Compatibilité électromagnétique

Denis Rabasté 1/9 IUFM Aix Marseille
Compatibilité électromagnétique
Tout système électrique et électronique génère des perturbations électromagnétiques rayonnées ou
conduites par le réseau de distribution d’énergie (si le système est relié au réseau). Il est lui-même
perturbé par les systèmes voisins.
La compatibilité électromagnétique ou CEM est l’étude des sources de perturbations, de l’effet de ces
perturbations sur les victimes (susceptibilité électromagnétique), et du mode de couplage entre le
perturbateur et les victimes.
Perturbateur Victime
Couplage
A partir de ces études un certain nombre de normes ont été définies, afin de limiter les perturbations
produites par un système et éventuellement de garantir une faible susceptibilité des systèmes. Ces
normes interviennent aujourd’hui dès la conception d’un système. Il est en effet beaucoup plus simple
de concevoir un système en tenant compte des normes plutôt que de le modifier par la suite pour l’y
faire entrer.
L’objectif de cet exposé est de donner les bases minimales nécessaires à la compréhension de la
CEM.
1 Notions préliminaires
1.1 La masse ou
La masse d’un système électronique est le potentiel qui va servir de référence ; il est fortement
souhaitable que ce potentiel soit le même pour tous les composants, faute de quoi la transmission
d’information entre les diverses fonctions d’une carte électronique risque de devenir hasardeuse. On
essaiera donc de maintenir le potentiel de masse d’une carte électronique, voire de tout un système,
identique quel que soit le point de mesure.
1.2 La terre
Le potentiel de la terre peut être considéré, en première approximation, comme constant dans le
temps et dans l’espace. La terre constitue donc une référence naturelle. Relier la masse d’un système
électronique à la terre constitue un bon moyen de fixer le potentiel de la masse (ce qui ne garantie
pas que ce potentiel soit le même sur toute la carte), mais surtout d’évacuer les perturbations comme
nous le verrons. Cette liaison n’est cependant pas toujours possible (appareils portables, absence de
conducteur de terre dans l’alimentation, etc…).
1.3 Propagation d’un signal en mode différentiel et en mode commun
Dans la quasi-totalité des cas, la propagation du signal utile se fait en mode différentiel, c’est à dire
que le courant utilise deux fils d’un même câble pour circuler, l’un dans le sens aller le second dans le
sens retour. La tension différentielle est alors la différence de potentiel entre ces deux conducteurs.
câble
conducteur retour
conducteur aller I
MC
I
MC
/ 2
I
MC
/ 2 I
DIF
I
DIF
V
DIF
V
MC

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Il existe un autre mode de propagation, appelé mode commun, où le courant utilise le câble comme un
conducteur unique. La tension de mode commun est alors la différence de potentiel entre le câble et
la terre ou éventuellement la masse.
Ce mode de propagation est dans la quasi-totalité des cas parasite.
L’analyse des couplages des perturbations étant généralement plus facile en raisonnant sur des
courants, nous parlerons de préférence du courant de mode commun plutôt que la tension de mode
commun.
Un courant de mode commun circule généralement à travers une boucle dont le chemin aller constitue
un câble et le chemin retour un autre câble ou la terre, ou la masse comme le montre la figure
suivante.
équipement
isolé
équipement
mis à la
masse
câble de liaison
capacité
parasite I
MC
L’origine de ce courant peut être diverse comme nous allons le voir, par exemple une force
électromotrice induite par un champ magnétique variable dans la surface d’une boucle composée d’un
câble et de la terre.
Cette boucle étant de surface généralement importante par rapport à celle qui existe entre les deux
conducteurs très proche d’un même câble, on comprend que les perturbations en mode commun
seront généralement d’amplitude très supérieure à celles en mode différentiel.
Lorsqu’un courant de mode commun traverse une carte électronique, la moindre dissymétrie sur son
chemin provoque sa conversion en signal de mode différentiel. Sur le schéma suivant par exemple, le
courant de mode commun entrant dans le montage sera sans effet si R1=R2, C1=C2, R3=R4 et
R5=R6. Ne serait ce qu’à cause des tolérances des éléments, cette condition est difficile à réaliser.
Umc
R5
Imc / 2
3
2
8 4
1
+
-
V+ V-
OUT
C1
sortie
C2 R4 R6
Imc / 2
R1
entrée
R2
R3
Si la perturbation est dans la même gamme de fréquence que le signal utile, il devient alors quasiment
impossible de faire la différence entre les deux.
2 Etude des modes de couplage entre le perturbateur et la victime
La perturbation peut être conduite ou rayonnée ; il existe 6 modes de couplage que l’on peut classer
en 4 catégories. A chaque fois le couplage peut se faire en mode commun ou différentiel.
2.1 Couplage par impédance commune
La masse d’un système étant un conducteur non parfait, elle présente une résistance, ainsi qu’une
inductance non négligeable si le signal est de fréquence suffisamment élevée. La circulation d’un
courant provoque donc une chute de tension, supprimant l’équipotentialité de la masse.
Dans la figure suivante, le courant circulant dans le moteur perturbe la tension d’entrée de la porte
logique par un couplage par impédance de masse commune. Cette perturbation se fait ici en mode
différentiel.

