Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Dans l'environnement aéronautique, c'est le poids qui pousse les concepteurs vers l'utilisation des boîtiers en composite. C'est aussi le cas des développements dans le milieu de la défense pour les électroniques portées. Malheureusement, les contraintes normatives restent les mêmes et le blindage du boîtier disparaît. Pour d'autres environnements, c'est plus le design qui depuis de nombreuses années impose des boîtiers en composite comme pour les équipements multimédias, informatique ou GPS. Enfin les équipements ayant des contraintes d'isolement galvanique entre certaines fonctions sont, eux, passés depuis longtemps en boîtier composite, comme les systèmes de télécommunication ou en balnéothérapie. Cet article présente les règles de conception à appliquer en l'absence de métal jouant le rôle de blindage et de référence de potentiel.
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Thierry SEGOND : Expert CEM Sagem Défense Sécurité – Groupe Safran (Massy, France)
INTRODUCTION
La conception en boîtier composite apporte un gain de poids. En aéronautique le gain est réalisé grâce à une surface moindre utilisée pour les filtrages. Vis-à-vis des contraintes liées à la foudre de plus en plus élevées, le passage en électronique flottante permet de ne plus à avoir de protection type diode « transil » devant écouler le courant d'agression. La contrainte devient une contrainte d'isolement vis-à-vis de la tension présentant la plus grande amplitude.
En télécommunications, l'isolement est fixé par des normes de sécurité électrique qui imposent, en fonction des types de réseau, des isolements en termes de tenue en tension pouvant atteindre plusieurs kilovolts entre la partie recevant le câble de communication et l'électronique numérique qui, elle, est référencée à la terre. Le composite apporte l'isolement et participe au design.
Dans le milieu de la balnéothérapie, l'électronique gérant les pompes à eau pour les baignoires voit des isolements pouvant atteindre les 8 kV entre le primaire et les fonctions électroniques de commande. L'étanchéité à l'eau impose des boîtiers composites.
Dans d'autres environnements, comme l'électronique installée dans un véhicule de course, l'isolement est plutôt fonctionnel : il permet d'éviter d'éventuelles pollutions par des retours de courant au châssis et là aussi le poids est un ennemi.
Dans le milieu de la mesure qualitative et du traitement de l'eau, les équipements sont souvent développés avec des structures en composite qui évitent le risque de corrosion du métal.
Cet article explique la problématique des systèmes électroniques sans boîtier métallique. En effet, la règle de l'art habituelle qui consiste à référencer les électroniques au châssis devient impossible. La qualité des découplages d'entrée / sortie se trouve dégradée par couplage dans l'air. Ensuite sont abordés les artifices à mettre en place en donnant les règles de l'art établies par l'expérience.
Équipotentialité : equipotential bonding
Terme définissant une même référence pour plusieurs électroniques, installée ou pas sur une même carte et dialoguant ensemble. Cette référence doit être la même pour tous les acteurs à toutes les fréquences de perturbations.
Écran électrostatique : shielding plate
Tôle ou feuillard conducteur utilisé afin d'améliorer l'écoulement des perturbations en haute fréquence et par réciprocité de diminuer les couplages de perturbation directement sur un circuit imprimé.
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Conception en boîtier composite
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1. Analyse de la problématique CEM en l'absence de boîtier métallique
L'absence de structure métallique complique la situation d'un équipement électronique. En effet de nouveaux couplages apparaissent dès lors que le boîtier est en composite non métallisé.
Un équipement en boîtier métallique étanche aux ondes électromagnétiques voit le spectre se diviser en deux lors des agressions en champ électrique. Dans le bas de la bande de fréquence (entre quelques MHz et quelques centaines de MHz), ce sont les câblages qui sont agressés. Dans les gammes de fréquence supérieures, ce sont les éventuels effets de fentes qui apparaissent. Un boîtier correctement traité avec des effets de chicane ou de couteau au niveau du boîtier ou la mise en place de joints conducteurs permettent une bonne étanchéité aux ondes électromagnétiques de petite longueur d'onde.
En boîtier composite, donc en l'absence de blindage, toutes les parties de l'électronique peuvent être agressées individuellement.
Une nappe, une carte fille mal référencée, une équerre de maintien mécanique sont autant de parties sur lesquelles les champs peuvent se coupler. Très haut en fréquence il est même possible de coupler les champs électriques directement sur les pistes de circuit imprimé ou des composants sensibles.
Les couplages par impédance commune deviennent prépondérants. En effet la référence de masse entre deux cartes électroniques reliées par une nappe est réalisée seulement par le fil de 0 V présent dans cette nappe.
1.1 Exemple de calculs pour un cas concret
La figure 1 donne un exemple concret de la situation en coffret non blindé. La nappe servant à la communication entre les deux cartes réalise aussi à elle seule la transmission de la référence de potentiel. En cas d'agression en champ électrique, une différence de potentiel va apparaître entre les deux cartes.
Démonstration
Imaginons que la nappe mesure 12,5 cm. Dans le cas de deux cartes, distantes de 10 cm, éloignées de toute référence mécanique, les capacités parasites interviennent peu dans la circulation des courants. Le mode de résonance pris pour le calcul est le quart d'onde (λ / 4), ce qui donne une longueur d'onde λ de 50 cm.
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Calcul de la meilleure fréquence de résonance :
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BIBLIOGRAPHIE
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
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Compatibilité électromagnétique (CEM) – Partie 4-2 : techniques d'essai et de mesure – Essai d'immunité aux décharges électrostatiques - EN 61000-4-2 - (éd 2009)
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