Caractéristiques de CEM des systèmes de câblage universels

Caractéristiques de CEM des systèmes de câblage universels
Dr. Béatrice Bouriot et Werner Hirschi
Introduction
Les réseaux câblés pour la transmission de
données doivent remplir un grand nombre d'exigences. La compatibilité électromagnétique (CEM)
figure parmi celles-ci.
En vigueur :
EN 50082-1 Compatibilité
électromagnétique; norme générique
immunité
"Compatibilité électromagnétique" signifie :
• posséder une immunité (ou insensibilité)
adéquate face aux influences perturbatrices externes
Partie 1: Résidentiel,
commercial et
industrie légère
Exige :
• ne pas perturber d'autres appareils ou
installations par son propre fonctionnement
•
Immunité aux décharges d'électricité statiques selon la norme
CEI 801-2
• ne pas s'autoperturber
•
Immunité aux champs électromagnétiques dans le domaine de
fréquences 27 à 500 MHz selon
la norme CEI 801-3
•
Immunité aux transitoires électriques rapides du type
"BURST" selon la norme
CEI 801-4
La CEM des réseaux câblés est difficile à
assurer à cause de leur étendue généralement
importante. Cependant, la loi le requiert dans la
plupart des pays. A titre d'exemple, à l'avenir tous
les produits devront remplir les exigences fixées
dans la directive CE sur la CEM [1] lors de leur
mise sur le marché dans un pays membre de
l'Espace Economique Européen.
En élaboration :
Immunité
Les appareils et installations électriques et
électroniques doivent être conçus de manière à
présenter une immunité adéquate. Ceci est le cas
lorsque les normes correspondantes sont tenues. La
Fig. 1 résume les normes s'appliquant aux équipements de traitement de l'information et par
conséquent aux réseaux câblés pour la transmission
de données. La norme de famille de produits
EN 55024 est en élaboration. Jusqu'à son entrée en
vigueur, il y a lieu de se conformer à la norme
générique.
Rôle des câbles
Les câbles de données, de même que tous les
câbles raccordés à un équipement, agissent comme
des antennes de réception. Les champs
électromagnétiques externes induisent des courants
perturbateurs dans les câbles.
EN 55024
Immunité des équipements
de traitement de l'information
Fig. 1 : Normes d'immunité s'appliquant aux
réseaux câblés pour la transmission
de données et à leurs équipements
terminaux
Plus un câble est long, plus la fréquence à partir
de laquelle l'effet d'antenne intervient est basse :
l câble > λ/ 20
==> effet d'antenne
λ: longueur d'onde (en mètres) du signal
perturbateur circulant sur le câble
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Appareil 1
Appareil 2
GND
i perturb.
GND
Surface de boucle déterminante
pour le couplage par rayonnement
Cparasite
TERRE
Zterre
E, H
Fig. 2:
Principe simplifié du couplage en mode commun
Le couplage sur un câble s'opère de deux
manières :
• en mode dit symétrique ou différentiel,
c'est-à-dire entre les deux fils d'une paire
• en mode dit asymétrique ou commun,
c'est-à-dire entre le câble et la terre
Le torsadage permet de réduire le couplage en
mode différentiel plus ou moins fortement (en
fonction du nombre de tours par mètre).
Au-delà d'environ 1 MHz, les couplages
perturbateurs se font presque exclusivement en
mode commun (voir Fig. 2). En effet, tous les
conducteurs d'un câble sont très bien couplés entre
eux grâce à la capacité parasite, ce qui empêche le
couplage en mode différentiel. Un champ perturbateur induit donc un courant qui circule sur tous
les conducteurs d'un câble et s'achemine vers la
terre à travers des liaisons galvaniques ou (du
moins dans le domaine des hautes fréquences) à
travers les capacités parasites réparties.
Rôle des équipements terminaux
Les équipements terminaux de données sont
généralement sensibles aux perturbations. Ils sont
surtout influencés par les courants perturbateurs
"captés" par les câbles. Cette hypothèse est valide
pour des fréquences inférieures à env. 100 MHz.
Au-delà de cette fréquence, en fonction des
dimensions des équipements, des couplages directs
peuvent intervenir sur les pistes des circuits
imprimés et le câblage interne. Cependant, les
circuits intégrés ne réagissent plus avec une grande
sensibilité aux fréquences supérieures à 100 MHz.
Les courants en mode commun couplés dans les
câbles pénètrent, dans la mesure où aucune
protection n'est prévue, dans les équipements
terminaux et s'acheminent à la terre en traversant
toute la circuiterie (voir Fig. 2). Ils engendrent des
chutes de tension et des champs perturbateurs qui
sont à l'origine de mauvais fonctionnements des
circuits intégrés.
