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Chapitres 1 2 Cours CEM

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Intitulé du cours : Compatibilité
ElectroMagnétique (C.E.M)
« Licence Professionnelle Diagnostic et Maintenance des
Systèmes Electroniques Embarqués dans l’Automobile (LPDMSEEA) »
Présenté par Abdelmajid BYBI
Année Universitaire 2020 / 2021
Plan du cours
Chapitre 1 : Généralités concernant la compatibilité électromagnétique
I-1/ Introduction à la compatibilité électromagnétique (C.E.M)
I-2/ Quelques exemples de phénomènes perturbateurs rencontrés en C.E.M
I-3/ Contexte industriel : Secteur Automobile
I-4/ La conduite d’une étude C.E.M
Chapitre 2 : Les modes de propagation et les types de couplages EM
II-1/ Modes de propagation des perturbations
II-2/ Les types de couplage électromagnétique
II-3/ Couplage par impédance commune
II-4/ Couplage par capacité « carte à châssis »
II-5/ Couplage par diaphonie inductive
II-6/ Couplage par diaphonie capacitive
II-7/ Couplage d’un champ électrique sur un conducteur « champ à fil »
II-8/ Couplage d’un champ magnétique sur une boucle « champ à boucle »
-2-
Chapitre 3 : La sensibilité des circuits et des composants électroniques
III-1/ Introduction
III-2/ Perturbation des circuits analogiques
III-3/ Perturbation des circuits numériques
Chapitre 4 : Les protections électromagnétiques
IV-1/ Introduction
IV-2/ Notions sur le blindage
IV-3/ Les câbles et les câbles blindés
Chapitre 5 : Les normes et les tests d’immunité en C.E.M
V-1/ Introduction
V-2/ La réglementation internationale de la C.E.M
V-3/ Les tests à réaliser pour vérifier la conformité aux normes C.E.M
-3-
Quelques sujets d’exposés
»
1) Diagnostic automobile : tests; logiciels utilisés,…
»
2) Tests de CEM automobile : méthodes de mesure, les parties vulnérables dans la
voiture, marché CEM au Maroc (sociétés,….).
»
3) Secteur automobile au Maroc : différentes sociétés, secteur d’activité (produits
fabriqués et services,…), localisation, …
»
4) Utilisation de l’électronique dans l’automobile : les calculateurs, le câblage, les
capteurs et les actionneurs,... (rôle, principe, positionnement,…).
»
5) Les batteries des voitures classiques et électriques : types, maintenance, défauts,
tests,…
»
6) Le multiplexage et les Bus de communications dans l’automobile (BUS CAN,
VAN,…) : structure, fonctionnement, avantages, inconvénients, problèmes,…
»
7) Voitures électriques et hybrides : structure, fonctionnement, avantages,
inconvénients, problèmes,…
»
8) Le câblage automobile : classique, électrique et hybride.
-4-
Chapitre 1 : Généralités concernant la
compatibilité électromagnétique
-5-
I-1/ Introduction à la C.E.M
Nous sommes tous exposés dans notre vie quotidienne, que nous le voulions ou non, aux champs
électriques, magnétiques et électromagnétiques.
Ces champs proviennent de sources naturelles (foudre et décharges électrostatique) et artificielles
(issus des différents appareils électroniques et des installations électriques dans notre entourage).
Les différents appareils et systèmes que l’on utilise sont donc susceptibles de se perturber les uns
les autres : on parle de problème de compatibilité électromagnétique (C.E.M).
-6-
I-1/ Introduction à la C.E.M
Qu’est ce que la C.E.M ?
Depuis 1996, aucun appareil / système électrique ou électronique ne peut être commercialisé sans
avoir subit de tests de compatibilité électromagnétique (C.E.M).
C’est-à-dire vérifier la capacité du dispositif, équipement ou système à fonctionner de manière
satisfaisante dans son environnement, sans introduire des perturbations électromagnétiques
intolérables dans cet environnement.
On définit dans ce cas :
L’émissivité : évaluer le pouvoir perturbateur de l’appareil (source).
L’immunité : évaluer l’aptitude de l’équipement (victime) à fonctionner comme prévu, sans
dégradation en présence de perturbations électromagnétiques extérieures (sources).
-7-
I-1/ Introduction à la C.E.M
L’objectif d’une étude de C.E.M
La C.E.M a pour but de prendre en compte les perturbations transmises par les équipements /
appareils en fonctionnement pour assurer un fonctionnement correct de plusieurs équipements /
appareils en même temps.
Ceci implique deux choses :
- Les perturbations électromagnétiques émises par les équipements ne soient pas trop importantes
(satisfaire le critère de l’émissivité).
