-radars ou tueurs de conversation.
La dernière mode : les armes électromagnétiques.
Impulsion électromagnétique d'origine nucléaire ( IEMN)
Détail
Dès 1946, le gouvernement des Etats-Unis a acquis deux certitudes :
L'URSS allait envahir le morceau de l'Europe non encore sous son contrôle, lors d'une attaque surprise pouvant intervenir d'une heure à l'autre.
Compte tenu du nombre de soldats de part et d'autre, la seule arme permettant de garantir une défaite soviétique était la bombe atomique.
L'armée américaine s'est donc lancée dans un vaste programme d'essais d'armes nucléaires. Le Nouveau Mexique, où ont explosé les premières bombes, comportant une densité d'habitants trop élevée pour en poursuivre l'irradiation et le Japon étant devenu un allié, ces essais ont eu lieu sur l'atoll de Bikini. Au ras du sol, sous l'eau, en l'air, bombes d'avion, obus d'artillerie ou mine, y compris deux tirs successifs dans la haute atmosphère.
Après chacun d'entre eux, il y a eu une panne électrique à Hawaï. Panne provoquée par une impulsion électromagnétique géante, qui, couplée aux lignes électriques, a déclenché tous les disjoncteurs. Et les responsables militaires américains ont saisi le potentiel d'une impulsion électromagnétique géante en tant qu'arme.
Théorie
Détail
Une bombe atomique émet des rayons ionisants. Et les rayons ionisants, ça ionise ce qu'il y a tout autour, à commencer par l'air. C'est comme ça qu'apparaît une boule de feu, bouillie d'électrons et de noyaux d'azote, d'oxygène et autres atomes présents sur place.
A cause de la température et de la pression de radiation, cette boule subit une expansion rapide : des charges électriques qui se déplacent, voilà une bonne base pour créer une impulsion électromagnétique, non.
Non. ça ne marche pas. Les électrons et les noyaux font en gros le même trajet, donc leurs effets respectifs se compensent.
Oui, mais tout ça se passe dans le champ magnétique terrestre. Du coup, en se déplaçant, les électrons vont partir en biais dans un sens et les ions positifs dans l'autre et là, on l'a notre impulsion, non.
Non. ça ne marche toujours pas. Comme la boule s'étend dans tous les sens, le déséquilibre du nord sera compensé par celui du sud, celui du haut par celui du bas, celui de l'est par celui de l'ouest. On se récupère un moment dipolaire. Par de quoi éteindre la télé à 1000 km.
Mais au fait, ça se passait lors de tirs à haute altitude. Si la bombe explose assez haut, il n'y aura plus de boule de feu du haut, vu qu'il n'y a pas assez d'air à ioniser. Et le déséquilibre de la partie basse de la boule, causé par la séparation des charges + et - par le champ terrestre, ne sera plus compensé par rien.
Calcul de l'endroit idéal où faire exploser la bombe pour arroser tout un continent, calcul de blindage, de filtre, mesure de tenue des composants, communications durcies : voila un fonds de commerce qui aura nourri son monde, durant 40 ans A la grande époque de la guerre froide, certains stratèges américains considéraient comme acquis que tous les missiles embarqués sur sous-marin serviraient à fabriquer de l'IEMN à jet continu, seuls les missiles au sol étant assez précis pour détruire les silos de la vengeance dans les plaines américaines seulement, voilà : les missiles au sol ont une trentaine de minutes de voyage à faire, alors qu'un sous-marin bien placé peut commencer le feu d'artifice 5 minutes après avoir déclaré la guerre, ils devaient donc servir d'apéritif, pour empêcher la victime de réagir. Il faut dire que, même si on a soigneusement évité de trop en avertir les bailleurs de fonds, la vulnérabilité du réseau électrique est devenue de moins en moins évidente : avec des réseaux maillés de plus en plus grands, l'IEMN s'est vue rattrapé, en termes de pire contrainte, par la fermeture de grande boucle, du moins sur le plan énergétique. Depuis, la tendance est aux vaches maigres : avec la fin de la guerre froide, les nouveaux agresseurs potentiels n'ont pas assez de bombes pour en gaspiller une à faire des parasites. La menace est donc de moins en moins crédible.
Un dernier mot sur ce genre de gadget : il existe un autre moyen de briser la symétrie, c'est de faire exploser la bombe au ras du sol. ça fonctionne, mais avec un rayon d'action plus limité. On s'est d'ailleurs rendu compte que le côté atomique n'était pas indispensable : une bombe FAE est capable de fabriquer une impulsion électromagnétique.
Redressement parasite
Un signal HF du point de vue du circuit qui le reçoit modulé peut-être démodulé par un circuit victime. S'il est modulé en amplitude ou dans certains cas en fréquence, lors de bande de fréquence de résonance de la victime plus étroite que la largeur de modulation du signal source, le signal démodulé sera injecté dans le circuit. Il y aura démodulation d'amplitude si le circuit est non linéaire. Tout circuit électronique contenant des semi-conducteurs est non linéaire dès que l'on atteint un certain niveau de signal. Les amplificateurs bas niveau, qui saturent plus vite, seront plus sensibles à ces phénomènes de démodulation d'amplitude. Les entrées audio bas niveau des amplificateurs doivent donc faire l'objet d'une attention particulière. Si le signal HF n'est pas modulé, le niveau même de signal HF redressé par un circuit victime peut engendrer une tension continue dans le circuit. Ce qui modifie le point de polarisation des composants, entraînant blocages ou saturations.
