Compatibilite Electromagnetique

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1 / 51 1.1. DEFINITION, CONCEPTS, ORGANISMES DE REGLEMENTATION ET NORMES TECHNIQUES Définition : La Compatibilité Electromagnétique (CEM) représente l'aptitude d'un système à fonctionner dans son environnement et sans produire lui-même des perturbations électromagnétiques intolérables pour tout a qui se trouve dans cet environnement. Concepts : Système électrique/électronique (fig. 1) Ensemble d'équipements (capteurs, actionneurs, unités de dialogue compris) qui participent à la réalisation d'une fonction définie. Environnement électromagnétique (fig. 2) Ensemble des phénomènes électromagnétiques existant à un endroit donné. Perturbation électromagnétique 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. La perturbation représente la conséquence d'un transfère non- intentionel d'énergie électrique dit interférence électromagnétique.

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    1.1. DEFINITION, CONCEPTS, ORGANISMES DE

    REGLEMENTATION ET NORMES TECHNIQUES Dfinition :

    La Compatibilit Electromagntique (CEM) reprsente l'aptitude d'un systme fonctionner dans son environnement et sans produire lui-mme des perturbations lectromagntiques intolrables pour tout a qui se trouve dans cet environnement.

    Concepts : Systme lectrique/lectronique (fig. 1)

    Ensemble d'quipements (capteurs, actionneurs, units de dialogue compris) qui participent la ralisation d'une fonction dfinie.

    Environnement lectromagntique (fig. 2)

    Ensemble des phnomnes lectromagntiques existant un endroit donn.

    Perturbation lectromagntique

    Tout phnomne lectromagntique susceptible de dgrader les performances d'un dispositif, unit d'quipement ou systme. Une perturbation lectromagntique peut tre un bruit lectromagntique, un signal non-dsir ou une modification du milieu de propagation lui-mme.

    La perturbation reprsente la consquence d'un transfre non-intentionel d'nergie lectrique dit interfrence lectromagntique.

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    Fig. 2 - Environnement lectromagntique dun quipement lectrique

    Immunit une perturbation

    L'aptitude d'un appareil ou d'un systme fonctionner sans dgradations de qualit en prsence d'une perturbation lectromagntique.

    Niveau d'immunit

    La valeur d'essais spcifie dans les normes (en dB). Susceptibilit

    La manque d'immunit. Relations quantitatives: Voir fig. 3a, 3b. Niveau de perturbation (d'mission)

    Reprsente le niveau qui peut tre dpasse dans des trs petits nombres de cas (5%, 2%) tenant compte de la distribution statistique de perturbation.

    Niveau de compatibilit lectromagntique

    Reprsente le niveau maximal spcifi des perturbations auquel on peut s'tendre que soit soumis un dispositif.

    Marge de compatibilit lectromagntique

    Mc est la diffrence (en dB) entre le niveau d'immunit d'un systme et la limite d'mission de la source. Dans cette marge on trouve le niveau de compatibilit.

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    Fig. 3b - Relation entre les diffrents niveaux dune perturbation

    lectromagntique compte tenu des distributions statiques.

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    Marge d'mission Me est la diffrence (en dB) entre le niveau de compatibilit et la

    limite d'mission. Marge d'immunit

    Mi est la diffrence (en dB) entre la limite d'immunit et le niveau de compatibilit.

    Units de mesure utilises en CEM : Tension lectrique

    [ ] [ ] VdBVsiVV m

    m1log20 10=

    Courant lectrique

    [ ] [ ] AdBAsiII m

    m1log20 10=

    Champ lectrique

    [ ] [ ]E E siVm

    dB V m= 20 110log mm

    Champ magntique

    [ ] [ ]H H siAm

    dB Am= 20 110log mm

    Exemple :

    V mV= 100 => V dB V= =

    -

    -20100 10

    1010010

    3

    6log m

    I A= 1 => I dB A= =-201

    1012010 6log m

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    1.2. ANALYSE DE COMPATIBILITE

    ELECTROMAGNETIQUE

    Schmatisation d'une interfrence lectromagntique est montre sur la figure 4.a.

    La source est caractrise par le niveau des perturbations P [dB]. Le couplage assure le transfert de l'nergie de perturbation avec un affaiblissement A [dB]. La victime (le dispositif rcepteur) est caractrise par le niveau d'immunit I [dB]. But de l'analyse CEM - valuer la marge de compatibilit M :

    ( ) [ ]dBPAIAPIM -+=--=

    Recommandation: M > 20 dB

    pour chaque source et type de couplage

    Dcision: M > 20 dB

    compatibilit assur

    M < 20 dB ou M < 0 alors on considre le facteur temps et la pondration

    Conclusion: M > 0

    compatibilit assure pour des priodes considrs

    M < 0 on value les risques et on prend des mesures

    Critres de performance pour caractriser l'immunit:

    A - Le systme fonctionne conforme l'usage, sans erreurs ou

    dgradation des performances spcifies. B - Le systme fonctionne conforme l'usage aprs le test mais

    pendant l'essai on peut avoir des erreurs. C - Le systme perde temporairement la capacit de fonctionnement ;

    aprs le test on revienne lui-mme en bon tat ou suite une manoeuvre de l'oprateur.

    D - Le systme perde completement la capacit de fonctionnement ; il est detruit.

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    1.3. LES MODES DE PROPAGATION DES

    PERTURBATIONS

    Les perturbations sont transmises (fig. 4.a) de la source vers le rcepteur (la victime) par le champ lectromagntique sous diffrents formes dites couplages (fig. 4.b) :

    Fig. 4.a - Scheme dinterference

    perturbationsconduitesproduites parle reseau

    par reseauconduction

    conductionliaisos a la

    parterre

    inductionmagnetique

    radiationentrecarcasses radiationentre

    conducteurs designal

    Couplage capacitif

    Source

    SystmeVictime

    Aquisitiondonnees

    SensorsBoite dialogue

    radiationpar carte secteurreseau

    Fig. 4.b - Schematisation des couplages

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    Couplage par conduction Interaction transmise par le rseau d'alimentation, par les

    conducteurs de mesure, commande, contrle (signaux) ou par les liaisons de masse ou de terre (couplage par impdance commune).