- Les équipements puissent fonctionner de façon satisfaisante en présence de perturbations
générées par d’autres appareils (satisfaire le critère de l’immunité).
-8-
I-1/ Introduction à la C.E.M
L’objectif d’une étude de C.E.M
Un système est dit électromagnétiquement compatible lorsqu’il respecte trois critères :
1) Le système ne se perturbe pas lui-même.
-9-
I-1/ Introduction à la C.E.M
L’objectif d’une étude de C.E.M
2) Le système ne perturbe pas les autres équipements : les perturbations émises sont inférieures à
une limite normalisée (limite d’émission).
-10-
I-1/ Introduction à la C.E.M
L’objectif d’une étude de C.E.M
3) Le système n’est pas perturbé par les autres : les perturbations qu’il supporte sont supérieures à
une limite normalisée (limite d’immunité).
Un système est généralement perturbé parce qu’il ne répond pas aux normes officielles.
-11-
I-1/ Introduction à la C.E.M
L’objectif d’une étude de C.E.M
Un problème de CEM comporte trois éléments :
1) Le système perturbateur (source),
2) Le système perturbé (victime),
3) Un mécanisme de couplage (comment la source influence la victime et génère des parasites
« tension / courant » dans celle-ci).
-12-
I-1/ Introduction à la C.E.M
Pourquoi se préoccuper de la C.E.M ?
L’utilisation d’équipements électriques et électroniques se multiplie dans tous les domaines
d’activités : grand public, industriels ou militaires (ordinateurs, téléphones, TV, avions,
voitures,...).
L’évolution des technologies rend les matériels plus sensibles et plus « vulnérables » aux agressions
extérieures, de plus ils deviennent eux mêmes source de perturbations.
Conséquence : une pollution électromagnétique susceptible de générer des dysfonctionnements voir
une destruction des appareils.
-13-
I-2/ Quelques exemples de phénomènes perturbateurs rencontrés en C.E.M
Les sources de perturbations EM sont réparties en deux catégories :
Sources d’origine naturelle : principalement la foudre et les décharges électrostatiques (DES).
Sources de perturbations qui proviennent de l’activité humaine : émetteurs radio, TV, radar, four
micro-onde, lignes de transport d’énergie, l’éclairage,…
-14-
I-2/ Quelques exemples de phénomènes perturbateurs rencontrés en C.E.M
Voici quelques exemples typiques de phénomènes perturbateurs :
Effets de la foudre sur les lignes à très haute tension
Les lignes transportant l’énergie électrique sont fréquemment soumises aux impacts de la foudre.
Deux phénomènes nuisibles sont généralement enregistrés :
-
La génération de surtensions transitoires,
-
L’écoulement par le sol de courants intenses.
-15-
I-2/ Quelques exemples de phénomènes perturbateurs rencontrés en C.E.M
Le premier phénomène :
Lorsque l’impact foudre tombe sur une ligne à THT, une surtension transitoire de plusieurs
millions de Volts prend naissance entre le conducteur de phase et la terre.
Sans l’usage d’un parafoudre (limiteur d’amplitude) le transformateur de puissance risque d’être
sérieusement endommagé.
Impact
foudre
Disjoncteur
Parafoudre
Surtension
Ligne THT
Sol
Transformateur de puissance
-16-
I-2/ Quelques exemples de phénomènes perturbateurs rencontrés en C.E.M
Le second phénomène concerne l’écoulement par le sol de courants intenses.
Ces courants sont générés suite à l’amorçage d’un arc électrique sur l’isolateur, provoquant un
court circuit entre le conducteur de phase et la terre à travers la masse métallique du pylône.
Le disjoncteur connecté à la sortie du transformateur détecte la surintensité du courant parasite et
coupe le circuit afin de protéger le transformateur de puissance.
Impact
foudre
Amorçage de
l’isolateur
Disjoncteur
Parafoudre
iG(t)
P2
P1
ΔvG(t)
-17-
I-2/ Quelques exemples de phénomènes perturbateurs rencontrés en C.E.M
Les décharges électrostatiques (DES)
L’origine de l’accumulation des charges électriques est très diverses, par exemple : par frottement,
par contact, par ionisation, par congélation,…
Un exemple de DES très connu est celui représenté ci-dessous :
-18-
I-2/ Quelques exemples de phénomènes perturbateurs rencontrés en C.E.M
La pollution électromagnétique engendrée par les circuits imprimés
Soit un circuit imprimé assimilé à deux pistes parallèles déposées sur un substrat.
Les pistes sont connectées à l’une des extrémités sur une source e et l’autre extrémité est connectée
sur une charge RL.
Les pistes ont une longueur L0 et sont espacées d’une distance l. La source e engendre un courant I
parcourant les deux pistes.
