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, 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 » :

• limiter le niveau des émissions non désirées provenant de l'appareil, afin de ne pas perturber la réception radio ou les autres équipements ;
• être suffisamment immunisé envers les perturbations provenant des autres équipements, 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.

Les diverses réglementations requièrent un niveau de compatibilité électromagnétique à respecter (directives européennes, FCC pour les USA...). Elles ont donc établi des méthodes d'évaluation des perturbations, ainsi que des limites de niveau de perturbation à ne pas dépasser ou à supporter dans un environnement donné.

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) 3.10.1.1 Théorie 3.10.2 Guerre électronique 3.10.3 Armes électromagnétiques 4 Les victimes : raisons de la susceptibilité 4.1 Redressement parasite 4.2 « Plantages » 4.3 Métastabilité 4.4 Verrouillage (alias Latch Up) 4.5 Effets biologiques 5 Obtention de la CEM 5.1 Le blindage 5.2 La suppression des signaux en mode commun 5.3 Le filtrage des fréquences 5.4 Le filtrage temporel 5.5 L'écrêtage 5.6 La porte de bruit 6 Vérification de la CEM 6.1 Application de la réglementation 6.2 Approches de vérification de la CEM 6.3 Techniques des essais 6.3.1 Techniques traitant des émissions 6.3.2 Techniques traitant des susceptibilités 6.3.2.1 Terminologie 6.3.2.2 Généralités 6.3.2.3 Critères d'aptitudes 6.3.2.4 Essais types 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 auxquel 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. La susceptibilité est aussi appelé 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 microprocesseur 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 réémission 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 radiotélescope 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 crée 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 = 120 π (≈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

• f<~9kHz :

• il s'agit principalement de perturbations de mode différentiel (Harmoniques de courant des alimentations, fluctuations de tension dues à des variations de charge...)
• Les champs magnétiques et électriques des équipements de puissance sont aussi à considérer dans certains cas (sources : transformateur, ligne haute tension, moteur... ; victimes : capteurs à effet hall, tubes cathodiques...).

• ~9kHz<f<~300MHz :

• perturbations véhiculées essentiellement en mode commun, mais peut avoir une source de mode différentiel.
• Le rayonnement dans cette bande de fréquence est bien souvent véhiculé par les câbles qui font antenne (plus ou moins efficace selon la longueur et la disposition).
• On retrouve en général des bruits larges bandes provenant des commutations rapides des convertisseurs d'énergie.

• f>~300MHz :

• perturbations de mode commun.
• Plus on monte en fréquence, plus la perturbation sera visible uniquement selon un angle précis.
• Ces perturbations sont essentiellement dues aux horloges internes des équipements, aux harmoniques de ces horloges ou de l'émetteur radio.

Classification par durée

Perturbations permanentes

Ce sont les perturbations provenant essentiellement :

• d'émetteur radio (par rayonnement direct, ou par induction sur les câbles)
• du champ magnétique généré par les lignes d'alimentation
• de la déformation de la tension de l'alimentation (harmoniques, ondulation DC...)

En général, dans la réglementation, l'immunité de l'appareil doit être suffisante pour éviter une dégradation de fonction au-delà de la spécification pendant l'exposition à ce type de perturbations.

Perturbations transitoires

Ce sont des perturbations provenant essentiellement :

• de décharges électrostatiques
• d'ondes de foudre
• de commutations électriques dans le réseau d'énergie
• de creux de tension

Dans la réglementation, il est globalement admis que la susceptibilité de l'appareil permette une dégradation temporaire de fonction, mais avec auto-récupération de cette fonction une fois la perturbation terminée (sans intervention de l'utilisateur).

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 230 V : 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 d’impulsion issu d'une bougie d'allumage de moteur atteint l'antenne d'un récepteur autoradio.

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.

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 kilomètres cubes 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 sont régis par la directive européenne1999/5/CE dite RTTE

S'ils font l'objet de dérogation par rapport à la directive 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 (art.3, exigence essentielle 1b de la directive RTTE).

