Compatibilité ÉlectroMagnétique
De la conception à l'homologation
Normes et méthodes à l'usage du concepteur en électronique
Tim Williams
Publitronic / Elektor
Préface
I La Directive, les normes et les tests
1. Introduction
1.1 Qu'est-ce que la CEM?7
1.1.1 Compatibilité entre les systèmes10
Sous-systèmes dans une même installation10
Matériel isolé11
1.1.2 Champ d'application de la CEM11
Dysfonctionnement de systèmes11
Phénomènes - Logiciel12
Interférence avec la réception de la radio12
Niveau de force du champ13
Dysfonctionnements et protection du spectre13
Fréquences à émission libre14
Interférence dans le même canal14
Perturbations par le secteur15
Courants porteurs16
Autres problèmes de CEM16
Appareils électro-explosifs et atmosphères inflammables16
Sécurité des données17
1.1.3 Fossé de compatibilité17
1.2 La Directive CEM18
1.2.1 Directives de la nouvelle approche18
Contenu18
Autres Directives19
1.2.2 Arrière-plan législatif20
1.2.3 Champ d'application, prescriptions et exceptions20
Prescriptions essentielles21
Vente et utilisation de produits21
Mise sur le marché21
Mise en service22
Exceptions22
Composants23
1.2.4 Logo CE et déclaration de conformité24
Description25
Signataire25
Spécifications25
1.2.5 Déclaration de qualité de la fabrication26
Contrôle de fabrication26
Méthodes d'échantillonnage du CISPR26
1.2.6 Systèmes et installations27
Grands systèmes27
1.2.7 Exécution, mise en application et sanctions29
Délits29
Pratique29
Interprétation30
Prescriptions nationales31
1.3 Conformité à la Directive32
1.3.1 Auto-certification32
1.3.2 Dossier technique de construction33
Contenu33
Dossier technique par rapport aux normes34
1.3.3 Période de transition34
La Directive d'Amendement34
1.3.4 Terminaux de télécommunication et matériel de stations terrestres de satellites35
1.3.5 Émetteurs radio35
1.3.6 Test et organisme compétent35
Options de test - Test intra muros36
Organismes compétents37
Accréditation37
1.3.7 Normes38
Normes génériques39
Classes d'environnement39
Normes de référence39
Critères de fonctionnement40
Normes de base40
1.4 Mise en conformité41
2. Normes
2.1 Organismes de définition des normes43
2.1.1 Commission Électrotechnique Internationale43
2.1.2 CENELEC45
Normes de produit46
2.2 Normes fondamentales et normes génériques - émissions47
EN 50 08147
EN 55 01149
EN 55 01449
EN 55 02250
2.3 Normes génériques - immunité51
EN 50 08251
2.4 Normes fondamentales - CEI 1 00053
CEI 1 000-353
CEI 1 000-454
2.5 Normes de produit58
EN 55 01358
EN 55 01559
EN 55 02060
EN 55 10461
EN 50 065-161
EN 60 601-1-261
EN 60 94562
ENS 300 12763
EN 300 33963
Normes de l'automobile64
Autres normes de produit65
2.6 Autres normes non liées à la Directive CEM66
2.6.1 Règles FCC66
Circuits numériques66
2.6.2 Normes allemandes67
2.6.3 Autres normes non harmonisées68
2.7 Limites d'émissions aux fréquences radioélectriques68
3. Mesures de compatibilité électromagnétique
3.1 Émissions en radio-fréquence71
3.1.1 Matériel de mesure72
Récepteur de mesure72
Analyseur de spectre72
Présélecteur - Générateur asservi (suiveur)74
Bande passante75
Niveau de bruit en fonction de la largeur de bande75
Fonction de détection76
Crête - Moyenne - Quasi-crête77
Facteur de surcharge77
Temps de mesure78
Autres instruments de mesure79
3.1.2 Transducteurs79
Antennes79
Facteur d'antenne80
Sensibilité du système80
Polarisation81
Antenne cadre82
Cadre de Van Veen83
Réseau artificiel83
Courant de terre84
