Cours Cem Geii

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15/10/2005 1 Les impédances •Fil, piste : impédance nulle? – faux, il y a toujours une résistance série, une inductance, un condensateur, – exemple dans l’air : • tout câble, parcouru par un courant, présente une inductance due au champ magnétique qui se referme dans l’isolant et l’air (μ 0 ), donc L1μH/m, • même chose avec le champ électrique et ε 0 donc C10pF/m.

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Les impdances

Fil, piste : impdance nulle? faux, il y a toujours une rsistance srie, une inductance, un condensateur, exemple dans lair : tout cble, parcouru par un courant, prsente une inductance due au champ magntique qui se referme dans lisolant et lair (0), donc L1H/m, mme chose avec le champ lectrique et 0 donc C10pF/m.15/10/2005 1

Les impdancesfils ronds

Attention : toujours vrifier que la longueur du conducteur est infrieure celle de la longueur donde , dans le cas contraire, on travaille avec la thorie des lignes de transmission.

Fil rond : par dfinition, on a :Z = R +jL

en continu, l'impdance vaut :

R=

ls

soit pour le cuivre R cu

=

17,2 10-9 l

s1

en alternatif, on a l'effet de peau, soit :

=15/10/2005

2

ou / cu =

0, 066 r r F ( MHz )

en mm et

=

( m )

1

r par rapport au cuivre,

r du matriau

2

Les impdancesfils ronds

Exemples de valeurs dinductance de fils rondsSoit : h, la distance qui spare un fil du plan de masse, s la distance entre deux fils d'une paire, l la longueur des fils, d le diamtre des fils.d l

h

Plan de masse

si h2l Lext

d

l s

= 0,2 l ln (4l/d) en H/m (valeur maximum)3

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Les impdancesabaque fils ronds1,0E+02

Z( )

ZMAX=f(F) pour un fil "rond"

(de 1 m)

Si F > qq kHz, Z=f(L)1,0E+01Z en HF

si h>l ou s>2l

1,0E+00S=1mm 2

1,0E-01

RDC

1,0E-02S=35mm2

1,0E-03

L avec 1H/m

Z indpendant du diamtre. Rduire Z limiter sa self

1,0E-04

1,0E-05 1,0E+01

1,0E+02

1,0E+03

1,0E+04

1,0E+05

1,0E+06

1,0E+07

F(Hz)15/10/2005

ZMAX=RDC + 0,2E-6*l*ln(4l/d)*

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Les impdancessynthse des fils ronds

Fil rond "seul" si F > 2kHz, limpdance ne dpend que de la self, la section du fil devient ngligeable, lordre de grandeur 1H/m donne une bonne ide de la self du fil (loin de la masse ou de son retour).

Autres cas ? : 15/10/2005 5

Les impdancesconducteurs plats

Impdance dun conducteur plat Tresses Pistes PCB, strap

Z=R+jL La rsistance se calcule de faon classique : R=l/de la rsistivit (m), l la longueur (m), d, e largeur et paisseur (m).

Linductance tend vers une valeur dcrite par : L( H ) = 0, 2l ln

d +e 2l + 0,5 + 0, 22 d +e l 6

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Les impdancesself des conducteurs plats

Exemples de valeurs dimpdance (L) en ohm dune piste decuivre de 35m dpaisseur en fonction de sa longueur et de la frquence :

L(H) 1kHz 100kHz 1MHz 30MHz 300MHz

l=3cm 2,74E-08 1,72E-04 1,72E-02 1,72E-01 5,17E+00 5,17E+01

d=1mm l=10cm 1,15E-07 7,25E-04 7,25E-02 7,25E-01 2,17E+01 2,17E+02

l=30cm 4,12E-07 2,59E-03 2,59E-01 2,59E+00 7,76E+01 7,76E+02

l=3cm 2,10E-08 1,32E-04 1,32E-02 1,32E-01 3,97E+00 3,97E+01

d=3mm l=10cm 9,38E-08 5,89E-04 5,89E-02 5,89E-01 1,77E+01 1,77E+02

l=30cm 3,47E-07 2,18E-03 2,18E-01 2,18E+00 6,55E+01 6,55E+02

Z in d u c t ive

Au del de 100kHz quand l>10 cm la piste nest plus tout fait un court-circuit.15/10/2005 7

