Compatibilité Électromagnétique

La compatibilité électromagnétique (CEM) est l'aptitude d'un appareil ou d'un système électrique ou électronique à fonctionner dans son environnement électromagnétique de façon satisfaisante et sans produire lui-même des perturbations électromagnétiques intolérables pour tout ce qui se trouve dans cet environnement.

Une bonne compatibilité électromagnétique décrit un état de « bon voisinage électromagnétique » :

• ne pas « trop » déranger les voisins ;
• supporter un niveau « raisonnable » de bruit de leur part, ou plus généralement de l'environnement.

Les bruits électromagnétiques et radioélectriques sont le résultat de tous les courants électriques induisant une multitude de champs et signaux parasites.

La norme CEI 61000 de la Commission électrotechnique internationale établit des limites aux perturbations électromagnétiques tolérables dans un réseau électrique.

Sommaire 1 Définitions 1.1 CEM 1.2 Émission / Susceptibilité 1.3 Phénoménologie CEM : le modèle « source/couplage/victime » 2 Classifications des perturbations 2.1 Classification par conduction et rayonnement 2.2 Classification par fréquence 2.3 Classification par durée 2.3.1 Perturbations permanentes 2.3.2 Perturbations transitoires 2.4 Classification par type de couplage 2.4.1 Couplage par impédance commune 2.4.2 Couplage capacitif 2.4.3 Couplage inductif 2.4.4 Couplage par champ électrique 2.4.5 Couplage par champ magnétique 2.4.6 Couplage par champ électromagnétique 2.5 Classification par mode de propagation 2.5.1 Propagation en mode différentiel 2.5.2 Propagation en mode commun 3 Les sources 3.1 Décharges électrostatiques (d'origine humaine) 3.2 La foudre 3.3 Autres décharges électrostatiques 3.4 Quelques autres sources naturelles 3.5 Émetteurs : radiodiffusion, télévision, télécommunications, radars, etc. 3.6 Transitoires dans les réseaux d'énergie (dus à l'exploitation du réseau) 3.7 Effets indirects de la foudre 3.8 Commutations « courants forts » 3.9 Commutations « courants faibles » 3.10 Les « méchants » : IEMN, guerre électronique, armes hyperfréquences 3.10.1 Impulsion électromagnétique d'origine nucléaire (IEMN) 3.10.2 Guerre électronique 3.10.3 Armes électromagnétiques 4 Les victimes 4.1 Effets biologiques 4.1.1 Effets thermiques 4.1.2 Effets « athermiques » ou « non-thermiques » ou « spécifiques » 4.1.3 Effets électriques 4.1.4 Effets CEM 4.2 Redressement parasite 4.3 « Plantages » 4.4 Métastabilité 4.5 Verrouillage (alias Latch Up) 5 Obtention de la CEM 5.1 Le blindage 5.2 La suppression des signaux en mode commun 5.3 Le filtrage fréquentiel 5.4 Le filtrage temporel 5.5 L'écrêtage 5.6 La porte de bruit 6 Vérification de la CEM 6.1 Techniques de mesure 6.1.1 Techniques traitant des émissions 6.1.2 Techniques traitant des susceptibilités 7 Réglementation 7.1 matériels industriel ou grand public 7.2 matériels aérospatial ou militaire 8 Notes 9 Bibliographie 10 Voir aussi 10.1 Liens externes

Définitions

CEM

Perturbation électromagnétique : Phénomène électromagnétique susceptible de créer des troubles de fonctionnement d'un dispositif, d'un appareil, ou d'un système ou d'affecter défavorablement la matière vivante ou inerte. Une perturbation électromagnétique peut être un bruit, un signal non désiré ou une modification du milieu de propagation lui-même.

Pollution électromagnétique: La plupart des équipements électriques et électroniques génèrent des champs électromagnétiques perceptibles dans leur environnement; l'ensemble de ces champs créée une véritable pollution qui perturbe parfois le fonctionnement d'autres équipements. Ainsi, il est interdit d'utiliser un téléphone portable dans un avion parce qu'il émet un champ électromagnétique auxquels les systèmes radioélectriques d'aide au pilotage (navigation, décollage / atterrissage) risquent d'être sensibles.

La compatibilité électromagnétique, par extension (ou abus de langage), désigne en outre :

• les techniques permettant d'obtenir la compatibilité électronique d'un appareil ou d'une installation avec son environnement (règles de conception et de fabrication) ;
• les techniques permettant de vérifier la réalité de cette compatibilité (simulation numérique, ou via des essais, normalisés ou non).

Compatibilités électromagnétiques (au pluriel): compatibilité entre émetteurs et récepteurs volontaires colocalisés (par exemples, les antennes placées sur un même avion, un même bateau ou un même toit d'immeuble).

Émission / Susceptibilité

La compatibilité devant être assurée dans les deux sens, on est conduit à définir deux types de phénomènes :

• Les émissions (terme choisi par les normes aérospatiales ou similaires) ou perturbations (équivalent dans les normes industrielles) désignent les signaux (volontaires ou non) dont la propagation est de nature à nuire au bon fonctionnement des objets ou à la santé des êtres vivants situés au voisinage,
• La susceptibilité désigne un comportement d'un appareil, en réponse à une contrainte externe (volontaire ou non, naturelle ou artificielle), jugé incompatible avec une utilisation normale. Le contraire de la susceptibilité est l'immunité.

Phénoménologie CEM : le modèle « source/couplage/victime »

Qu'il s'agisse d'émission ou de susceptibilité (ce n'est qu'une question de direction), le phénomène ne se produit (ou n'est gênant) que s'il y a, simultanément :

• une « source » (d'un signal parasite) ;
• une « victime » (vulnérable au signal parasite) ;
• et un couplage entre les deux.

Qu'un seul de ces éléments soit absent (et pas nécessairement le couplage, trop souvent le seul pris en considération), et la CEM est restaurée.

La configuration du modèle « source / couplage / victime » dépend de l'échelle à laquelle on le regarde :

• une source peut être décomposée en une autre source et un couplage : par exemple, l'émission radio d'un micro-processeur est le résultat de la commutation de cellules logiques (source), les métallisation de la puce ainsi que les pistes du boîtier ou du circuit imprimé servant d'antenne pour transformer les transitoires de courant temporels dans chaque cellule individuelle en un champ électromagnétique décrit par un « brouillard coloré » fréquentiel,
• une victime peut aussi subir ce type de décomposition, mais son critère de susceptibilité varie également selon qu'on « regarde » le composant ou le système : par exemple, pour un même réseau Ethernet, on pourra se focaliser

• sur la perturbation du niveau logique ou du diagramme de l'œil (associé au composant électronique) falsifiant un bit,
• sur le risque que les redondances associées au codage de la trame (par exemple en 1000baseT) ne permettent pas de la reconstituer,
• sur l'acceptabilité ou non de la réduction de bande passante causée par la ré-émission de trames perturbées (TCP/IP),
• sur l'intelligibilité des signaux analogiques reconstitués malgré les trames perturbées (VoIP), etc., etc.

Ce genre de décomposition n'est pas indéfini : on finit toujours par arriver à des sources ultimes (signaux fonctionnels, phénomènes naturels ou intentionnels). Idem pour les victimes. Même à ce stade, on n'est pas totalement démuni… (il est rare de voir un radio-télescope installé dans une zone où les orages sont fréquents).