Diagnostics avec le RSIL84
Pince absorbante et sonde de courant85
Sonde de courant86
Sonde de champ proche86
EMSCAN87
GTEM pour les tests d'émission88
3.1.3 Installations88
Émissions rayonnées88
Plan de sol - Distance de mesure89
Mesures de rayonnement dans une pièce blindée90
Émissions conduites90
Tests de pré-conformité et de diagnostic91
Diagnostics91
3.1.4 Méthodes de test92
Agencement92
Configuration93
ANSI C63.4: matériel informatique94
Procédure de test94
Obtenir les émissions maximales95
Pré-balayage rapide95
3.1.5 Sources d'incertitude96
Erreurs dues aux appareils et aux câbles97
Défaut d'adaptation98
Calibrage d'antenne98
Réflexions99
Câble d'antenne99
Facteurs humains et d'environnement99
Ingénieur de test99
Facteurs ambiants100
Météorologie101
3.2 Immunité aux fréquences radio102
3.2.1 Matériel102
Source de signal102
Amplificateur de puissance103
Mesureur de champ et mise au niveau105
Transducteurs106
Ligne triplaque107
Cellule TEM - Cellule GTEM109
3.2.2 Installations110
Enceinte blindée110
Résonnances de l'enceinte et uniformité du champ111
Uniformité du champ112
Matériel auxiliaire112
3.2.3 Méthodes de test112
Vérification préliminaire114
Test de conformité114
Vitesse de balayage115
Mesures de sécurité115
Raccourcis dans les tests d'immunité116
Test des transitoires117
3.2.4 Immunité aux fréquences radio conduites117
Méthodes de couplage117
Inconvénients et restrictions118
Plage de fréquences119
3.3 Immunité aux transitoires et aux décharges électrostatiques119
3.3.1 Décharges électrostatiques120
Appareillage - Méthodes de test120
Application de la décharge121
3.3.2 Transitoires122
Appareillage122
Méthodes de test123
3.3.3 Sources d'incertitude124
Dispositif124
Synchronisation des transitoires124
Environnement125
3.4 Évaluation des résultats125
3.4.1 Critères de fonctionnement125
Critères spécifiques du produit126
3.5 Émission d'harmoniques sur le secteur127
3.5.1 Appareillage127
Source d'alimentation alternative127
Transducteur de courant128
Analyseur d'onde128
3.5.2 Conditions de test128
II Principes de conception
4. Mécanismes de couplage des perturbations
4.1 Source et victime131
CEM des systèmes131
4.1.1 Couplage par une impédance commune132
Connexion conductrice132
Induction magnétique133
Induction électrique134
Circuits flottants135
Effets de l'impédance d'entrée135
Distance135
4.1.2 Couplage par le réseau136
4.1.3 Couplage par rayonnement136
Élaboration d'un champ136
Impédance d'onde137
Critère de Rayleigh139
4.1.4 Modes de couplage139
Mode différentiel139
Mode commun140
Mode antenne141
Conversion entre modes différentiel et commun141
Généralisation142
4.2 Émissions142
4.2.1 Émissions rayonnées142
Rayonnement à partir du circuit imprimé142
Évaluation du dessin des circuits imprimés143
Rayonnement des câbles144
Bruit en mode commun sur les câbles145
4.2.2 Émissions conduites145
Chemins de couplage146
4.3 Susceptibilité147
4.3.1 Champ rayonné148
Résonnance des câbles148
Charge du câble149
Injection de courant149
Cavité résonnante150
4.3.2 Transitoires150
Modes de couplage152
Transitoires sur les lignes de signaux153
4.3.3 Décharge électrostatique154
Forme d'onde de la décharge électrostatique155
Chemins de couplage155
Mesures de protection contre les DES155
4.3.4 Champs magnétiques156
Blindage contre les champs magnétiques156
4.3.5 Phénomènes d'alimentation157
4.4 Harmoniques du secteur158
4.4.1 Problème du fournisseur158
4.4.2 Charges non linéaires158