La norme fondamentale d'immunité aux champs électromagnétiques (CEI/EN 61000-4-3) prévoit dors et déjà la possibilité d'essai jusqu'à 6 GHz, afin de prendre en compte les fréquences plus élevées des émetteurs (Wifi en 802.11a, WIMAX...). Mais, les normes produits (s'appliquant à un type de produits) limitent l'utilisation de la norme fondamentale en général jusqu'à 1 GHz ou 2,7 GHz. Une évolution à long terme est prévue pour faire évoluer la norme fondamentale jusqu'à 18 GHz. Mais, la modulation utilisée habituellement par cette norme (AM 80% 1 kHz) n'est pas représentative des équipements à large bande, même si la simple modulation AM est reconnue comme la plus perturbante envers les équipements.

Les limites d'immunité du domaine civil (et médical) sont déterminées en fonction des cas courants dans un environnement "type". Les niveaux d'immunité requis varient entre 1 V/m (en environnement protégé), 3 V/m (résidentiel), 10 V/m (industriel) et 30 V/m (exceptionnel).

Dans les domaines automobiles, aéronautiques, ou militaires, certaines spécifications exigent des niveaux d'immunité exprimés en kV/m.

Ces niveaux d'immunité des équipements permettent de fonctionner comme prévu en présence d'émetteur à proximité. La réglementation prévoit, au travers des normes produits, l'utilisation d'une catégorie d'appareil (électrodomestique, TV, industriel, téléphone...) dans un environnement "type" (résidentiel, industriel...). Toutefois, les niveaux d'immunité "type" ne permettent pas de s'assurer de l'immunité d'un appareil dans toutes les conditions dans lesquelles il pourrait être exceptionnellement placé.

Aussi, les niveaux limites d'immunité des équipements préconisés dans les normes civiles sont plus faibles que les limites d'exposition humaine. Ainsi, il est possible, qu'à proximité immédiate d'un émetteur (alors que celui-ci respecte la réglementation par tous ses aspects), un équipement (qui respecte lui aussi la réglementation) puisse être perturbé. Cela peut poser des problèmes pour les équipements électronique de sécurité ou support de vie.

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

Dans cette catégorie, la perturbation est d'origine humaine, et est liée à la fermeture d'une grande boucle.

À titre d'exemple, il faut imaginer :

• une centrale électrique de base (par exemple, 4 tranches nucléaires, fournissant 5 GW)
• 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 1 500 km.

Hors, 1 500 km correspondent à un quart de longueur d'onde (λ/4) d'un signal à 50 Hz. Pour des raisons de maintenance, une seule des deux lignes est ouverte au raz de la centrale. Au final, une ligne aller et une ligne retour se forment et sont similaires à un circuit accordé à λ/2 : la tension fabriquée par la centrale est en opposition de phase au bout des 3 000 km de ligne par rapport à la tension provenant directement de la centrale. On peut obtenir aisément 800 000 volts efficaces, juste séparés par un interrupteur ouvert.

À la fermeture de l'interrupteur, les tensions en opposition de phase sont assimilable par la centrale comme un court circuit.

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

Dans le réseau électrique européen maillé et entièrement interconnecté, ce genre de manœuvre est réalisé plusieurs fois par jour. Toutefois, la résonance n'étant jamais exacte, et la nature répartie des charges et des autres sources fournissent un amortissement. Malgré tout, à chacune de ces fermetures de grande boucle, l'ensemble du réseau européen est fortement déséquilibré durant plusieurs secondes. Les pays « en bout de ligne », jouent particulièrement le rôle de réflecteur (donc, de ventre de tension, même si aucune onde stationnaire n'a vraiment le temps de s'établir).

Ce genre de phénomène, bien qu'atténué dans la mesure du possible, laisse des traces jusqu'à l'utilisateur final. 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 jusqu'à l'utilisateur.

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 d’impulsion, 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'habitants 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, y compris deux tirs successifs dans la haute atmosphère.