Afin de caractériser le comportement d'un appareil indépendamment des autres, les couplages sont nécessairement décomposés en deux sous couplage : source/environnement et environnement/victime, c'est pour cela que les normes font appels à différents type d'environnements. Résidentiel et commercial léger ou industriel dans la plupart des cas.

Classifications des perturbations

Classification par conduction et rayonnement

On classe les couplages en deux catégories :

• couplage par rayonnement : champ électrique, champ magnétique, champ électromagnétique ;
• couplage par conduction : transmission du signal par un conducteur (n'importe quel conducteur, et pas nécessairement un morceau de fil destiné à conduire de courant électrique : un tuyau de climatisation fait parfaitement l'affaire).

La frontière entre les deux comporte une part d'arbitraire, certaines normes classant certains couplages par champ électrique ou magnétique (mais pas tous…) dans la case « conduction ».

Par ailleurs, pour les couplages par rayonnement, les normes font aussi la distinction entre champs proches et champs lointains: Une source de perturbations électromagnétiques génère au départ souvent soit un champ électrique, soit un champ magnétique. Mais à une certaine distance de cette source, l'onde observée sera une onde électromagnétique "plane" ( dite aussi "lointaine" ), combinaison d'un champ H et d'un champ E, avec le rapport E/H = 377. Cette distance est de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde. Ainsi, pour les fréquences élevées, on aura toujours une onde plane dès que l'on s'éloigne un peu de la source.

La norme pourra exiger un test de susceptibilité au champ E, au champ H ou encore à l'onde plane (ou champ lointain). Les normes exigeront des test à l'onde plane aux fréquences les plus élevées, puisque dans le cas des fréquences élevées, on aura toujours en pratique une onde "plane"

Classification par fréquence

2 types de perturbations:

• BF :basses fréquences
• HF :hautes fréquences

Classification par durée

Perturbations permanentes

Perturbations transitoires

Classification par type de couplage

On appelle couplage le processus par lequel l'énergie du perturbateur atteint la victime. Chaque fois que l'on parle de courant, de tension ou de champ, on n'oubliera pas qu'il s'agit de grandeurs électriques variables dans le temps.

Couplage par impédance commune

Le circuit électrique du perturbateur possède dans ce cas une impédance commune avec le circuit électrique de la victime. Aux bornes de cette impédance commune se trouve une tension générée par le courant passant dans le circuit perturbateur. Comme cette impédance est également présente dans le circuit de la victime, cette victime subit cette tension parasite. Exemple : deux appareils sont branchés sur le réseau 230V : un perturbateur qui génère des tensions parasites sur la tension du réseau, et une victime qui utilise la tension du réseau, et qui récupère en même temps cette tension parasite.

Couplage capacitif

Dans ce cas, il existe sur un circuit perturbateur une tension susceptible de produire des perturbations. Il existe aussi une capacité entre ce circuit perturbateur et un autre circuit, qui sera la victime. Par cette capacité, de l'énergie électrique perturbatrice atteint le circuit victime.

Exemple: Le phénomène de diaphonie capacitive. Un conducteur appartenant au circuit perturbateur se trouve dans le même câble qu'un conducteur appartenant au circuit victime. Ces deux conducteurs étant proches, il existe une capacité entre eux, responsable du couplage. Le couplage sera d'autant plus élevé que l'impédance du circuit victime est grande, du fait du pont diviseur de tension constitué de la capacité et de l'impédance de la victime.

Couplage inductif

Dans ce cas, il existe dans le circuit perturbateur un courant susceptible de produire des perturbations. À proximité de ce circuit se trouve un circuit victime. Le courant du conducteur du circuit perturbateur produit autour de lui un champ magnétique. Ce champ magnétique induit un courant dans le circuit victime.

Exemple: La diaphonie inductive. Le conducteur du circuit perturbateur se trouve dans le même câble que le conducteur du circuit victime, et induit dans ce dernier une tension parasite. Plus l'impédance du circuit victime sera faible, plus cette tension induira une énergie perturbatrice importante dans le circuit victime.

Couplage par champ électrique

Ce couplage est aussi appelé couplage champ à fil. C'est un champ électrique incident qui va produire une perturbation sur un circuit victime. Remarquons tout de suite que le couplage capacitif cité plus haut est de même nature, puisque la capacité de couplage amène des lignes de champ sur la victime. La différence ici, c'est que le perturbateur est plus éloigné: Au lieu d'identifier le perturbateur lui-même, on identifie le champ électrique qui en est issu.

Exemple : le champ électrique impulsionnel issu d'une bougie d'allumage de moteur atteint l'antenne d'un récepteur auto-radio.

Couplage par champ magnétique

Ce couplage est aussi appelé couplage champ à boucle. C'est un champ magnétique, issu d'un perturbateur, qui traverse un circuit victime, et induit donc dans ce circuit une tension parasite.C'est l'induction. Remarquons là aussi que ce couplage est de même nature que le couplage inductif cité plus haut...Au lieu d'identifier le perturbateur lui-même, on identifie le champ magnétique qu'il a généré.

Exemple: un coup de foudre à proximité de la victime ( et non dessus). La foudre est une décharge électrostatique caractérisée par un courant de plusieurs dizaines de milliers d'ampères, et de temps de montée de l'ordre de la microseconde. La tension induite dans une boucle est donc importante du fait de la variation importante de l'intensité du courant, mais aussi de la rapidité de la montée de ce courant.

Couplage par champ électromagnétique

Souvent, un perturbateur émet à la fois des champs électriques ( dus aux tensions ) et des champs magnétiques ( dus aux courants) ; C'est l'ensemble de ces deux champs qui atteint la victime. Cependant, même si un perturbateur n'émet au départ qu'un champ électrique, les équations de Maxwell montrent qu'à une certaine distance de cette source, un champ magnétique apparaîtra aussi, pour former une onde plane électromagnétique (voir onde électromagnétique). Il en est de même si le perturbateur n'émet au départ qu'un champ magnétique. Cette transformation a lieu à une distance correspondant à une fraction non négligeable de la longueur d'onde. Elle est donc grande pour les fréquences basses, mais courte pour les fréquences élevées. C'est une des raisons pour lesquelles les mesures de CEM ne sont pas les mêmes pour les fréquences basses et pour les fréquences élevées. Pour les fréquences élevées, on aura presque toujours affaire à une onde plane électromagnétique.

Classification par mode de propagation

On entend parler très souvent des deux modes de propagation: le mode différentiel et le mode commun. On aurait pu inclure ces deux définitions dans les modes de couplages, mais l'importance de ces deux termes, notamment le mode commun, mérite qu'on les définisse avec précision.

Propagation en mode différentiel

Soient deux conducteurs connectés à un appareil électrique ou électronique. On dit qu'une tension est appliquée en mode symétrique (ou différentiel) à cet appareil si la tension est présentée entre les deux conducteurs. Par exemple, la tension d'alimentation du secteur est appliquée en mode différentiel. Ou bien encore la tension présente sur une paire de fils téléphoniques. Si on considère le câble constitué par l'ensemble des deux conducteurs, la somme algébrique des courants dans ce câble est nulle, puisqu'il y a un courant "aller" dans le premier conducteur, et un courant "retour" de même intensité, mais opposé, dans le second conducteur.

Pour éviter les problèmes de CEM, il suffit que les deux conducteurs soient suffisamment proches.