    Couplage par induction magntique

    Suite l'interaction d'un champ perturbateur sur une boucle conducteur du rcepteur (couplage par champ magntique).

    Couplage par induction lectrique

    Suite l'interaction d'un champ lectrique perturbateur par l'intermde des capacits parasites entre la source et le circuit perturb (couplage capacitif).

    Couplage par rayonnement lectromagntique

    Suite la propagation du champ lectromagntique produit par la source et rceptionn par la victime en qui devienne antenne.

    SIGNAUX D'INTERFERENCE - voir figure 5

    Fig. 5 - Signaux dinterference

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    Signal de mode difrentiel Interfrence de conduction qui se propage (va et vient) entre les

    conducteurs d'interconnexion d'quipements; il est peru par la victime comme signal utile!

    Signal de mode commun

    Interfrence de conduction qui se propage sur les deux fils de signal utile avec le retour par la terre. Si les impdances parasites Z A et ZB entre les fils sont diffrentes, Z ZA B , alors un signal de mode commun produit un signal diffrentiel: ( )V I Z Zi CM A B= - .

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    2.1. ORGANISMES DE REGLEMENTATION, NORMES

    La Commission Electrotechnique Internationale (CEI) a cre

    organismes spciaux: le Comit International Spcial des Perturbations Radiolectronique

    (CISPR) qui labore des normes CISPR ; le Comit Technique 77 - Compatibilit Electromagntique qui

    labore les normes CEI. En Europe, la Communaut Economique Europenne a cre le

    Comit Europen de Normalisation en Electrotechnique (CENELEC) : La Directive Europenne nr 89/336/CEE, en application de 28

    octobre 1992 (avec 4 ans de transition) impose les normes CEE au niveau des pays de la communaut.

    Les normes europennes sont notes EN, elles sont compatibles

    avec les normes CEI. En France, les normes nationales sont notes NF-C, en Roumanie SR, aux Etats Unies FCC.

    Exemples - Normes gnrales CEM

    CEI 1000-1 EN 61000-1

    1re Partie Gnral - Dfinitions

    CEI 1000-2 EN 61000-2

    L'environnement lectromagntique

    CEI 1000-3 EN 61000-3

    Limites (missions et immunit)

    CEI 1000-4 EN 61000-4

    Mthodes d'essais et de mesure

    CEI 1000-5 EN 61000-5

    Guide d'installation

    CEI 1000-9 Divers

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    2.2. SOURCES DES PERTURBATIONS

    ELECTROMAGNETIQUES Sources d'origine naturelle

    la foudre, le bruit solaire Sources de l'activit humaine

    metteur radio, TV, radar, micro-ondes utilisation de l'lectricit (transitoires, alimentation dcoupage) dcharges lectrostatiques

    2.2.1. BREF DESCRIPTION DES SOURCES La foudre

    Dcharge due l'lectricit statique accumule par le nuage ; phnomnes complexes, incompltement connus. Valeurs typiques :

    - courants 10100 KA crte, - dure: front 1020 mS ; queue - 100 mS

    Une explication simplifie en trois tapes (voir la figure 6) : pr-dcharge (prcurseur par pas) avance par bonds ; prcurseur continu du nuage au sol ; arc en retour (sol-nuage) grande vitesse (c/3) et luminosit.

    Fig. 6 - La foudre (prsentation schematique)

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    La foudre (suite) Normalisation (voir la figure 7) :

    - onde de tension 1,2/50 mS - onde de courant 8/20 mS

    Emetteurs de tlcommunication (voir le tableau 1)

    Puissance : quelques W (radiotlphone) jusqu' MW (radars) Bandes de frquences bien prcises par l'Union Internationale de Tlcommunications (U.I.T.)

    Emetteurs industriels, medicaux et domestiques (voir le tableau 2)

    Puissance : quelques 10 W jusqu'au quelques 100 KW Bandes de frquences bien prcises par U.I.T. (par exemple : 6,78 ; 13,56 ; 27,12 ; 40,68 MHz)

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    Impulsion lectromagntique nucleaire (I.E.M.N.) Apparat suite une explosion d'une bombe atomique ; l'on

    considre (dans le domaine civil) une explosion en haute altitude (>50 km). L'effet lectromagntique: un champ produit sur des vastes surface (un pays). Modlisation : onde biexponentielle 5/200 ns, amplitude 50kV/m, des autres effets magntiques sont aussi envisags.

    Sources des parasites ds lutilisation de llectricit

    Lignes lectriques haute tension les perturbations de 50 Hz :

    - champ lectrique au sol (7kV/m), - champ magntique (1014mT/KA 15 m d'axe),

    les perturbations haute frquence (ex. 3070 mV/m 500Hz) : - l'effet couronne, - les aigrettes en effleuves dans les zones du champ

    intense, - les microarcs de type clateur.

    Phenomenes de commutation

    Fermeture et coupure des circuits : - surtensions et surcharges fermeture des condensateurs

    (voir la figure 8), - coupure des charges inductives avec arrachement (voir la

    figure 9).

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    Perturbations conduites a basse frequence (harminiques)

    Provoques par les charges non-lineaires : - clairage fluorescent (lampes dcharge), - convertisseurs statistiques (redresseurs, onduleurs) - voir

    la figure 10. Traction electrique (a courant continu ou alternatif)

    Ncessite un traitement spcifique.