Moyens de protection
Des courants perturbateurs à haute fréquence
peuvent apparaître partout et toujours. Ainsi, à titre
d'exemple, lors de chaque déclenchement d'une
charge inductive (bobine de contacteur, bobine de
relais, éclairage à tubes fluorescents, etc. ) quelques
dizaines d'impulsions sont émises sous forme de
champs perturbateurs ou couplées par voie
capacitive ou inductive. Le spectre de chacune de
ces impulsions s'étend jusqu'au-delà de 100 MHz.
C'est la raison pour laquelle il est absolument
indispensable de prévoir des protections. les
solutions
suivantes
sont
théoriquement
envisageables:
• filtrage de chaque conducteur contre le
boîtier de l'équipement terminal ou
contre une surface d'équipotentialité
HF.
• utilisation d'éléments de séparation
galvanique
• réalisation de transmissions symétriques avec des "baluns"
• utilisation de systèmes de câblage
blindés
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• réduction de la surface de boucle entre
les câbles et la terre
i perturb.
Equipement
• placement d'anneaux de ferrite sur les
câbles
GND
i perturb.
Filtrage
Le filtrage consiste à insérer un condensateur
de faible capacité ou un filtre passe-bas entre tous
les conducteurs des câbles connectés à l'équipement
et le boîtier ou une surface d'équipotentialité HF.
Ainsi les courants perturbateurs sont directement
acheminés vers la terre à l'entrée du boîtier. Cette
solution est possible uniquement si la bande
passante du signal utile n'est pas trop grande. En
effet, la bande passante du signal utile se trouve
également limitée par le filtre. A titre d'exemple,
une telle solution n'est pas applicable pour des
réseaux de transmission à haut débit (100 Mbits/s
et plus).
Eléments de séparation galvanique
Les éléments de séparation galvanique tels que
transformateurs de séparation, optocoupleurs,
relais, etc. empêchent la circulation de courants
perturbateurs en mode commun uniquement aux
basses fréquences. La capacité parasite entre
primaire et secondaire de ces éléments constitue
pratiquement un court-circuit face aux courants en
mode commun dans le domaine des hautes
fréquences (voir fig. 3).
Fig. 3:
Problème des éléments de
séparation galvanique face
aux perturbations HF en mode
commun
"Baluns"
La Fig. 4 montre le principe d'une transmission
symétrique avec des "Baluns". Les tensions
perturbatrices apparaissant sur les deux enroulements situés du côté câble, s'annulent
théoriquement puisqu'elles sont de polarité
opposée.
Ceci est valable pour autant que les deux
enroulements de symétrisation des baluns soient
parfaitement identiques. Pratiquement ceci est très
difficile à réaliser. A cause de la dissymétrie, on
atteint dans le meilleur des cas un rapport de
réjection du mode commun d'environ 1 à 1000.
i signal
i perturb.
u signal
u signal
balun
u pert
u pert
balun
i signal
i perturb.
u pert + ( - u pert ) = 0
balun: transformateur symétriseur
Fig. 4:
Principe d'une transmission symétrique avec des baluns
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Appareil 1
Appareil 2
Blindage du câble:
Impédance =0 Ohm
Upert= 0
GND
i perturb.
GND
Surface de boucle déterminante
pour le couplage en mode commun
TERRE
ZTerre
E, H
Fig. 5:
Effet protecteur des systèmes de câblage blindés
D'autre part, une impédance très basse entre
la connexion de terre du "balun" et le boîtier est
d'importance capitale. Le rapport de réjection du
mode commun subit une forte dégradation en
hautes fréquences si cette condition n'est pas
respectée.
La mise-à-terre des "baluns" aux deux extrémités du câble constitue une boucle de terre. Des
courants d'équilibrage de terre à 50 Hz ou des
coups de foudre peuvent provoquer la destruction
des "baluns". Les "baluns" présentent l'avantage
d'assurer l'adaptation d'impédance.
Câbles blindés
Afin qu'un effet protecteur soit constitué en
hautes fréquences, le blindage d'un câble doit être
relié à la terre aux deux extrémités (voir Fig. 5)
[2]. Le blindage représente pratiquement un
court-circuit entre les deux équipements
terminaux et empêche ainsi l'apparition de
tensions perturbatrices dans les équipements
terminaux.
Il est important que le blindage entoure les
conducteurs de manière concentrique sur toute la
longueur du câble y compris au niveau des
conducteurs intermédiaires. Pour cela un soin
particulier doit être voué aux connecteurs.
La qualité de blindage des câbles et des
connecteurs est donnée par l'impédance de
transfert (voir Fig. 6).
La mesure des systèmes de connecteurs se fait
de manière analogue à celle des câbles.