Les impdancesconducteurs plats

Exemples de valeurs dimpdance dune piste de cuivre de 35mdpaisseur en fonction de sa longueur et de la frquence :d=1mm l=10cm 1,15E-07 4,86E-02 4,93E-02 1,21E-01 7,73E-01 2,18E+01 2,17E+02 d=3mm l=10cm 9,38E-08 1,62E-02 1,68E-02 7,51E-02 6,05E-01 1,77E+01 1,77E+02

L (H) RDC(ohm) 1kHz 100kHz 1MHz 30MHz 300MHz Z t o t a le

l=3cm 2,74E-08 1,46E-02 1,47E-02 3,18E-02 1,87E-01 5,18E+00 5,17E+01

l=30cm 4,12E-07 1,46E-01 1,48E-01 4,04E-01 2,73E+00 7,78E+01 7,76E+02

l=3cm 2,10E-08 4,86E-03 4,99E-03 1,81E-02 1,37E-01 3,97E+00 3,97E+01

l=30cm 3,47E-07 4,86E-02 5,08E-02 2,67E-01 2,23E+00 6,55E+01 6,55E+02

Ces exemples montrent encore que trs rapidement, cest la self qui dtermine limpdance. Celle-ci est, mme en BF, non nulle.15/10/2005 8

Les impdancesabaque comparatif conducteurs plats/ronds

Z( )1,0E+02

ZMAX=f(F)

comparaison entre conducteurs "rond" et "plat" (1m)Z en HF

1,0E+01

1,0E+00Conducteur rond S=35mm 2

1,0E-01

Conducteur plat S=35mm2

1,0E-02

1,0E-03

L avec 1H/m

1,0E-04

1,0E-05 1,0E+01

1,0E+02

1,0E+03

F(Hz)

1,0E+04

1,0E+05

1,0E+06

1,0E+07

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Les impdancesabaque comparatif conducteurs plats/ronds

A section gale un fil de section plate prsente une self infrieure, Si d diminue : impdances BF et HF augmentent, la self augmente,

Si e diminue : impdance BF seule diminue,

Cf. animation

e influe trs peu sur impdance HF15/10/2005 10

Les impdancescbles de liaison

De faon grossire les cbles de liaison ont une impdance caractristique de 100 : coaxial; 50 ou 75, paire bifilaire; 120,

On a vu :ZHF est quasi indpendante de la section,

A 1 MHz,ZHF dun conducteur de 10m 80, =cT=c/F=3E8/1E6 = 300 m

Donc ZHF de ce conducteur ne permet pas dcouler efficacement des courants si F1MHz. Par extension on considre que lquipotentialit est assure correctement que si la longueur du conducteur est < /30.15/10/2005 11

Les impdancescbles de liaison

Impdance dun conducteur en fonction de la longueur donde :

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origine A. Charoy AEMC

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Les impdancesles plans (de masse)

La rsistance dun plan de masse se calcule en ohm par carr (/ ). En BF (e0,7) :

z = 3706

F r

r ( )en

Un plan de masse a toujours une impdance infrieure celle dun cble.13

F en MHz, r conductivit relative/cuivre, r permabilit magntique relative.15/10/2005

Les impdancesabaque dun plan de masse

Quelques exemples dimpdance de plans en fonction du matriau et de la frquence. Noter bien les valeurs de Z en comparaison avec celles dun simple conducteur.Daprs M. Mardiguian

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Les composants lectroniques

Le composant lectronique parfait existe-til? Non. tout composant est une combinaison des 3 composants de base, soit linductance, le condensateur et la rsistance, ces diffrents composants apparaissent en fonction de la frquence.

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Les composants lectroniquescomparaison entre inductances idale et relle

Log(f)15/10/2005

Origine : Power integrations, inc AN-15

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Les composants lectroniquescomparaison entre condensateurs idal et rel

f15/10/2005

Origine : Power integrations, inc AN-15

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Le spectre lectromagntique Il stend du continu aux rayonnements cosmiques.

Origine : http://www.ac-nice.fr/physique/spectreoem/

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Onde lectromagntique EH k

Si la distance la source > 2 on est en champ lointain Londe est plane, E et H vibrent en phase, E H = 120 .

Antennes en champ E , en champ B .15/10/2005Origine : astro.vision.free.fr/spectre.php /

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Antennes et champs

Origine Alcatel Alsthom

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Le spectre lectromagntique Il concerne des phnomnes naturels, la lumire visible, la lectrostatiques, etc. foudre, les dcharges

L'homme ne dtecte que l'nergie de la lumire visible, du rayonnement thermique, (par contre nos cellules peuvent tre gravement atteintes soit par une forte exposition instantane, soit par l'intgrale de faibles doses).