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    2.2.2. CARACTERISATION DES SIGNAUX D'INTERFERENCE

    Les signaux dterministes peuvent tre reprsents : - dans le domaine temporal f (t) - dans le domaine frquentiel A (w), r(w)

    Approche ncessaire: -circuits avec lments concentr si e = lmin 10 -circuits avec constantes localiss (ligues longues) dans l'autre cas. Exemples caractristiques (voir la figure 11)

    L'onde trapzodale (voir la figure 12) La formule generale : ( ) ( )x t C C n tn n

    n

    a

    = = +=

    0 012 cos v r

    La valeur moyenne : C A T0 = t

    Les harmoniques: ( )2 2C A Tn

    Tn

    T

    nT

    nT

    n

    r

    r=

    t pt

    pt

    pt

    ptsin sin

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    Si on connat la caractristique A(f) on peut reconstituer un signal trapzodal:

    La frquence fondamentale : f0 0,64 A La dure moyenne du signal : t

    p=

    1

    1f

    La dure de monte : tpr f

    =1

    2

    f1 et f2 tant les frquences de cossue des asymptotes 20 et 40 dB/dcade.

    Observation :

    Soit un conducteur de longueur l et un signal avec le temps de mont tr. Si tr > 2l/c, alors le circuit a les lments concentr. Sinon, on devra considrer le conducteur commun une ligne longue.

    Exemple: tr = 4ns et l = 1 m ligne longue!

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    TABLEAU 1.- Principaux metteurs de tlcomunication.

    FREQUENCE

    UTILISATION PUISSANCE MAXIMALE ORDRE DE GRANDEUR DU CHAMP A

    PROXIMITE DE L'EMETTEUR

    < 130 kHz Balises maritimes 150 kHz Radiodiffusion grandes

    ondes et Radionavigation quelques MW 150 dB (V/m) 500 m

    500 kHz Radiodiffusion ondes moyennes

    quelques 100 kW

    145 dB (V/m) 200 m

    1600 kHz

    Comunication MF et HF (marine, aviation, militaire) Radiodifusion ondes courtes

    quelques 10 kW

    quelques 100 kW

    123 dB (V/m) 500 m 130 dB (V/m) 500 m

    27/1000 MHz Talkie - Walkie Radiotlphones privs et

    services publics C.B. (27 MHz)

    quelques W quelques 10 W

    140 dB (V/m) 1 mtre 130 dB (V/m) 30 m

    87/108 MHz Radiodiodiffusion modulation de frquence

    quelques 10 kW 130 dB (V/m) 200 m

    176/223 MHz Tlvision VHF quelques 10 kW 125 dB (V/m) 200 m 108/144 MHz 328/335 MHz 960/1215 MHz

    Emeteurs VHF et UHF aronautiques et maritimes,

    balises

    10 50 W 100 dB (V/m) 200 m

    470/862 MHz Tlvision UHF quelques 10 kW 120 dB (V/m) 200 m 1 GHz Radars quelques MW (*) 146 dB (V/m) 1 km

    2 40 GHz Tlcommunications hyperfrquences

    Faisceaux hertziens

    quelques W 70 dB (V/m) 1 km

    (*) On peut obtenir des puissances de crte de l'ordre de GW.

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    TABLEAU 2.- Emetteurs industrials, mdicaux et domestiques frquence radiolectrique. APPLICATION FREQUENCE PUISSANCE MAXIMALE ORDRE DE GRANDEUR DU CHAMP RAYONNE

    Tables de cuisson induction domestiques

    quelques 10 kHz quelques kW 110 130 dB (V/m) 3 m (fondamental)

    70 100 dB (V/m) 3 m (harmoniques)

    HF mdical et paramdical fonctionnant clateurs

    (diathermie,massages,)

    spectre large quelques 10 kHz quelques 100 kHz

    quelques 10 W 70 100 dB (V/m) 3 m en ondes kilometriques

    Machines inductions pour traitement des mtaux

    100 600 kHz quelques 100 kW 90 110 dB (V/m) 3 m

    Chauffage dilectrique pour traitement des matires

    plastiques

    6,78 MHz 13,56 MHz 27,12 MHz 40,68 MHz

    quelques 100 W

    quelques 100 kW

    80 130 dB (V/m) 30 m

    HF mdical (diathermie, bistouri lectrique)

    27 MHz quelques 10 W 60 90 dB (V/m) 30 m

    Fours de schage (laine, bois) 27 MHz quelques 10 kW 80 110 dB (V/m) 30 m Tunnels de dconglation

    Strilisation 915 MHz

    (sous drogation) 2450 MHz

    quelques 10 kW

    quelques kW

    90 120 dB (V/m) 30 m

    Fours micro-ondes domestiques

    2450 MHz quelques 100 kW 80 110 dB (V/m) 3 m

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    3. TYPES DE COUPLAGE

    3.1. COUPLAGE PAR IMPEDANCE COMMUNE

    (GALVANIQUE OU PAR CONDUCTION)

    Couplage assur par les liaisons lectriques entre deux systmes : par l'alimentation commune, le rseau de terre et les capacits parasites entre les quipements et les masses mtalliques - voir la figure 13.

    Fig. 13 - Couplage par lment commun

    Modlisation - voir le schma quivalent sur la figure 14.

    Fig. 14 - Schma quivalent

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    Circuit 1 - perturbateur Le courant dans le circuit perturbateur est :

    IV

    R R ZV

    R RS C S C1

    1

    1 1

    1

    1 1=

    + +@

    +

    parce que Z R RS C

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    L'inductance: [ ]L L l H= 0

    o L0 = 1 mH/m est l'inductance linique Exemple:

    En basse frquence (BF) Soit une piste de 10 cm longueur et 1mm largeur.

    Le courant perturbateur I1 =1A courant continu et R = 50 mW. La tension perturbatrice est : V mVp = =-50 10 1 503 C'est trop pour une carte analogique bas niveau!

    En haute frquence (HF)

    Soit la mme piste parcourue par un courant 1 A 10 MHz. La tension perturbatrice est : V ZI fI Vp @ - = =2 6 28 10 1 6 287p , , parce que L>>R. La valeur est inacceptable pour une carte numrique.