Le circuit formé par les deux pistes génère un champ électrique parasite E à une distance r.
Substrat
L0
I
e
RL
l
I
r
E
-19-
I-2/ Quelques exemples de phénomènes perturbateurs rencontrés en C.E.M
L’expression du module du champ électrique est donnée par la formule suivante :
120 π2 S 2
E =
f I
c2 r
c est la célérité de la lumière, f la fréquence du signal d’excitation et S la surface de la boucle
formée par les deux pistes.
S = L0 l
Application numérique
Pour les fréquences 30 MHz et 1 GHz :
Calculer l’amplitude minimale Imin du courant qu’il faut produire sur les pistes pour atteindre le
seuil de pollution toléré par la norme à 3 m : E = 100 µV/m
Dans ce cas, on considère : L0= 8 cm , l = 5 mm , r = 3 m , RL = 50 Ω et c = 3 108 m/s
-20-
I-2/ Quelques exemples de phénomènes perturbateurs rencontrés en C.E.M
La valeur maximale du champ électrique toléré est E = 100 µV/m,
Pour f = 30 MHz, Imin= 63 mA
Pour f = 1 GHz,
Imin= 56 µA
La tension minimale de la source produisant ces courants est donnée par loi d’Ohm :
VSmin= RL * Imin
Pour f = 30 MHz, VSmin≅ 3 V
Pour f = 1 GHz, VSmin≅ 2 mV
Conclusion :
Aux fréquences proches de 1 GHz une simple source de quelques mV suffit pour générer une
pollution électromagnétique au voisinage du circuit imprimé.
-21-
I-3/ Contexte industriel : Secteur Automobile
Contexte actuel
L’automobile moderne ne peut plus se passer d’électronique embarquée à son bord, que ce soit
pour assurer des fonctions de :
 sécurité active et passive : anti-blocage des roues, contrôle dynamique de stabilité, coussins
gonflables ou airbags, contrôle de la pression des pneus, radar anticollision,…
 confort : autoradio, navigation par satellite, climatisation, commandes électriques des vitres, des
sièges,…
 aide à la conduite : direction assistée, régulation de vitesse, aide au stationnement …
Les équipements électriques et électroniques embarqués regroupent notamment des capteurs, des
calculateurs, des actionneurs et les différents câbles et connecteurs de connexion.
-22-
I-3/ Contexte industriel : Secteur Automobile
Contexte actuel
Quelques chiffres
- Environ une 20aine de calculateurs embarqués, avec leurs capteurs et actionneurs,
- Quelques 10aines de petits moteurs DC,
- Jusqu’à plus d’une 10aine d’antennes embarquées,
- Jusqu’à plus de 1000 fils au total, 1 à 2 km mis bout à bout,
- Plus de 200 connecteurs et plusieurs 10aines de voies par connecteur,
- Plusieurs bus de communication,
-…
Environnement riche en pollution électromagnétique par conduction (câbles, fils, et pistes de
connexion) et / ou par champs rayonnées (les antennes, les pistes, les câbles,…).
Le problème de CEM doit donc être pris en compte pour éviter tout incident ou fonctionnement
anormal.
-23-
I-3/ Contexte industriel : Secteur Automobile
Contexte actuel
Les équipements regroupant les capteurs, les actionneurs et les calculateurs, sont d’une très grande
diversité. Les calculateurs se présentent généralement sous la forme de boîtiers qui incorporent un
ou plusieurs connecteurs pouvant compter chacun de deux à quelques dizaines de broches.
Les fonctions électroniques sont assurées par les calculateurs, qui partagent et échangent des
informations à l’aide de réseaux multiplexés : les informations circulent dans un seul câble «
constitué de deux fils torsadés » relié au calculateurs dans le but de diminuer la quantité de câbles
présents dans la voiture. Ces calculateurs acquièrent en plus les informations des paramètres
physiques utiles recueillis par une multitude de capteurs et commandent les actionneurs.
Fils torsadés
Calculateur Airbag
Calculateur moteur
-24-
I-3/ Contexte industriel : Secteur Automobile
Contexte actuel
De tels équipements renferment un circuit imprimé qui peut être de différents types (double
couches ou multicouches) selon la complexité de l’équipement.
De même, la surface correspondant à la masse électronique du circuit imprimé diffère selon les cas.
Lorsque cette surface recouvre la totalité du circuit imprimé, il s’agit d’un plan de masse plein ou
complet, sinon d’un plan de masse partiel, ou encore d’une masse sous forme de grille.
Les circuits imprimés comportent une majorité de composants de technologie CMS (Composants à
Montage en Surface).
