Présentation générale de la compatibilité électromagnétique

L’environnement électromagnétique est devenu l’un des paramètres à prendre en compte dans tout projet industriel faisant intervenir de l’électronique au même titre que la tenue en température ou la tenue aux vibrations.

Cette prise en compte doit avoir lieu de la conception à l’installation finale du produit. Aux différents stades d’évolution de celui-ci, les facteurs d’influence pris en considération, rayonnement et conduction, doivent évoluer et être aussi représentatifs que possible de la réalité.

À de rares exceptions près, les appareils électriques et/ou électroniques ne travaillent pas de manière isolée. De l’énergie électromagnétique peut franchir non intentionnellement leurs frontières soit pour y pénétrer, soit pour s’en échapper, par différents accès. La figure 1 schématise cette situation. On entend par accès par l’enveloppe « la frontière physique de l’appareil à travers laquelle les champs électromagnétiques peuvent rayonner ou à laquelle ils peuvent se heurter », accès par les câbles « le point auquel un conducteur ou un câble est connecté à l’appareil, par exemple accès par les bornes de signaux, par les bornes de commande et par les bornes d’alimentation. » (D’après norme NF EN 50082-2).

• Les agressions électromagnétiques peuvent avoir lieu aussi bien sur un appareil que sur un système contenant des composants électriques et/ou électroniques.

  On entend par système, une association de plusieurs appareils conçus pour accomplir une tâche donnée et destinés à être mis sur le marché en tant qu’entité fonctionnelle individualisée, par exemple l’ordinateur, son écran et son imprimante.

  Du point de vue électromagnétique, le système comprend tous les éléments en interaction et est limité par les dispositifs de découplage.

  Les alimentations en énergie auxiliaire des équipements (ainsi que les circuits correspondants) font partie du système ; ils sont donc soumis aux mêmes types de contraintes que celles appliquées aux équipements eux-mêmes.

  De plus, lorsque la réalisation de la fonction impose que les équipements soient répartis, les liaisons entre les différents équipements font partie du système ; lorsque ces liaisons emploient des matériels de transmission, ces matériels ainsi que leur alimentation auxiliaire font également partie du système.

  Les agressions électromagnétiques peuvent aussi avoir lieu sur une installation contenant des composants électriques et/ou électroniques. Une installation comprend plusieurs appareils ou systèmes associés et mis en place ensemble dans un lieu donné, pour un objectif déterminé comme, par exemple, une usine de production d’électricité.

• L’énergie électromagnétique qui est captée non intentionnellement par un système électrique et/ou électronique peut entraîner une perturbation dans le fonctionnement de celui-ci. Cette perturbation (ou interférence électromagnétique IEM) peut aller du simple désagrément, comme le crépitement dans un récepteur radio ou l’image rayée sur un écran de télévision, à la perte de fonctionnalité momentanée ou permanente d’un système.

  Dans sa directive 89/336/EEC concernant la compatibilité électromagnétique, le Conseil européen définit une perturbation électromagnétique comme : « tout phénomène électromagnétique susceptible de dégrader les performances d’un dispositif, unité d’équipement ou système. Une perturbation électromagnétique peut être un bruit électromagnétique, un signal non désiré, ou une modification du milieu de propagation lui-même ».

  Cette définition inclut donc toute la gamme des fréquences électromagnétiques et tous les phénomènes électroniques.

• Le paragraphe 2 donne sur ce point une bonne idée de la diversité des phénomènes électromagnétiques sources de perturbations.

  Les classifications correspondantes sont nombreuses selon les caractéristiques que l’on souhaite mettre en évidence (durée de la perturbation, caractère intentionnel ou non, caractère aléatoire ou permanent, etc.).

  Cet article propose un classement à partir des types de sources de perturbations : émetteurs intentionnels (émetteurs de radiotélécommunication, etc.), émetteurs non intentionnels (machines tournantes, systèmes de traction électrique, soudeuses à l’arc, etc.), foudre, etc. Dans une première présentation, on peut s’arrêter à un classement plus immédiat qui considère le mode de propagation de la perturbation et la gamme de fréquences concernée. Quatre grandes catégories sont à distinguer :

  • phénomènes conduits à basse fréquence ;

  • phénomènes rayonnés à basse fréquence ;

  • phénomènes conduits à haute fréquence ;

  • phénomènes rayonnés à haute fréquence.

  Cette classification est celle adoptée dans la directive européenne 89/336 qui définit les exigences auxquelles doivent se conformer les matériels construits.

• Le phénomène des perturbations a attiré l’attention depuis plusieurs décennies. Ces perturbations ne sont pas apparues avec l’ère de l’électronique et des courants faibles. Des chercheurs s’y sont intéressés dès 1930, date des débuts du développement des transmissions radiophoniques.

  La nécessité se fait alors sentir d’assurer l’immunité des signaux de faible amplitude contre des champs électromagnétiques parasites.

  Les premières études sont lancées et des comités de réflexion voient le jour [1934, création du Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR, organisme qui s’intéresse aux perturbations radioélectriques rayonnées et émises)]. Leurs travaux cernent déjà les facteurs déterminants dans les perturbations et définissent les premiers concepts qui servent aujourd’hui à qualifier les phénomènes et les matériels.

  Mais ces préoccupations ne concernent encore que les phénomènes rayonnés à haute fréquence. Les machines alimentées en basse fréquence, jusqu’en 1950, restent en effet pratiquement insensibles aux phénomènes perturbateurs.

  Leur inertie mécanique et les fortes amplitudes des tensions qui les alimentent leur confèrent encore une insensibilité suffisante.

