Les couplages en CEM
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Mais ça se transmet comment ? Couplages inductif, capacitif, résistif !
Vidéo inductance et impédanceImpédance Z à plusieurs fréquences différentes :
F réseau, F MLI, F proche de la commutation des transistor IGBT de variateurs d'un fil et de 2 spires différentes
Voilà pourquoi les 'queues de cochon' sont à proscrire définitivement, on ne laisse pas du 'mou' pas de spires sur un fil ou câble (même si concernant un câble blindé, l'effet est généralement négligeable) !
En rappel le triangle des impédances
On constate clairement que lorsque Lω augmente, R devient de plus en plus négligeable et Z tend à évoluer vers Lω.
Couplage inductif
Les ondes électromagnétiques ? La radio, la TNT le réseau 4G, sont accessibles par ce biais ! Les perturbations électromagnétiques sont des ondes de même nature, et d'ailleurs : le téléphone n'a t-il jamais perturbé votre autoradio juste avant de sonner ?1
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En bleu, un fil de 1 mm², en vert, un fil de 35 mm².
Tout fil conducteur offre une inductance ! Si la résistance d'un fil évolue inversement de sa sectionR (Ω) = ρ × lg / section, il en va tout autrement de son impédance en alternatif du fait de son inductance intrinsèque qui reste
≃ 1 µH / mètre à cause de l'effet de peauComme le montre le graphe, 1 mm² ou 35 mm² ne changent pas grand chose à partir de quelques kHz (échelle logarithmique)
Le responsable est l'effet de peau : effet pelliculaire.
En courant alternatif, quand la fréquence augmente, le courant ne circule plus qu'en périphérie, à cause des phénomènes électromagnétiques.
Pour cette raison les fortes sections, même en 50 Hz, sont constitués de tubes creux (économie de matière et de masse) dont la cavité peut, dans des applications particulières, servir pour le circulation d'un liquide caloporteur (de refroidissement). !
Il est donc préférable de choisir une section plate
Ci-dessus 2 sections de 20 mm², le périmètre du plat :
Périmètre = (10 + 2) × 2 = 24 mm
Le fil rond = π × 5.06 ≃ 16 mm ce qui offre moins de périphérie, il sera donc plus sensible à l'effet de peau.
De plus son centre est à 2.503 mm (5.06 / 2) de 'profondeur' contre 1 mm (2 / 2) seulement pour le profil plat...
L'effet pelliculaire sera donc bien moindre !, des conducteurs multibrins
Les spires ne sont pas jointives et multibrins isolés entre eux afin de limiter l'effet de peau et l'inductance résultante
Les inductances ainsi en // diminuent (L final = L unitaire / nombre de fils) et dans tous les cas une tresseLes tresses combinent naturellement les 2 avantages : Profil plat et Multibrins !
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A gauche en rouge, des fils // (parallèles), H↗ représente le champ de mutuelle induction, les fils se comportent comme un transformateur de rapport 1 : 1Une spire, une spire car les fils même rectilignes finissent bien par se reboucler quelque part (base du circuit électrique) formant ainsi une spire...
Cela va mieux en le précisant : l'efficacité est moindre qu'un vrai transformateur :-), le primaire étant le perturbateur ou bourreau (la plus puissant), le secondaire la victime (le plus faible).
Par contre à droite en vert, les fils sont perpendiculaires (90°), l'induction mutuelle est nulle (Connexe électromagnétisme pour mémoire).
De par les lois sur l'électromagnétisme , l’importance de la tension E parasite induite : E = – LL'inductance mutuelle qui n'est qu'estimable × (ΔILes variations d'intensité dont l'amplitude est connue ! / Δtt, la période du signal parasite) ou E = – L × ΔI × ff, fréquence du signal parasite (ex : MLI du variateur). Si l'inductance L n'est pas vraiment quantifiable ou mesurable, on peut avoir une idée de son importance avec les surfaces de boucles et la proximité du voisinage entre bourreau(x) et victime(s)...
Enfin il existe 3 principaux modes de couplage :
fil
C'est le principe de l'antenne. Le champ magnétique reçu va engendrer le parasite. On pourra y remédier en intercalant un écran conducteur (comme lorsque l'on passe sous un tunnel), ou en plaquant le fil contre une masse métallique (formant condensateur)., boucle
C'est un peu le principe du transformateur. On y remédie par blindage, en plaquant les boucles contre une masse métallique... Et lorsque c'est possible en réduisant le surface de la spire ! (cela diminue le flux : B.S). et diaphonie
La boucle perturbatrice est naturellement formée par le(s) générateur(s) et son (ses) récepteur(s).
