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DUT génie électrique et informatique industrielle
Document annexe
Origines et effets des perturbations
électromagnétiques
Stage réalisé du 2 mai 2005 au 22 juillet 2005
Etudiant : Josselin Fajfar
Entreprise : HAGER Electro SA
132 Boulevard de l’Europe
67703 SAVERNE CEDEX
Tuteur entreprise: M. Chuette
Tuteur IUT : M. Martz
Sommaire
1. Immunité aux perturbations
1.1 Immunité aux perturbations transitoires rapides
1.2 Immunité aux ondes de choc
1.3 Immunité aux creux et coupures
1.4 Immunité aux décharges électrostatiques (DES)
1.5 Immunité aux perturbations radiofréquences conduites
1.6 Immunité aux perturbations radiofréquences rayonnées
2. Emission de perturbations
2.1 Émission basse fréquence - harmoniques de courant et flicker de tension
2.2 Émission conduite aux fréquences radioélectriques
2.3 Emission rayonnée
Les essais réalisés en laboratoire CEM permettent de simuler différents phénomènes
existants. Ce petit dossier détaille l’origine de ces phénomènes, les décrits et indique
également les effets qu’ils peuvent avoir sur des produits électrodomestiques.
Le dossier est composé de deux parties. La première concerne les perturbations que le
produit peut être amené à subir, la seconde traite des perturbations émises par le produit, qui
pourraient perturber d’autres produits.
1 Immunité aux perturbations
On appelle immunité la capacité d’un appareil à résister à une perturbation
électromagnétique.
Plusieurs essais d’immunité sont réalisés afin de simuler les perturbations possibles que le
produit peut subir dans son environnement. Ils sont précisément décrits selon une série de
normes harmonisées au niveau européen.
Les essais :
-immunité aux perturbations transitoires rapides (EN 61000-4-4)
-immunité aux ondes de choc (EN 61000-4-5)
-immunité aux creux et aux coupures (EN 61000-4-11)
-immunité aux décharges électrostatiques (DES) (EN 61000-4-2)
-immunité aux perturbations radiofréquences conduites (EN 61000-4-6)
-immunité aux perturbations radiofréquences rayonnées (EN 61000-4-3)
1.1 Immunité aux perturbations transitoires rapides
1.1.1
Origine
La commutation de charges inductives a pour effet de générer des surtensions transitoires du
fait de la variation brusque du courant dans une self.
Ces surtensions, appelées transitoires rapides, proviennent de la commutation de charges
inductives (perceuse, réfrigérateur, contacteur, etc. ou des rebondissements de contacts de
relais. Elles sont très brèves (temps de monté de 5ns) et peuvent avoir une amplitude de
plusieurs kVolts (figure 1.1.1).
Ces variations brusques de tension engendrent divers phénomènes perturbateurs dont par
expérience le plus gênant est la circulation de courant à travers toutes les capacités parasites.
En ne tenant compte que de la capacité parasite Cp, le courant IMC = Cp.dV/dT. Il suffit donc,
avec les valeurs de fronts évoqués précédemment, d’une capacité parasite de quelques pF
pour générer des courants de plusieurs centaines de mA.
Ce courant perturbateur va circuler dans le conducteur de référence de tension de
l’électronique, notamment le plan de masse (circuit 0 V), ainsi que dans les parties
métalliques avoisinantes reliées à la terre (plan de terre, plastron métallique, rail DIN, parois
du coffret), et l'isolant (air).
Figure 1.1.1 : Forme de l’onde de surtension transitoire.
1.1.2
Effets
Étant peu énergétiques, ces transitoires provoquent rarement des destructions mais sont à la
source de nombreux disfonctionnements.
Le courant de mode commun circulant à travers le produit peut provoquer :
- des changements d'état de portes logiques
- des mises en conduction intempestives de transistors, thyristor ou triacs
- commutation de relais
- des plantages de micro, altération fréquence d'horloge
- des erreurs de transmissions lors de communications entre composants
-des scintillements des écrans LCD, clignotement de LED
Ces disfonctionnements peuvent être plus ou moins graves selon la fonction affectée. Dans
certains cas, ils peuvent être acceptés notamment s'ils sont auto récupérable lorsque la
perturbation a disparue.