    Observations

    - en courant continu et BF, l'inductance ne compte plus ; - en HF la section du conducteur n'a pas d'importance (suite

    l'effet de peau). Remdes

    - diminution de la rsistance commune, - sparation des circuits perturbateur et perturb, - liaisons de masse courtes et spars.

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    3.2. COUPLAGE PAR INDUCTION MAGNETIQUE

    (COUPLAGE INDUCTIF)

    Couplage du au phnomne dinduction produit par le champ magntique variable

    Loi de Faraday: ( )V t ddtp

    = -F

    o le flux magntique est: [ ] ==Fs s

    WbdSHSdH Jmmmm cos00

    S - tant laire de boucle du conducteur du circuit perturb (voir la figure 16)

    La tension perturbatrice dpend de la grandeur de laire A, de longle dincidence J , de la valeur du champ perturbateur et aussi de la vitesse de variation du flux magntique.

    ETUDE DE CAS : COUPLAGE ENTRE DEUX LIGNES SIMPLES Soit la disposition montre sur la figure 17.a avec le schma

    quivalent 17.b, ou :

    linductance mutuelle M : [ ]Mi

    H=F12

    1

    F12 tant la partie du flux produit par le courant i1 qui embrasse laire S du circuit perturb.

    En rgime sinusodal :

    ( )V R R I j L I j M IS C1 1 1 1 1 1 2= + + +w w ( )0 2 2 2 2 2 1= + + +R R I j L I j M IS C w w

    ~2V

    R 2S R 2C

    V~

    p

    H

    F ig . 1 6 L e c o u p la g e in d u c t if

    F V S

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    La fonction de transfert :

    II

    jM

    R R

    jL

    R R

    S C

    S C

    2

    1

    2 2

    2

    2 21

    = -+

    ++

    w

    w

    et le module reprsent sur la figure 18.

    Fig. 17 Cas de deux lignes simple cupls

    V1 ~

    RS1

    RC1

    RS2

    RC2

    a)

    I 1*

    *M

    H1

    L

    1

    M *

    ~V1

    *

    L

    2RS1

    I1

    I2

    RS2

    RC1RC1

    b)

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    En bassses frquences (BF) L'hypothse no. 1 - basses frquences : wL R RS C2 2 2

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    Le flux perturbateur: F = =+

    --

    +

    m m pm m

    p01 0

    12 21

    1rr

    d a

    d arI d

    rlI

    ad

    ad

    ln

    Linductance mutuelle: M la

    da

    d=

    +

    -

    m mp0

    21

    1ln

    Exemples Circuit perturbateur: courant 10 A, 50 Hz Circuit perturb: paire simple, 100m longueur avec une distance

    d'enterres 2a = 5 mm; impdance de source RS2 100= W

    Position : parallle a 5 cm distance entre les deux circuits

    Linductance mutuelle: M H= +

    -=

    -jpp

    m10

    2100

    1 2 5501 2 550

    27

    ln,

    ,

    La tension induite (basse frquence):

    $ , ,V mV dB VS = + = =-

    1010 10

    314 2 10 10 6 21 75 94

    4 26 m

    Variante : cbles joints d=1 cm de longueur l=500 m et courant

    I = 100 A 150 Hz $ , ,V V dB VS = +

    = =-10

    10 106 28 150 84 10 100 7 8 138

    4

    4 26 m

    Dans le premier cas on a une valeur acceptable pour une carte numrique; dans le deuxime cas cest inacceptable. LE CABLE BLINDE

    - construction coaxiale avec un conducteur centrale et une enveloppe en matriau conducteur (tresse flexible) ;

    - assure la rduction du couplage entre les lignes si les extrmits sont relies a le terre - voir la figure 20 ;

    - proprit remarquable : le champ produit du courant parcourant le blindage passe par la boucle dfinie par le conducteur intrieur et la masse; par consquence l'inductance mutuelle est gale a linductance du blindage : M LS=

    - l'intrieur de l'enveloppe le champ produit par la circulation du courant par celui-ci est nulle.

  • 25 / 51

    Conforment en model quivalent on peut crire:

    ( ) ( )R j L I j L I R I IS S S S G S+ - + - =w w 1 1 0 et la fonction de transfert est:

    II

    R j L R

    R R jL

    R R

    S GS

    G

    G SS

    G S

    1

    1

    1=

    +

    + ++

    w

    w

    Le module de cette fonction a une variation prsente sur la figure 21. En dessous de la frquence angulaire de cause R LG S/ le cble pert son efficacit.

    En haute frquence (au-del de quelques dizaines de MHz) il faut

    considrer l'impdance de transfre. La dfinition de l'impdance de transfre correspond en notations

    de la figure 22 : [ ]Z VI l mt iS= W

    Donc comme a on peut valuer la tension perturbatrice si un courant induit I S circule par l'cran ( l < l 2 ).

    Fig. 20 Cable blind

    ~V1 CR

    1I

    ~1V

    I 1

    RS

    *

    *M

    RG

    L1

    LS

    I-I1

    I S

    S

    Fig. 21 Le fonction de transfert

    1

    s

    II

    lg

    1

    decdB20

    SG

    G

    RRR

    +

    S

    G

    LR

    S

    SG

    LRR + wlg

  • 26 / 51

    Soit la disposition normale dusage dun cble coaxial et, suit a une perturbation extrieure un courant I S circule.

    Sur la charge on a une tension perturbatrice VMD ; en gnral R RG C= et donc:

    VV

    MDi=

    2

    En utilisant la notion de l'impdance de transfre on peut calculer la perturbation:

    VZ I l

    MDt S=2

    En basse frquence l'impdance de transfre est pratique la rsistance ohmique de la tresse; en haute frquence elle est indique par les producteurs.