La comparaison entre l'immunité d'un réseau
de transmission blindé et celle du même réseau
en réalisation non-blindée donne généralement
des résultats plus mauvais pour la version blindée
si celle-ci est mal installée. Il est faux d'en tirer la
conclusion que les systèmes blindés qui ne
travaillent pas correctement "captent" plus de
perturbations que les non-blindés. La différence
réside davantage dans le fait que les systèmes
non-blindés sont toujours pourvus de "baluns" et
qu'ils sont ainsi protégés dans une certaine
mesure.
La manière de connecter le blindage à la terre
est de la plus haute importance. Il doit être
contacté directement et sur tout le pourtour avec
les boîtiers des équipements terminaux.
L
Echantillon de câble blindé
U(f)
~
A
Générateur de signaux à
une fréquence variable
Z (f) =
La mise-à-terre du blindage avec un bout de
fil est à proscrire puisque l'inductivité du fil
constitue une impédance élevée aux hautes
fréquences et engendre un couplage important sur
les conducteurs du câble à ce niveau.
V
I( f )
Des boîtiers de connecteurs métalliques, des
raccords vissés PG ou des brides de fixation
doivent être utilisées pour la connexion du
blindage.
Fig. 6:
U(f) 1
[Ohm/m]
I(f) *L
Blindage
Conducteurs
L: Longueur de
l'échantillon
Mesure de l'impédance de
transfert d'un câble blindé
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Un système blindé avec de bons connecteurs
et installé correctement constitue, selon les
connaissances actuelles de la technique, le
meilleur moyen pour protéger un réseau câblé à
haut débit de transmission contre les courants
perturbateurs en mode-commun.
Réduction de la surface de boucle
L'amplitude du couplage perturbateur en
mode commun dépend essentiellement de la
surface de boucle entre les câbles et la terre.
Cette surface doit dans tous les cas,
parallèlement avec les autres moyens tels que le
filtrage, la transmission symétrique ou le
blindage, être réduite autant que possible. A elle
seule, cette mesure est insuffisante.
Le meilleur moyen pour réduire cette surface
de boucle est de placer les câbles dans des canaux
métalliques ou constitués en matériaux
conducteurs reliés à la terre.
Anneaux de ferrites
Par augmentation de l'impédance de la boucle
constituée par les câbles, les boîtiers des
équipements terminaux et la terre, le courant
perturbateur couplé peut être réduit. Son effet sur
les équipements terminaux se trouve ainsi
amoindri. Des anneaux de ferrite placés sur les
câbles permettent d'augmenter l'impédance de
boucle de quelques centaines d'Ohms. Cette
augmentation est généralement trop faible pour
apporter des améliorations d'immunité significatives.
Ce moyen ne devrait donc être appliqué que
de manière ponctuelle sur des systèmes perturbés
et en combinaison avec d'autres moyens.
Protection contre la foudre
A cause de leur extension généralement
importante déjà mentionnée, les réseaux câblés
sont extrêmement exposés à des coups de foudre.
Le courant de foudre peut, si aucune précaution
n'est prise, induire jusqu'au-delà de 100 kV dans
les surfaces de boucles entre groupes de câbles ou
entre câbles et terre. Ces surtensions peuvent être
réduites très fortement avec un système de
câblage blindé et avec un concept de mise-à-terre
et d'équipotentialité appropriés. Dans beaucoup
de cas, l'utilisation d'éléments de protection
contre les surtensions (varistors, éclateurs, etc.)
peut même être évitée grâce à un concept
adéquat.
Emissions de perturbations
Les perturbations émises par chaque
équipement doivent être limitées, de manière à
éviter que les autres équipements installés dans le
voisinage ne soient perturbés.
Des normes internationales définissent les
niveaux maximales d'émissions perturbatrices
que les différents appareils ont le droit de
générer, ainsi que les méthodes de mesure pour la
vérification du respect de ces limites.
Les appareils de traitement de l'information
doivent respecter les normes listées dans la
Fig. 7. Pour la mesure des émissions
perturbatrices sur les lignes de données il n'existe
pas de normes, à ce jour. Seul un projet du
CISPR (Comité International Spécial des
Perturbations Radio-électriques) spécifie des
limites pour ces lignes. L'application de ce projet
est vivement recommandée puisqu'il s'agit du
seul moyen permettant de quantifier les émissions
perturbatrices sur les câbles de données dans la
bande de fréquences de 150 kHz à 30 MHz et de
les comparer avec les exigences de la protection
des services de radiocommunications.