1.2 Immunité aux ondes de choc
1.2.1
Origine
Il s’agit d’une onde transitoire de tension (figure 1.2.1), ou de courant (figure 1.2.2) suivant
l’impédance, se propageant le long d’une ligne ou dans un circuit et comportant une montée
rapide suivie d’une décroissance plus lente.
Les ondes de chocs sont des ondes transitoires d’origine :
- atmosphérique (coups de foudre)
- industrielles (manœuvres et défauts sur le réseau électrique, enclenchement d’éléments
capacitifs...)
Les phénomènes de manœuvre affectent principalement l’accès d’alimentation des appareils
alors que la foudre concerne tous les types d’accès.
Figure 1.2.1 : forme de l’onde de tension
Figure 1.2.2 : forme de l’onde de
courant
1.2.2
Effets
Ils peuvent être de 2 types :
-disfonctionnement
-destruction
Ceci est principalement dû à la durée de la perturbation qui est de 50µs (contre 50ns pour
l’onde transitoire rapide) et toujours avec des tensions très élevés ( de l’ordre de 4kV).
Les risques de destruction apparaissent principalement sur les perturbations appliquées sur
l’accès alimentation 230V (essai de surtension en mode différentiel)
- claquage de composants électroniques dus à l’amplitude élevée et à la forte énergie de l’onde
- claquage du diélectrique entre pistes
- destruction des composants de protection (varistance) et des pistes sur les accès d’E/S
1.3 Immunité aux creux et coupures
1.3.1
Origine
Ces phénomènes sont de nature aléatoire et peuvent être caractérisés en termes de déviation
à partir de la tension assignée et en termes de durée.
Les creux de tension et les coupures brèves ne sont pas toujours brusques à cause du délai de
réaction des machines tournantes et des éléments de protection connectés au réseau. Si des
grands réseaux d’alimentation sont déconnectés (réseau intérieur d’usine ou réseau régional),
la tension au réseau d’alimentation va décroître graduellement à cause de toutes les machines
tournantes qui sont connectés au réseau d’alimentation. Durant un court instant, les
machines tournantes vont fonctionner comme des générateurs réinjectant de la puissance
dans le réseau.
Certains matériels sont plus sensibles aux variations graduelles de tension qu’aux
changements brusques. La plupart des équipements informatiques comportent un détecteur
de d’absence de tension pour protéger et sauvegarder les données de la mémoire interne de
telle sorte qu’après que la tension soit revenue, l’équipement redémarre correctement.
Certains détecteurs d’absence de tension ne réagissent pas suffisamment vite sur une
diminution progressive de la tension.
Par conséquent, la tension continue d’alimentation des circuits intégrés descendra à un
niveau inférieur à la tension minimale de fonctionnement avant que le détecteur d’absence de
tension ne fonctionne, et les données seront perdues ou erronées. Quand l’alimentation sera
rétablie, l’équipement informatique ne sera pas capable de redémarrer correctement s’il n’a
pas été reprogrammé.
Ces creux et coupures secteurs peuvent durer quelques millisecondes à plusieurs centaines de
millisecondes, et avoir un niveau de tension allant de 0% à <100% de la tension
d’alimentation nominale.
1.3.2
Effets
-Pertes de données en mémoire. (Configuration…)
-Changement de mode de fonctionnement.
-Désynchronisation entre différents produits.
1.4 Immunité au décharges électrostatiques (DES)
1.4.1
Origine
Une D.E.S est un transfert de charges électriques entre des corps portés à des potentiels
électrostatiques différents.
La friction de 2 matériaux différents provoque un transfert d'électrons entre les 2 matériaux.
Ainsi, une personne marchant sur une surface isolée (moquette par exemple) se charge avec
de l'électricité statique et se décharge lorsqu'elle entre en contact avec un objet conducteur.