Plantages
Tout signal à fort facteur de forme, modulant ou non une porteuse, peut provoquer un changement d'état d'un circuit logique. Si ce circuit participe à un automate séquentiel tel qu'un ordinateur, l'état interne risque d'en être modifié. Le fonctionnement ultérieur devient aberrant.
Métastabilité
C'est une variante extrêmement insidieuse du cas précédent. Il faut se souvenir que le concept de circuit logique est purement artificiel. Il s'agit en fait de circuits analogique à la transmittance non-linéaire. A la suite d'une perturbation, il arrive qu'une sortie se retrouve à l'état ½ quelque part entre 0 et 1 durant un temps pouvant se chiffrer en millisecondes.
Verrouillage
Loi de Moore aidant, ce phénomène, mis en évidence avec les premiers circuits logiques CMOS, présente maintenant un risque pour toutes les technologies de circuit intégrés faisant appel à l'isolation par jonction en inverse. Lors de la fabrication d'un circuit intégré, on crée, au passage, de multiples structures PNPN ayant un gain suffisant pour constituer un thyristor. Il suffit qu'un phénomène d'impulsion amorce un de ces thyristors pour que ce dernier court-circuite l'alimentation.
Détail
A partir de là, plusieurs choses peuvent se produire :
Soit le gain est un peu juste et le thyristor s'auto-désamorce : cela ressemble à la métastabilité.
Soit on reste dans cet état jusqu'à coupure du courant.
Soit on grille un fusible, quelque part dans la métallisation et le circuit est détruit.
Effets biologiques
La compatibilité électromagnétique ne concerne, par définition, que les effets envers les équipements et non envers les personnes ou autres entités biologiques.
Détail
Toutefois, plusieurs phénomènes électromagnétiques sont à considérer :
Les effets thermiques : Une électrisation par contact ou un champ électromagnétique suffisamment puissant peuvent chauffer les substances qui y sont exposées. Pour les effets thermiques des champs électromagnétiques, dans la réglementation de sécurité électrique, ce sujet est traité dans le cadre de la limitation de l'exposition humaine aux champs électromagnétiques. Cette réglementation permet de limiter la chauffe excessive des tissus biologiques, sans toutefois de preuve incontestable que celle-ci suffit pour éviter tout effet biologique sur le long terme.
Les effets non thermiques : L'existence même de ces effets est sujet à polémique. Ces effets sont difficiles à prouver car, d'une part, elle concernerait une catégorie minoritaire de population possédant un potentiel d'hypersensibilité électromagnétique et d'autre part totalement inquantifiable car le phénomène source de ces effets n'est pas identifié.
Obtention de la CEM
Pour obtenir ou améliorer la compatibilité, on peut jouer sur les 3 termes de la triade source / couplage / victime :
Détail
Diminuer le niveau d'émission des sources, par exemple, dans le domaine de la conversion d'énergie :
Un convertisseur à résonance sera, s'il est bien conçu et bien implanté, beaucoup moins baveux qu'un convertisseur à commutations dures.
Le remplacement d'un redresseur classique diodes + condensateur par un redresseur à PFC évitera le plus gros de l'injection de courant harmonique dans le réseau énergie.
On peut également citer le remplacement, par EDF, des éclateurs à cornes servant d'écrêteurs sur ses lignes 20 kV par des varistances à oxyde de zinc, pour le plus grand bonheur des marchands de télécom.
Diminuer de niveau de vulnérabilité des victimes.
L'introduction de l'étalement de spectre dans les communications radio a beaucoup diminué la capacité de nuisance des parasiteurs à bande étroite.
Mais si, comme c'est trop souvent le cas, toutes les erreurs de conception sont déjà figées avant de s'inquiéter de CEM, on ne peut plus agir que sur les couplages.
Cela consistera souvent à traiter l'environnement des cartes électroniques de l'appareil en cause, qu'il soit victime ou pollueur. Il existe 6 méthodes permettant de séparer des victimes de leurs bourreaux :
Détail
Le blindage.
La suppression du mode commun.
Le filtrage fréquentiel.
Le filtrage temporel.
L'écrêtage.
La porte de bruit.
Le blindage
Le blindage électromagnétique consiste à diviser l'espace en domaines électromagnétiques séparés, certains propres et d'autres sales, sans aucune communication entre eux. En pratique, une carte électronique sera placée dans un boîtier métallique qui la protègera des rayonnements extérieurs.
Un blindage est très efficace en théorie, dès que les fréquences mises en cause dépassent le mégahertz. En pratique, il en est tout autrement, car une carte électronique est généralement en relation avec l'extérieur par des câbles électriques, ne serait-ce que l'alimentation. On constate alors que l'efficacité du blindage peut être réduite à néant si les courants de mode commun ne sont pas bloqués au niveau des entrées des câbles.