    ~

    R1SI

    a)

    iV

    Fig. 22 Sur l'impedance de transfert

    IS~

    Vi

    RC VMD

    IS

    E , H

    b)

    RG

  • 27 / 51

    3.3. COUPLAGE PAR INDUCTION ELECTRIQUE

    (COUPLAGE CAPACITIF)

    Couplage d aux capacits parasites qui existent entre les circuits, contes lectroniques, carcasses, terre et masses - voir la figure 23.

    MODELISATION

    La ligne 1 nest pas charge ( I RC1 10@ ) pour le sparer de la situation dinduction magntique - voir la figure 24a.

    Le schma quivalent complet (approche circuit) est reprsent sur la figure 24.b

    L'lment de couplage cest la capacit parasite qui peut tre value par calcul avec les formules connues ou par la rsolution du problme de champ (approche champ).

    Fig. 24 Couplage capacitif

    ~1V

    CC

    RS1C C2

    1

    Z 1C SR 2 RC2

    b)

    SV

    V1 ~

    RS1

    RC1

    1C

    RS2

    2

    2C

    CC

    a)

    a) amplacementb) scheme

    RC

    Fig. 23 Les capacits parasites

    ~

    P

    N

    chasis chasis

    signel

    massepC

    1C

    pC

    2CpC

    cC

  • 28 / 51

    ETUDE EN FREQUENCE La fonction de transfert sobtient en ngligeant RS1, alors:

    ( )VV

    j R Cj R C C

    S C

    C1

    2

    2 21=

    + +

    ww

    Le module de la fonction de transfre est prsent sur la figure 26. Cas particuliers :

    En basse frquences (BF) Voir le schma quivalent sur la figure 25.a R R RS C2 2 2 , on ngligew wC C1 2, , La tension perturbatrice : V C R VS C@ w 2 1 en tant que R CC2 1w

  • 29 / 51

    ETUDE DE CAS : ETUDE EN REGIME TEMPORAL TRANSITOIRE Permet une bonne description de comportement dans des cas de

    signaux perturbateurs de commutation. Soit un signal perturbateur linaire croissant dans un temps tr ,

    comme il est montr sur la figure 27-a.

    Fig. 27 Signal perturbateur et rponse temporel

    En utilisant la transforme de Laplace, le signal est:

    ( ) ( )[ ]V p Vt p ptr r10

    2

    11= - -exp

    tenant compte aussi de superposition et de la rlation de Borel. Dans la fonction de transfre on change jw p et on obtient la

    rponse du systme lexcitation V1:

    ( )( )[ ]

    ( )V p CC C

    p

    p R C CV pS

    C

    C C

    =+ + +

    -2 2 2

    1 1

    En repassant dans le domaine temporel, on obtienne:

    ( ) ( ) ( )V t Vt R Ct

    tt t

    t tSr

    Cr

    r= - -

    - - -

    -

    -

    02 1 1 1 1exp expt t

    o ( )t = +R C CC2 2 est la constante de temps et 1(t) la fonction chelon unitaire : 1(t) = 0 pour t < 0, et 1 ailleurs.

  • 30 / 51

    La rponse est montre sur la figure 27-b et on peur voir que le maximum est:

    VVt

    R C tr

    Cr

    max exp= - -

    02 1 t

    Exemples: Soit un transformateur secteur avec la capacit parasite primaire-

    secondaire Cc = 100 pF soumis une surtension Vo = 3 kV avec tr = 50 ms. Le circuit secondaire a C2 = 20 pF et une rsistance de charge R2 = 1 MW.

    La valeur maximale de la tension:

    V Vmax exp=

    - -

    @-

    -3 1010 10

    10 10 110120

    24003

    66 10

  • 31 / 51

    3.4. COUPLAGE PAR RAYONNEMENT

    ELECTROMAGNETIQUE

    Le champ lectromagntique est produit par une source de radiations (oscillateur etc.) et se propage dans l'environnement.

    MODELISATION - LE RAYONNEMENT DU DIPOLE

    Le diple = paire des charges Q(t) et -Q(t) la distance h avec un lment de courant

    I(t) = Io cos wt = Re (Io ejwt).

    Soit les notations faites sur la figure 28.

    Fig. 28 - Dipole elementaire

    Soit b =w/g constante de phase et v = 1me

    vitesse de propagation

    Le potentiel scalaire : V Q h v eR R

    jj R

    = +

    -0

    41

    peb

    b

    cos

    et le potentiel vecteur : A I eR

    hij R

    Z=mp

    b

    4 0

    en coordonns sphriques (R, g, r),

    on obtient : H hI vR

    hIj

    vR

    e j Rjb

    p pb= +

    -02

    0

    4 4sin sin

    composante 12R composante 1R

    (champ proche) (champ rayonn)

  • 32 / 51

    CHAMP RAYONNE A GRANDE DISTANCE - voir fig. 29

    Fig. 29 - Le champ a grande distance de source

    HH

    HI h

    vje

    R

    R

    vj R

    ==

    =

    -

    00

    40

    j

    b

    pbsin

    et

    E

    EI h

    je

    RE

    R

    v

    j R=

    =

    =

    -0

    40

    0

    pwm J

    b

    j

    sin

    Donc H H i= j j et E E iv v= sont dans le mme plan normal sur la

    direction de propagation (onde plane). L'impdance de l'onde dans lair et le vide :

    EH

    = = =me

    p120 377W W

    CHAMP PROCHE - CHAMP LOINTAIN

    La variation de l'impdance de l'onde Z EH

    = est prsente sur la

    figure 30. Le champ est considr proche si R < l p2 Dans cette zone sont prdominantes les effets dinduction

    magntiques (dans les circuits basse impdance) ou les effets d'induction lectriques (dans les circuits haute impdance).

    Le champ est considr lointain si R > l p2

  • 33 / 51

    Fig. 30 Limpedance donde

    Exemples:

    f MHz[ ] l[ ]m lp2

    [ ]m

    1 300 47,7 3 100 15,9

    10 30 4,77 30 10 1,59 100 3 0,477 300 1 0,159

    1000 0,3 0,0477

    LA THEOREME DE RECIPROCITE

    La fonction de transfert entre deux structures rayonnantes est

    complment rciproque - voir la figure 31.