Propagation en mode commun

La propagation d'une perturbation en mode commun est considérée par la plupart des ingénieurs en CEM comme le principal problème de la CEM ! ... ce qui justifie qu'on s'y attarde un peu.

Soit un câble constitué de plusieurs conducteurs, connecté à un appareil électrique ou électronique. Supposons que des champs électromagnétiques extérieurs induisent un courant parasite dans l'ensemble des conducteurs de ce câble. Ce courant entre dans l'appareil victime par ce câble. Remarquons que dans le mode différentiel, il existait dans le câble un conducteur pour le courant "aller" et un conducteur pour le courant "retour" . Ce n'est pas le cas ici: le champ électromagnétique a induit des courants en phase dans tous les conducteurs du câble. Comme il n'y a pas de conducteur de retour de ce courant dans ce câble, il faut se poser la question de savoir par quel chemin le courant de mode commun va se refermer, puisque en principe, un courant parcourt un circuit fermé...

Puisque ce courant est "entré" dans l'appareil, il va nécessairement ressortir de l'appareil :

- par d'autres câbles de l'appareil, s'ils existent.

- par un conducteur de "terre", s'il existe.

- par la capacité entre l'appareil et la "terre", qui existe toujours.

Ce courant, via ces trois chemins possibles va finir par retourner "à la terre". Il va alors circuler dans la terre, et va revenir pour boucler le circuit, en principe jusqu'à l'autre extrémité du câble considéré. L'extrémité du câble sera l'appareil d'où provenait le câble, par exemple son alimentation, etc... Le circuit est ainsi bouclé.

Ce courant est dit « de mode commun ». Son circuit peut être très grand :

- en longueur, car le câble peut venir de loin. Pensez au réseau EDF....

- en largeur, car le câble peut être haut par rapport au sol.

Donc la surface de ce circuit peut être grande, il en résulte :

- le flux du champ magnétique traversant ce circuit peut être grand,

- la ddp entre les éléments de ce circuit peut être élevée.

Il en résulte que des perturbations extérieures peuvent créer des courants importants dans ce circuit et perturber l'appareil ( appareil victime). En effet, ce courant perturbateur qui entre dans l'appareil va, si rien n'est fait, traverser la carte électronique et perturber les circuits électroniques qu'elle comporte.

Nous avons considéré jusqu'à maintenant que l'appareil était victime. Imaginons que ce soit l'appareil lui-même qui génère une perturbation dans ce circuit, par exemple en générant un courant RF sur son câble . Ce courant va circuler dans le circuit de mode commun cité plus haut. Comme ce circuit est très grand, il va jouer le rôle d'une antenne, et créer des perturbations très loin. L'appareil sera un perturbateur important.

Pour réduire les effets de ces perturbations de mode commun, que l'appareil soit victime ou perturbateur, l'appareil doit être convenablement traité au niveau de la connectique d'entrée, par les techniques appropriées de protection CEM. Par exemple, on imposera aux courants qui entrent par chaque conducteur du câble d'aller directement à la masse de l'appareil, et d'éviter ainsi de passer par les fonctions de la carte. Il est préférable aussi de relier la masse de l'appareil à la terre, ou au plan de masse ( voir plus loin). Ou bien, on tentera d'empêcher ces courants d'entrer dans l'appareil, en enfilant dans le câble un tore de ferrite dit "suppresseur de mode commun". On peut aussi blinder l'ensemble des conducteurs du câble, et connecter le blindage à la masse de l'appareil, à l'arrivée du câble. Le courant de mode commun, qui passe uniquement à la surface extérieure du blindage, est ainsi dérivé vers la masse, et ne traverse plus la carte électronique.

Nous avons considéré jusqu'à maintenant que le retour du courant de mode commun se faisait par la "terre". Dans les systèmes complexes, on trouve souvent un plan de masse commun aux différents appareils ( bancs de mesures de laboratoires, véhicules, etc.. ) C'est évidemment alors ce plan qui tient lieu de "terre" . On peut dans ce cas réduire les perturbations de mode commun en maintenant les câbles d'entrée le plus près possible du plan de masse du système, afin de réduire la surface de la boucle de mode commun.

Nous avons traité le problème du mode commun en considérant les courants. Dans la littérature technique, on considère parfois non pas les courants, mais les tensions de mode commun. Ces tensions sont présentes entre les conducteurs du câble, et la "terre". C'est évidemment un point de vue dual.

On rencontre des problèmes de mode commun même pour les fréquences de plusieurs centaines de mégahertz. On peut même dire que ce sont les problèmes qui se sont le plus multipliés depuis le foisonnement des émissions radioélectriques. Sur ces fréquences élevées, on notera simplement une différence en ce qui concerne la boucle de mode commun: Comme cette boucle est souvent de dimensions supérieures à la longueur d'onde, il ne faut plus tenir compte de la surface de la boucle, mais considérer tout simplement que le câble qui entre dans l'appareil est une antenne qui capte les rayonnements perturbateurs. La protection en mode commun de la victime consistera toujours à empêcher ces courants d'entrer sur la carte électronique. Si l'appareil est considéré comme perturbateur, on évitera que les courants internes ne sortent de la carte.

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Les sources

Décharges électrostatiques (d'origine humaine)

Il s'agit d'une « source » parasite naturelle, probablement la plus répandue. Le mécanisme est le suivant :

• le corps d'un être humain (utilisateur, dépanneur, fabriquant, peu importe) est chargé par effet tribo-électrique,
• les charges accumulées se déchargent brutalement, quand une opportunité se présente : c'est la décharge électrostatique (ou DES, ou ESD en anglais).

Non seulement c'est très désagréable pour le porteur (ou la porteuse) de charges, mais, si l'objet qui a servi « d'opportunité » est d'un naturel fragile, il risque de ne pas apprécier. Les conséquences possibles pour un matériel électronique « victime » sont :

• la destruction d'un composant (en fabrication, en utilisation ou en maintenance),
• des dysfonctionnements (« plantages », pertes de données),
• des phénomènes analogiques transitoires (« clics » dans un haut-parleur, p.ex.)
• plus complexe, certaines méthodes d'immunisation d'un matériel (par exemple, une enveloppe conductrice) pourront conduire ses utilisateurs à craindre ou refuser de s'en servir, pour éviter des chocs électriques.

Le phénomène « décharge électrostatique d'origine humaine » est modélisé, dans la normalisation, par :

• un générateur d'impulsion, modèle électrique du corps humain, constitué d'un circuit « capacité + résistance », en série ; la plupart des normes font appel à un condensateur de 150 pF se déchargeant dans une résistance de 330 Ω ; ce modèle, trop grossier pour décrire intégralement l'impulsion, est complété par des caractéristiques temporelles (majorant du temps de montée, nombre et taux de répétition des impulsions, etc.)
• un modèle géométrique d'un doigt humain, servant d'électrode de sortie au générateur, accompagné d'un scénario de couplage (contact direct, couplage inductif représentant un contact sur un objet proche, etc.
• un niveau de sévérité, pouvant être la tension de charge initiale du condensateur, ou la valeur crête de l'impulsion (le générateur étant connecté sur une charge résistive de référence), variable selon le degré de précautions contre les décharges électrostatiques qu'il est raisonnable d'attendre des humains qui se trouvent à proximité.