Effet de la résistance en série160
Correction du facteur de puissance160
Découpage de phase162
5. Agencement et mise à la terre
5.1 Agencement du matériel et mise à la masse164
5.1.1 Division du système164
Système divisé165
Contention des sections critiques166
5.1.2 Mise à la masse166
Courant à travers l'impédance de masse167
Impédance de transfert168
5.1.3 Systèmes de masse169
Point unique - Points multiples169
Mixte170
Schéma des masses171
5.1.4 Mise à la masse de grands systèmes171
Impédance des fils de masse172
Terre de protection172
Résumé173
5.2 Dessin des circuits imprimés174
5.2.1 Dessin des masses sans plan de masse175
Impédance des pistes175
Grille de masse ou masse maillée176
Style de masse en fonction du type de circuit176
5.2.2 Plan de masse177
Plan de masse sur les circuits imprimés à double face178
Plan de masse partiel179
Interruptions du plan de masse180
Diaphonie180
5.2.3 Surface de boucle181
Études de cas181
Avantage du montage en surface182
5.2.4 Configuration des masses des entrées/sorties183
Masses de circuit séparées185
Raccordement des blindages de câbles185
5.2.5 Règles de dessin des circuits imprimés185
6. Conception des circuits numériques et analogiques
6.1 Conception en vue de la maîtrise des émissions187
6.1.1 Spectre de Fourier187
Domaine temporel et domaine des fréquences187
Choix d'une famille logique189
6.1.2 Rayonnement des circuits logiques191
Rayonnement en mode différentiel191
Conséquences sur le dessin et la construction192
Rayonnement en mode commun193
Conséquences de la longueur des pistes193
Comparaison des modes commun et différentiel195
Horloge et rayonnement à large bande196
Générateur d'horloge à spectre étalé197
Fonds de panier197
Sur-oscillations sur les lignes de transmission198
6.1.3 Découplage des circuits numériques199
Choix des composants200
Utilisation des inductances en série201
Analyse des résultats du modèle202
6.1.4 Circuits analogiques: émissions203
Instabilité203
Découplage204
Instabilité de l'étage de sortie204
6.1.5 Alimentation à découpage205
Rayonnement d'une boucle à fort di/dt206
Conception des composants magnétiques206
Couplage capacitif à la terre206
Blindage capacitif207
Perturbations en mode différentiel208
Bruit en sortie209
6.2 Conception en vue de l'immunité209
6.2.1 Circuits numériques: chemins des perturbations209
Chemins des perturbations: transitoires210
Chemins des perturbations: décharges électrostatiques211
Protection contre les transitoires et les DES213
Interface de l'opérateur213
6.2.2 Immunité au bruit logique214
Marge de bruit dynamique214
Couplage des transitoires215
Susceptibilité aux fréquences radio216
6.2.3 Chien de garde de microprocesseur216
Fonctionnement élémentaire217
Temps mort217
Matériel du temporisateur217
Connexion au microprocesseur218
Source de l'impulsion de réarmement219
Production par le logiciel des impulsions de réarmement219
Test du chien de garde220
6.2.4 Programmation défensive220
Validation et moyennage des données d'entrée221
Entrées numériques221
Interruptions221
Protection des données et de la mémoire222
Mémoire de programme inutilisée222
Re-démarrage223
6.2.5 Immunité aux transitoires et aux fréquences radio - circuits analogiques223
Redressement audio224
Bande passante, niveau et équilibre225
Isolement226
Capacité de couplage226
7. Interfaces, filtrage et blindage
7.1 Câbles et connecteurs229
7.1.1 Séparation et retours de câble229
Courants de retour230