La suppression des signaux en mode commun
Voir le paragraphe mode commun pour la définition. La protection contre les signaux de mode commun consiste, pour un appareil victime, à empêcher les courants induits sur les câbles, de pénétrer dans la carte électronique et de perturber les fonctions qui s'y trouvent. Pour les appareils perturbateurs, cette protection consiste à empêcher les courants parasites de sortir de la carte et d'aller circuler sur les câbles extérieurs. La protection du mode commun vise donc les mêmes buts qu'un blindage et souvent rend ce dernier efficace. En effet, il ne sert à rien de blinder un appareil, si les perturbations passent par les connexions qui entrent dans le blindage.
Voici quelques règles de protection contre les signaux de mode commun, valables autant pour les perturbateurs que pour les victimes.
Si l'appareil concerné possède un boîtier métallique et si la carte possède une couche de masse, la protection sera plus aisée à obtenir : On devra, si c'est possible, blinder les câbles qui entrent sur la carte, en connectant ce conducteur de blindage à la masse de la carte et au boîtier métallique à l'endroit de l'entrée dans le boîtier, c'est-à-dire dès l'arrivée sur la connectique.
Mais il n'est pas toujours possible de blinder le câble d'entrée. Alors, il faudra effectuer un filtrage des courants de mode commun. Bien sur, on ne peut filtrer, bloquer ou découpler les signaux de mode commun que si les signaux utiles transportés par le conducteur sont de fréquence plus basse. Si les signaux utiles sont dans la même bande que les signaux de mode commun, seul le blindage du câble pourra résoudre le problème. Pour filtrer le mode commun, on traitera chaque conducteur du câble de façon que les courants de fréquences élevées arrivant par le conducteur soient bloqués ou bien dérivés vers la masse de la carte et vers le boîtier métallique, par le chemin le plus court possible. Le chemin du courant de mode commun issu de l'extérieur est le suivant : Il entre par les conducteurs du câble, il passe à la masse de la carte par le condensateur de découplage, puis emprunte la connexion entre la masse de la carte et le boîtier, puis il circule alors à la surface intérieure du boîtier, afin de ressortir du boîtier par le trou du câble. En effet, il ne faut pas oublier que le courant ne circule qu'à la surface du métal et ne traversera jamais la paroi du boîtier ! Ainsi, si le découplage est réalisé sur la carte, il faudra réduire au maximum le trajet du courant de mode commun à l'intérieur du boîtier, pour éviter le rayonnement à l'intérieur du boîtier.
Le découplage sera généralement constitué d'une impédance série et d'une capacité vers la masse. Si le découplage vers la masse de certains conducteurs est impossible, l'impédance en série avec ces conducteurs devra être suffisamment grande en HF.
Si l'appareil ne possède pas de boîtier métallique, la protection sera plus difficile à obtenir : On placera des filtrages sur chaque conducteur, et on regroupera toutes les arrivées de câble d'un même côté de la carte : en effet, le courant de mode commun, qui va d'un connecteur à l'autre en passant dans la masse de la carte, empruntera ainsi le trajet le plus court possible et ne traversera pas toute la carte. Même avec une seule arrivée de câble, le courant de mode commun aura tendance à passer par la capacité entre les composants de la carte et l'environnement, par couplage capacitif. En dérivant dès le départ vers la masse de la carte le courant de mode commun, on réduit les courants passants par les autres composants. Si l'appareil est déjà conçu, un pis-aller consistera à enfiler dans le câble une ferrite de suppression de mode commun, d'impédance suffisante.
Si la carte de l'appareil ne possède pas de plan de masse, la protection sera très difficile à obtenir. On devra imposer une seule arrivée de câble, afin de minimiser les courants de mode commun à travers la carte.
Le filtrage des fréquences
On sépare le domaine des fréquences utiles de celui des fréquences polluées, à la condition que ce ne soit pas les mêmes, bien entendu, car tous les signaux ne sont pas filtrables. On a vu par exemple dans le paragraphe suppression du mode commun que l'on pouvait découpler par un condensateur certaines connexions. Il s'agit généralement des connexions pour des signaux de fréquences basses ou même pour le continu. Ce découplage n'est rien d'autre qu'un filtrage passe bas. Le filtrage pourra être mis en œuvre pour le mode symétrique ou pour le mode commun. Hélas, les techniques modernes mettent en œuvre des signaux utiles de plus en plus rapides et on se heurte souvent au fait que les signaux utiles et les signaux perturbateurs occupent des bandes de fréquences communes.
Le filtrage temporel
Détail
Si le signal pollueur n'est pas présent en permanence, il suffit de mettre la victime à l'abri durant les intempéries :
C'est le principe du radar monostatique à impulsion : un émetteur et un récepteur se partagent la même antenne, mais l'émetteur ne s'en sert que très peu.
Dans un automate séquentiel synchrone, à chaque coup d'horloge, des millions de bascules commutent simultanément, mettant l'alimentation à genoux, néanmoins, les derniers millivolts suffisent pour que, quand la lumière revient, ces bascules soient dans l'état voulu. Puis, la circuiterie de logique combinatoire redevient fonctionnelle pour mitonner les bons états en entrée de bascules, à temps pour le coup d'horloge suivant. Alors qu'en cas de multiplicité d'horloges, le risque d'états logiques Mulderiens serait permanent.