La foudre

Avec la foudre, on ne quitte pas le domaine de la triboélectricité, on change simplement d'échelle. Un cumulo-nimbus, c'est plusieurs km³ d'un mélange d'air, de vapeur d'eau, de gouttelettes et de particules de glace, le tout brassé par des courants violents. Après quelques dizaines de minutes de ce régime, la quantité de charge cumulée est colossale. Ces charges sont réparties « au petit bonheur » dans des « poches » positives ou négatives, créant des différences de potentiel se chiffrant en mégavolts. Pour compléter le tableau, les poches situées dans la couche la plus basse créent, sur le terrain (conducteur) survolé, des zones chargées par influence, de signe opposé.

Quand le champ électrique est suffisamment élevé, une ou plusieurs poches (+ le sol) se déchargent mutuellement. Cela peut se produire

• soit parce que, de manière aléatoire, le rayon de courbure local d'une poche de charge est assez réduit pour atteindre le champ d'ionisation de l'air à l'altitude considéré, ce qui déclenche, de proche en proche, une sorte de « réaction en chaîne »,
• soit parce qu'un conducteur (avion, fusée, qu'il s'agisse d'Ariane ou d'une fusée « anti-foudre ») se promène dans le coin, avec pour effet :

• de diminuer la distance isolante entre poches de charges (donc, d'augmenter le champ électrique sur la distance qui reste),
• d'introduire des équipotentielles (bien forcé, s'il s'agit d'un conducteur…) à faible rayon de courbure (oui, c'est cela, des pointes).

Du coup, pour peu que le champ initial soit assez élevé, on est quasi-certain de déclencher une ionisation se transformant en foudroiement (on parle de foudre « déclenchée »).

Dans un cas comme dans l'autre, il faut se souvenir que la foudre est un processus naturel complexe, faisant intervenir aussi bien les lois de l'électrostatique, de l'électromagnétisme, de la thermodynamique, de l'aérodynamique, etc., etc. Il existe des modèles relativement satisfaisants du phénomène, à 1, 2 ou 3 dimensions. Et des photos de foudroiement réel qui montrent des choses beaucoup plus compliquées.

Revenons au foudroiement d'un avion de ligne, phénomène qui se produit à peu près toutes les 2000 ou 3000 heures de vol. Le « scénario de base », qui se produit « souvent » est le suivant :

• l'avion met le nez dans une zone à champ élevé, c'est donc le nez qui est foudroyé (en premier) ; de haut en bas ou de droite à gauche, ou tout intermédiaire, dans le sens de votre choix : tout dépend de la position des « poches » de charges au départ et, donc, de l'orientation du champ électrique,
• durant les dizaines ou centaines de millisecondes qu'il faut pour « vidanger » les « poches » de charges, éventuellement avec des à-coups (on n'a jamais prétendu qu'une poche de charges était quelque chose d'homogène à l'instant t…), le canal de plasma servant à écouler le courant de foudre est soumis à de multiples influences, les principales étant :

• le champ magnétique produit par le courant de foudre tend à augmenter tout rayon de courbure local et, donc, à déstabiliser, déformer, voire éclater le canal (ce champ est d'ailleurs mis à profit de cette façon dans un très astucieux type de bandes parafoudres),
• le gradient de température, qui tend à recentrer le courant « là où il fait chaud », tout déplacement physique du canal devant se payer d'un chauffage du nouveau trajet (et d'un refroidissement de l'ancien) ;

le courant est donc instable, mais avec une inertie importante ;

• et l'avion, dans tout cela ? Il continue d'avancer, avec une vitesse de l'ordre de 100 à 250 m/s : un gros avion de ligne avance de sa propre longueur en 300 ms environ, et il est donc balayé par l'arc qui, lui, reste plus ou moins fixe, selon un processus évidemment pas linéaire (ce serait trop simple) :

• à l'endroit de l'impact (en entrée comme en sortie), le courant de foudre vaporise un « petit bout d'avion » (peinture, aluminium, composite : ce qui traîne à cet endroit là), ce qui fournit une excellente électrode pour profiter du raccourci que constitue l'avion,
• au fur et à mesure que l'avion avance, ce point d'entrée s'éloigne du cheminement d'ensemble : le courant de foudre commence à faire un détour, dont la longueur augmente très vite dès que le champ magnétique s'exerce sur lui,
• du coup, le champ au début du détour se met à augmenter, suffisamment pour percer un nouveau trou (à travers la peinture s'il y en a),
• et c'est comme cela qu'une cellule d'avion touchée par un foudroiement « bien élevé », respectueux du modèle, se retrouve ornée d'un joli pointillé, avec un espacement variable en fonction de la présence et de l'épaisseur de la peinture),
• avec accrochage occasionnel un peu plus prolongé sur des « machins qui dépassent » (antenne, gouverne…)

• tout ceci jusqu'au moment où les points d'entrée ou de sortie arrivent à un cul de sac (extrémité d'aile, de dérive, etc.) : le courant de foudre, s'il existe encore après tout ce temps, finit par se rebrancher sur lui-même, sans passer par l'avion, quand le champ provoqué par la chute de tension le long du détour est suffisant pour ioniser l'air « aux bornes du détour ».

Naturellement, il existe de multiples cas de foudroiement « malpolis », qui ont refusé le modèle qu'on avait prévu pour eux.

Pour les fusées, c'est à peu près pareil, en plus vertical. Plus quelques différences :

• les gaz en sortie de tuyère d'un moteur fusée sont beaucoup plus chauds que ceux sortant d'un turbo-réacteur, ce qui les rendent faciles à transformer en canal de foudroiement,
• les fusées servant à étudier la foudre sont munies d'une « laisse » reliée à la terre, fournissant, en se volatilisant, un canal « naturel » à la foudre déclenchée.

Autres décharges électrostatiques

Si des charges électrostatiques s'accumulent sur un objet isolé, il pourra survenir une décharge électrostatique dès que le potentiel de cet objet atteindra une certaine valeur : il y aura décharge entre cet objet et un autre objet de son environnement. L'air lui-même contient des charges: Les petites charges, constituées par des ions légers, sont dues à l'ionisation des molécules gazeuses par le rayonnement UV du soleil. Des charges plus grosses sont constituées par des poussières chargées, ou par des gouttelettes d'eau chargées. Ainsi, un objet qui se déplace dans l'air peut récupérer ces charges, ce qui va faire monter son potentiel électrostatique par rapport à son environnement. Même un objet immobile mais isolé pourra récupérer des charges, si l'air se déplace. Pour toutes ces raisons, il arrive souvent qu'un objet demeuré isolé pourra générer une décharge électrostatique avec son environnement immédiat (isolateurs...). Si l'objet fait partie d'un appareil électronique, la décharge pourra avoir lieu à travers un condensateur d'isolation, et détruire ce dernier. C'est pour cette raison que les antennes des systèmes de télécommunications ne sont jamais parfaitement isolées en continu, et que les tests CEM sont également appliqués aux antennes des terminaux radio.

Quelques autres sources naturelles

Émetteurs : radiodiffusion, télévision, télécommunications, radars, etc.