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I moteur
Cde
A
-
+
12
VCde - V
D1
1 2
IN OUT 72
impédance de masse
Le même raisonnement que celui fait avec la masse peut être appliqué avec la terre. Dans l’exemple
suivant la circulation d’un courant de mode commun I
MC
dans la terre (du à la foudre par exemple),
provoque une différence de potentielle aux bornes de l’impédance de terre, provoquant à son tour la
circulation d’un courant I
MC2
à travers les systèmes A et B. On aurait pu raisonner aussi en disant que
le courant I
MC1
se divisait en arrivant sur le premier système, l’impédance de terre n’étant pas nulle.
La perturbation dans cet exemple est alors de mode commun.
équipement
isolé
équipement
mis à la
terre
câble de liaison
capacité
parasite I
MC 2
I
MC
I
MC
Z
U
MC
2.2 Couplage par champ magnétique
Un champ magnétique variable provoquera dans une boucle une force électromotrice induite
dt
d
eφ = ,
φ étant le flux magnétique circulant à travers la surface de la boucle.
2.2.1 Couplage champ à boucle
Lorsque l’origine du champ est lointaine et que l’on n'a pas de moyen d’action dessus (émetteur
télévision sur la colline voisine par exemple), on parle de couplage par champ à boucle. La figure
suivante illustre sur le même exemple ce type de couplage en mode différentiel et en mode commun.
équipement
isolé
équipement
mis à la
masse
câble de liaison
I
MC
B
U
MC
U
DIF
I
DIF

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Le champ magnétique B induit une force électromotrice de mode différentiel et de mode commun. La
surface de la boucle étant plus importante en mode commun, on conçoit que le phénomène est
généralement plus important.
2.2.2 Diaphonie inductive
Lorsque le perturbateur est proche de sa victime, on parle plutôt de diaphonie inductive, illustrée par
les figures suivantes en mode différentiel et commun. Le courant perturbateur de cet exemple est de
la forme de celui que l’on peut trouver traversant le transistor d’une alimentation à découpage.
V
MC
V
DIF
I
PERTURBATEUR
H H
L’étude du couplage peut alors éventuellement se faire en considérant les inductances mutuelles
entre perturbateurs et victimes.
2.3 Couplage par champ électrique
Un champ magnétique E éclairant une surface conductrice S à travers un milieu de permittivité ε
provoquera la circulation d’un courant i tel que
dt
dE
Si ε= .
2.3.1 Couplage par champ à fil
Lorsque l’origine du champ est lointaine et que l’on n’a pas de moyen d’action dessus, on parle de
couplage par champ à fil. La figure suivante illustre ce type de couplage en mode commun.
équipement
isolé
équipement
mis à la
masse
câble de liaison
capacité
parasite I
MC
E
surface conductrice
2.3.2 Couplage capacitif
Si la tension qui a crée le champ électrique est connue et proche de la victime, le problème devient un
simple couplage capacitif avec
dt
dv
Ci = , le terme C représentant la capacité de couplage.
La figure suivante illustre ce couplage en mode différentiel et commun pour un signal perturbateur tel
que l’horloge d’un système numérique.

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V
PERTURBATEUR
I
MC
I
DIF
2.4 Couplage par carte à châssis
Une différence de potentiel entre la masse d’une carte électronique et la terre (la masse n’étant pas
reliée à la terre), provoquera la circulation d’un courant à travers les capacités parasites reliant la carte
à la terre. Ce courant se répartissant de manière aléatoire sur la carte, générera des perturbations.
V
PERTURBATEUR
I
MC
câble de liaison
Ce phénomène est parfois connu sous le nom « d’effet de main » : une carte fonctionnant
« correctement » se verra perturbée par l’approche de la main de l’expérimentateur (la capacité
parasite augmente, donc le courant aussi), puis fonctionnera de nouveau correctement lorsque la
main touchera la carte (qui est mise à peu près au potentiel de la terre, le courant perturbateur ne
traversant alors plus la carte).
3 Exemples de sources de perturbations
Comme nous l’avons vu, les perturbations peuvent être rayonnées ou conduites, généralement par le
réseau de distribution d’énergie dans ce dernier cas. On peut également les classer par le fait qu’elles
soient intentionnelles ou non, entretenues ou non. Les tableaux suivants présentent quelques
perturbations et ordre de grandeur classiques :
utilisation bande de
fréquence puissance apparente
rayonnée
maximale
distances faibles
typiques champ
radiodiffusion et
services maritimes
(bandes
kilométrique et
hectométrique)
14 kHz à 1,6 MHz 2,5 MW 5 à 20 km 2,2 à 0,55
radiodiffusion en
ondes courtes 2 à 26 MHz 100 kW 0,5 à 2 km 4,4 à 1,1
radiodiffusion en
ondes métriques 87,5 à 108 MHz 100 kW 0,1 à 1 km 22 à 2,2
CB 27 MHz 10 W 10 à 100 m 2,2 à 0,22
talky walky 150 à 470 MHz 5 W 1 à 10 m 16 à 1,6
exemples de perturbations rayonnées intentionnelles