Initiation à la Compatibilité Electromagnétique

Initiation à la
Compatibilité Electromagnétique
Cours pour les électriciens
Auditeurs du Master ou Elèves Ingénieurs
B. DEMOULIN
Professeur à l'Université des Sciences et Technologies de Lille
Volume I
- Introduction à la Compatibilité Electromagnétique
- Les Couplages électromagnétiques
- La Contribution des Composants Electroniques
- Les Protections Electromagnétiques
Edition de Septembre 2004

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Contenu et Organisation du Cours
Les composants intégrés logiques apparus dans les années soixante dix contribuèrent
fortement à l’essor de la compatibilité électromagnétique. En effet, cette évolution
technologie caractérisée par l’usage de basses tensions se révélaient très sensibles à
des parasites électriques de toutes natures. Cette époque fut également marquée par
l’augmentation de la pollution électromagnétique introduite par le développement de
l’électronique de puissance. Ces circuits commutant des courants forts dans des laps
de temps très brefs eurent pour conséquence de propager des perturbations sur les
réseaux d’énergie. Plus près de nous, les téléphones portables produisent des champs
hautes fréquences en des lieux tout à fait imprévisibles, ils constituent également de
redoutables sources de perturbations !
Tous les appareils utilisateurs de l'énergie électrique sont donc soumis à des risques
d'interférences obligeant leurs concepteurs à tenir compte de ces critères de
compatibilité électromagnétique. Ils y parviennent par l'adoption de méthodes
d'analyse, par le recours à des techniques de protection et par le respect d'une
législation indiquant les tolérances de pollutions électromagnétiques ou d'insensibilité
aux parasites.
Ces études comportent donc l'enchaînement de plusieurs étapes visant chacune à
identifier des phénomènes physiques pour ensuite apporter remède aux problèmes
que nous venons d’évoquer.
L'analyse préliminaire consiste à rechercher les voies par lesquelles surviennent ou
agissent les perturbations, il s'agit principalement des câbles et des pistes des circuits
imprimés. Ce contexte justifie donc une approche scientifique basée sur des théories
empruntées aux lignes de transmission ou aux antennes, certains éléments de ces
théories seront rappelés dans le cours.
Après avoir identifié les couplages, l'analyse aboutit généralement à l'évaluation de
l'amplitude des parasites recueillis par une installation ou bien à une estimation
chiffrée de sa pollution environnante. Bien que la tendance actuelle se tourne de plus
en plus vers l'usage de simulations numériques, la détermination des couplages peut
aussi se réaliser par des mesures adéquates.
Indépendamment de la démarche adoptée, l’étude devra parvenir à des règles de
conception visant à réduire l'intensité de ces phénomènes en optimisant la topologie
des réseaux de câbles et des circuits imprimés. Dans d’autres cas, elle aidera à définir
des protections par le biais de blindages, de filtres, de prises de terre etc…dont la
technologie sera tributaire des seuils de sensibilité ou de pollutions.