Après chacun d'entre eux, il y a eu une panne électrique à Hawaï (situé à plus de 2 000 km de là). Panne provoquée par une impulsion électromagnétique géante, qui, couplée aux lignes électriques, a déclenché tous les disjoncteurs. Et les responsables militaires américains ont saisi le potentiel d'une impulsion électromagnétique géante en tant qu'arme.

Théorie

• 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 1 000 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 : raisons de la susceptibilité

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

Redressement parasite

• Un signal HF (du point de vue du circuit qui le reçoit) modulé peut-être démodulé par un circuit victime. S'il est modulé en amplitude (ou dans certains cas en fréquence, lors de bande de fréquence de résonance de la victime plus étroite que la largeur de modulation du signal source), le signal démodulé sera injecté dans le circuit (Par exemple, les problèmes de sonorisations perturbés par les GSM, CB...). Il y aura démodulation d'amplitude si le circuit est « non linéaire ». Tout circuit électronique contenant des semi-conducteurs est non linéaire dès que l'on atteint un certain niveau de signal. Les amplificateurs bas niveau, qui 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, le niveau même de signal HF redressé par un circuit victime peut engendrer une tension continue dans le circuit. Ce qui modifie le point de polarisation des composants, entraînant blocages ou saturations.

« Plantages »

Tout signal à fort facteur de forme (par exemple un signal d’impulsion), 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. 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. 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 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 d’impulsion (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.

Effets biologiques

La compatibilité électromagnétique ne concerne, par définition, que les effets envers les équipements, et non envers les personnes ou autres entités biologiques.

Toutefois, plusieurs phénomènes électromagnétiques sont à considérer :

• Les effets thermiques : Une électrisation par contact ou un champs électromagnétique suffisamment puissants peuvent chauffer les substances qui y sont exposées (C'est le principe du four à micro-onde, des plaques à induction, de la soudure à l'arc...). Pour les effets thermiques des champs électromagnétiques, dans la réglementation de sécurité électrique, ce sujet est traité dans le cadre de la limitation de l'exposition humaine aux champs électromagnétiques. Cette réglementation permet de limiter la chauffe excessive des tissus biologiques, sans toutefois de preuve incontestable que celle-ci suffit pour éviter tout effet biologique sur le long terme.
• Les effets non thermiques : L'existence même de ces effets est sujet à polémique. Ces effets sont difficiles à prouver car, d'une part, elle concernerait une catégorie minoritaire de population possédant un potentiel d'hypersensibilité électromagnétique, et d'autre part totalement inquantifiable car le phénomène source de ces effets n'est pas identifié.

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 » :

• 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 cause dépassent le mégahertz. 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 minimiser 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 :

• 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),
• Dans un automate séquentiel synchrone (par exemple, un microprocesseur), 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 générale, 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.

Vérification de la CEM

Application de la réglementation

Lors de l'étude de la CEM d'un nouveau produit, il est essentiel de commencer par connaitre l'environnement dans lequel ce produit sera placé. La directive CEM est claire dans ces exigences. Le produit devra ni perturber, ni être perturbé par l'environnement dans lequel il est sensé être situé.

D'après la directive le respect des normes harmonisées démontre le respect des exigences essentielles. Mais à contrario :

• Beaucoup de normes produits, pourtant figurant toujours comme norme harmonisée, n'ont pas évoluées depuis plus de dix ans :
  • L'environnement électromagnétique a par contre vu apparaitre de nouveaux perturbateurs radio utilisant des fréquences plus élevées qu'auparavant (3G, Wifi...).
  • Les technologies mêmes de certaines gammes de produits ont subi une telle évolution, que l'application de sa norme dédiée n'est plus adéquat (les récepteurs TV, les ordinateurs multimédia par exemple).
• L'environnement dans lequel sera placé le produit n'est peut-être pas celui qui a été pris en compte lors de l'écriture de la norme.

Dans ces cas, l'application de la norme harmonisée n'est pas satisfaisante pour le respect des exigences essentielles de la directive. D'après l'article 6 de la directive, il est normalement prévu que l'information soit remonté et traité au niveau européen. Dans les faits, cette procédure est peu appliquée.

