Couplages - iAi - HEIG-VD
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Introduction à la compatibilité électromagnétique (CEM) 3: Couplage des perturbations J. Unger – heig-vd - 2006 1 Couplages – vision générale Couplage Rayonnement EM Conduction Couplage CEM Petits dipôles Champ proche / champ lointain 2 Champ lointain Calcul d’un circuit simple Impédance commune Boucle de terre Potentiel de terre Champ proche Couplage capacitif Couplage inductif Antenne 1 Couplage CEM Rayonnement - définitions c 3E8 = [m] f f z Longueur d’onde : λ= z Impédance d’onde: Zw = z Impédance du vide: η o = E [Ω] H μ ε o = 120π = 377[Ω] o 2π z Constante de phase: β z Distance à la source: r[m] o = λ 3 Dipôle Hertzien (dipôle électrique) z Champ lointain r >> λ/2π – E & H orthogonaux à r (Er=0) Max dans (X-Y) nuls sur Z Proportionnels à f Proportionnels à 1/r – Zw = 377Ω = ηo – – Couplage CEM – z Champ proche r << λ/2π – – – – – E non perpendiculaire à r E prop. à 1/r3 H prop. à 1/r2 Zw variable >> 377Ω = ηo Champ Haute Impédance 4 2 Boucle de courant (dipôle magnétique) z Champ lointain r >> λ/2π – – – – z Champ proche r << λ/2π – Couplage CEM E & H orthogonaux à r Proportionnels à f2 Proportionnels à 1/r Zw = 377Ω = ηo – – – – H non perpendiculaire à r H prop. à 1/r3 E prop. à 1/r2 Zw variable << 377Ω = ηo Champ Basse Impédance 5 Limite champ lointain – champ proche z Critère math. rlim = λ/2π Critère d’impédance d’onde Zw = ηo +/- 10% rlim= 3λ/2π z Zone de Fraunhoffer (courbure de champ) Couplage CEM z 6 3 Courbure de champ z Couplage CEM z z Soit D la dimension max de la source La différence de chemin entre les contributions du centre et des bords doit rester < λ/16 (calcul d’antenne), < λ/8 ou < λ/4 (CEM), pour considérer que l’on se trouve en zone de Fraunhoffer (onde sphérique) Rlim : erreur r limite kλ 0.1dB λ/16 0.3 dB λ/8 D2/λ λ/4 D2/2λ 1 dB 2D2/λ 7 Couplage Capacitif – champ proche haute impédance z A) Schéma équivalent Rs S Csv Vs Couplage CEM Up = · Vs z Uv Ri Vi Cv V RL S Vs Csv Cv V Rv B) Bode d’amplitude 8 4 Couplage CEM Couplage Capacitif - protection z C) Eloigner – Orienter: peu efficace z D) Blindage mis à terre S Csb Rs V Bl Vs C' sv S RL Uv C'sv Vs Cv C vb Cvb Ri V Rv Bl Cv Vi 9 Couplage inductif – Champ proche basse impédance Couplage CEM z z Dépend de la surface (et de l’orientation) de la boucle signal (allerretour) Vn = jωMsv Is Ls S Rs V Msv Vs Lv Ri Vi Uv RL Vp = jωMsvIs 10 5 Couplage Inductif - Réduction z Connaître et maîtriser le chemin de retour z Torsader les paires aller-retour (réduire les surfaces et rotation de 180° des surfaces voisines d’ou annulation des tensions induites) Couplage CEM i + -Ui +Ui + 0.0 11 Couplage inductif Estimation de la mutuelle Couplage CEM z 12 6 Couplage CEM Comparaison couplage C et L 13 Influence du blindage sur le couplage L z z Blindage mis à terre en un seul point : pas d’effet Blindage mis à terre aux deux bouts: Couplage CEM – – – Quasi-même tensions dans le blindage (Vb) et le conducteur central (Vsv) Vb fait circuler un courant dans le blindage Couplage 1:1 du blindage sur le conducteur central 14 7 Effet du blindage mis à terre aux deux bouts z Pulsation de coupure du blindage: ωc = Rb/Lb – – Couplage CEM – z De l’ordre du kHz En dessus de ωc la tension induite Vbv ≈ Vb mais de signe opposé -> tend à annuler le couplage En dessous : Vbv < Vb peu d’effet favorable Cet effet peut être utilisé tant pour diminuer le rayonnement (émissions) que pour se protéger d’un couplage externe 15 Diminution du rayonnement Couplage CEM z