La C.E.M. ou Compatibilité Electro Magnétique

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Description détaillée

La compatibilité électromagnétique (CEM) définie l'aptitude d'un appareil ou d'un système électrique ou électronique à fonctionner correctement dans son environnement électromagnétique tout en ne produisant pas lui-même des perturbations électromagnétiques pour tout ce qui se trouve dans cet environnement.

Le tout étant une recherche de compromis que l'on peut résumer ainsi :

• Ne pas « trop » déranger ce qu'il y a autour.
• Supporter un niveau « raisonnable » de bruit de l'environnement.

Les bruits électromagnétiques et radioélectriques sont le résultat de tous les courants électriques induisant une multitude de champs et signaux parasites.

La norme CEI 61000 de la Commission électrotechnique internationale établit des limites aux perturbations électromagnétiques tolérables dans un réseau électrique.

Le surcoût de l'équipement pour mise en conformité représente 2 à 10% du prix de revient de l'équipement.

Dans de nombreux domaines d'activité, l'action des perturbations électromagnétiques sur les systèmes électroniques peut entraîner des dysfonctionnements susceptibles de générer des risques. C'est pourquoi la validation de la compatibilité électromagnétique (CEM) des systèmes, qui suit les phases de conception et développement, est basée sur l'application de normes bien définies.

La compatibilité électromagnétique s'articule autour d'un système «coupable» et d'un (ou des) système(s) « victime(s) ».

Il existe donc des normes relatives à chacun des deux types de systèmes mentionnés ci-dessus :

• Les normes d'émissivité pour les « coupables ».
• Les normes d'immunité pour les « victimes ».

Les références sont régulièrement publiées dans le Journal Officiel des Communautés Européennes.

Comme les équipements industriels, les automobiles sont de plus en plus équipées de sous-ensembles électroniques, dont les dysfonctionnements de certains d'entre eux ont des conséquences directes sur la sécurité des utilisateurs et des autres usagers de la route (ABS, ESP, régulateur de vitesse, moteur, freinage, suspension, airbag, etc).

Alerté du risque élevé dû à la probabilité d'occurrence et la gravité des évènements dangereux, le Conseil des Communautés Européennes a émis une directive spécifique CEM s'appliquant aux véhicules. Elle complète une directive existant précédemment et l'élargit, en incluant l'aspect immunité ; elle décrit les essais à réaliser et les exigences essentielles.

Les premières fonctions contrôlées sont celles qui sont primordiales pour la sécurité des passagers et des autres usagers de la route. Les essais préconisés sont plus sévères que ceux relatifs aux machines.

Lors des tests, les bandes de fréquence sont élargies et les niveaux de perturbation à appliquer sont deux à trois fois plus élevés. En plus, les constructeurs vont effectuer des essais dont le niveau de sévérité peut par exemple, pour les perturbations rayonnées, être vingt fois supérieur à celui préconisé par la norme relative aux équipements industriels.

Quelques points techniques:


1/ Il existe donc deux types de phénomènes:

• Les émissions ou perturbations désignent les signaux (volontaires ou non) dont la propagation est de nature à nuire au bon fonctionnement des objets ou à la santé des êtres vivants situés au voisinage.
• La susceptibilité désigne un comportement d'un appareil, en réponse à une contrainte externe (volontaire ou non, naturelle ou artificielle), jugé incompatible avec une utilisation normale. Le contraire de la susceptibilité est l'immunité.
  
  Qu'il s'agisse d'émission ou de susceptibilité, le phénomène ne se produit (ou gène) que s'il y a, simultanément :

• une « source » (d'un signal parasite) ;
• une « victime » (vulnérable au signal parasite) ;
• et un couplage entre les deux. 

Si un de ces éléments est absent, la CEM est restaurée.

2/ Généralités sur le couplage

• Couplage par rayonnement : champ électrique, champ magnétique, champ électromagnétique (généralement des hautes fréquences (>30Mhz) entraînant des perturbations des équipements).
• Couplage par conduction : transmission du signal par un conducteur : tous matériaux conducteurs, du fil électrique du faisceau à la tuyauterie hydraulique. (généralement des basses fréquences (0 à 5Mhz) pouvant aller jusqu'à la destruction des équipements).

• La frontière entre les deux est en partie arbitraire. Dans certaines normes certains couplages par champ électrique ou magnétique sont considérés comme « conduction » (entre 1 et 30Mhz il y a chevauchement des couplages).