La partie du spectre que nous tudions va de quelques Hz plusieurs GHz.

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Le spectre lectromagntiqueExemple dactivit lectromagntique

Les signaux utiles deviennent des parasitesFoudre ESD

Rayonnements et perturbations indsirables

Le fonctionnement doit rester correct

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Tlcommunications dans le spectre10 1M 100M 10G 1T Infrarouge 10M 1G 100G kHz 100 frquences Radio Visible Sub-Millimtrique 400 40KeV

40

4k

Rayons X Ultraviolet

1880 Europe 1710 U.I.T. EU Japon15/10/2005

1910

1980 1990

2010 2025 2110

MHz

1900

2160 2200

Origine E. Sicard, INSA Toulouse

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Le spectre lectromagntiqueactivit

Aux phnomnes naturels s'ajoute l'activit de l'homme, Les d'ondes lectromagntiques peuvent tre mises de faon intentionnelle ou non, Toute cette activit lectromagntique, naturelle ou humaine constitue un environnement lectromagntique qui se propage par conduction ou rayonnement, C'est cet environnement que l'on tudie lorsque l'on parle de Compatibilit ElectroMagntique (CEM).15/10/2005 24

La Compatibilit ElectroMagntiqueprambule

Les systmes lectriques travaillent : avec un courant i(t), sous une tension v(t), il y a donc de lnergie lectromagntique.

Cette nergie enceinte,

peut franchir non intentionnellement leur

soit pour y pntrer, soit pour sen chapper.

Elle peut affecter le fonctionnement des systmes. Il faut se proccuper : des agressions lectromagntiques, de laptitude des systmes ne pas perturber leur environnement.15/10/2005 25

Interfrence lectromagntique Une interfrence lectromagntique est : la perturbation d'un systme lectrique par un autre circuit, ou par, un phnomne lectrique extrieur au systme.

Elle peut survenir : des frquences radio discrtes, ou bien, tre due des phnomnes transitoires sans rcurrence prcise.

Elle n'est pas le signal perturbateur, mais le rsultat d'un couplage entre un systme suffisamment vulnrable pour tre affect et le signal perturbateur.

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systme CEM Un systme lectrique est CEM si, dans un environnement lectromagntique spcifi, il est apte fonctionner de manire conforme ce pour quoi il a t conu et, si pour les autres systmes lectriques il ne constitue pas une source de perturbations lectromagntiques suprieures la limite autorise.

Par consquent : nous aurons besoin de mesures techniques bien spcifiques cette activit, nous devrons galement concevoir des applications qui respectent des niveaux rfrencs dans des normes.

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phnomnes naturels Phnomnes anciens : origines dans les phnomnes naturels, exemples : le champ magntique continu de l'ordre de 50 T, le champ lectrostatique gnrs par la terre est de l'ordre de 100 200V/m , la foudre, les Impulsions ElectroMagntiques Nuclaires (IEMN),

les champs continus ne sont pas gnant pour l lectronique, les perturbations ponctuelles sont souvent trs intenses et peuvent tre fatales l'lectronique exemple : les rayons cosmiques et en particulier solaires.

Ampleur sans prcdent depuis que les normes obligent les industriels "homologuer" leur produit.15/10/2005 28

activit humaine Plus l'activit lectrique cre par l'homme : tlcommunications,

radars, tlvision,

En pratique les problmes sont traits : grce au concept source/victime,

il existe un signal perturbateur mis par une source, couplage avec la victime, cration dune interfrence lectromagntique, soit une perturbation lectromagntique.

Bnin pour : une mauvaise coute ou d'une image vido "enneige"

communication, etc ...15/10/2005

Dramatique quant il s'agit de radar, de systme de29

sources/chemin/victimesQuelques exemples :

Sources Foudre ESD metteurs hertziens Tubes dcharge 15/10/2005

Chemins ou couplages Impdance commune Diaphonie inductive Diaphonie capacitive Carte chssis

Victimes Rcepteurs (TV et radio) Ordinateurs Capteurs et amplificateurs (ana) Circuits numriques 30

cohabitation des ondes lectromagntiques Les radars, les satellites, les rseaux vido, etc utilisent des Ondes ElectroMagntiques (OEM), avec des porteuses de frquence diffrente.