La boucle perturbée se forme de la même manière. La tension induite E = –M.(ΔI/Δt). M pour Mutuelle inductance. On pourra éloigner les boucles, les réduire ou torsader les fils, on y reviendra !.
Vidéo : mise en évidence du couplage capactitif
Ici l'efficacité de l'éloignement est évidente, l'absorption du fil de masse aussi, le torsadage ne fonctionne que sur l'inductif. Les solutions seront reprises dans le cours connexes sur le plan de masse.
Couplage capacitif
L'isolant est son allié ! Le champ électrostatique vous est inconnu ?Il est pourtant responsable, avec son champ électrique, électrostatique, du principe des fours à micro-ondes, des machines à souder les platiques...
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Que ce soit entre fils prochesTout est lié aussi à la fréquence, mais on considère qu'au delà de 30 cm de distance, pour les fréquences industrielles, l'effet capacitif devient moindre.
On y reviendra avec la longueur d'onde ou chassis par rapport à la masse, une capacité parasiteProportionnelle aux surfaces (lignes pour des fils) en vis à vis, inversement proportionnel à la distance les séparant (isolant), d'où les 30cm... se forme.
Elle est responsable d'un champ électrostatique en cas de variations de tensionC'est la tension qui charge une capacité traversée par une intensité I.
C'est une intensité qui induit un champ magnétique dans une inductance soumise à une tension... !
L’importance de l'intensité I parasite induite :
I = CLa capacité parasite entre conducteurs ne peut que s'estimer... × (ΔULes variations de tension dont l'amplitude est, elle, connue ! / Δtt, période du signal parasite) ou I = C × ΔU × ff, fréquence du signal parasite (ex : MLI du variateur). Si la capacité C n'est pas vraiment quantifiable ou mesurable, on peut estimer son importance avec les surfaces en vis à vis et la proximité du voisinage entre bourreau(x) et victime(s)...
Si le blindageCâbles de puissance blindés :
est la solution ultime, il reste plus onéreux.Alternative en exemple : à la fin du XX° siècle les fabricants ont augmenté la fréquence des nappes (fils en //, photo en haut) pour disques durs informatique en intercalant un fil de masse entre chaque fil de donnée ou adressage (à partir de l'UDMA66) réalisant ainsi un écran entre fils ; un semi-blindage...
Sur les circuits imprimés on entoure la piste sensible
Ici à droite, la piste est bien entourée de masse...
d'un plat et large plan de masse....Couplage résistif !
Le seul qui fonctionne aussi en courant continu (lisse) ! Couplages inductif ou capacitif exigent un Δ, une variation et ne sont donc possible qu'en courant alternatif ou unidirectionnel impulsionnelUnidirectionnel : un seul sens, impulsionnel tel le rapport cyclique, toujours positif et variable tel que ci-dessous :
ainsi qu'avec un signal redressé mais non ou mal filtré
Redressé non filtré en rouge, peu ou mal filtré en bleu.
Pour revenir au résistif, voici un schéma :
En violet une partie conductrice commune (masse généralement) formant une impédance commune. Ainsi le circuit de puissance en rouge, via V le variateur MLI, va créer une chute de tension dans le fil violet, fil commun. A cause de son impédance Z (addition vectorielle de R et L fil), cette chute de tension va s'ajouter au signal utile du capteur C. Cette tension sera amplifié par A et traitée par T engendrant ainsi un risque d'erreur...
A cela, 2 solutions :
- L'ancienne valable en BF
N'offrir qu'un seul point de liaison pour toutes les masses (masses en étoile). Toutes les masses convergent en un seul point, évitant les impédances communes. Délicate en pratique, hormis les petites installations (1 seul point de contact), cette solution fonctionne en BF ou en continu.
Historiquement c'était la plus usitée, je l'ai avantageusement exploitée dans des ampli audios... Mais en industrie, vu les distances, cette solution avec toute l'électronique devenue omniprésente est rendue caduque ! - la nouvelle préférable en HF
Le fil violet à laissé place au rouge épais représentant un plan de masse, la solution idéale !
Exemple le châssis conducteur d'un élément si les liaisons entre différents éléments sont courtes, multiples et constituées de tresses.
Ainsi l'impédance tend vers 0 : U = Z(0+) × I.. Ex : îlots de masse en Conseil+
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Cours extrait du stage : CEMINIT
Stage : CEMINIT
CEM Perturbations