   

  3/ Rayonnement et conduction

   

  Une onde électromagnétique se caractérise par l'oscillation d'un champ électrique E (généré par la différence de potentiel existant entre deux conducteurs soumis à une tension électrique) et d'un champ magnétique H (généré par un courant électrique parcourant un conducteur).

  
  L'onde est caractérisée par sa fréquence F ou sa longueur d'onde L.
  L = Co / F avec Co vitesse de la lumière = 300 000 km/s.

  
  Plus la fréquence est élevée (plus la longueur d'onde est petite), plus les conducteurs se transforment en antenne d'émission. Donc, plus un conducteur se rapproche des dimensions idéales pour créer une antenne (fraction entière ou multiple de la longueur d'onde), plus il rayonne de l'énergie sous forme d'ondes électromagnétiques (et donc induire un courant parasite sur un conducteur).

   

  Les principaux perturbateurs sont :

   

  -         la foudre ;

  -         les émetteurs hertziens ;

  -         les circuits numériques ;

  -         les appareils H.F ;

  -         les composants électromécaniques ;

  -         les lampes à arc ;

  -         les postes à souder ;

  -         la décharge électrostatique (ESD) ;

  -         l'allumage des véhicules...
     

  Ces perturbations se propagent par le biais des phénomènes de couplage.

   

  4/ Détails sur les modes de couplage :

   

  Par exemple dans le système suivant :

Quand un ou des équipements «sensible(s)» (calculateur ou capteur à faible courant) sont alimentés par une source d'énergie électrique commune à plusieurs équipements (alternateur, batterie, module de puissance, etc.) les perturbations engendrées par les équipements de «puissance» (moteurs, ampoules, injecteurs, etc.) lui sont transmises par les lignes d'alimentation communes.

Il existe un autre type de couplage par conduction dans les circuits de masse. En effet, les conducteurs de masse électronique (carte ...) sont tous raccordés à la masse de l'installation du véhicule par des «conducteurs» électriques d'impédance «Z» non nulle.

Il en résulte une différence de potentiel entre les masses. Ces différences de potentiels provoqueront la circulation de courants perturbateurs dans ces différents circuits.

Des couplages par rayonnement et des perturbations dans l'air peuvent également engendrer des dysfonctionnements d'appareils voisins.

En résumé, on trouve les liaisons et modes de couplages associés suivants :

Pour la conduction :

- Le courant de mode différentiel (ou mode série) se propage sur l'un des conducteurs, passe à travers l'appareil, y générant ou non des dysfonctionnements et revient par un autre conducteur. On dit qu'une tension est appliquée en mode symétrique (ou différentiel) à cet appareil si la tension est présente entre les deux conducteurs.

=> Pour éviter les problèmes de CEM, il suffit que les deux conducteurs soient suffisamment proches.

- Le courant de mode commun se propage sur tous les conducteurs dans le même sens et revient par la masse au travers des capacités parasites. Le courant de mode commun ne fait pas un aller-retour par le même câble. Ce courant va revenir, une fois dans la "masse", jusqu'à l'origine qui peut être un appareil, une alimentation, etc... Le circuit est ainsi bouclé.

=> On peut aussi réduire les perturbations de mode commun en maintenant les câbles d'entrée le plus près possible de la masse du système, et en enfilant dans les câbles des torres de ferrites prévus à cet effet. On peut aussi utiliser des câbles blindés, dont le blindage sera connecté à la masse ou au boîtier métallique de l'appareil.

Le passage du courant de mode commun étant difficile à déterminer, il est le principal problème dans la CEM.

Pour le rayonnement :

Le couplage par rayonnement se propage dans l'air et se retrouve sous deux types :

- Couplage inductif :

Un courant circulant dans un conducteur électrique crée un champ magnétique qui rayonne autour du conducteur. Mais pour venir perturber, il faut que celui-ci soit élevé. La source principale de perturbation de ce type vient principalement des circuits «puissances». Ce champ magnétique viendra créer des courants induits sur les conducteurs alentours.

- Couplage capacitif :

Il existe toujours une capacité non nulle entre un circuit électrique (câble, composant ...) et un autre circuit proche (conducteur, masse ...).

Une différence de potentiel variable entre ces deux circuits va générer la circulation d'un courant électrique de l'un vers l'autre à travers l'isolant (air, plastique, etc.) et former ainsi un condensateur nommé « capacité parasite ».