Le signal utile de l'un devient perturbateur pour l'autre. Ces ondes induisent des courants sur tous les conducteurs qu'elles illuminent. Les sources de perturbation de l'activit humaine, peuvent tre dclines en trois catgories distinctes.15/10/2005 31

sources de perturbation dues lactivit humaine les sources de rayonnement lectromagntique directes cres par des systmes tels que, les metteurs radio et tlvision, les radars, les tlphones mobiles, etc.,

les sources de perturbations indirectes, issues de l'lectricit telles que : les lignes de transport d'nergie, les moteurs lectriques, les alimentations dcoupage, l'clairage fluorescent, etc.,

les Dcharges ElectroStatiques (ESD) qui concernent les objets en mouvement et le corps humain.15/10/2005 32

sgrgation du domaine dtude Si un appareil peut tre perturb par des interfrences qui se propagent grce aux cbles on parle de "CEM conduite"

par des interfrences qui se propagent dans les airs on parle de "CEM rayonne"

Si le systme est : une source on tudiera son "mission" une victime on tudiera sa "susceptibilit" ou son "immunit".

Malgr toute cette pollution d'OEM, les systmes doivent avoir un fonctionnement correct.15/10/2005 33

marge de compatibilit

Ensemble de situation Ensemble de situation chelle logarithmique15/10/2005 34

les diffrents couplages lectromagntiques Couplage par impdance commune, Couplage inductif : par diaphonie, par champ boucle,

Couplage capacitif : par diaphonie, par champ fil, par "carte chssis",

Couplage direct.15/10/2005 35

couplage par impdance commune Ce phnomne se produit quand une impdance est commune au moins deux circuits.

Le courant de la maille M1, cr une tension parasite V2 dans M2. Le courant peut tre soit un courant de fonctionnement soit un parasite.15/10/2005 36

couplage par impdance commune Ici, les fils dalimentation sont communs aux circuits. Les impdances parasites (Zpi) ont t reprsentes.VccZp1 Zp2 Zp3

1mV, 1A

100mV, 0,1mAZp5

1V, 0,1AZp4

10V, 1A

0V

Zp6

A

B

Les courants (nominaux, parasites, ESD, Foudre) crs des DDP qui font que la masse nest pas quipotentielle.15/10/2005 37

couplage par impdance communeAutre exemple :

plus F plus Z

Principaux conducteurs concerns : les masses (fils, chssis, charpente mtallique, fuselage, ) les fils de protection lectrique (fil de terre),15/10/2005 38

couplage par diaphonie inductive Si I est variable, alors un champ H variable (A/m) qui gnre dans les conducteurs illumins une ddp parasite (e).

15/10/2005

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couplage par diaphonie inductive En dautres termes cela revient dire que deux fils parallles se comportent comme un transformateur (parfois de rapport 1).

Origine A. Charoy AEMC

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couplage par diaphonie capacitive Exemple de couplage capacitif entre deux paires

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couplage par "carte chssis" Nous avons vu quil existe toujours un condensateur entre deux ensembles : Si une variation de potentiel, il y a injection de courant de lun sur lautre.

On nomme parfois ce couplage effet de main 15/10/2005 42

Origine A. Charoy AEMC

couplage par champ boucle Si H variable traverse une boucle il y a un flux variable, ce qui cre une ddp contrelectromotrice U (variable, fonction denombreux paramtres, cf. ci-aprs)Origine A. Charoy AEMC

en loccurrence parasite.

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couplage par champ boucle Ce couplage peut se retrouver dans nos applications de la manire suivante :Le champ H BF est stable Blinder le champ de fuite dun transfo secteur donne des rsultats 40km) : une zone de 800 2000 km est atteinte par un champ bref, mais intense.

Les valeurs officiellement publies pour l'IEMN HA sont : valeur crte de 50kV/m (sans surface rflchissante), temps de monte de 5 10ns, dure mi-hauteur de 250ns.15/10/2005 75

Allures des impulsionsESD, foudre, IEMN

15/10/2005

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Analyse et remdes des couplages

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Rduire le couplage par impdance commune Rduire le couplage par impdance commune consiste : rduire l'impdance commune, limiter les parties communes, liaison en un seul point (toile); pas facile raliser en pratique

raliser un plan de masse, au pire mailler ou " langlaise", utiliser des fils blinds, blindage raccord des deux cts, augmenter la section des fils (vrai en BF uniquement), utiliser des fils plats (tresses), impdance HF meilleure que les fils ronds si L/l