-25-
I-3/ Contexte industriel : Secteur Automobile
Contexte actuel
Les organes électriques tels que les actionneurs (essentiellement des moteurs à courant continu), la
batterie et l’alternateur, viennent s’ajouter aux équipements électroniques (capteurs et
calculateurs) et aux faisceaux de câbles qui les interconnectent pour constituer un ensemble que
l’on appelle l’architecture électrique et électronique (AEE) du véhicule.
Schéma de l’AEE de la Peugeot 407
-26-
I-3/ Contexte industriel : Secteur Automobile
Contexte actuel
La cohabitation de ces systèmes au sein du véhicule et l’existence d’environnements
électromagnétiques divers susceptibles de les perturber posent de façon croissante la question de
leur Compatibilité Electromagnétique (C.E.M).
Cette dernière traduit leur aptitude à pouvoir fonctionner correctement dans un environnement où
peuvent se trouver des perturbations électromagnétiques, sans émettre eux-mêmes des
perturbations intolérables pour les autres systèmes qui se trouveraient dans cet environnement.
-27-
I-3/ Contexte industriel : Secteur Automobile
Contexte actuel
Les sources de perturbations peuvent être soit des équipements / systèmes embarqués dans le
véhicule, soit des sources externes environnantes telles que des émetteurs hertziens générant des
champs électromagnétiques. Pour garantir la tenue en CEM des véhicules en vue de leur
homologation, un certain nombre d’essais de validation sont nécessaires, à la fois pour chaque
équipement et pour le système complet.
Afin d’optimiser le processus de conception et les coûts associés, la CEM doit être prise en compte
au plus tôt, dans la phase amont de développement des véhicules : des études et des simulations
numériques sont réalisées avant fabrication du véhicule.
-28-
I-3/ Contexte industriel : Secteur Automobile
Contraintes de la validation CEM dans le domaine automobile
Au niveau européen, des directives relatives à la Compatibilité Electromagnétique ont été
promulguées par la Commission de l’Union Européenne. La directive 89/336/CEE de mai 1989
(abrogée par la directive 2004/108/CE) est applicable à tous les systèmes électriques ou
électroniques, mis à part certains systèmes faisant l’objet d’une directive particulière, comme les
véhicules automobiles.
La directive spécifique à l’automobile 95/54/CE, datant du 31 octobre 1995 et applicable depuis le
1er janvier 1996, traite des deux critères fondamentaux de la CEM appliqués au véhicule dans sa
globalité et à ses sous-ensembles électriques et électroniques.
Ces deux critères sont :
- Le niveau d’émission.
- Le niveau d’immunité.
-29-
I-3/ Contexte industriel : Secteur Automobile
Contraintes de la validation CEM dans le domaine automobile
-Le niveau d’émission : correspond au niveau de perturbations électromagnétiques produites
par le système testé et qu’il ne doit pas dépasser.
-Le niveau d’immunité : correspond à un niveau donné de la grandeur électromagnétique
perturbatrice (champ) supportée par le système testé sans dysfonctionnement. Le niveau ou seuil
de susceptibilité caractérise le niveau de perturbations à partir duquel on observe un
dysfonctionnement.
En plus des deux critères, la directive 95/54/CE décrit les essais à réaliser, avec les méthodes
d’essais correspondantes. Elle a fait l’objet d’une dernière révision, et a été remplacée par la
directive 2004/104/CE, applicable pour les nouveaux types de véhicules à partir du 1er juillet 2006.
-30-
I-3/ Contexte industriel : Secteur Automobile
Essais et Tests CEM Automobile
On distingue deux types d’essais CEM dans l’automobile :
- les essais sur équipement (1), appelés encore « essais sur table », qui sont pratiqués chez
l’équipementier et éventuellement chez le constructeur pour valider le produit individuellement.
- les essais sur véhicule (2), qui sont pratiqués par le constructeur lorsque tous les équipements
sont montés sur véhicule en configuration réelle d’implantation et d’interconnexion. Dans ce type
d’essais, ce sont les fonctions assurées par les systèmes (ensembles d’équipements) qui sont testées.
Un équipement est considéré comme validé du point de vue CEM lorsqu’il satisfait aux
exigences d’essais sur table et sur véhicule.
-31-
I-3/ Contexte industriel : Secteur Automobile
Essais et Tests CEM Automobile
Exemples d’essais :
-l’immunité de l’équipement aux perturbations de mode commun conduites par un faisceau de
câbles d’une longueur de 1 m.
-l’immunité au champ électrique rayonné sur la bande [200 MHz – 2 GHz], ou l’immunité au
champ magnétique basse fréquence sur la bande fréquentielle [20 Hz – 100 kHz].