Plus la fréquence de la tension aux bornes de la capacité parasite est élevée (signal numérique), plus le courant parasite est élevé.

=> Par exemple, lors de la conception de cartes électroniques, pour éliminer ce type de phénomène sur des liaisons parallèles, on intercale une liaison à la masse entre chaque ligne de signal (plan de masse).

5/ Tests

On distingue quatre catégories de tests:


- Test d'immunité en mode conduit.
- Test d'immunité en mode rayonné.
- Test d'émission en mode conduit.
- Test d'émission en mode rayonné.

Pour éviter les influences électromagnétiques externes, le site de test est une chambre anéchoïque (pour les essais de perturbations rayonnées) :

Ou alors, le site est une cage de Faraday (pour les essais de perturbations conduites) :

Lors de la conception des équipements les constructeurs respectent les normes basées en général sur :

- ISO 11452-x et CISPR 25 (Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques).

Tests d'immunité :

Afin de valider les équipements, une série d'essais d'immunité est réalisée:

- L'appareil (ou véhicule) en test est soumis à des champs électromagnétiques générés à partir de générateurs, amplificateurs et antennes.

- L'ensemble du spectre électromagnétique est balayé en général jusqu'à 2,5GHz voir 5GHz avec un niveau de champ requis par la norme correspondante.

- Si on observe un dysfonctionnement de l'appareil (ou véhicule) en test, on dit alors qu'il est susceptible. Il existe des techniques pour modifier la conception de l'appareil afin qu'il soit conforme à la norme.

- La CEM va déterminer : les écarts entre câbles, les compositions des câbles, les filtres à installer sur les équipements, la structure mécanique entourant l'équipement, etc.

/ ! Si les essais prévus par les normes ne décèlent pas de dysfonctionnement et par conséquent permettent de vérifier que le niveau d'immunité est respecté, ils ne permettent pas de connaître le niveau de susceptibilité de l'appareil.

Trois classes générales sont spécifiées pour définir le degré d'immunité à respecter par l'appareil sous test:


- Classe 1 : champ de 1 V/m.
- Classe 2 : 3V/m.
- Classe 3 : 10V/m.

La majorité des appareils électroniques ont un niveau d'immunité aux champs électromagnétiques rayonnés de 3 V/m pour les fréquences de 80 Mhz à 2.5 GHz. Mais les appareils utilisés dans les automobiles (en environnement très pollué) ont un niveau d'immunité bien supérieur : 200 V/m, comparé à 10 V/m pour les équipements industriels de classe 3 (surtout pour les ensembles de gestion moteur, sécurité active et passive).

Tests d'émission :

Pour les tests d'émission (dans le même type de site), il existe deux classes en fonction de la distance de protection (limite à partir de laquelle le champ électromagnétique perturbateur n'a plus d'incidence sur l'environnement) :

- Classe A : distance de protection de 30 m.
- Classe B : distance de protection de 10 m (matériels de grande diffusion).

Pour limiter les perturbations les constructeurs respectent les pratiques suivantes :

- Choisir des composants minimisant les forts di/dt (variations de courant) ou dv/dt (variations de tension).

- Effectuer une bonne implantation et éviter de mélanger les fonctionnalités (partie logique et partie puissance séparée).

- Faire un câblage au plus court.

- Utiliser pour les petits signaux analogiques du fil torsadé ou du câble blindé.
- Placer des filtres sur les alimentations.

- Multiplier les filtrages passe-bas (toutes entrées de capteurs, pour éliminer les fréquences parasites sur la ligne signal).

- Soigner la continuité électrique (soudures, connectique...).

- Eviter la proximité entre des câbles de nature et de fonction différente (courants forts et courants faibles, analogiques et numériques...).

- Faire de bonnes mises à la masse (plan de masse sur circuit imprimé...).

- Eviter les boucles (ne pas partager une ligne d'alimentation (+ et -) pour des boîtiers sensibles ou générant des perturbations : bobines d'allumage, ampli d'antenne, etc.).

- Soigner l'habillage (choix du coffret, ouverture, connecteurs, implantation...).

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Méthodes et pratiques

Toute activité nécessitant une intervention au voisinage du réseau électrique ou électronique du véhicule est impacté par les règles régissant la C.E.M.