Deux possibilités sont donc offertes :

• Appliquer la norme harmonisée en l'état. Cette possibilité apporte :
  • un risque que le produit perturbe ou soit perturbé chez l'utilisateur
  • un risque que lors d'un contrôle de marché, celui-ci soit interdit à la vente par non-respect des exigences essentielles de la directive.
• Appliquer un programme d'essai dédié. En ce cas, la validation de ce programme par un organisme notifié est recommandée, mais pas obligatoire. Celui-ci est en général au courant des projets de norme en cours. Cette possibilité apporte :
  • une assurance que le produit ne perturbera et ne sera pas perturbé chez l'utilisateur
  • que la future évolution de la norme produit pourra déjà probablement être prise en compte. Cela évite pour les produits à longue durée de vie l'obligation de repasser des essais lors du changement de version de norme.

Approches de vérification de la CEM

Il existe deux principales 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 la réglementation.

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 être placé dans un environnement plein de GSM, de bornes WiFi/Airport, voire de radars d'aide à la conduite de voiture (vers 70 GHz), est-ce représentatif de la réalité ? Modéliser systématiquement une onde plane, est-ce réaliste ?)
   • le matériel testé est-il représentatif de la série ? L'instrumentation permet-elle de mesurer les grandeurs qui importent réellement ?
   • Le modèle ne chipote-t-il pas sur des détails futiles 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 de la tolérance des fentes entre constituants au risque de reproduire une antenne patch (état de surface, conduction superficielle…)
     • capots modélisés « à la masse » alors qu'ils ne le sont que par une liaison filaire, et donc inductive.
     • Omission 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. l'éthique
   • En cas de doute, prend-on la décision du plus simple chemin vers la conformité de façade pour réduire les coûts, où par assurance technique ?
   • L'utilisateur, sera-t-il satisfait de mon produit si dès que son téléphone sonne mon produit s'éteint ?

Techniques des essais

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 d’impulsion dont le spectre en fréquence peut être très étendu (de quelques hertz à plusieurs gigahertz). 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.

Les émissions sont mesurées soit de manière conduite (phénomènes plutôt basse fréquence), soit de manière rayonnée (phénomènes plutôt haute fréquence) avec l'appareil sous test en mode de fonctionnement le plus perturbateur.

• Dans le cadre des émissions conduites, l'appareil sous test est en général placé dans une cage de Faraday pour s'isoler de l'environnement extérieur. L'appareil sous test est alors connecté à un réseau de stabilisation d'impédance. Celui-ci a plusieurs fonctions : supprimer la composante d'énergie, standardiser l'impédance d'une ligne pour améliorer la reproductibilité de l'essai, et relier le récepteur de mesure ou l'analyseur de spectre pour permettre la mesure.

• Dans le cadre des émissions rayonnées, l'appareil sous test est communément placé sur le plateau tournant de soit sur un site de mesure en espace libre, soit dans une cage de Faraday semi anéchoïque (d'autres systèmes existent comme la cage anechoïque ou la chambre réverbérante à brassage de modes (CRBM), mais leur utilisation dans le cadre des émissions est encore soumis à discussion). La mesure est réalisée avec l'aide d'antennes relié à un récepteur à l'aide de cordons. Il est d'usage que l'ensemble de cette chaîne de mesure soit étalonné. Le protocole de test pour le marquage CE ou FCC prévoit une recherche de la position la plus défavorable de l'appareil sous test.

En modifiant la conception de l'appareil, on peut réduire considérablement le niveau émis. Toutefois, une mauvaise conception d'un point de vue CEM peut nécessiter des modifications profondes, y compris en termes de routage. Il est essentiel que la problématique CEM soit pris en compte dès le début du projet de conception.

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 européens sont traités par les normes européennes (copies quasi-conformes des publications CISPR et CEI) 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.

On appelle niveau d'aptitude (ou critère de bon fonctionnement) le niveau des paramètres observés sur le produit considéré comme normal pour un bon fonctionnement du produit. (Exemples : la variation de vitesse du moteur ne doit être modifié de plus de 5% par rapport à la valeur de consigne, le rapport signal à bruit du système doit rester meilleur que 50dB...)