Les équipements hertziens, principale source de champs électromagnétiques rayonnés, qui de plus augmentent quasi-exponentiellement, sont régis par la directive européenne1999/5/CE dite RTTE

S'ils font l'objet de dérogation par rapport aux directives CEM, en particulier pour le niveau maximal d'émission, afin de remplir leurs fonctions, ils doivent apporter les mêmes garanties que les autres appareils en matière de compatibilité électromagnétique.

article 3: Exigences essentielles

1. Les exigences essentielles ci-après sont applicables à tous les appareils:

a) la protection de la santé et de la sécurité de l'utilisateur et de toute autre personne, y compris les objectifs, en ce qui concerne les exigences de sécurité, figurant dans la directive 73/23/CEE, mais sans seuil inférieur de tension ;

b) les exigences de protection, en ce qui concerne la compatibilité électromagnétique, figurant dans la directive 89/336/CEE.

C'est-à-dire qu'ils peuvent émettre des niveaux élevés au voisinage de leurs antennes mais ne sauraient transformer l' environnement d'utilisation normal des appareils électroniques en élevant le niveau du champ électromagnétique au-delà des limites d'immunité, ce qui enlèverait toute présomption de conformité aux directives européennes en matière de CEM par le respect des normes qui n'auraient plus aucune valeur scientifique.

On ne peut présumer le respect de la compatibilité électromagnétique en matière de champs électromagnétiques rayonnés par un essai d'immunité à 3 V/m, si l'environnement d'utilisation est supérieur à cette valeur. La compatibilité électromagnétique n'apporte pas une garantie totale d'immunité : Dans des cas très particuliers, comme la proximité immédiate d'émetteurs de radio fréquences, l'environnement où va être utilisé l'appareil peut présenter des champs supérieurs à ceux que préconisent les normes. Les autorités ne font respecter que le niveau prévenant les risques thermique du décret 2002-775 et laissent la possibilité de champs jusqu'à des niveaux de 61 V/m et autorisent des fréquences allant jusqu'à 6 GHz (Wimax, Wifi) et 10 GHz (UWB), alors que les appareils sont testés jusqu'à 3 V/m, 10 V/m, ou 30 V/m, et à une fréquence maximale de 2,5 GHz.

L'Arcep publie la conclusion d'une étude sur le wifi « La principale conclusion de l’étude est que, pour des conditions d’utilisation conformes à la réglementation radioélectrique des RLAN, les valeurs limites d’exposition du public aux champs électromagnétiques définies dans le décret n° 2002-775 sont respectées pour tous les cas d’utilisation de matériels RLAN mesurés ou simulés dans le cadre de l’étude. »

L'Anfr publie la réglementation applicable.

La confirmation que seules les limites du décret 2002-775 sont prises en compte est apportée par le site cartoradio où les niveaux mesurés ne sont comparés qu'aux limites du décret 2002-775, soit jusqu'à 61 V/m.

Les opérateurs de téléphonie mobile s'engagent à respecter les limites thermiques soit 41 a 61 V/m : de l'Afom guide des bonnes Pratiques signée entre l'AFOM et l'AMF page 16.

Les autorités et les opérateurs ne s'engagent donc qu'au respect des limites de 41 V/m à 61 V/m pour les fréquences supérieures à 900 MHz soit jusqu'à 20 fois en niveau et 400 fois en puissance les limites d'immunité des appareils électroniques.

Transitoires dans les réseaux d'énergie (dus à l'exploitation du réseau)

Dans cette catégorie, le « monstre » est d'origine humaine, c'est la fermeture de grande boucle. Pour comprendre ce dont il s'agit, il faut imaginer :

• une centrale électrique de base (genre 4 tranches nucléaires, fournissant dans les 5 GW sans trop forcer)
• une grande ville, pour laquelle les 5 GW ne représentent qu'une partie des besoins,
• et, entre les deux, deux lignes haute tension plus ou moins parallèles, sur 1500 km.

Le « truc », c'est que les 1500 km correspondent à un quart de longueur d'onde (λ/4) d'un signal à 50 Hz. Et que, pas de pot, l'une des deux lignes est ouverte au raz de la centrale : il y a des tas de raisons possibles pour ça (maintenance, etc.). Du coup, chacune des 3 sinusoïdes (on est en triphasé) fabriquées par la centrale se retrouve en opposition de phase au bout des 3000 km ( λ/2) de ligne (aller par l'une et retour par l'autre). Soit 800 000 volts efficaces, juste séparés par un interrupteur ouvert.

Et comme on a soudain besoin des deux lignes, cet interrupteur, on le ferme…

Jusqu'à ce qu'un nouvel équilibre soit établi (au minimum 10 ms pour la partie apériodique), les 5 GW vont partir (en totalité à l'instant de la fermeture) dans le court-circuit dynamique.

Dans le réseau électrique européen maillé et entièrement interconnecté, des manœuvres de ce genre, il y en a plusieurs par jour. Pas aussi extrêmes, car la résonance n'est jamais exacte, et la nature répartie des charges et des autres sources fournit un amortissement. Il n'empêche, à chacune de ces fermetures de grande boucle, c'est tout le réseau européen qui tremble comme une cuillerée de gelée de groseille, durant plusieurs secondes. Avec mention spéciale pour les pays « en bout de ligne », qui jouent le rôle ingrat de réflecteur (donc, de ventre de tension, encore qu'aucune onde stationnaire n'aie vraiment le temps de s'établir).

Ce genre de chose, bien qu'atténué dans la mesure du possible, laisse des traces jusqu'à vos lampes et vos prises de courant. Il faut aussi ajouter à ces résidus tous les phénomènes similaires (bien qu'à échelle plus réduite) affectant les divers réseaux à tension de plus en plus basse.

Effets indirects de la foudre

Quand la foudre tombe quelque part (ou qu'un éclair survient au sein d'un nuage), le courant produit un important champ magnétique impulsionnel, qui vient se coupler avec tous les conducteurs environnants (tous les conducteurs, pas seulement ceux que l'on a mis là dans le but d'y transmettre de l'électricité, y compris donc les réseaux de terres, masses métalliques...).

Commutations « courants forts »

L'archétype de ce genre de source est l'omniprésente « alimentation à découpage ».

Commutations « courants faibles »

La plupart des cartes électroniques modernes font appel à des circuits logiques rapides. Ces circuits intégrés et les connexions qui les associent sont le siège de courants à fronts raides, susceptibles de rayonner des ondes électromagnétiques sur un large spectre. Bien que de niveaux assez faibles, ces rayonnements peuvent en particulier perturber les récepteurs radios placés à proximité. Il suffit, pour s'en convaincre, de placer un récepteur radio à proximité d'un ordinateur... Les concepteurs de ces systèmes doivent respecter les directives CEM concernant le rayonnement des appareils, et concernant les émissions conduites qui pourraient être présentes sur les câbles de sorties de ces appareils.

Les « méchants » : IEMN, guerre électronique, armes hyperfréquences

Il faut rendre cette justice aux militaires de tous les pays : depuis Archimède et ses miroirs ardents, censés avoir incendié la flotte romaine devant Syracuse, ils ont généreusement financé de nombreuses idées de « Rayon de la Mort », avec des résultats variables (et parfois complètement inattendus, comme le Radar, s'il faut en croire la biographie de Nikola Tesla).

Parmi la multitude d'idées sérieuses ou loufoques en la matière, il y en a 3 touchant particulièrement la CEM :

• l'impulsion électromagnétique d'origine nucléaire (IEMN), pas forcément si nucléaire que cela d'ailleurs,
• la guerre électronique : leurres, brouilleurs et autres attrape-radars (militaires ou civils) ou tueurs de conversation,
• la dernière mode : les armes électromagnétiques.