Le travail sur les réseaux électriques-électroniques automobiles en tenant compte des contraintes de la C.E.M, impose de respecter des règles de mise en sécurité des équipements : pose, dépose, réparation et installation de tout équipement.
Par exemple :

• Pas de soudure carrosserie sans débranchement de la batterie et des calculateurs proches.
• Respecter les passages de faisceaux définis.
• Recréer les torsades.
• Eviter la proximité entre des câbles de nature et de fonction différente (courants forts et courants faibles, analogiques et numériques...) lors de la pose d'accessoires de seconde monte
• Attention à la localisation des antennes et de leur faisceau

On peut définir les méthodes suivantes:

• Spécificités au niveau du post équipement :

1. L'installation et l'utilisation de tout émetteur embarqué de 2^ème monte ou tout autre équipement de 2^ème monte, ne doivent pas gêner la visibilité, la vigilance du conducteur, ni dégrader les performances homologuées du véhicule en matière de sécurité, prestation ou équipement validé par le constructeur en première monte.
2. Ils doivent laisser libres les accès aux commandes et équipements de première monte et ne pas pénaliser les temps d'intervention en après vente.

• Spécificités au niveau des antennes :

1. Poser les antennes sur le pavillon, le coffre ou le hayon, sur un plan de masse conducteur et à 20 cm minimum de tout rebord (montants verticaux, ouverture de toit, trappe de réservoir, vitrages, etc.) ou faisceau ou calculateur ou capteur (si deux antennes côte à côte, elles doivent être séparées d'une longueur équivalente à la hauteur de l'antenne la plus grande).
2. Respecter les préconisations du fournisseur et vérifier qu'il y a bien un marquage « CE » ou « e » pour les antennes avec amplificateur.
3. L'antenne doit être posée verticalement sur le plan de masse et centrée sur celui-ci (si la zone de pose est isolée du plan de masse véhicule : créer une continuité avec la masse véhicule, sauf indication contraire).
4. Zone de pose la plus plate possible et de rayon équivalent à la hauteur de l'antenne (pour les antennes trop grandes : privilégier des antennes hautes performances plus courtes).
5. Bien être sûr de la continuité électrique entre les masses de blindage sur toute la ligne reliant l'antenne au système de réception (calculateur).

• Spécificités au niveau des faisceaux

1. Si faisceaux d'antennes : longueur la plus courte possible entre l'antenne et le boîtier récepteur, éviter le plus possible les épissures ou connecteurs mais privilégier des câbles d'un seul tenant.
2. Respecter un écartement de 5 cm pour tout faisceau antenne devant passer proche d'un calculateur.
3. Ne pas modifier les parcours de faisceaux d'origine du véhicule ni leur forme (torsade, épissure, bouclage).
4. Ne pas faire passer les câbles d'alimentation d'amplificateur, ou de modules de puissance, proches de calculateurs, capteurs et de faisceaux faible courant.
5. Les remises en conformité des faisceaux varient selon les constructeurs : réparation avec kit ou soudure ou alors remplacement.
6. Avoir des câbles d'alimentation spécifiques pour les systèmes émettant un rayonnement (radar, téléphone, GPS, etc.) et torsader le câble de + et de masse entre l'émetteur et le point de départ.
7. En général, il n'est pas autorisé de créer des points de raccordement supplémentaires au niveau de boîtiers électroniques d'origine, du réseau multiplexé du véhicule, ou d'élément rayonnant d'origine (capteur ultrason, etc).

• Spécificités au niveau des calculateurs

1. Tout boîtier métallique doit être relié à la masse châssis, soit par contact direct, soit par une tresse de masse reliée à la masse la plus proche.

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Impact sur les compétences en atelier

• Maintenance : respect des normes constructeurs et équipementiers sur les réparations et remises en conformité des systèmes.
• Carrosserie peinture : respect des préconisations pour les interventions nécessitant des travaux de soudure.
• Installateur : respect des normes et des consignes des constructeurs et des fournisseurs de matériels de seconde monte.

De manière générale,
Les intervenants doivent:

• Être en mesure de câbler le système concerné si les éléments sont déposés
• Identifier les zones de pose correctes
• Respecter les consignes de dépose/repose

Les techniciens doivent:

• Être en mesure de réaliser des diagnostics des systèmes embarqués de tous types
• Être capable de réaliser le remplacement des éléments et de réaliser les apprentissages/initialisations requises

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Exemple d’outillage approprié

Outil de diagnostic
Oscilloscope
Multimètre
Kits de réparations homologués par les constructeurs