    F i g . 3 1 T h e o r e m e d e r e c i p r o c i t e

    ~

    21 1 2

    ~I 1

    V2 1V 1 2

    I

    2

    1

    21

    2

    12

    IV

    IV

    =

  • 34 / 51

    La fonction antenne mettrice ou rceptrice sont de mme type, donc une connexion courte peut rayonner ou peut rceptionner les parasites hautes frquences

    La tension aux bornes dune antenne (voir aussi la figure 32) : v E heffa = [ ] [ ] [ ]m mV V M m

    Si on utilise les units relatives : E V Ke= + Champ dterminer : [ ][ ][ ]dBVdBmVdB mm (donn par le constructeur

    dantenne) Pour une onde plane on peut dterminer aussi H :

    H E=1

    120p et 20 1

    120515310log ,p

    = - dB

    Alors :

    H V Ke= + - 5153,

    [ ] [ ] [ ]dB Am dB V dBm m Le calcul de la densit de puissance :

    p EZ

    =2

    0

    [ ][ ]

    Vm

    2

    W

    Z0 120= pW [ ]W m2

    76,145-= Ep [ ] [ ] [ ]dBW m dB V m dB2 m

    Va

    aZ

    eV RZChampE

    Antenne Recepteur demesure

    Valeur mesuree

    Fig. 32 Relativement a le mesure

  • 35 / 51

    Fig. 33 Antennes

    0,96

    blindage

    a)b)

    d)c)

    accord

    balun

    2l

    ANTENNES UTILISEES EN CEM On utilise une large gamme dantennes ; parmis les plus connues :

    diples accords - voir la figure 33-a

    La longueur des diples l = 0,96 l/2; plage recommande des frquences 30-300 MHz, adaptation par longueur.

    antenne boucle blinde - voir la figure 33-b

    Sensible aux champs magntiques et peu sensible aux champs lectriques parasites. Domaine de frquences : 10 KHz - 30 MHz; accord avec circuits passifs inductance - condensateur.

    antennes log priodiques (Yagi) voir la figure 33-c

    Bande de frquence 200 MHz - 1 GHz. antenne biconique voir la figure 33-d

    Peuve tre utilise trs prs source bande: 200 MHz - 1 GHz

  • 36 / 51

    3.5. PROBLEMES

    Problme 1

    Sur une carte lectronique il y a une piste conducteur o circule i1=I1sint [A]. En parallle, une boucle forme par un autre circuit - comme il est montr sur la figure 3.1 - subit l'influence du courant i1. Evaluez le rapport I2/I1 en fonction de la frquence en considrant Rs2=Rc2=50. i1 d Rs2 i2 Vp Rc2 2a V2

    l

    Fig. 1 Solution

    Calculons d'abord l'inductance de couplage M :

    nH

    dada

    lrM 48)

    06.005.01

    06.005.01

    ln(*1.0*2

    7104)1

    1ln(*

    20

    =-

    +-=

    -

    +=

    pp

    pmm

    Evaluation de l'inductance propre du circuit 2 : L2=L0 l=100 nH

    Le rapport de courant est donc:

    2

    2

    2

    1

    2

    1

    *

    RLjRMj

    II

    w

    w

    +-= ou

    R2=Rs2+Rc2

    ~

  • 37 / 51

    Alors : 99

    10*110*48.0

    12

    -

    -

    +-=

    ww

    jj

    II

    1

    2

    II

    M/L2=0.48

    2LM

    910 w Fig. 2 Conclusions En bases frquences :

    w 10 9 et I2 / I1 = 0,48 = constant Par example : f = 200 MHz et w = 1,2510 9

  • 38 / 51

    kWdtdif

    rrS

    em

    8,410

    1020502

    601042 6

    370 =

    == --

    pp

    pm

    Problme 2

    Supposons que le courant foudre circule dans un conducteur de descente de paratonnerre.

    Un quipement de commande avec son variateur de vitesse qui il appartient forme une boucle de surface S = 60 m2. Lisolement est assur par optocoupleurs comme on a montr sur la figure 3.3.

    Fig. 3

    Calculez la tension induite et vrifiez lisolation en considrant

    dif/dt = 20 kA/ms , rm = 50m. Solution

    La tension induite dans la boucle est : La valeur moyenne du champ magntique est :

    Alors : Cette valeur entrane la destruction de loptocoupleur par amorage

    travers le dilectrique interne. Pour viter de tels situations la boite de commande doit tre isolante ; la liaison la terre se fera dans un seul point (vitant les boucles grande surface). On peut aussi utilis la liaison de commande en fibre de verre.

    ( )SHdtd

    dtde m0m

    f-=-=

    mm r

    ifHp2

    =

  • 39 / 51

    Problme 3

    Un conducteur du rseau industriel est parcouru au court-circuit monophas, dun courant Icc = 10 kA. Supposons que petite distance (d = 210 cm) on trouve un circuit monophas parallle, form par deux conducteurs loigns 5 mm entre eux, dans le mme plan. Evaluez le niveau de la tension perturbatrice dans le circuit perturb supposant une longueur d = 10 m.

    Solution

    Considrons la disposition gomtrique montre sur la figure 4.

    Fig. 4

    Linductance mutuelle M a une valeur entre :

    et la valeur maximale (conducteur trs proche) : qui reprsente la valeur pour la distance d = 10 cm.