L'écrêtage
De manière générale, on parle d'écrêtage en tension. Quand le signal perturbateur est de grande amplitude, l'équipement victime risque de subir des dommages irréversibles, l'écrêtage consiste à limiter l'amplitude du signal perturbateur de façon à protéger les composants électroniques. On trouve à cet effet des composants dits limiteurs que l'on place en parallèle sur les connexions. On admet en général que la fonctionnalité de l'appareil est interrompue au moment de la perturbation, le composant d'écrêtage ayant avant tout une fonction de survie. En effet, il n'est pas possible de discriminer le signal utile et le perturbateur au moment de l'écrêtage.
Détail
Plusieurs types de composants seront utilisés, en fonction des critères suivants :
Faible capacité.
Energie absorbable très élevée.
Temps de réponse court.
Réarmement automatique etc.
De manière générale, les composants utilisés sont des composants non linéaires : diodes, thyristor, résistance non linéaire, éclateurs, etc.
La porte de bruit
Détail
Il s'agit typiquement de protéger un signal analogique en comptant sur l'effet de masquage :
Le squelch des récepteurs radio, qui consiste à couper l'audio quand le signal radio est trop faible pour être utilisable.
Les systèmes Dolby ou similaires, consistent, en gros, en un filtrage des aigus si le signal est faible.
Directive CEM.
Lors de l'étude de la CEM d'un nouveau produit, il est essentiel de commencer par connaitre l'environnement dans lequel ce produit sera placé. La directive CEM est claire dans ces exigences. Le produit devra ni perturber, ni être perturbé par l'environnement dans lequel il est censé être situé.
Détail
D'après la directive le respect des normes harmonisées démontre le respect des exigences essentielles. Mais a contrario :
Beaucoup de normes produits, pourtant figurant toujours comme norme harmonisée, n'ont pas évoluées depuis plus de dix ans :
L'environnement électromagnétique a par contre vu apparaitre de nouveaux perturbateurs radio utilisant des fréquences plus élevées qu'auparavant.
Les technologies mêmes de certaines gammes de produits ont subi une telle évolution, que l'application de sa norme dédiée n'est plus adéquat.
L'environnement dans lequel sera placé le produit n'est peut-être pas celui qui a été pris en compte lors de l'écriture de la norme.
Dans ces cas, l'application de la norme harmonisée n'est pas satisfaisante pour le respect des exigences essentielles de la directive. D'après l'article 6 de la directive, il est normalement prévu que l'information soit remonté et traité au niveau européen. Dans les faits, cette procédure est peu appliquée.
Détail
Deux possibilités sont donc offertes :
Appliquer la norme harmonisée en l'état. Cette possibilité apporte :
Un risque que le produit perturbe ou soit perturbé chez l'utilisateur
Un risque que lors d'un contrôle de marché, celui-ci soit interdit à la vente par non-respect des exigences essentielles de la directive.
Appliquer un programme d'essai dédié. En ce cas, la validation de ce programme par un organisme notifié est recommandée, mais pas obligatoire. Celui-ci est en général au courant des projets de norme en cours. Cette possibilité apporte :
Une assurance que le produit ne perturbera et ne sera pas perturbé chez l'utilisateur
Que la future évolution de la norme produit pourra déjà probablement être prise en compte. Cela évite pour les produits à longue durée de vie l'obligation de repasser des essais lors du changement de version de norme.
Approches de vérification de la CEM
Détail
Il existe deux principales approches :
La simulation numérique : on crée un modèle du système à valider, ainsi qu'un modèle de l'environnement électromagnétique et on applique un algorithme définissant les couplages.
La simulation analogique, encore appelée essais CEM :
On place un exemplaire du système à valider dans un environnement électromagnétique de référence et on réalise des mesures, l'ensemble étant habituellement défini dans la réglementation.
Quelle que soit l'approche, il faut trouver un optimum entre des exigences contradictoires :
La représentativité :
L'environnement choisi sont ils représentatifs de la réalité.
Le matériel testé est-il représentatif de la série.
Le modèle ne chipote-t-il pas sur des détails futiles en laissant de côté les grandeurs réellement fondamentales.
Prise en compte de l'épaisseur du métal, mais pas de la tolérance des fentes entre constituants au risque de reproduire une antenne patch.
Capots modélisés à la masse alors qu'ils ne le sont que par une liaison filaire et donc inductive.
Omission des câbles de liaison.
La reproductibilité :
Deux essais successifs d'un même exemplaire donneront-ils le même résultat.
Deux exemplaires successifs donneront-ils le même résultat.
Deux essais dans des laboratoires différents donneront-ils le même résultat.
L'éthique :
En cas de doute, prend-on la décision du plus simple chemin vers la conformité de façade pour réduire les coûts, où par assurance technique.
L'utilisateur, sera-t-il satisfait de mon produit si dès que son téléphone sonne mon produit s'éteint.
Techniques des essais
Détail
On distingue deux familles de techniques :
Les techniques dites d'émission.
Les techniques dites de susceptibilité ou d'immunité
Techniques traitant des émissions
Tout équipement électrique ou électronique, en dehors de son fonctionnement de base, fabrique à notre insu des courants alternatifs ou d'impulsion dont le spectre en fréquence peut être très étendu. Ces courants circulent dans les différents câbles ou circuits imprimés de l'appareil et donc quand ces conducteurs sont, de par leur longueur, de plus ou moins bonnes antennes, il y a émission de champ électromagnétique.
Les émissions sont mesurées soit de manière conduite, soit de manière rayonnée avec l'appareil sous test en mode de fonctionnement le plus perturbateur.