(1)
(2)
-32-
I-3/ Contexte industriel : Secteur Automobile
Essais et Test CEM Automobile
En principe, les essais de validation sur véhicule ne sont effectués que lorsque le constructeur a
validé les essais sur équipement du fournisseur. La réalisation des essais sur équipement est de la
responsabilité du fournisseur, les essais sur véhicule étant de la responsabilité du constructeur.
Essais sur véhicule en chambre anéchoïque
-33-
I-4/ La conduite d’une étude C.E.M
Pour mener à bien une étude C.E.M, il est judicieux de suivre la démarche suivante :
Evaluer l’environnement électromagnétique
Il s’agit de déterminer les sources de perturbations et les champs générés par celles-ci.
En fonction de l’environnement étudié, différents critères d’évaluation du degré de pollution des
sources existent.
Par exemple :
Des normes proscrivent des seuils de tolérance concernant le niveau maximal du champ électrique
émis par une source et définissent une bande de fréquence entre 30 MHz et 1 GHz avec une
tolérance de 100 µV/m.
-34-
I-4/ La conduite d’une étude C.E.M
Identifier les modes de couplage
Il s’agit de déterminer les mécanismes de transmission des perturbations des sources au système ou
à l’installation qui reçoit ces perturbations parasites.
Nous allons étudier ces modes de couplage plus en détails dans le deuxième chapitre du cours.
Evaluer la sensibilité des éléments ou des systèmes perturbés
Il s’agit de déterminer dans quelle mesure les éléments sensibles du système ou de l’installation
supportent les perturbations reçues de la part des sources.
Déterminer l’immunité du système perturbé.
-35-
I-4/ La conduite d’une étude C.E.M
Définir les protections des éléments sensibles
Les protections électromagnétiques ont pour but d’atténuer les parasites produits par les
phénomènes perturbateurs.
Le choix des protections adéquates nécessite une analyse de l’installation à protéger et une étude
attentive des couplages à l’aide de calculs théoriques, de simulations numériques et de tests
expérimentaux.
Nous allons étudier les protections électromagnétiques, notamment l’usage de câbles blindés de
manière détaillée dans le quatrième chapitre du cours.
Intégrer le problème de la C.E.M dans la conception du système final
C’est-à-dire, il faut prendre en compte la contribution des phénomènes parasites ainsi que leurs
protections associées dans la réalisation du circuit, installation ou système final.
-36-
Chapitre 2 : Les modes de propagation et les
types de couplages électromagnétiques
-37-
II-1/ Les modes de propagation des perturbations
Les perturbations / parasites électromagnétiques peuvent être classées selon leur mode de
propagation en deux catégories : propagation en mode différentiel et propagation en mode
commun.
Mode différentiel ou mode symétrique
Considérons un câble électrique composé de deux conducteurs connectés à un appareil électrique
ou circuit électronique.
Dans le cas d’une propagation en mode différentiel, le premier conducteur circule un courant
« aller » tandis que dans le deuxième circule un courant « retour » de même intensité, mais de sens
opposé.
Câble composé de deux conducteurs
VMD
IMD
VMD
IMD
Appareil électrique
ou électronique
-38-
II-1/ Les modes de propagation des perturbations
IMC/2
IMC/2
IMC/2
IMC/2
Dispositif électrique ou
électronique
-39-
II-2/ Les types de couplage électromagnétique
Les perturbations électromagnétiques sont classées selon leur type de couplage (c’est-à-dire
comment la source influence la victime et génère une tension ou un courant parasite dans celle-ci)
en six types différents :
-
Le couplage par impédance commune,
-
Le couplage par capacité « carte à châssis »,
-
Le couplage par diaphonie inductive,
-
Le couplage par diaphonie capacitive,
-
Le couplage d’un champ électrique sur un conducteur,
-
Le couplage d’un champ magnétique sur une boucle.
-40-
II-3/ Couplage par impédance commune
Définition du couplage par impédance commune
Comme son nom l’indique ce type de couplage est dû à la présence d’une ou plusieurs liaisons
communes à plusieurs circuits ou systèmes.
Ces liaisons communes sont : des connexions d’alimentation (les mêmes câbles ou pistes
d’alimentation), des conducteurs de masse ou de terre (les mêmes câbles de masse, le même plan de
masse,…).
L’impédance Z des liaisons communes n’étant pas nulle, une chute de tension parasite est donc
occasionnée à chaque fois qu’un courant électrique circule dans la liaison commune.
-41-
II-3/ Couplage par impédance commune
Exemple :
On considère deux systèmes reliés par une impédance commune dû au conducteur de masse ou de
terre « Zmasse ».