Une décharge peut également se produire entre 2 objets voisins (figure 1.4.1).
Figure 1.4.1 : détail du phénomène de DES
Figure 1.4.2 : forme de la perturbation
1.4.2
Effets
-Décharges directes (contact direct entre l’utilisateur et le produit) : Les tensions mises en
jeu sont de l'ordre de quelques kV et peuvent provoquer des disfonctionnements et dans
certains cas la destruction des composants électroniques.
D'une manière générale, nous n'avons de problèmes que lorsqu’il y a un amorçage sur le
circuit imprimé. L'enveloppe de nos produits étant en matériau isolant ceci ne peut se
produire qu'au travers des ouvertures du boîtier.
-Décharges indirectes (rayonnement suite à un contact direct entre l’utilisateur et
une partie métallique dans l’environnement du produit) : Le produit est soumis à des
énergies électromagnétiques qui, sur les appareils, peuvent provoquer des
disfonctionnements (extrêmement rares), jamais de destruction (du moins jusqu'à
présent)
1.5 Immunité aux perturbations radiofréquences conduites
1.5.1.1 Origine
La source de perturbations est essentiellement un champ électromagnétique, issu
d’émetteurs à radio fréquence (talkies-walkies, téléphones portables, émetteurs de
télécommunication, émetteurs industriels, domestiques et médicaux), qui peut affecter la
longueur totale des câbles raccordés à des matériaux installés.
L’ordre de grandeur de perturbation sur les matériels, dans la plupart des cas il s’agit d’un
sous-ensemble d’un système plus important, sont supposées être réduites par rapport aux
longueurs d’onde concernées.
Les conducteurs entrant et sortant, comme les cordons secteurs, les lignes de
télécommunications, les câbles d’interface, se comportent comme des réseaux d’antennes de
réception passifs, car ils peuvent correspondre à plusieurs longueurs d’onde.
1.5.2
Effets
Pas de destruction mais des disfonctionnements possibles :
--problèmes de communications entre plusieurs appareils (bus EIB)
-changement d’état du produit sans ordre donné
-non prise en compte d’un ordre
Ces perturbations peuvent être présentes de manière continue ; (présence d’un émetteur
proche par exemple) par conséquent les effets que l’on peut tolérer sont plus restrictifs que
pour les perturbations impulsives (perturbations transitoires rapides ou par ondes de chocs).
1.6 Immunité aux perturbations radiofréquences rayonnées
1.6.1
Origine
Les champs électromagnétiques sont générés principalement par des émetteurs/récepteurs
portatifs (talkies-walkies, téléphones portables) mais également par d'autres émetteurs de
télécommunication (radiodiffusion, télévision, radar,...) ainsi que par des émetteurs
industriels, domestiques et médicaux (système de chauffage par induction par exemple).
A la différence des perturbations radiofréquences conduites, ou les perturbations sont captés
par les câbles puis transmis au produit, le produit est directement soumis aux perturbations.
1.6.2
Effets
Pas de destruction mais des disfonctionnements possibles :
-problèmes de communications entre plusieurs appareils (bus EIB)
-changement d’état du produit sans ordre donné
-non prise en compte d’un ordre
Ces perturbations peuvent être présentes de manière continue ; (présence d’un émetteur
proche par exemple) par conséquent les effets que l’on peut tolérer sont plus restrictifs que
pour les perturbations impulsives (perturbations transitoires rapides ou par ondes de chocs).
2 Emission de perturbations
Dans cette partie des essais CEM, on vérifie que les perturbations émises par le produit
(basses et hautes fréquences) ne viennent pas à créer des dysfonctionnements aux produits
environnants. Ainsi les seuils limites sont clairement définis dans la norme selon le type de
produit.
Essais :
-émission basse fréquence - harmoniques de courant et flicker de tension (EN 61000-3-2)
(EN 61000-3-3) ;
-émission conduite aux fréquences radioélectrique (EN 55014-1 & EN 55022) ;
-mesure d’émission rayonnée (EN 55014-1 & EN 55022).