Impulsion électromagnétique d'origine nucléaire (IEMN)

Dès 1946, le gouvernement des USA a acquis deux certitudes :

• l'URSS allait envahir le morceau de l'Europe non encore sous son contrôle, lors d'une attaque surprise pouvant intervenir d'une heure à l'autre,
• compte tenu du nombre de soldats de part et d'autres, la seule arme permettant de garantir une défaite soviétique était la bombe atomique.

L'armée américaine s'est donc lancée dans un vaste programme d'essais d'armes nucléaires. Le Nouveau Mexique, où ont explosé les premières bombes, comportant une densité d'électeurs trop élevée pour en poursuivre l'irradiation, et le Japon étant devenu un allié, ces essais ont eu lieu sur l'atoll de Bikini. Au ras du sol, sous l'eau, en l'air, bombes d'avion, obus d'artillerie ou mine : à part en suppositoire, ils ont tout essayé… Y compris deux tirs successifs dans la haute atmosphère.

Après chacun d'entre eux, il y a eu une panne électrique à Hawaï (à un bon millier de km de là, à vol de B29). Panne provoquée par une impulsion électromagnétique géante, qui, couplée aux lignes électriques, a déclenché tous les disjoncteurs. Et les responsables militaires américains se sont dit « Alors comme ça, depuis son bureau, le président pourrait éteindre la lumière à Moscou ? Cool… ». La télécommande ultime, en quelque sorte. Mais pas question de continuer les travaux pratiques, il a fallu faire de la théorie.

Et la théorie, la voici. Au fond, après coup, quand on sait ce qu'il faut chercher, c'est tout simple :

• Une bombe atomique émet des rayons ionisants. Et les rayons ionisants, ça ionise ce qu'il y a tout autour, à commencer par l'air. C'est comme ça qu'apparaît une boule de feu, « bouillie » d'électrons et de noyaux d'azote, d'oxygène et autres atomes présents sur place.
• À cause de la température et de la pression de radiation, cette boule subit une expansion rapide : des charges électriques qui se déplacent, voilà une bonne base pour créer une impulsion électromagnétique, non ?

Non. Ça ne marche pas. Les électrons (négatifs) et les noyaux (positifs) font en gros le même trajet, donc leurs effets respectifs se compensent.

• Oui, mais tout ça se passe dans le champ magnétique terrestre. Du coup, en se déplaçant, les électrons vont partir « en biais » dans un sens, et les ions positifs dans l'autre, et là, on l'a notre impulsion, non ?

Non. Ça ne marche toujours pas. Comme la boule s'étend dans tous les sens, le déséquilibre du nord sera compensé par celui du sud, celui du haut par celui du bas, celui de l'est par celui de l'ouest. On se récupère un moment dipolaire. Par de quoi éteindre la télé à 1000 km.

• Alors ? Mais au fait, ça se passait lors de tirs à haute altitude, ce truc… Si la bombe explose assez haut, il n'y aura plus de « boule de feu du haut », vu qu'il n'y a pas assez d'air à ioniser. Et le déséquilibre de la partie basse de la boule, causé par la séparation des charges + et - par le champ terrestre, ne sera plus compensé par rien ?

Ah ? Oui, tiens, là ça marche…

Calcul de l'endroit « idéal » où faire exploser la bombe pour « arroser » tout un continent, calcul de blindage, de filtre, mesure de « tenue » des composants, communications « durcies » : voila un « fond de commerce » qui aura nourri son monde, durant 40 ans… À la « grande époque » de la guerre froide, certains stratèges américains considéraient comme acquis que tous les missiles embarqués sur sous-marin serviraient à « fabriquer » de l'IEMN à jet continu, seuls les missiles au sol étant assez précis pour détruire les « silos de la vengeance » dans les plaines américaines (seulement, voilà : les missiles au sol ont une trentaine de minutes de voyage à faire, alors qu'un sous-marin bien placé peut commencer le feu d'artifice 5 minutes après avoir « déclaré la guerre » ; ils devaient donc servir d'apéritif, pour empêcher la victime de réagir. Il faut dire que, même si on a soigneusement évité de trop en avertir les bailleurs de fond (oui, le contribuable), la vulnérabilité du réseau électrique est devenue de moins en moins évidente : avec des réseaux maillés de plus en plus grands, l'IEMN s'est vue rattrapé, en termes de pire contrainte, par la fermeture de grande boucle (voir plus haut), du moins sur le plan énergétique. Depuis, la tendance est aux vaches maigres : avec la fin de la guerre froide, les nouveaux agresseurs potentiels n'ont pas assez de bombes pour en « gaspiller » une à « faire des parasites ». La menace est donc de moins en moins crédible.

Un dernier mot sur ce genre de « gadget » : il existe un autre moyen de briser la symétrie, c'est de faire exploser la bombe au ras du sol. Ça fonctionne, mais avec un rayon d'action plus limité. On s'est d'ailleurs rendu compte que le côté « atomique » n'était pas indispensable : une bombe FAE (Fuel Air Explosive) est capable de « fabriquer » une impulsion électromagnétique.

Guerre électronique

Armes électromagnétiques

Les victimes

On ne cherche pas à établir une (impossible) liste exhaustive, mais juste à donner quelques exemples

Effets biologiques

Ce cas mérite d'être traité séparément, car personne n'aime voir son sort mélangé avec celui d'une poignée de transistors… Les risques biologiques du champ électromagnétique sont étudiés depuis la fin de la seconde guerre mondiale, au vu de problèmes de santés de certains radaristes qui avaient passé les années de guerre dans l'intimité d'antennes radar à grande puissance.

Effets thermiques

Aujourd'hui encore, ces effets sont les seuls à être correctement compris au plan scientifique. En conséquence, et fort logiquement, ce sont les seuls à être pris en considération dans les normes (normaliser l'inconnu n'est pas très sérieux…). Dans un premier temps :

• on s'est basé sur la sensation de chaud de cobayes soumis à un champ constant, défini par sa densité de puissance (en W/m²), en fonction de la fréquence (avec une part de calcul pour tenir compte de l'effet de peau et des résonances du corps humain)
• on a pris une marge de sécurité (variable selon la population visée)
• et on en a déduit des courbes de champ E et H maximaux, correspondant au cas d'une onde plane (ce sont donc des majorants si l'onde n'est pas plane).

L'avènement de la génération GSM a conduite à une démarche beaucoup plus sophistiquée, prenant de mieux en mieux en compte :

• le fait qu'au voisinage d'un téléphone portable (par exemple, dans le cerveau), le champ n'a rien d'une onde plane (d'autant que le corps de l'utilisateur participe à la structure antennaire…),
• la complexité de la structure corporelle (on est passé du « sac de sérum physiologique » des temps héroïques à une structure multicouche représentative de la peau, des os du crane, des méninges et de la matière cérébrales
• la capacité d'évacuation thermique de la circulation sanguine, etc.

pour aboutir à une évaluation crédible du débit d'absorption spécifique ou SAR (specific absorbtion rate). En dépit de toute cette sophistication, on en reste à un unique phénomène physique : l'élévation de température de tissus biologique soumis à un transfert de puissance électromagnétique.