Un courant parasite Iparasite pouvons provenir de phénomène extérieur (par ex : impact de foudre)
circule dans l’impédance commune de la masse Zmasse et provoque une différence de potentiel
(d.d.p) ou chute de tension parasite non négligeable perturbant l’un ou les deux systèmes.
-42-
II-3/ Couplage par impédance commune
Afin de décrire les caractéristiques fondamentales du couplage par impédance commune
considérons le circuit suivant :
I1
I2
VS1
RL1
VL2
VS2
A
Plan de masse
rG
VL1
RL2
B
I1+I2
I1
VG
Cette figure représente deux circuits électriques utilisant le même plan de masse.
Nous représentons l’impédance du conducteur commun de masse par sa partie résistive rG.
Analysons l’influence du circuit 1 sur le fonctionnement du circuit 2.
-43-
II-3/ Couplage par impédance commune
La circulation du courant I1 + I2 dans la résistance rG génère une d.d.p parasite VG entre A et B.
D’après la loi d’Ohm :
VG= rG (I1+I2).
L’expression de la tension aux bornes de la charge RL2 :
VL2 = VS2 – VG = VS2 – rG (I1+I2).
Le terme rG I1 représente donc l’influence du circuit 1 sur le circuit 2.
-44-
II-3/ Couplage par impédance commune
Cette analyse montre que, pour réduire le couplage entre les deux circuits. Il faut diminuer la
résistance rG du conducteur commun de masse .
Par exemple en choisissant des fils de liaisons ou des pistes larges et courtes (rG = ρ * L / S).
En réalité, chercher à diminuer de manière significative la résistance rG d’un conducteur commun
de masse n’est pas toujours facile.
La solution pratique consiste donc à réaliser un circuit de mise à la masse différent.
-45-
II-3/ Couplage par impédance commune
Méthodes de mise à la masse des circuits
On peut classer les méthodes de connexion des circuits à la masse en deux catégories : la méthode
de mise à la masse en un seul point et la méthode de mise à la masse en plusieurs points.
La première méthode se décompose elle-même en deux variétés : la mise à la masse en un seul
point de type série (ou chaînée) et la mise à la masse de type parallèle (ou en étoile).
Circuit
1
Masse du
système
Circuit
2
Circuit
3
Masse locale
Mise à la masse de type série
Masse du système
Mise à la masse de type parallèle
-46-
II-3/ Couplage par impédance commune
Pour éviter les couplages par impédance commune lors des connexions de mise à la masse, la
méthode à utiliser est la méthode de type étoile.
Malheureusement, cette méthode perd son intérêt au fur et à mesure que la fréquence augmente, à
cause des inductances importantes des connexions de mise à la masse.
Ces inductances élevées ont une triple action indésirable :
1) elles provoquent une élévation du potentiel de référence du sous-système par rapport au
potentiel du point de masse du système.
2) associées aux capacités parasites qui apparaissent entre la connexion de masse et le plan de
masse, elles peuvent entrer en résonance et porter alors la référence de potentiel du sous
système considéré très au-dessus du point de masse du système (circuit RLC parallèle).
3) elles peuvent faire apparaitre des couplages magnétiques entre diverses connexions de masse.
-47-
II-3/ Couplage par impédance commune
En haute fréquence, la méthode la plus intéressante est donc la méthode de mise à la masse en
plusieurs points suivante :
Cette méthode permet de réaliser les connexions de mise à la masse les plus courtes et d’éviter ainsi
les phénomènes de rayonnement.
-48-
II-4/ Couplage par capacité « carte à châssis »
Le couplage carte à châssis a lieu lorsqu’une carte électronique est isolée du boîtier qui l’enveloppe
(châssis) et qu’il existe une différence de potentiel variable entre la carte et le châssis.
La d.d.p entre la carte électronique et le châssis, provoque la circulation d’un courant à travers les
capacités parasites Cp reliant la carte à son châssis.
Le courant parasite ic (proportionnel à Cp) se réparti de manière aléatoire sur la carte et génère
des perturbations susceptibles de provoquer des dysfonctionnements au niveau de celle-ci.
-49-
II-4/ Couplage par capacité « carte à châssis »
Afin de réduire ce type de couplage, les solutions consistent à:
-
diminuer les capacités réparties entre le circuit imprimé et le châssis en diminuant la surface
des pistes (optimiser le routage),
-
ajouter un plan de masse s’il n’existe pas,
-
diminuer les variations de tension entre la carte et le châssis en reliant le potentiel «0 volt» de la
carte au châssis.
-50-
II-5/ Couplage par diaphonie inductive
Avant d’aborder le phénomène de couplage par diaphonie inductive (ou magnétique), il est
important de rappeler certaines définitions et lois rentrant en jeu dans le cas de la diaphonie
inductive.