2.1 Émission basse fréquence - harmoniques de courant et flicker de
tension
2.1.1
Origine
2.1.1.1 Harmoniques
Une charge est dite "non linéaire" si le courant absorbé n'est pas sinusoïdal lorsqu'elle est
alimentée par une tension sinusoïdale. Ce type de récepteur est générateur d'harmoniques.
Le courant absorbé par un récepteur non linéaire va, pour chaque harmonique de rang n du
courant en ligne In, provoquer une chute de tension u dans toutes les impédances situées en
amont. Chaque impédance offre à chaque rang d'harmonique une impédance Zn fonction de
la fréquence f du rang considéré. En conséquence, ces chutes de tension dues aux courants
harmoniques qui déforment la tension sinusoïdale de la source provoquant une perturbation
des autres récepteurs alimentés par cette source.
2.1.1.2 Flicker de tension
La fluctuation lente de la tension (figure 2.1.1) est une diminution de la valeur efficace de la
tension de moins de 10 %. La tension est modulée en amplitude par une enveloppe dont la
fréquence est comprise entre 0,5 et 25 Hz. Le phénomène est dû à la propagation sur les
lignes du réseau d’appels de courants importants à la mise en service ou hors service
d’appareil dont la puissance absorbée varie de manière rapide (les fours à arcs, les machines
à souder, les moteurs à démarrages fréquents, …)
Figure 2.1.1 : flicker de tension
2.1.2
Effets
2.1.2.1 Harmoniques
-Dérangement des commutations des thyristors lorsque les grandeurs harmoniques
déplacent le passage à zéro de la tension
-Perturbation des récepteurs de télécommande utilisés par les distributeurs d'énergie,
lorsque les tensions harmoniques sont de fréquence voisine de celle du système.
2.1.2.2 Flicker de tension
Les conséquences de la fluctuation lente de la tension s’observent essentiellement sur des
lampes à incandescence où elle provoque un papillotement du flux lumineux (Flicker). Cette
gêne visuelle est perceptible pour une variation de 1 % de la tension. Elle crée une fatigue
pour les utilisateurs. La norme a été définie par un organisme de santé.
2.2 Émission conduite aux fréquences radioélectriques
2.2.1
Origine
On distingue deux types :
-perturbations continues
-perturbations discontinues (claquements)
les perturbations continues peuvent être soit du type large bande, provoqués par des
dispositifs de commande ou de régulation à semi-conducteurs (triacs par exemple) ; des
convertisseurs de puissance, des machines tournantes à balais et à collecteur, soit du type
bande étroite provoqués par des commandes dispositifs de commande électroniques tels que
microprocesseurs.
Les fronts raides provoqués par ces dispositifs génèrent des harmoniques de tension à des
fréquences plus élevées. A titre d’exemple un variateur à triac génère des harmoniques
gênantes jusqu’au MHz.
Les perturbations discontinues sont provoquées par des opérations de commutation dans les
appareils commandés par thermostat, et dans les machines automatiques programmées
(lave-linge,…..). Les limites autorisées sont fonction de la fréquence de récurrence des
claquements.
Les perturbations radiofréquences conduites peuvent être rayonnées via les câbles ayant le
rôle d’antennes. Plus la longueur du câble se rapprochera d’un multiple ou d’une fraction de
la longueur d’onde de la perturbation, plus l’émission sera importante.
Ces perturbations sont véhiculées et mesurées au niveau des câbles en mode commun, l’unité
de mesure est le dBV.
2.2.2
Effets
Perturbations de la réception radioélectrique.
2.3 Emission rayonnée
2.3.1
Origine
L’origine de ces perturbations est la même que les perturbations radiofréquences conduites.
La seule différence est que les perturbations sont émises dans la cellule GTEM (cellule
permettant aussi de réaliser l’essai d’immunité radiofréquence rayonnée) est mesurée à
l’intérieur afin de limiter les perturbations liées à l’environnement extérieur.
2.3.2
Effets
Perturbations de la réception radioélectrique.