Dans le cadre des émissions conduites, l'appareil sous test est en général placé dans une cage de Faraday pour s'isoler de l'environnement extérieur. L'appareil sous test est alors connecté à un réseau de stabilisation d'impédance. Celui-ci a plusieurs fonctions : supprimer la composante d'énergie, standardiser l'impédance d'une ligne pour améliorer la reproductibilité de l'essai et relier le récepteur de mesure ou l'analyseur de spectre pour permettre la mesure.
Dans le cadre des émissions rayonnées, l'appareil sous test est communément placé sur le plateau tournant de soit sur un site de mesure en espace libre, soit dans une cage de Faraday semi anéchoïque. La mesure est réalisée avec l'aide d'antennes relié à un récepteur à l'aide de cordons. Il est d'usage que l'ensemble de cette chaîne de mesure soit étalonné. Le protocole de test pour le marquage CE ou FCC prévoit une recherche de la position la plus défavorable de l'appareil sous test.
En modifiant la conception de l'appareil, on peut réduire considérablement le niveau émis. Toutefois, une mauvaise conception d'un point de vue CEM peut nécessiter des modifications profondes, y compris en termes de routage. Il est essentiel que la problématique CEM soit pris en compte dès le début du projet de conception.
Les niveaux acceptables sont en général normalisés. Ainsi, les équipements électriques d'avions civils sont traités par la norme RTCA / DO160E, les équipements grand public européens sont traités par les normes européennes et font l'objet du marquage CE.
Techniques traitant des susceptibilités
On appelle niveau de susceptibilité d'un appareil le niveau de perturbation auquel l'appareil présente un dysfonctionnement.
On appelle niveau d'immunité le niveau auquel l'appareil a été soumis lors des essais et pour lequel il doit fonctionner normalement.
On appelle niveau d'aptitude le niveau des paramètres observés sur le produit considéré comme normal pour un bon fonctionnement du produit.
Généralités
Certains appareils utilisés en environnement très pollué ont un niveau d'immunité beaucoup plus élevé, par exemple ceux utilisés sous le capot des automobiles.
Il existe des techniques pour modifier la conception de l'appareil afin qu'il soit conforme à la norme.
Comme on peut l'imaginer, la cohabitation de nombreux appareils dans un avion ou dans une automobile, implique que tous ces équipements ne soient pas intégrés au véhicule sans que des tests sévères soient réalisés.
La CEM va déterminer : les écarts entre câbles, les composition des câbles, les filtres à installer sur les équipements, la structure mécanique entourant l'équipement.
Les essais prévus par les normes permettent de vérifier que le niveau d'immunité est respecté mais si le test est conforme, ils ne permettent pas de connaître le niveau de susceptibilité de l'appareil.
Critères d'aptitudes
Détail
Pour chaque type d'essai, il est défini si l'équipement :
Ne doit pas avoir de perte de fonction au-delà de son niveau d'aptitude pendant l'essai.
Peut avoir une dégradation ou perte de fonction pendant l'essai, mais doit retrouver son niveau d'aptitude sans intervention de l'utilisateur.
Peut avoir une dégradation ou perte de fonction pendant l'essai, mais doit retrouver son niveau d'aptitude avec intervention de l'utilisateur.
Essais types
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.
L'appareil sous test configuré dans son mode de fonctionnement le plus susceptible est placé dans une chambre anéchoïque. Dans cette cage est placée une antenne émettrice, reliée à un amplificateur de puissance, lui-même alimenté par un générateur de signal radiofréquence. L'ensemble du spectre requis est alors balayé en fréquence avec le niveau de champ et la modulation requis.
L'écrasante majorité des appareils électroniques mis actuellement sur le marché grand public européen a un niveau d'immunité aux champs électromagnétiques rayonnés de 3 V / m pour les fréquences de 80 MHz à 2,7 GHz.
Le niveau d'immunité de 10 V / m est requis pour les appareils destinés à être utilisés en environnement industriel et les appareils électro-médicaux de maintien de la vie.
Essais d'immunité aux perturbations conduites
Détail
Plusieurs phénomènes sont testés :
Immunité aux perturbations fréquences radioélectrique induite : complément de l'essai d'immunité au champ électromagnétique, mais dans une bande de fréquence plus basse.
Immunité aux transitoires électriques rapides en salves : immunité aux perturbations rapides provoqués par la commutation de petit relais, thermostats.
Immunité aux ondes de foudre : immunité aux impacts indirects de la foudre, ou aux perturbations dues aux commutations électriques de forte puissance.
Immunité aux creux de tension : immunité aux perturbations provoquées par les coupures de tension, ou les baisses de tension à la suite d'appels de charges sur le réseau.
Immunité aux transitoires véhicules : immunité aux variations de tension provoquées par les appels de courant des systèmes du véhicule.
En général, le protocole de test consiste à connecter à un générateur de perturbation dédié, via un réseau de couplage / découplage, à l'équipement sous test.
Détail
Essais d'immunité aux décharges électrostatiques.
Essais d'immunité aux champs magnétiques : ceux-ci peuvent être soient impulsionnels ou à la fréquence du réseau d'alimentation.
Réglementation
Matériels industriel ou grand public
Directive CEM.
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 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 celles qui y sont soumises.