Champ magnétique induit
Tout conducteur électrique parcouru par un courant i engendre un champ magnétique B dont les
lignes de champ sont des lignes fermées entourant le conducteur.
La direction du champ magnétique est donnée par la règle du tire bouchon ou de la main droite.
Exemple: fil conducteur
-51-
II-5/ Couplage par diaphonie inductive
L’induction magnétique B est donnée par la formule B  µ H où µ est la perméabilité magnétique
du milieu.
Dans l’air ou dans le vide µ = µ0 = 4 π 10-7 H/m.
Le courant i et le flux d’induction magnétique ɸ qu’il engendre sont reliés par l’expression :
ɸ = Li
L représente l’inductance propre du conducteur exprimée en Henry (H).
-52-
II-5/ Couplage par diaphonie inductive
Théorème de Faraday / Force électromotrice induite (f.e.m)
e
Normale à la surface
B
S
Le flux d’induction magnétique ɸ à travers une boucle fermée d’aire S induit une f.e.m e
proportionnelle au taux de variation du flux par rapport au temps.
e
d
dt
ɸ est défini par l’intégrale de surface suivante :

S B . dS
-53-
II-5/ Couplage par diaphonie inductive
Inductance mutuelle M
L’inductance mutuelle M est un coefficient permettant de décrire l’influence d’un circuit sur un
autre.
Soit deux circuits distincts C1 et C2.
Lorsqu’un courant i1 parcours le circuit C1, il engendre un flux d’induction magnétique ɸ1.
Si ɸ12 représente la fraction du flux embrassée par le deuxième circuit C2.
Nous avons, par définition l’inductance mutuelle M12 est égale à :
M12 
12
i1
-54-
II-5/ Couplage par diaphonie inductive
La tension e2(t) induite dans le deuxième circuit par le courant i1 est donc :
e2 (t)  
d12
di
  M12 1
dt
dt
Inversement, pour présenter l’action du circuit 2 sur le circuit 1, un coefficient M21 peut être défini.
Nous avons d’après le théorème de réciprocité : M21 = M12 = M
et
M
e2
e1

di1 / dt
di 2 / dt
-55-
II-5/ Couplage par diaphonie inductive
Un champ magnétique variable généré par la circulation d’un courant électrique variable i dans
un conducteur, induit une d.d.p (f.e.m : Faraday) dans les boucles voisines (circuits voisins).
Ce phénomène est appelé couplage par diaphonie inductive.
C’est le cas de deux fils proches, un coupable, parcouru par un courant variable i(t), et une victime,
subissant la tension : e = -M di/dt.
i
Mutuelle M
Courant origine
des parasites
d.d.p induite
Plan de masse
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II-5/ Couplage par diaphonie inductive
Exemple concret
Soit deux lignes simples reliées à un plan de masse :
La circulation du courant I1 variable dans la ligne 1 génère un champ magnétique variable
engendrant à son tour un courant I2 et des tensions parasites aux bornes des résistances RS2 et RL2
de la ligne 2.
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II-5/ Couplage par diaphonie inductive
La description précédente peut être remplacée par son circuit électrique équivalent, où l’on
modélise le couplage magnétique par les inductances L1 , L2 et l’inductance mutuelle M.
Circuit électrique équivalent
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II-5/ Couplage par diaphonie inductive
En régime sinusoïdal permanant et en adoptant les notations complexes, le comportement du
système peut être représenté par la paire d’équations suivante :
L1dI1/dt
M dI2/dt
VS1   R S1  R L1  I1  j L1  I1  j M  I 2
0   R S2  R L2  I 2  j L 2  I 2  j M  I1
Nous déduisons donc la fonction de transfert représentative du couplage :
M

I2
R2

L
I1
1 j 2 
R2
j
avec
R2= RS2+RL2
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II-5/ Couplage par diaphonie inductive
Le tracé du module de la fonction de transfert en fonction de la pulsation ω, en échelle
logarithmique est représenté sur la figure suivante :
M

I2
R2

L
I1
1 j 2 
R2
j
-60-
II-5/ Couplage par diaphonie inductive
Afin de réduire ce type de couplage, les solutions consistent à :
-
Accroitre la valeur des résistances de source RS2 et de charge RL2 de la ligne victime (déplacer la
fréquence de coupure ωc vers les hautes fréquences),
-
Augmenter l’espacement entre les lignes pour diminuer l’inductance mutuelle M,
-
Réduire la valeur de l’inductance propre L2 de la ligne victime.
-
Diminuer la surface S de la boucle victime.
-
Utiliser un blindage.