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Les études de compatibilité électromagnétique sont donc confrontées à une très
grande diversité d'applications allant des équipements aéronautiques aux jouets, ce
contexte joint aux critères économiques influence profondément les orientations de
certaines solutions. D'autre part, plus une installation est complexe, plus grand sera le
nombre de paramètres physiques, il en résultera des incertitudes incompressibles qui
échappent aux mesures précises ou aux théories les plus rigoureuses.
Ce cours d'initiation a donc pour objectif d'introduire le sujet de manière élémentaire,
en réservant une place importante aux exemples et en limitant les analyses à la
recherche de formules analytiques édifiées sous des concepts simplifiés. En effet,
cette démarche est bien mieux adaptée à l'esprit de cet enseignement que des
développements théoriques trop approfondis.
Le document comporte cinq chapitres dont nous décrirons brièvement le contenu.
Le chapitre premier s'ouvre sur un rapide examen de la position de la CEM dans le
monde industriel et sur quelques exemples montrant l'action des couplages
électromagnétiques. Le chapitre se tourne ensuite vers l'étude des perturbations
naturelles les plus fréquentes, notamment la foudre et les décharges électrostatiques.
Un quatrième paragraphe aborde un exemple simple indiquant une méthodologie de
conduite d'un projet dans lequel il faut identifier des couplages électromagnétiques.
Pour conclure ce premier chapitre, nous donnerons quelques informations sur les
directives et normes adoptées en CEM, bien entendu le lecteur désireux d'approfondir
ces questions devra consulter la bibliographie spécialisée.
Le second chapitre entièrement consacré aux couplages électromagnétiques traite tout
d'abord le cas des parasites transmis par conduction. Le second et le quatrième
paragraphe seront consacrés à l'analyse des couplages par diaphonie et des couplages
par champ. Pour conclure, nous regardons les phénomènes de rayonnement provenant
de circuits imprimés.
Le troisième chapitre traite de l’impact des composants actifs lors de mécanismes
perturbateurs. Nous regardons tout d’abord le rayonnement introduit par des circuits
en cours de commutation. Nous recherchons ensuite les effets engendrés par des
parasites arrivant sur des composants logiques ou analogiques. Nous verrons que la
contribution des phénomènes non linéaires donne naissance à des comportements
exotiques que nous tenterons d’identifier.
Le chapitre quatre aborde les méthodes de protections électromagnétiques. Nous
étudions successivement le comportement des câbles blindés, des limiteurs
d'amplitude, des connecteurs, des connexions de masse, des filtres à ferrite, des
enceintes blindées, des filtres secteurs et filtres répartis. Pour conclure ce chapitre,
nous regardons la contribution des réseaux d’énergie sur l’intensité de certains
phénomènes perturbateurs.
Le cinquième chapitre constituant le second volume du cours est consacré aux
mesures et aux essais pratiqués en CEM.
Ce chapitre comporte dix paragraphes décrivant les méthodes et appareils intervenant
dans un procédé de mesure, notamment:

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L'étude des antennes et capteurs de champ électromagnétique
Les récepteurs usuels de signaux
La mesure des champs en environnements perturbés
Les principes généraux des essais d'immunité électromagnétique
Les essais d'immunité sous rayonnement en chambres anéchoiques ou en chambres
réverbérantes à brassage de modes.
L’évaluation du rayonnement parasite produit par les équipements.
La mesure de l'atténuation des blindages.
La mesure de l'impédance de transfert des câbles blindés
La mesure de l'émission et de la susceptibilité des composants électroniques actifs
La description de tests élaborés depuis l'examen topologique d’une installation.
Le cours est complété par une annexe apportant des compléments sur la théorie des
lignes et plus spécialement sur la résolution des équations des télégraphistes. Dans
cette annexe figurent également les détails permettant de calculer l'impédance
d'entrée des lignes et leurs paramètres linéiques primaires. Les fondements de la
théorie modale y sont également rappelés. Pour conclure, nous décrivons les
méthodes permettant d’introduire les circuits équivalents aux lignes, les phénomènes
de propagation en diaphonie et les dissipations d'énergie.
Cette version encore dépourvue de la liste bibliographique sera aménagée très
prochainement.

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Sommaire
Chapitre1:Introduction à la Compatibilité Electromagnétique
1-1 Contexte industriel de la compatibilité électromagnétique (3)
Industrie aéronautique (3)
Industrie spatiale (3)
Industrie ferroviaire (3)
L’industrie automobile (4)
La production et la distribution d’énergie électrique (4)
Les télécommunications (4)
Les appareils informatiques (5)
Les applications militaires (5)
L’anti-compromission (5)
Les effets biologiques (5)
1-2 Quelques exemples de phénomènes perturbateurs rencontrés en CEM (6)
La capture des parasites par les récepteurs de radiodiffusion (6)
Effets de la foudre sur les lignes à très haute tension (8)
Couplage par diaphonie sur les circuits imprimés (11)
La distorsion de la tension délivrée par le secteur (12)
La pollution électromagnétique engendrée par les circuits imprimés (15)
Atténuation du champ rayonné par les circuits imprimés (19)
La génération du bruit de masse des circuits imprimés (22)
L'action des champs hautes fréquences extérieurs aux circuits imprimés(24)
1-3 La foudre et les décharges électrostatiques (26)
Origines des épisodes orageux (27)
Propriétés physiques des cumulonimbus (28)
La formation de la foudre (28)
La génération de l'impact au sol (29)
Caractéristiques électriques du courant foudre (31)
Champ électromagnétique rayonné par l'impact au sol (34)
La protection des installations contre les effets directs de la foudre (36)
Le déclenchement artificiel de la foudre (37)
La protection contre les effets indirects de la foudre (37)
Les phénomènes de charge électrostatique (37)
Les décharges électrostatiques (41)
Protection contre les décharges électrostatiques (46)