Détail
En outre, il existe d'autres marquages :
Le sigle VDE allemand, bien qu'officiellement obsolète, 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.
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. 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), l'exemption des seconds 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 est matérialisée par une circulaire interministérielle, qui n'a, semble-t-il, jamais été notifiée à la commission de Bruxelles.

Directive europénne
Directive CEM

La directive européenne 2004 / 108 / CE concerne la compatibilité électromagnétique (CEM). Celle-ci abroge la directive 89 / 336 / CEE. L'ensemble des produits électriques ou électroniques entrant dans le domaine d'application de la directive et disponibles sur le marché européen doit, depuis juillet 2007, être obligatoirement conforme à cette nouvelle directive.
Un guide d'application est publié par l'union européenne pour une bonne application de la directive
Domaine d'application
La directive CEM s'applique à tout produit électrique ou électronique susceptible de pouvoir perturber l'environnement électromagnétique, ou d'être perturbé par celui-ci.
Détail
Les équipements suivants sont exclus du champ d'application de la directive :
Les équipements radioamateurs non disponibles dans le commerce.
Les terminaux de télécommunication ou radio. Ceux-ci sont soumis à la directive 1999 / 5 / CE (R&TTE) qui intègre les exigences en matière de compatibilité électromagnétique.
Les équipements électromédicaux. Ceux-ci sont soumis aux directives 93 / 42 / CEE et 90 / 385 / CEE qui intègrent les exigences en matière de compatibilité électromagnétique.
Les équipements aéronautique et automobile qui répondent à une réglementation spécifique.
Exigences en matière de protection
Détail
Les équipements ne doivent pas perturber à outre mesure leur environnement électromagnétique.
Les équipements ne doivent pas être perturbés à outre mesure par l'environnement électromagnétique dans lequel ils sont situés.
Exigences spécifiques aux installations fixes
Détail
Les installations fixes doivent être réalisées dans les règles de l'art en matière de CEM afin de respecter les exigences en matière de protection.
L'installateur doit respecter les dispositions prévues en matière de CEM par le fabricant du composant installé.
Remarque
Les exigences essentielles de la directive CEM n'ont pas de notion liée à la sécurité.
C'est directive basse tension (2006 / 95 / CE) qui intègre les notions de sécurité. Cette directive peut demander, au travers de sa réglementation associée, des essais de CEM renforcés sur les équipements de sécurité. C'est aussi au travers de cette directive basse tension que les niveaux d'exposition humaine aux champs électromagnétiques sont limités.
Réglementation associée
Détail
Il est à noter que la réglementation européenne associée à la CEM provient principalement de 2 sources :
Comité Electrotechnique International (CEI), qui publie les normes CEI 61000-x-x, en général adoptées l'année suivante en norme européenne EN 61000-x-x.
Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR), qui publie des normes CISPRxx-x, en général adoptées l'année suivante en norme européenne EN 550xx-x.
Souvent 2 normes s'appliquent à un produit :
Une norme relative à l'émission de l'équipement.
Une norme relative à l'immunité de l'équipement.
Parfois les normes n'intègrent pas les EN 61000-3-2 et EN 61000-3-3 qui doivent toutefois être appliquées.
Norme harmonisée
Les normes harmonisées sont les normes de référence publiées par le journal officiel de l'union européenne. Celles-ci sont des normes produit ou des normes génériques. Le respect d'une norme harmonisée assure une présomption de conformité à la directive CEM.
Norme produit
La norme produit est une norme, harmonisée ou non, qui va s'appliquer à une gamme de produit spécifique, dans un environnement spécifique.
Détail
Cette norme produit va définir pour un type d'équipement, placé dans un environnement type :
Les modes de fonctionnement particuliers dans lequel l'équipement va devoir fonctionner durant les essais.
Pour les essais d'immunité, les critères d'aptitudes du produit en fonction du type d'essai.
La liste des essais que l'équipement devra subir, en appliquant dans la plupart des cas une norme fondamentale.
Les niveaux limites auquel l'équipement devra être conforme.
Les normes produits les plus communes sont (souvent à compléter par les normes EN 61000-3-2 et EN 61000-3-3) :
Pour les appareils de traitement de l'information (milieu résidentiel) : EN 55022, EN 55024.
Pour les appareils électrodomestiques : EN 55014-1, EN 55014-2.
Pour les appareils d'éclairage (milieu résidentiel) : EN 55015, EN 61547.
Norme générique
Quand aucune norme produit n'existe pour une gamme d'équipement, on peut appliquer les normes génériques (qui sont harmonisées).
Détail
La norme générique va définir pour un environnement type :
Les modes génériques de fonctionnement dans lequel un équipement va devoir fonctionner durant les essais.
Pour les essais d'immunité, les critères d'aptitudes du produit en fonction du type d'essai.
La liste des essais que l'équipement devra subir, en appliquant une norme fondamentale.
Les niveaux limites auquel l'équipement devra être conforme.
Les normes génériques sont :
EN 61000-6-1 : norme générique d'immunité pour l'environnement résidentiel.
EN 61000-6-2 : norme générique d'immunité pour l'environnement industriel.
EN 61000-6-3 : norme générique d'émission pour l'environnement résidentiel.
EN 61000-6-4 : norme générique d'émission pour l'environnement industriel.