Pour des sources de fréquence >> ωc le blindage relié aux deux bout tend à forcer le chemin de retour dans le blindage plutôt que dans la terre, d’où une compensation des champs rayonnés par le conducteur et son blindage. Is Vs Vs R Mbs Ls Lb Ib Rb R Ig 16 8 Blindage comme protection contre le couplage inductif z En dessus de ωc , le blindage a pour effet de diminuer la surface de couplage S Couplage CEM S’ z Pour des signaux logiques cette solution est recommandée (les fréquences sont >> ωc) 17 Effet défavorable: Couplage CEM z Pour des signaux analogiques (BF), non seulement il n’y a quasi pas d’amélioration, mais tout courant externe (= dû à d’autre sources) pouvant circuler dans le blindage, va provoquer une tension induite parasite dans le conducteur central. A éviter Mbv Lv Vn Lb Ib Vb R Rb Ib 18 9 Impédance de transfert d’un câble blindé z z C’est le rapport entre la tension induite dans le conducteur central(Ui=Vn) et le courant (Ib) dans le blindage provoquant cette tension Zt = Ui/Ib Couplage CEM – – Se spécifie graphiquement en fonction de la fréquence : en dc : Rb, puis diminue avec f Les blindages tressés voient Zt ré-augmenter avec f Mbv Lv Vn Lb Ib Vb R Rb Ib 19 Résumé des couplages C et L z Couplage CEM z z Toujours blinder les câbles soumis à perturbation, et les mettre correctement à terre (connexion 360°, sans fil) Utiliser des paires torsadées pour le signal et son retour, maîtriser ce chemin de retour ! Pour des signaux contenant de la HF ou digitaux, lier le blindage à la terre aux deux bouts 20 10 Rayonnement en champ lointain z Circuit simple : – Couplage CEM – Deux dipôles électriques de longueur l et de courant opposé …. Ou Un dipôle magnétique de surface s·l ? 21 Rayonnement en mode différentiel z En champ lointain: – Champ maximum dans le plan des deux conducteurs Couplage CEM ED max = 1.316 ∗10 −14 ∗ ID ∗ f 2 ∗ L ∗ s d 22 11 Couplage CEM Exemples de circuits 23 Rayonnement en mode commun Couplage CEM z Une partie du courant aller tend à revenir par un autre chemin – Ce courant est difficile à estimer, il vaut mieux le mesurer 24 12 Mode commun z Couplage CEM z Déconnecter l’un des circuits de la terre n’est efficace qu’en très basse fréquence La résonnance (inductance du fil, capa de boîtier) amplifie certains parasites 25 Calcul en mode commun Couplage CEM z Tout se passe comme si un courant 2*IC circulait dans un fil placé au centre des deux conducteurs EC max = 1.257 ∗10 −6 ∗ IC ∗ f ∗ L d 26 13 Mesure du courant: Impédance de transfert Couplage CEM Sonde de courant HF 27 Couplage par conduction – 1 z Couplage CEM z Les perturbations captées par un fil sont conduites à l’intérieur de l’appareil ou dans le circuit imprimé. Protection : Placer un filtre antiparasite à l’entrée du circuit – Le filtre doit laisser passer les signaux normaux z z – – Dc ou 50 Hz pour les alimentations Domaine de fréquence spécifique pour les signaux Le filtre doit atténuer les perturbations 150kHz-30MHz Toute capacité parasite entrée-sortie dégrade l’effet du filtre : Attention au montage 28 14 Couplage par conduction - 2 z z Couplage CEM z 29 Les conducteurs ne sont pas des contacts idéaux – ils ont une impédance non-nulle Si le courant d’un autre utilisateur passe par les fils du circuit victime, une tension d’erreur est générée par l’Impédance Commune aux deux circuits Protection : séparer les circuits, prendre de grandes sections et utiliser des fils courts (diminuer l’impédance commune) I1+I2 Alimentation Ri Vi impédance de la ligne Z1 I2 I1 Circuit 1 Circuit 2 Z2 15