Effets « athermiques » ou « non-thermiques » ou « spécifiques »

Rien que les dénominations montrent à l'évidence le faible niveau de compréhension scientifique du sujet Il faut dire que la complexité est redoutable :

• en thermique, la puissance moyenne et la fréquence suffisent à caractériser le champ
• ici, il faut tenir compte de tout, à commencer par le procédé de modulation (qui change à chaque nouvelle génération de portables, pour ne citer qu'eux).

Il y a incontestablement des effets, la difficulté étant de dire s'ils sont ou non nocifs. Pour prendre une image : « le soleil et la lune ont, c'est connu, des effets lumineux ; des études très sérieuses incitent à penser qu'ils auraient également des effets sur l'eau de l'océan ; est-ce gênant pour les bateaux ? ». Bien évidemment, nous manquons d'informations (configuration des côtes, profondeur de l'eau, tirant d'eau des bateaux) pour répondre, et même comme cela ce n'est pas gagné. Nous sommes un peu dans le même cas. Avec l'inévitable charlatan vendeur de « poudre de perlimpinpin anti-dessalage ».

Effets électriques

Certaines normes tiennent compte du risque d'électrisation par courant haute fréquence (induit dans une structure conductrice), complétant ainsi utilement les normes sur la sécurité électrique. Là encore, on s'en tient au risque thermique (brulures superficielles)

Effets CEM

La normalisation actuelle suppose l'humain de référence

• en bonne santé
• nu, ou du moins aux vêtements 100% diélectriques.

En pratique,

• nous sommes toujours plus ou moins porteurs de métal (monnaie, clef, lunettes, etc.) pouvant être portés à température élevés dans un champ électromagnétique, et provoquer des brûlures,
• mais, surtout, de plus en plus nombreux sont les gens qui ne restent en vie (ou, du moins, en relativement bonne santé) que grâce au bon fonctionnement d'appareils électroniques externes ou internes, que ce soit en milieu hospitalier ou dans la rue (ou au travail).

Ces matériels sont, certes, couverts par les « exigences essentielles » de la directive CEM, présumée par le respect de normes CEM spécifiques à la profession, mais cette présomption est quelque peu « flottante » : en pratique, un respect crédible des exigences essentielles nécessite d'aller beaucoup plus loin que le simple respect des normes. Un autre problème est le risque d'ostracisation des personnes dotées d'un tel appareil, tant sur le lieu de travail (industrie télécom, plasturgie, cuisson microondes) que dans la vie de tous les jour (Hot spots WiFI/AirPort, portiques d'aéroport), pour cause de niveau de susceptibilité garanti insuffisant.

Redressement parasite

Un signal HF (du point due vue du circuit qui le reçoit) peut-être démodulé.

• S'il est modulé en amplitude (ou en fréquence, et que le gain de démodulation varie suffisamment vite autour de la fréquence porteuse), le signal de modulation sera injecté dans le circuit : c'est de là que viennent toutes les histoires de sonorisations d'églises recevant la CB des camionneurs de passage.

Il aura démodulation d'amplitude si le circuit est "non linéaire". Tout circuit électronique contenant des semiconducteurs est non linéaire si on atteint un certain niveau de signal. Les amplificateurs bas niveau, qui se saturent plus vite, seront plus sensibles à ces phénomènes de démodulation d'amplitude. Les entrées audio bas niveau des amplificateurs doivent donc faire l'objet d'une attention particulière.

• Si le signal HF n'est pas modulé, on n'est pas tiré d'affaire pour autant, car la composante continue démodulée peut modifier le point de polarisation des composants, entrainant blocages ou saturations.

« Plantages »

Tout signal à fort facteur de forme (par exemple un signaux impulsionnel), modulant ou non une porteuse, peut provoquer un changement d'état d'un circuit « logique ». Si ce circuit participe à un automate séquentiel (tel qu'un ordinateur), l'état interne risque d'en être modifié, et le fonctionnement ultérieur devient aberrant.

Métastabilité

C'est une variante extrêmement insidieuse du cas précédent. Il faut se souvenir que le concept de « circuit logique » est purement artificiel. Il s'agit en fait de circuits analogique à la transmittance non-linéaire. Du coup, suite à une perturbation, il arrive qu'une sortie se retrouve à l'état « ½ » (« quelque part entre 0 et 1 ») durant un temps pouvant se chiffrer en millisecondes.

Verrouillage (alias Latch Up)

« Loi de Moore » aidant, ce phénomène, mis en évidence avec les premiers circuits logiques CMOS, présente maintenant un risque potentiel pour toutes les technologies de circuit intégrés faisant appel à l'isolation par jonction en inverse. Lors de la fabrication d'un circuit intégré, on crée, au passage, de multiples structures PNPN ayant un gain suffisant pour constituer un thyristor. Il suffit qu'un phénomène impulsionnel (signal électrique ou photon ou particule ionisante) amorce un de ces thyristors pour que ce dernier court-circuite l'alimentation. À partir de là, plusieurs choses peuvent se produire :

• soit le gain est un peu « juste » (compte tenu du courant de court-circuit) et le thyristor s'auto-désamorce : cela ressemble à la métastabilité,
• soit on reste dans cet état jusqu'à coupure du courant,
• soit on « grille un fusible », quelque part dans la métallisation, et le circuit est détruit.

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

On divise l'espace en domaines électromagnétiques séparés, certains « propres » et d'autres « sales » (l'enfer, c'est les autres), sans aucune communication entre eux. En pratique, une carte électronique sera placée dans un boitier métallique qui la protègera des rayonnements extérieurs . Pour plus de précision, Voir Blindage électromagnétique.

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 boitier, 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 boitier 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 boitier 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 fréquentiel

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 micro-processeurs), 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

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. On admet en général que la fonctionnalité de l'appareil est interrompue au moment de la perturbation, 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...

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.

Vérification de la CEM

Alors, compatibilité ou pas ? Respect des exigences essentielles des directives ou pas ? Respect des normes ou pas ?

Il y a en gros deux approches :

• la simulation numérique : on crée un modèle du système à valider, ainsi qu'un modèle de l'environnement électromagnétique, et on applique un algorithme définissant les couplages,
• la simulation analogique, encore appelée essais CEM : on place un exemplaire du système à valider dans un environnement électromagnétique de référence, et on réalise des mesures, l'ensemble étant habituellement défini dans une norme.