Norme fondamentale
La norme fondamentale définit l'ensemble de la méthode d'essai.
Détail
Une norme fondamentale va décrire :
Les caractéristiques essentielles du système de mesure.
Souvent, des niveaux typiques d'essai, mais elle ne défini pas le niveau à appliquer à un produit.
Le montage d'essai.
La procédure d'essai.
L'évaluation des résultats d'essais.
Les données à écrire dans le rapport d'essai.
Processus d'évaluation
La directive exige, quelle que soit la procédure d'évaluation appliquée, la rédaction d'une documentation technique relative à la CEM conservée par le constructeur 10 années après la dernière fabrication de cet équipement. Cette documentation technique n'est pas destinée à être fournie à l'utilisateur, mais doit être à disposition des autorités en cas de requête de celles-ci.
Pour une bonne gestion de la CEM, plusieurs étapes sont à considérer lors de la création du nouvel équipement. La documentation technique doit refléter les réflexions qui ont été faites lors de la conception du point de vue CEM. Il est donc utile que la documentation technique soit rédigée tout au long de la conception du produit.
Un produit ayant subi une modification par rapport à une première production doit être facilement identifiable et rapproché avec cette documentation technique. L'impact de la modification sur la compatibilité électromagnétique et le respect des exigences essentielles doit être évalué et décrit dans la documentation.
Identification de l'appareil
En général, il s'agit du modèle de l'équipement. Ce nom ou numéro de modèle doit être identique entre la documentation technique et la plaque signalétique du produit.
Description générale de l'appareil
Détail
Une description complète de l'appareil devrait contenir :
Les fonctions remplies par l'appareil.
Les tolérances pour un bon fonctionnement de ces fonctions.
L'ensemble des schématiques.
La nomenclature des composants.
Les matériaux utilisées pour le blindage.
Les fréquences des horloges et bus.
La liste des accès de l'équipement.
Une ou plusieurs photographies de l'équipement dans son ensemble et des cartes électroniques.
Environnement type dans lequel l'appareil est destiné.
La notice utilisateur, contenant les dispositions relatives à la CEM que l'utilisateur devra respecter.
Bien entendu, le contenu varie en fonction de la complexité de l'appareil. Le guide d'application de la directive indique que pour des équipements simples, une ligne de description peut suffire.
Preuves de conformité
Si l'équipement a été évalué conformément à une norme harmonisée, les références datées de celles-ci doivent figurer dans le dossier technique. Les résultats obtenus suite à l'évaluation conformément à ces normes doivent être intégrés au dossier technique.
Si l'équipement n'a pas été évalué conformément à une norme harmonisée, une description complète du processus appliqué pour évaluer la conformité par rapport aux exigences essentielles de la directive doit être décrite dans le dossier technique. Tous les documents ayant servi à cette évaluation doivent être intégrés à la documentation technique.
Si un organisme notifié a été consulté, l'avis de l'organisme notifié devra être intégré au dossier technique.
Processus interne
Le fabricant doit évaluer la compatibilité électromagnétique de son appareil dans tous les modes de fonctionnements pertinents, pour l'environnement électromagnétique dans lequel l'appareil sera destiné à être placé.
Pour cela, le fabricant doit constituer une documentation technique.
Une déclaration de conformité CE doit aussi être rédigé par le fabricant.
La documentation technique et la déclaration CE de conformité doivent rester à disposition des autorités 10 années après la dernière production de son produit par le fabricant, son représentant dans la communauté européenne, ou à défaut, l'importateur.
Aussi, le constructeur doit s'assurer que les produits fabriqués correspondent à la documentation technique rédigée.
Processus par avis qualifié d'organisme notifié
L'application de l'annexe III n'est pas obligatoire. Il appartient à chaque fabricant de faire appel ou non à un organisme notifié à la directive CEM. Un organisme notifié est un bureau indépendant dont son métier est d'évaluer les dossiers techniques par rapport aux exigences essentielles de la directive. Souvent, l'organisme notifié est aussi un laboratoire d'essai.
Le processus de l'annexe II doit toujours être appliqué dans son intégralité.
En complément, le fabricant demande l'avis de l'organisme notifié de son choix, sur tout ou partie des exigences essentielles de la directive. Pour obtenir cet avis, le fabricant présente le dossier technique à l'organisme notifié.
Une fois obtenue, le fabricant ajoute l'avis qualifié de l'organisme notifié à sa documentation à la documentation technique.
Cette procédure permet d'obtenir l'avis d'une tierce partie reconnue comme une référence par les autorités.
Déclaration CE de conformité
Détail
Une déclaration CE de conformité doit comporter :
les coordonnées du fabricant.
les coordonnées de son représentant dans l'union européenne.
l'identification complète du produit.
une mention à la directive.
la liste des normes harmonisées et datées appliquées, ou à défaut une référence au programme d'évaluation appliqué.
les informations additionnelles.
S'il y a lieu, la référence de l'avis qualifié d'organisme notifié.
L'endroit ou la documentation technique est conservée.
Le nom, la date et la signature du représentant dans l'union européenne.
Une copie de cette déclaration CE de conformité doit être livré avec l'appareil. Des exemples de déclaration de conformité sont données dans le guide d'application de la directive.
