Compatibilité électromagnétique - Définition

Obtention de la CEM

Pour obtenir ou améliorer la compatibilité, on peut jouer sur les 3 termes de la triade « source/couplage/victime » :

1. diminuer le niveau d'émission des sources ; par exemple, dans le domaine de la conversion d'énergie :
   • un convertisseur à résonance sera, s'il est bien conçu et bien implanté, beaucoup moins « baveux » qu'un convertisseur à commutations dures,
   • le remplacement d'un redresseur classique « diodes + condensateur » par un redresseur à PFC (correcteur de facteur de puissance) évitera le plus gros de l'injection de courant harmonique dans le réseau énergie.
   • on peut également citer le remplacement, par EDF, des éclateurs à cornes servant d'écrêteurs sur ses lignes 20 kV par des varistances à oxyde de zinc, pour le plus grand bonheur des marchands de télécom
2. diminuer de niveau de vulnérabilité des victimes ; par exemple,
   • remplacer une liaison RS422 avec ses ±7 V de dynamique admissible en mode commun par une liaison Ethernet qui en supporte 1500 change quelque peu la donne…
   • l'introduction de l'étalement de spectre dans les communications radio a beaucoup diminué la capacité de nuisance des parasiteurs à bande étroite.
3. Mais si, comme c'est trop souvent le cas, toutes les erreurs de conception sont déjà figées avant de s'inquiéter de CEM, on ne peut plus agir que sur les couplages.

Cela consistera souvent à traiter l'environnement des cartes électroniques de l'appareil en cause, qu'il soit victime ou pollueur. Il existe 6 méthodes permettant de séparer des victimes de leurs « bourreaux » :

1. • Le Blindage

     la suppression du mode commun

     le filtrage fréquentiel

     le filtrage temporel

     l'écrêtage

     la porte de bruit

Le blindage

Le Blindage électromagnétique consiste à diviser l'espace en domaines électromagnétiques séparés, certains « propres » et d'autres « sales », sans aucune communication entre eux. En pratique, une carte électronique sera placée dans un boîtier métallique qui la protègera des rayonnements extérieurs .

Un blindage est très efficace en théorie, dès que les fréquences mises en causes dépassent le MHz. En pratique, il en est tout autrement, car une carte électronique est généralement en relation avec l'extérieur par des câbles électriques, ne serait-ce que l'alimentation. On constate alors que l'efficacité du blindage peut être réduite à néant si les courants de « mode commun » ne sont pas bloqués au niveau des entrées des câbles.

La suppression des signaux en mode commun

Voir le paragraphe « mode commun » pour la définition . La protection contre les signaux de mode commun consiste, pour un appareil victime, à empêcher les courants induits sur les câbles, de pénétrer dans la carte électronique et de perturber les fonctions qui s'y trouvent. Pour les appareils perturbateurs, cette protection consiste à empêcher les courants parasites de sortir de la carte et d'aller circuler sur les câbles extérieurs. La protection du mode commun vise donc les mêmes buts qu'un blindage, et souvent rend ce dernier efficace. En effet, il ne sert à rien de blinder un appareil, si les perturbations passent par les connexions qui entrent dans le blindage.

Voici quelques règles de protection contre les signaux de mode commun, valables autant pour les perturbateurs que pour les victimes.

Si l'appareil concerné possède un boîtier métallique, et si la carte possède une couche de masse, la protection sera plus aisée à obtenir: On devra, si c'est possible, blinder les câbles qui entrent sur la carte, en connectant ce fil de blindage à la masse de la carte ET au boîtier métallique à l'endroit de l'entrée dans le boîtier, c'est-à-dire dès l'arrivée sur la connectique.

Mais il n'est pas toujours possible de blinder le câble d'entrée. Dans ce cas, on traitera chaque conducteur du câble de façon que les courants de fréquences élevées soient bloqués ou bien dérivés vers la masse de la carte ET vers le boîtier métallique. D'une façon générale, tout courant de haute fréquence arrivant par l'un des conducteurs du câble doit être soit bloqué, soit dérivé vers le boîtier, par un découplage, par le chemin le plus court possible. Le chemin du courant de mode commun issu de l'extérieur est le suivant : Il entre par le câble, il passe à la masse de la carte par le découplage, puis emprunte la connexion de masse de la carte au boîtier, pour passer sur la surface intérieure du boîtier, puis ressort du boîtier par le trou du câble . En effet, il ne faut pas oublier que le courant ne circule qu'à la surface du métal, et ne traversera jamais la paroi du boîtier ! Pour ces raisons, si le découplage est réalisé sur la carte, il faudra :

- que la longueur de câble dans le boîtier soit minimum, nulle si possible.

- que le condensateur de découplage soit au plus près du connecteur.

- que la masse de la carte soit reliée au boîtier au plus près du connecteur (ou du trou d'arrivée du câble).

Si le découplage vers la masse de certains conducteurs est impossible, on pourra placer en série avec ces conducteurs une impédance grande en HF ( mais on conservera un découplage ou un contact pour le conducteur de masse). Le découplage sera souvent constitué d'une impédance série et d'une capacité vers la masse.