  Les années 1960 marquent un palier. Plusieurs évolutions technologiques concourent simultanément à augmenter l’impact des perturbations et leur enjeu économique :

  • on assiste tout d’abord à un rapide développement des applications de l’électricité dans tous les domaines ; le nombre d’appareils utilisant l’énergie électrique augmente rapidement et, par voie de conséquence, le nombre de sources de perturbations ;

  • l’électronique fait son entrée à grande échelle dans tous les secteurs de l’activité économique ; l’utilisation des appareils de commande et de contrôle électroniques se répand. Plus généralement, les systèmes électroniques voient leurs champs d’application s’étendre à la plupart des domaines de l’industrie et du tertiaire ; alimentés par des signaux de faible amplitude et placés dans l’environnement des machines alimentées en courant fort, ils sont particulièrement sensibles aux phénomènes perturbateurs ;

  • l’information enfin connaît une véritable explosion, ses fonctions se multiplient, depuis les activités de gestion et de traitement de texte jusqu’à la gestion des process.

  Ces tendances se sont toutes accentuées depuis 1960 :

  • les équipements ont vu leur sensibilité électromagnétique augmentée ; les composants électroniques, dont l’utilisation est devenue quasi générale, travaillent à des niveaux de tension de plus en plus bas. Ils peuvent être perturbés dès que la tension s’écarte de plus de 3 % de sa valeur nominale en régime établi ; intégrés aux matériels les plus divers, les composants électroniques sont largement décentralisés et interconnectés, augmentant ainsi les effets négatifs des perturbations ;

  • les causes de perturbations sont devenues plus nombreuses (le développement des systèmes de sécurité sur les machines multiplie les sources des perturbations).

  Augmentation du nombre de sources de perturbations, augmentation du nombre de matériels sensibles et de leurs domaines fonctionnels, augmentation enfin de la vulnérabilité des matériels, tel est le nouveau paysage technologique qui sert de cadre au problème des perturbations.

  S’ajoute à ces nouvelles données l’importance, devenue vitale aujourd’hui, des transferts d’information et de la qualité de leur acheminement (contrôles, transfert de données, informatique, régulation, sécurité).

• Les interférences électromagnétiques ont provoqué par le passé de nombreux accidents. Parmi les plus spectaculaires, on peut citer la destruction du porte-avions Forrestal en 1967 lors de la guerre du Viet-nam. Un radar de bord a éclairé l’un des chasseurs prêt à décoller, perturbant le système de mise à feu des roquettes accrochées sous l’avion, l’une d’elles a été mise à feu, percutant un deuxième avion qui, lors de son explosion, à embrasé tous les autres avions se trouvant sur le pont. Le feu s’est propagé aux soutes à munitions et le porte-avions, ou plutôt ce qui en restait a été remorqué jusqu’aux États-Unis pour refonte complète. On peut aussi citer la mise hors service du destroyer britannique HMS Sheffield par un missile Exocet, en 1982, durant le conflit entre la Grande-Bretagne et l’Argentine à propos des îles Falkland. À cause de phénomènes d’interférences électromagnétiques, le système de détection antimissile du navire et son système de communication par satellite avec la Grande-Bretagne ne pouvaient opérer en même temps ; c’est au cours d’une de ces communications que l’Argentine a lancé le missile Exocet qui mit le navire hors combat. On peut de même citer les accidents survenus aux hélicoptères Sikorsky de la série UH-60 Black Hawk, alors qu’ils volaient à proximité d’émetteurs micro-ondes de forte puissance tels que les radars des navires de guerre. Un autre exemple est le « calage » des moteurs des premières voitures à allumage transistorisé au feu rouge lorsqu’un agent de la circulation, appelant son collègue pour réguler la circulation à l’aide de son talkie-walkie, créait ainsi un champ électromagnétique suffisant pour bloquer ledit allumage.

  Plus généralement, des incidents de fonctionnement allant jusqu’à des détériorations de process, des pertes d’information (perte ou altération de données en informatique, erreurs de calcul) constituent des dysfonctionnements graves, aux conséquences parfois préjudiciables à la bonne marche de l’entreprise.

  Ce contexte d’urgence a amené depuis quelques années l’ensemble des partenaires compétents à conduire un travail de clarification des concepts, à développer des méthodologies d’analyse et de mesure, et à esquisser des ensembles de recommandations acceptables par tous les partenaires concernés.

• En résumé quatre facteurs se conjuguent pour rendre sans cesse plus importants les problèmes de perturbations électromagnétiques.

  1) Les dispositifs de contrôle-commande et de mesure comprennent désormais des composants électroniques travaillant à des niveaux de tension de plus en plus bas ; cela entraîne, si aucune précaution particulière n’est prise, une plus grande sensibilité de ces équipements aux perturbations auxquelles ils sont normalement soumis.

  2) La multiplication des systèmes capables de couper brusquement des puissances importantes (thyristors, triacs) engendre une prolifération d’impulsions à front raide susceptibles d’influencer les matériels sensibles.

  3) Les dispositifs perturbateurs et les matériels sensibles à ces perturbations sont de plus en plus intégrés aux mêmes ensembles. Les perturbations sont transmises par conduction ou par rayonnement avec une atténuation d’autant plus faible que les deux types d’éléments sont plus rapprochés.

  4) Une insensibilité très grande est exigée notamment pour les dispositifs de traitement de l’information, en rapport avec les importantes conséquences économiques des défaillances de ces systèmes.

  Pour toutes ces raisons, il devient de plus en plus nécessaire de ne pas se contenter de définir un cahier de recettes plus ou moins efficaces, mais plutôt de dégager, par une étude systématique, une philosophie générale pour la maîtrise de l’ensemble des phénomènes.

  Tel est l’objet du présent article, destiné à informer les lecteurs sur une famille de problèmes complexes auxquels beaucoup seront confrontés.