    La valeur de la tension perturbatrice dans le circuit est donc :

    HM 67

    2 101,0

    1005,21

    1005,21

    ln102104 -- =

    -

    +

    =

    pp

    max22

    max46

    11

    44,02

    21,210105,05022

    VIMV

    VIMV

    ccp

    ccp

    ==

    === -

    w

    pw)

    )

    H

    dada

    M l 67

    1

    101 105,0

    205,21

    205,21

    ln102104

    1

    1ln

    2-

    -

    =-

    +

    =

    -

    +=

    pp

    pmm

  • 40 / 51

    Sur limpdance de charge du circuit perturb on peut avoir une partie importante de cette tension ; si limpdance de la source est petite par rapport celle de charge alors :

    Dans des situations que le circuit perturb est un circuit de mesure bas niveau ou un circuit numrique, les valeurs de la tension induite sont inacceptables. Conclusions Remdes

    - loignement des circuits force signal ; - torsadage du cble (rduction du signal avec 1030 dB) ; - canalisations spars, eventuellment blindage.

    Problme 4 Considrons de nouveaux la situation examine auparavant, au lieu du conducteur supposons un cble monophas (2 fils loigns 5 mm) parcouru par le courant de court-circuit I = 10 kA. Solution

    On va considrer de nouveau la gomtrie discute - voir dans la figure 3.5 :

    Fig. 5.

    Fig. 3.5 D au fait que le courant de court-circuit circule "aller-retour" dans les conducteurs 1 et 2, linduction magntique dans laire du circuit perturb est diminue considrablement.

    PPCS

    Cc VVRR

    RV @+

    =22

    22

  • 41 / 51

    La valeur de cette induction est :

    Alors, la distance de 2 cm, la tension perturbatrice est :

    Pour la distance de 10 cm on trouve : On peut facilement voir, par comparaison avec le problme prcdent, que la perturbation est beaucoup rduite.

    Concusions

    Les court-circuits monopolaires la terre aussi comme les perturbations de mode commun sont plus dangereux en ce qui concerne les tensions induites. Les court-circuites bipolaires, tripolaires symtriques aussi comme les perturbations de mode diffrentiel produisent des tensions induites plus rduits dans les zones voisines avec les cbles.

    ( ) ( )

    ( ) mTbd

    bibd

    ibd

    iBBBr

    6,71105,220

    10522

    102104

    2222

    622

    347

    22101010

    21

    =-

    =

    =-

    =+

    --

    =-=

    -

    --

    pp

    pm

    pm

    pm

    ))))))

    max33 124,110510106,71502 VSBe r -=-=-=

    --pw))

    max33

    322

    0

    1,22105101041,1502

    1041,122

    mVSBe

    Tbd

    biBr

    -=-=-=

    =-

    =

    --

    -

    pwp

    m

    ))

    ))

  • 42 / 51

    Problme 5

    Un cble coaxial a le blindage constitu par 40 fils en cuivre dun diamtre de 0,1 mm. Evaluez la fonction de transfert considrant le blindage connect la terre aux extrmits (RG = 50 mW) et la longueur de 10 m. Solution

    La fonction de transfert a lexpression :

    avec les notations faites sur la figure 3.6 :

    Fig. 3.6. La rsistance du blindage :

    Linductivit peut tre value : LS = L0 l = 1 10-6 10 = 10 mH Les pulsations de cassure sont : et le rapport BF :

    La fonction de transfert varie donc entre les limites 0,08 en basses frquences et 1 en hautes frquences ; le graphique a t montr sur la figure 3.7 :

    SG

    S

    G

    S

    S

    RRLj

    RL

    j

    II

    ++

    +=

    w

    w

    1

    1

    1

    W=

    =

    =

    -

    -

    57,0

    44010

    10108,18

    8

    p

    rS

    lRS

    136

    3

    1 10510101050 -

    -

    -

    =

    == SLR

    S

    Gw

    1362 1062101057,005,0 -

    - =+

    =+

    = SL

    RR

    S

    GSw

    08,062,005,0

    ==+ SG RR

    Rt

  • 43 / 51

    Fig. 3.7 Concusions

    On peut voir que lefficacit du blindage se manifeste dune faon effective de quelques kilohertz. En basses frquences on doit avoir une bonne terre et aussi un blindage avec un grande nombre de fils (double couche) en parallle.

    Problme 6

    Un cble coaxial fait la liaison entre deux matriels informatiques ; avec les cbles secteur on constitue un boucle de 8 8 m2.

    Un coup de foudre atteint un paratonnerre 150 m distance; un courant de fondre avec dif/dt = 20 kA/mS se produit (frquence quivalente 300 kHz).

    Vrifiez leffet du courant induit dans la boucle mentionne auparavant. Solution Considrons le schma montr sur la figure 3.8.

    La foudre produit une tension induite dans la boucle :

    ( )

    Ve

    dtdif

    rrSSH

    dtd

    dtde

    mm

    170610

    1020641502104

    2

    6

    37

    00

    =

    =

    -=-=-=

    -

    -

    pp

    pm

    mf

  • 44 / 51

    Fig. 3.8

    Linductance de la boucle avec 1 mH/m est : L = L0 l = 1 8 10-6 = 8 mH Le courant dans la boucle a une variation : une frquence quivalente de 300 kHz on a :

    Ce courant circule comme impulsion dans le blindage du cble

    coaxial ; lextrmit apparat une tension entre le conducteur central et blindage :

    up = zt l Ib o zt est limpdance de transfert. Pour les cbles blinds habituelles 300 kHz :

    zt = 10 50 mW/m Dans un cas dfavorable (cble avec cran en aluminium bobin) :

    zt = 50 mW/m on obtient :

    up = 50 10-3 8 113 = 45,2 Vmax Cette valeur peut endommager llectronique connect (circuit

    analogiques or digitales) sil ne sont pas protgs par des limitateurs de tension (diodes etc.).

    HV

    Le

    dtdibdoncete

    dtdibL 21310

    81706:, 6 ====

    max56 113103210213/ AdtdiI b =

    == - pw)

  • 45 / 51

    4.1. OBTENTION DE LA COMPATIBILITE

    ELECTROMAGNETIQUE

    Le rle principal est jou par le responsable CEM - un ingnieur qui a les coupeuses et lautorit dappliquer les normes.