Généralités

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

Il existe des techniques pour modifier la conception de l'appareil afin qu'il soit conforme à la norme.

Comme on peut 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 les normes permettent de vérifier que le niveau d'immunité est respecté mais si le test est conforme (pas de dysfonctionnement), ils ne permettent pas de connaître le niveau de susceptibilité de l'appareil.

Critères d'aptitudes

Pour chaque type d'essai, il est défini si l'équipement :

• ne doit pas avoir de perte de fonction au delà de son niveau d'aptitude pendant l'essai
• peut avoir une dégradation ou perte de fonction pendant l'essai, mais doit retrouver son niveau d'aptitude sans intervention de l'utilisateur.
• peut avoir une dégradation ou perte de fonction pendant l'essai, mais doit retrouver son niveau d'aptitude avec intervention de l'utilisateur.
• peut avoir une perte totale de fonction, sans mettre en danger l'utilisateur.

Essais types

• essais d'immunité aux champs électromagnétiques rayonnés :

Les autres équipements électroniques et les émetteurs intentionnels produisent des champs électromagnétiques. L'équipement sous test doit fonctionner normalement lorsqu'il est soumis à ces champs électromagnétiques.

L'appareil sous test configuré dans son mode de fonctionnement le plus susceptible est placé dans une chambre anéchoïque (ou dans une chambre réverbérante à brassage de modes (CRBM)). Dans cette cage est placée une antenne émettrice, relié à un amplificateur de puissance, lui-même alimenté par un générateur de signal radiofréquence. L'ensemble du spectre requis est alors balayé en fréquence avec le niveau de champs et la modulation requis.

L'écrasante majorité des appareils électroniques mis actuellement sur le marché grand public européen a un niveau d'immunité aux champs électromagnétiques rayonnés de 3 V/m pour les fréquences de 80 MHz à 2,7 GHz.

Le niveau d'immunité de 10 V/m est requis pour les appareils destinés à être utilisés en environnement industriel, et les appareils électro-médicaux de maintien de la vie (dont un dysfonctionnement peut tuer immédiatement).

• essais d'immunité aux perturbations conduites :

Plusieurs phénomènes sont testés :

• • immunité aux perturbations fréquences radioélectrique induite : complément de l'essai d'immunité aux champ électromagnétique, mais dans une bande de fréquence plus basse (en général de 150 kHz à 80 MHz)
  • immunité aux transitoires électriques rapides en salves : immunité aux perturbations rapides provoqués par la commutation de petit relais, thermostats...
  • immunité aux ondes de foudre : immunité aux impacts indirects de la foudre, ou aux perturbations dues commutations électriques de forte puissance
  • immunité aux creux de tension : immunité aux perturbations provoqués par les coupures de tension, ou les baisses de tension sures à des appels de charges sur le réseau.
  • immunité aux transitoires véhicules : immunité aux variations de tension provoquées par les appels de courant des systèmes du véhicule.

En général, le protocole de test consiste à connecter à un générateur de perturbation dédié, via un réseau de couplage/découplage, à l'équipement sous test.

• essais d'immunité aux décharges électrostatiques

• essais d'immunité aux champs magnétiques : ceux-ci peuvent être soient impulsionnels (du à la foudre par exemple) ou à la fréquence du réseau d'alimentation.

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 européen (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, dont la directive CEM.

Du point de vue de la directive CEM, les installations fixes, non soumises au marquage CE, doivent néanmoins apporter les mêmes garanties que celle qui y sont soumises.

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 les questions d'émissions CEM, mais pas pour les questions d'immunité CEM).

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
• Directive CEM

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 Électromagnétique
• P. Nayman Compatibilité électromagnétique de tous les jours
• Accès à divers articles avancés sur la CEM (sections 2, 4 et 6)
• Norme militaire Européenne AECTP500
• Norme militaire américaine MIL-STD-461

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