Compatibilité électromagnétique - Définition

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.

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-t-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 Hz à plusieurs GHz). Ces courants circulent dans les différents câbles ou circuits imprimés de l'appareil et donc quand ces conducteurs sont, de par leur longueur, de plus ou moins bonnes antennes, il y a émission de champ électromagnétique.

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 veriation 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 connecté 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.