Marquages
Le marquage "CE", figurant à l'annexe 5 de la directive, doit apparaitre sur le produit. Le logo CE indique que l'appareil est conforme aux exigences de l'ensemble des directives applicables à ce produit.
Détail
Aussi, d'autres marquages doivent être présents sur le produit ou la documentation s'ils sont imposés par la norme appliquée. Comme par exemple :
La mention "Appareil de Classe A", requis, par exemple, par les normes EN 55011 et EN 55022 pour les équipements industriels ne respectant pas les limites d'émission de l'environnement résidentiel.
Le logo d'avertissement "ESD" à proximité des accès sensibles aux décharges électrostatiques, comme préconisé par exemple par l'EN 61326.

Directive Américaine
Federal Communications Commission

La Federal Communications Commission ou FCC est une agence indépendante du gouvernement des états-Unis créée par le Congrès américain en 1934. Elle est chargée de réguler les télécommunications, les normes de compatibilité éléctromagnétique ainsi que les contenus des émissions de radio, télévisée et l'Internet. La plupart de ses commissaires sont nommés par le président des états-Unis.
Lorsque c'est possible, l'OSHA promulgue des normes consensuelles nationales ou des normes fédérales établies en normes de sécurité. Les dispositions obligatoires des normes, incorporées par référence, ont la même force et les mêmes effets que les normes listées dans la partie 1910. Par exemple, la norme consensuelle nationale NFPA 70 est listée comme document de référence dans l'annexe A de la sous-partie S-Electrique de la partie 1910 de 29 CFR. NFPA 70 est une norme facultative qui a été élaborée par la National Fire Protection Association (NFPA). NFPA 70 est également connue sous le nom National Electric Code (NEC). Par incorporation, toutes les exigences obligatoires du NEC sont obligatoires selon l'OSHA.
Dans le but de simplifier, pour les fabricants, la certification aux USA et en dehors des USA, la FCC a désigné des Telecommunications Certifications Bodies (TCB). Un TCB est autorisé à vérifier les applications et à établir des homologations au nom de la FCC.
Détail
Norme FCC.
FCC PARTIE 22, 24, 27 pour appareils GSM /WCDMA.
FCC PARTIE 15.247 pour appareils Bluetooth et WLAN (2,4 GHz).
FCC PARTIE 15.407 pour WLAN 802.11a (5GHz).
FCC PARTIE 15.245 (902-928 MHz band, les bandes ISM).
FCC PARTIE 15.225 pour RFID (13.56 MHz).
FCC PARTIE 25 pour appareils de communication par satellite.
FCC PARTIE 90 pour appareils mobiles privés.
FCC PARTIE 95 pour appareils radio personnels.
La procédure la moins contraignante pour un fabricant ou un importateur est identifiée sous le terme de "Verification".
Le fabricant ou l'importateur teste son produit selon la FCC Part 15 avec ses propres moyens ou dans un laboratoire tierce-partie. Les essais doivent bien sûr être réalisés dans les règles de l'art, en l'occurrence en site espace libre mais aucun critère de qualité (comme l'accréditation Cofrac) n'est exigé au niveau du laboratoire.
Le fabricant ou l'importateur est responsable de l'interprétation des résultats. Si il juge sont équipement conforme, il doit apposer sur son équipement le label correspondant à la démarche de "Verification" et doit formaliser son dossier en le mettant au format électronique pour pouvoir le présenter en cas de contrôle.
Pour des produits au pouvoir perturbateur plus avéré (PC, terminaux de télécommunication, etc.), la procédure requise s'intitule "Declaration of Conformity" (DoC).
Elle nécessite que le laboratoire réalisant les essais soit accrédité pour la FCC Part 15 (Etre identifié comme CAB - Conformity Assessment Body dans les Accords de Reconnaissances Mutuelles avec les Etats-Unis permet d'attester de son accréditation).
Si l'équipement est jugé conforme, un marquage spécifique doit figurer sur le produit et une phrase spécifique à cette procédure doit figurer dans la documentation accompagnant le produit. Comme pour la procédure de "Verification", le rapport d'essais doit se présenter dans un format électronique précis (pdf) et doit être présenté uniquement en cas de contrôle.
A noter qu'un produit constitué uniquement de sous-ensemble déjà conformes aux exigences du FCC peut être considéré comme conforme sans nécessiter de passer en tests. Le marquage du produit est semblable au précédent sauf que la phrase "Assembled From Tested Components (Complete System Not Tested)" se substitue à la phrase "Tested To Comply With FCC Standards".
La dernière procédure s'intitule "Certification", elle peut être choisie pour tous les équipements rentrant dans le cadre de la "Declaration of Conformity" mais est obligatoire pour les récepteurs large bande et pour les émetteurs.
Les récepteur large bande et les émetteurs non soumis à licence entre dans le cadre de la norme FCC Part 15, les autres émetteurs doivent répondre à des critères qui leurs sont spécifiques à travers les normes qui leur sont applicables FCC Part xx.
La démarche de "Certification" nécessite qu'un laboratoire FCC listed, comme Emitech, réalise les essais requis.
Le dossier accompagnant la réalisation des essais doit se présenter sous un format électronique (pdf) et doit être soumis pour approbation à la FCC. En cas d'acceptation du dossier par la FCC, un "Grantee Code" est délivré qui servira de base au FCC ID devant figurer sur l'équipement.
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