Quelle que soit l'approche, il faut trouver un optimum entre des exigences contradictoires :

1. la représentativité :
   • l'environnement choisi (ou son modèle) sont ils représentatifs de la réalité ? Par exemple, tester jusqu'à 1 GHz un matériel destiné à « vivre » dans un monde plein de GSM, de bornes WiFi/Airport, voire de radars d'aide à la conduite de voiture (vers 70 GHz). Ou croire qu'une onde est obligatoirement plane .
   • le matériel testé est-il représentatif de la série ? L'instrumentation permet-elle de mesurer les grandeurs qui importent réellement ?
   • pire encore, le modèle ne « pinaille »-t-il pas sur des détails du 36ème ordre en laissant de côté les grandeurs réellement fondamentales ? Par exemple, dans le cas d'une enveloppe mécanique :
     • prise en compte de l'épaisseur du métal, mais pas du tolérancement des fentes entre constituants (état de surface, conduction superficielle…)
     • capots modélisés « à la masse » alors qu'ils ne le sont que par une liaison filaire inductive, « parce que le code ne sait pas traiter les éléments flottants » (alors, pourquoi s'en servir ?)
     • « oubli » des câbles de liaison (traduire par « antennes »)
2. la reproductibilité (surtout un problème pour les essais, car la simulation numérique l'ignore purement et simplement) :
   • deux essais successifs d'un même exemplaire donneront-ils le même résultat ?
   • deux exemplaires successifs donneront-ils le même résultat ?
   • deux essais dans des laboratoires différents donneront-ils le même résultat ?
3. sans oublier le politiquement correct, notamment en présence de décisionnaires sans compétence technique :
   • même la plus plus rationnelle des manipulations ou des simulations risque de ne pas peser lourd face à une norme officielle, aussi défectueuse soit-elle,
   • la bonne validation, c'est celle qui dit que le matériel est « bon » (malgré le risque judiciaire, le message des directives européennes sur les exigences essentielles a du mal à passer ; la légende de l'irresponsabilité par le respect des normes a la vie dure…)

Techniques de mesure

On distingue deux familles de techniques :

1. les techniques dites d'émission ;
2. les techniques dites de susceptibilité ou d'immunité

Techniques traitant des émissions

Tout équipement électrique ou électronique, en dehors de son fonctionnement de base, fabrique à notre insu des courants alternatifs ou impulsionnels dont le spectre en fréquence peut être très étendu (de quelques Hz à plusieurs GHz). Ces courants circulent dans les différents câbles ou circuits imprimés de l'appareil et donc quand ces conducteurs sont, de par leur longueur, de plus ou moins bonnes antennes, il y a émission de champ électromagnétique.

On peut mesurer le rayonnement émis par l'équipement dans un large spectre de fréquences.
Pour ce faire, l'appareil est en fonctionnement dans une chambre anéchoïque et une chaîne de mesure constituée d'antennes calibrées en gain et d'un récepteur, permet de quantifier le rayonnement de l'appareil.

En modifiant la conception de l'appareil, on peut réduire le niveau émis. Les niveaux acceptables sont en général normalisés. Ainsi, les équipements électriques d'avions civils sont traités par la norme RTCA/DO160E (dernière version), les équipements grand public sont traités par les normes CEI européennes et font l'objet du marquage « CE ».

Techniques traitant des susceptibilités

Terminologie: On appelle niveau de susceptibilité d'un appareil le niveau de perturbation auquel l'appareil présente un dysfonctionnement. On appelle niveau d'immunité le niveau auquel l'appareil a été soumis lors des essais et pour lequel il doit fonctionner normalement.

essais d'immunité aux champs électromagnétiques rayonnés:

Comme on ne peut pas « réduire au silence radio » les appareils électriques, les autres équipements installés dans leur voisinage ne doivent pas être sensibles aux perturbations émises. Toujours dans une cage anéchoide, l'appareil en test est soumis à des champs électromagnétiques générés à partir de générateurs, amplificateurs et antennes. L'ensemble du spectre électromagnétique est balayé en général jusqu'à 2,5GHz avec un niveau de champ requis par la norme correspondante.

Lorsqu'on observe un dysfonctionnement de l'appareil en test, on dit alors qu'il est susceptible. Il existe des techniques pour modifier la conception de l'appareil afin qu'il soit conforme à la norme.

Comme vous pouvez l'imaginer, la cohabitation de nombreux appareils dans un avion ou dans une automobile, implique que tous ces équipements ne soient pas intégrés au véhicule sans que des tests sévères soient réalisés.

La CEM va déterminer : les écarts entre câbles, les composition des câbles, les filtres à installer sur les équipements, la structure mécanique entourant l'équipement...

Les essais prévus par le normes permettent de vérifier que le niveau d'immunité est respecté mais si le test est OK (pas de dysfonctionnement) ils ne permettent pas de connaitre le niveau de susceptibilité de l'appareil.

L'écrasante majorité des appareils électroniques a un niveau d'immunité aux champs électromagnétiques rayonnés de 3V/m pour les fréquences de 80Mhz à 2.5GHz.

Sont concernés les appareil utilisés a domicile ou au bureau (environnement résidentiel), ainsi que 95% des appareils a usage médical utilisés pour le diagnostic ou le contrôle des traitements (thermomètres électroniques, lecteurs de glycémie etc..)

Le niveau d'immunité est de 10 V/m pour les appareils destinés à être utilisés en environnement industriels ou certains appareils électroniques médicaux "critiques" dont un dysfonctionnement peut tuer immédiatement.

Certains appareils utilisés en environnement très pollué ont un niveau d'immunité beaucoup plus élevé par exemple ceux utilisés sous le capot des automobiles.

Réglementation

matériels industriel ou grand public

Tous les produits comportant de l'électronique sont concernés par les obligations des directives en matière de CEM, les matériels mis sur le marché (peu importe qu'ils soient vendus, donnés, prêtés…) doivent recevoir un marquage CE, attestant la conformité aux exigences découlant de toutes les directives européennes applicables. Les installations fixes, non soumises au marquage CE, doivent néanmoins apporter les mêmes garanties que celle qui y sont soumises.

Donc, dans le cas des appareils électroniques, de la directive CEM. Les seules exceptions sont :

• les réalisations des radio-amateurs, pour leur propre usage,

En outre, il existe d'autres marquages :

• le sigle VDE allemand, bien qu'officiellement obsolète (remplacé par le marquage CE), conserve un certain prestige sur son marché,
• l'industrie automobile a développé son propre marquage
• le marquage américain FCC fait l'objet d'une reconnaissance réciproque (il est équivalent du CE, pour la CEM du moins).

matériels aérospatial ou militaire

Les matériels montés sur avions font l'objet de certifications reconnues au niveau mondial (FAR/JAR), ainsi que d'exigences particulières des avionneurs, vérifiées sous le contrôle de ces derniers (après tout, ce sont eux qui auront leur nom dans les journaux en cas d'ennuis). La certification se substitue au marquage CE. Par contre, le matériel aéronautique restant au sol est marqué CE comme le matériel industriel « ordinaire » qu'il est.

Exigences particulières aussi pour les engins spatiaux et le matériel militaire. Si le statut des premiers est clair (le pouvoir de la commission de Bruxelles est soumis à la pesanteur…), l'exemption des seconds (dans la plupart des pays d'Europe) vient d'une des clauses du traité de Rome, autorisant un gouvernement à ne pas appliquer une décision communautaire au matériel militaire. En France, cette décision, portant sur la seule directive CEM « ancien modèle » (obsolète en 2007) est matérialisée par une circulaire interministérielle, qui n'a, semble-t-il, jamais été notifiée à la commission de Bruxelles.

Notes

Bibliographie

• Alain Charoy, Compatibilité électro-magnétique, Dunod, 2005, 701 p. (ISBN 2100495208) 

Voir aussi

• CEI 61000

Liens externes

• Directive européenne 2004/108/CE (nouvelle directive CEM)
• Directive européenne 2004/104/CE (nouvelle directive CEM des véhicules)
• Cours de CEM de l'IUT de Nantes
• La compatibilité électromagnétique
• Cours de CEM Académie de Paris, Créteil, Versailles
• Principes fondamentaux de conception pour compatibilité électromagnétique (anglaise)
• Alain Borie - La Compatibilité Electromagnétique
• P. Nayman Compatibilité électromagnétique de tous les jours

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