-61-
II-6/ Couplage par diaphonie capacitive
La différence de potentiel entre un conducteur et son environnement génère autour de celui-ci un
champ électrique. Ce champ peut se coupler dans une autre structure métallique qui lui est
parallèle: c’est-à-dire des lignes de champ électrique partent du conducteur source vers le
conducteur victime.
On parle dans ce cas de couplage par induction électrique ou couplage par diaphonie capacitive.
-62-
II-6/ Couplage par diaphonie capacitive
Pour comprendre les caractéristiques fondamentales du couplage par diaphonie capacitive, nous
étudions le cas de deux lignes simples :
La ligne 1 est connectée sur une extrémité à une source productrice de perturbations VS1.
La ligne 2 est connectée aux deux extrémités sur les résistances de charge RS2 et RL2.
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II-6/ Couplage par diaphonie capacitive
Le circuit de couplage est représenté par trois capacités parasites :
• capacité du câble 1 par rapport à la masse : C1G
• capacité du câble 2 par rapport à la masse : C2G
• capacité entre le câble 1 et le câble 2 : C12
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II-6/ Couplage par diaphonie capacitive
La description précédente peut être remplacée par son circuit électrique équivalent, où l’on
remplace les deux résistances en parallèle (RS2 et RL2) par leur résistance équivalente R2.
La tension parasite VN en fonction de la tension perturbatrice VS1 ?
Tout calcul fait, nous obtenons :
VN / VS1 = [ jC12 ω R2 / ( 1+ j R2 ω (C12 + C2G)) ]
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II-6/ Couplage par diaphonie capacitive
Le module de la fonction de transfert du couplage en échelle logarithmique :
En BF
ω << 1 / (R2 (C12 + C2G))
c’est-à-dire
1 >> R2 ω (C12 + C2G)
Nous avons l’approximation :
VN / VS1 ≈ jC12 ω R2
d’où
VN ≈ jC12 ω R2 VS1 = R2 IN
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II-6/ Couplage par diaphonie capacitive
La relation précédente est importante car elle montre qu’un couplage capacitif peut se ramener
dans un circuit sous la forme d’un générateur de courant qui débite sur la ligne victime :
IN = VN / R2 ≈ jC12 ω VS1
j ωC12 VS1
RL2
RS2
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II-6/ Couplage par diaphonie capacitive
Pour diminuer le couplage par diaphonie capacitive on cherchera donc à :
-
réduire la fréquence de fonctionnement si cela est possible,
-
choisir la résistance de charge équivalente R2 de la ligne victime la plus petite possible,
-
diminuer la capacité C12 en éloignant la ligne victime de la ligne perturbatrice ou en utilisant
des blindages.
VN ≈ jC12 ω R2 VS1
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II-7/ Couplage d’un champ électrique sur un conducteur « champ à fil »
Un champ électrique variable engendre sur les conducteurs (câbles, fils, pistes…) parallèles à ses
lignes de champ un courant électrique parasite.
Ce phénomène est appelé couplage « champ à fil ou champ à câble ».
• Le cas typique de ce couplage est par exemple une antenne d’automobile : exemple écoute d’une
station FM en ville.
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II-7/ Couplage d’un champ électrique sur un conducteur « champ à fil »
Pour réduire le couplage champ à fil, il est nécessaire de diminuer l’effet d’antenne du câble
victime ou alors réduire le champ électrique coupable.
Par exemple en :
-
Plaquant le câble conducteur contre la masse et en diminuant sa longueur,
-
Blindant les conducteurs à l’aide d’un feuillage ou tresse en aluminium / cuivre,
-
Éloignant la source de la victime.
Câble écranté
(blindé)
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II-8/ Couplage d’un champ magnétique sur une boucle « champ à boucle »
Un champ magnétique variable traversant une boucle y induit un flux magnétique variable dont
toute variation crée une différence de potentiel (f.e.m : Faraday). Ce phénomène est appelé
couplage champ à boucle.
Ce mécanisme est présenté sur la figure suivante :
Pour réduire le couplage champ à boucle, il faut :
-
réduire la surface de la boucle victime,
-
réduire le champ magnétique coupable (blindage).
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II-8/ Couplage d’un champ magnétique sur une boucle « champ à boucle »
Exemple :
Torsader les paires de fils d’un câble électrique permet de diminuer la surface de la boucle entre
les deux conducteurs, mais aussi d’alterner le sens des boucles par rapport au champ incident.
Ceci a pour conséquence, sur une paire parfaite, d’annuler les courants parasites sur les
conducteurs.
Ceci explique pourquoi les calculateurs de l’automobile, partagent et échangent des informations à
l’aide des réseaux multiplexés utilisant des câbles constitués de deux fils torsadés.
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