7.1.2 Blindages de câble pour les basses fréquences230
Courants de l'écran et blindage magnétique231
Où mettre à la terre l'écran du câble231
7.1.3 Blindages de câble pour les fréquences radio232
Séparation des courants d'écran à l'intérieur et à l'extérieur233
7.1.4 Types d'écran de câble234
Impédance linéique de transfert235
7.1.5 Connexions de câble blindées236
Comment relier à la terre le blindage du câble236
Types de connecteurs236
Importance du capot arrière236
Effet de la queue de cochon237
Longueur utile238
Bouclage de câbles blindés sans connecteurs239
7.1.6 Câbles sans blindage239
Paire torsadée - Câble plat239
Configuration de la masse dans un ruban240
Câble à charge en ferrite241
7.2 Filtrage et suppression241
7.2.1 Configuration des filtres242
Impédance de la source et impédance de la charge242
Réactances parasites243
Condensateurs - Inductances243
Implantation des composants245
7.2.2 Composants245
Ferrites245
Impédance du ferrite246
Condensateurs à trois bornes248
Condensateurs de traversée248
Condensateurs pastille249
7.2.3 Filtres secteur249
Application des filtres secteur250
Filtre secteur typique250
Condensateurs de mode commun251
Condensateurs de mode différentiel251
Considérations sur la sécurité251
Perte d'insertion en fonction de l'impédance252
Saturation du noyau253
Qualité supérieure253
7.2.4 Filtrage d'entrée/sortie255
Connecteurs filtrés255
Effets de filtrage du circuit257
7.2.5 Suppresseur de transitoires257
Types combinés259
Implantation des suppresseurs de transitoires259
7.2.6 Suppression des contacts260
Suppression de l'arc aux bornes d'une charge inductive261
Suppression du bruit d'un moteur262
7.3 Blindage262
Un blindage sera-t-il nécessaire?263
7.3.1 Théorie du blindage263
Réflexion et absorption263
Pertes par réflexion264
Pertes par absorption265
Efficacité de blindage265
7.3.2 Champs magnétiques aux basses fréquences266
7.3.3 Effet des ouvertures266
Fenêtres et fentes d'aération267
Utiliser un sous-boîtier268
Grille et nid d'abeilles268
Effet des joints270
Jointure et orientation de l'ouverture271
7.3.4 Plan image272
Circuit imprimé sans fils externes272
Circuit imprimé avec des câbles connectés273
7.3.5 Résonnance du boîtier273
7.3.6 Matériel de blindage274
Joint d'étanchéité et bande de contact274
Revêtements conducteurs276
Fonctionnement du blindage276
Dessin du boîtier277
Caractéristiques du revêtement277
8. Administration de la compatibilité électromagnétique
8.1 Administrer le processus CEM279
8.1.1 Mettre la CEM dans le contexte279
Vendre la CEM à l'intérieur d'une entreprise279
Coûts et durées280
8.1.2 Coordinateur de la CEM280
Revues de projet281
Sensibilisation contre procédures281
8.2 Plan de contrôle282
8.2.1 Objectif du plan de contrôle282
8.2.2 Contenu283
8.3 Plan de test283
8.3.1 Nécessité d'un plan de test283
8.3.2 Contenu284
8.3.3 Procédures de test et de calibrage287
8.3.4 Critères de susceptibilité287
8.3.5 Tests de production et assurance-qualité288
Régime du test par sondage289
ISO 9000289
Appendices
A Aide-mémoire du concepteur291
B CAO pour la CEM293
B.1 Vue d'ensemble293
B.2 Logiciels de modélisation294
B.3 Dessin de circuits assisté par ordinateur295
C Tables et formules utiles297
C.1 Décibel297
C.2 Antennes299
C.3 Champs300
C.4 Blindage303
C.5 Capacité, inductance et agencement du circuit imprimé305
C.6 Filtres307
C.7 Série de Fourier309
D Union européenne312
Acronymes313
Bibliographie316
Carnet d'adresses328
Index331