• tension perturbatrice aux bornes
d'alimentation (domaine de fréquences 150 kHz à 30 MHz) selon
les normes CISPR 22 ou EN 55022
• champ perturbateur (domaine de
fréquences 30 à 1000 MHz) selon
les normes CISPR 22 ou EN 55022
à recommander en plus
• tension perturbatrice sur les
lignes de données (domaine de
fréquen-ces 150 kHz à 30 MHz)
selon CISPR 22/G/Sekr 34
ou
• courant perturbateursur les lignes
de données (domaine de fréquen-ces
150 kHz à 30 MHz) selon CISPR
22/G/Sekr 34
Fig. 7: Normes concernant les émissions
perturbatrices que les réseaux
câblés pour la transmission de
données doivent respecter selon la
loi
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Rôle des équipements terminaux
Les équipements terminaux des réseaux
câblés pour la transmission de données agissent
comme des sources de perturbations. Leur
fonctionnement interne basé sur la technique
digitale est à l'origine de la génération de
perturbations à hautes fréquences. La vitesse de
commutation des circuits intégrés utilisés
détermine de manière prépondérante le spectre
fréquentiel des perturbations générées.
f lim ≅ 1 / ( π. t commutation )
t commutation
temps de commutation de la
famille logique utilisée.
Autoperturbations
Adaptation d'impédance
Les réseaux câblés pour la transmission de
données transmettent des signaux à hautes
fréquences. Afin que ces signaux ne soient
réfléchis par des emplacements à sauts
d'impédance, l'impédance de tout le système de
câblage doit être adaptée à l'impédance d'entrée
des étages de réception et à celle de sortie des
étages d'émission, respectivement elle doit être
identique. La vérification de l'impédance des
câbles et des connecteurs peut se faire par
réflectométrie.
Atténuation
A titre d'exemple, un circuit intégré qui
commute (change d'état logique) en 5 ns, génère
des perturbations élevées jusqu'au delà de
60 MHz.
Rôle des câbles de données
Les câbles de données servent de médias de
transmission pour les signaux utiles et
perturbateurs générés dans les équipements
terminaux. Ils agissent comme des antennes et
rayonnent des signaux perturbateurs en mode
commun à partir d'une certaine fréquence (en
fonction de leur longueur). Plus long est le câble,
plus basse est la fréquence à partir de laquelle
l'effet d'antenne respectivement le rayonnement
intervient:
l câble > λ/ 20
(effet
==>
rayonnement
d'antenne)
λ: longueur d'onde (en mètres) du
signal perturbateur circulant sur le
câble
Moyens pour limiter l'émission de
perturbations
Les moyens utilisés pour la limitation des
émissions perturbatrices sont les mêmes que ceux
utilisés pour assurer l'immunité.
Les signaux transmis à hautes fréquences sont
atténués plus ou moins fortement par les
composants du système de câblage. Les normes
EIA / TSB 36 et 40 définissent les valeurs
d'atténuation admissibles pour les câbles et
connecteurs non-blindés. Ces valeurs peuvent
également servir à titre comparatif pour des
composants blindés.
Atténuation de laparadiaphonie
Entre les paires torsadées d'un câble ou d'un
connecteur on assiste, à cause de fréquence élevée
des signaux transmis, à un couplage que l'on
nomme diaphonie. Lorsque l'on mesure la
diaphonie entre deux paires à la même extrémité
du câble on parle de paradiaphonie. les normes
EIA / TSB 36 et 40 définissent également
l'atténuation paradiaphonique qui doit être
atteinte au minimum pour des connecteurs et
câbles non-blindés.
Retard de propagation
Les signaux utiles à hautes fréquences ont
besoin d'un certain temps pour transiter de
l'émetteur au récepteur à travers le câble. Ce
temps, que l'on nomme temps de propagation,
dépend entre autres de la vitesse de transmission
et de la longueur du câble. Il limite, en fonction
du protocole de transmission utilisé, la longueur
admissible du câble. La mesure de cette
caractéristique
s'effectue
à
l'aide
d'un
réflectomètre.
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Conclusions
Les exigences concernant la CEM des réseaux
câblés pour la transmission de données sont
multiples. Contrairement à l'idée préconçue
consistant à considérer le système de câblage
comme paramètre essentiel de la CEM, il faut
retenir que ce sont principalement les
équipements terminaux de données qui
définissent la CEM. Il est du ressort des
fabricants de prévoir des protections propres à
assurer un fonctionnement sans perturbations des
équipements terminaux.
Vu sous l'angle de la CEM, le rôle du système
de câblage se "limite uniquement", dans certains
cas (par exemple lorsqu'il est blindé), à
augmenter
l'immunité
des
équipements
terminaux.
Bibliographie
[1] Conseil des Communautés européennes;
Journal
officiel
des
Communautés
européennes
Nr.
139/19; Directive du Conseil du 3
mai 1989 concernant le rapprochement des législations des Etats
membres relatives à la compatibilité
électromagnétique (89/336/CEE)
[2] Werner
Hirschi;
EMV-gerechte
Auslegung
eines
elektronischen
Gerätes;
Bulletin
SEV/VSE
83(1992)11.5.Juni
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