Bien sur, on ne peut filtrer, bloquer ou découpler les signaux de mode commun que si les signaux utiles transportés par le conducteur sont de fréquence plus basse ( il s'agit d'un filtrage fréquentiel, voir plus loin). Si les signaux utiles sont dans la même bande que les signaux de mode commun, un blindage du câble pourra résoudre le problème.

Si l'appareil ne possède pas de boîtier métallique, la protection sera plus difficile à obtenir : on regroupera toutes les arrivées de câble d'un même côté de la carte, afin que le courant de mode commun, qui va d'un connecteur à l'autre, en passant dans la masse de la carte, emprunte le trajet le plus court possible et ne traverse pas toute la carte. S'il y a un seul câble, le courant de mode commun aura tendance à passer par la capacité entre les conducteurs de la carte et l'environnement. En dérivant vers la masse de la carte le courant de mode commun, on réduit ainsi les courants passants par les autres composants. Si l'appareil est déjà conçu, un pis-aller consistera à enfiler dans le câble une ferrite de suppression de mode commun.

Si la carte de l'appareil ne possède pas de plan de masse, la protection sera difficile à obtenir. On devra imposer une seule arrivée de câble, afin de réduire au maximum les courants de mode commun à travers la carte.

Le filtrage des fréquences

On sépare le domaine des fréquences « utiles » de celui des fréquences « polluées » ; à la condition que ce ne soit pas les mêmes, bien entendu, car tous les signaux ne sont pas « filtrables ». On a vu par exemple dans le paragraphe suppression du mode commun que l'on pouvait « découpler » par un condensateur certaines connexions. Il s'agit généralement des connexions pour des signaux de fréquences basses ou même pour le continu. Ce « découplage » n'est rien d'autre qu'un filtrage passe bas. Le filtrage pourra être mis en œuvre pour le mode symétrique ou pour le mode commun. Hélas, les techniques modernes mettent en œuvre des signaux utiles de plus en plus rapides, et on se heurte souvent au fait que les signaux utiles et les signaux perturbateurs occupent des bandes de fréquences communes.

Le filtrage temporel

Si le signal pollueur n'est pas présent en permanence (et que sa présence peut être prédite avec un préavis suffisant), il suffit de mettre la victime à l'abri durant les intempéries. Par exemple :

1. • 1. c'est le principe du radar monostatique à impulsion : un émetteur (puissant) et un récepteur (sensible) se partagent la même antenne, mais l'émetteur ne s'en sert que très peu (au plan technologique, le récepteur est protégé par écrêteur, mais la logique « système » est bien celle du filtrage temporel),
     2. dans un automate séquentiel synchrone (par exemple, un microprocesseurs), à chaque coup d'horloge, des millions de bascules commutent simultanément, mettant l'alimentation « à genoux » ; néanmoins, les derniers millivolts suffisent pour que, quand « la lumière revient », ces bascules soient dans l'état voulu. Puis, la circuiterie de logique combinatoire redevient fonctionnelle pour mitonner les bons états en entrée de bascules, à temps pour le coup d'horloge suivant. Alors qu'en cas de multiplicité d'horloges, le risque d'états logiques « Mulderiens » serait permanent.

L'écrêtage

De manière général, on parle d'écrêtage en tension. Quand le signal perturbateur est de grande amplitude, l'équipement victime risque de subir des dommages irréversibles ; l'écrêtage consiste à limiter l'amplitude du signal perturbateur de façon à protéger les composants électroniques. On trouve à cet effet des composants dits « limiteurs » que l'on place en parallèle sur les connexions (en mode commun ou en mode différentiel). On admet en général que la fonctionnalité de l'appareil est interrompue au moment de la perturbation (cela dépend de la criticité des fonctions de l'équipement concerné au seins du système dans lequel il est installé; un calculateur de bord monté dans un aéronef ne doit en aucun cas présenter le moindre dysfonctionnement lors d'un impact foudre), le composant d'écrêtage ayant avant tout une fonction de « survie ». En effet, il n'est pas possible de discriminer le signal utile et le perturbateur au moment de l'écrêtage. Plusieurs types de composants seront utilisés, en fonction des critères suivants:

- faible capacité

- énergie absorbable très élevée

- temps de réponse court

- réarmement automatique etc.

De manière général, les composants utilisés sont des composants non linéaires: diodes, thyristor, résistance non linéaire (varistance), éclateurs, etc.

La porte de bruit

Il s'agit typiquement de protéger un signal analogique en comptant sur l'effet de masquage ( le bruit ne se remarque que quand le signal utile est faible ou absent. Par exemple:

1- le squelch des récepteurs radio, qui consiste à couper l'audio quand le signal radio est trop faible pour être utilisable.

2- les systèmes Dolby ( dynamic noise limiter Philips) ou similaires, consistent, en gros, en un filtrage des aigus si le signal est faible.