    Tches principales du responsable CEM : - contrle et avis des projets ;

    - application des normes CEM au niveau de l'entreprise ; - approbation sous signature de la conformit aux normes CEM ; - coordination des actions CEM entre divers dpartements ; - mise jour avec les nouveauts CEM.

    La gestion des problmes CEM :

    Se fait avec deux documents oprationnels : - le Plan de Contrle CEM, - le Plan dEssais CEM.

    LE PLAN DE CONTROLE CEM prvoit:

    - les principales thmes CEM envisags ; - catalogue des sources et victimes probables ; - techniques dobtention de la CEM, comme suit :

    les liaisons le terre (les rseaux de terre), les liaisons dinterface, lusage des conducteurs blinds et des blindages, les sources d'alimentations, les filtres secteur et pour signal, les isolations galvaniques et optcouplages.

    - la gestion du projet : contrle des plans et des cartes, l'laboration de plan de test, le contrle final et les responsabilit pour la conformit

    CEM. - les rgles dassurance de la qualit.

  • 46 / 51

    LE PLAN D'ESSAIS CEM : Doit mentionner les normes, les procdures et les techniques

    dessais pour certifier la conformit CEM. Contenu principal : - le choix du niveau d'immunit selon les critres de

    performance, - les quipements qui doivent tre analys, - les objectifs dessais les normes de rfrence et les quipement

    dessais ncessaires, - bref description des emplacements et schmas dessais, - l'valuation de rsultats et les rapports dessais, - les conclusions et mesure prendre. Pour les producteurs quipements, les essais font partie du plan

    d'assurance de la qualit, selon les normes IS0-9000. Les actions ont donc un caractre de continuit aprs un plan

    dessais sur les enchantions bien dfinies or sur le base d'essais de recomformation priodiques

    METHODES ET MOYENS DE METISSER LE CEM - rgles de type rgles de lart (rule of thumb) qui sont

    indiqus dans la littrature suite l'exprience industrielle, - analyse au stade de projet des sources et couplages probables,

    conception des interfaces et liaison de terre conforme aux rgles CEM,

    - modlisation, tude sur maquette, - simulation aprs le dimensionnent prliminaire, - application des normes CET au niveau de prototype, - essais prliminaires sur maquette.

    ACTIONS SUR LES SOURCES

    - les sources intentionnelles (ammetters etc.) doit tre bien stabiliss dans leur tende de frquence ; en gnral elles ne peuvent pas tre modifies,

    - les sources non intentionnelles (d lapplication de llectricit) doivent tre bien connues; leur influence doit tre limit par moyens techniques appropris.

  • 47 / 51

    EC

    L

    R

    LC

    R

    +

    _

    C

    R

    p

    '

    _

    +

    L

    R

    a) b) c)

    Fig. 34 Trateiment des bobines

    Exemples : Les bobines des relais et les transformateurs vide qui

    produisent des surtensions au moment de l'ouverture. La valeur maximale de la surtension:

    uER

    LCmax

    = en courant continu

    u Effmax

    @ 2 h en courant alternatif

    o: E est la tension de la source, R, L sont les lments de la bobine, C est la capacit parasite, F est la frquence industrielle, ( )f LC2

    12=

    -p est la frquence propre d'oscillation,

    h = 0 25 0 4, , est le coefficient de restitution de l'nergie magntique,

    On peut facilement atteindre 510 fois E!

    Remdes couplage dun condensateur C Cp @ 40 20 ou dune diode en

    parallle (pour les bobines de relais courant continu) - voir la figure 34 b) et c),

    circuits dalimentation "haute qualit", pour viter les effets des coupures brves ou prolonges sur les

    quipements sensibles (rseaux des computers etc.) on utilise des montages dalimentation statique sans interruption (ASI) - voir la figure 35.

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    Fig. 35 Alimentation sans interruption

    Commutateur statique

    ~ =

    = ~

    Redresseur

    Onduleur

    utilisation

    Reseau

    Batterie

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    Circuit 1 Circuit 2 Circuit 3

    terre multipoint

    Fig. 36 Les liaison a la terre

    Fig. 37

    V

    L R

    C

    L R

    1 2

    iD

    V

    l

    Z cV1

    V1

    t0t=0 v

    2lt =

    iZ c

    ACTIONS SUR LES COUPLAGES COUPLAGES PAR IMPEDANCE COMMUNE

    Mthodes de mise la masse et la terre : - tous quipements doit tre connecte la terre (toute partie

    mtallique et carcasse) par des saisons dlectroscurit ; - pour viter le couplage par lment commun, on va utiliser un

    seul point de terre comme il est montr sur la figure 36 on mthodes de mise la terre multipoint.

    Linfluence des inductances propres :

    lorsque sur le conducteur commun doivent circuler courants impulsionnels dons l'inductive des liaisons jouent un grand rle,

    linductance propre dune connexion - 8 nH/cm, soit le schma typique pour l'lectronique numrique prsent

    sur la figure 37.

    Soit le cas dune liaison de 25 cm, donc avec L = 200 nH et R =

    62,5 mW et le courant Di = 8 mA avec un temps de mont Dt = 4 ns (valeurs usuelles en numrique).

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    Circuit 1 Circuit 2 Circuit 3

    reccommande !

    b)

    La variation de tension a l'apparition de limpulse de courant est:

    D DDD

    V R L mVii

    t1 400= - - @ -

    Si quelques portes logiques commutes dans le mme temps on peut avoir des erreurs logiques.

    Remde - emploie dun condensateur comme il est montr sur la figure pour rduire la variation de la tension.

    DD D

    Vi tC11' =

    La valeur de ce condensateur - dite de dcouplage - se calcule pour assurer que Dvi = 5%V1 .

    Vue autre phnomne qui peut se produire est la propagation dune telle variation sur la liaison qui devienne une ligne longue. Aprs avoir parcouru la longueur l, on a une rflexion cte surce (qui a une impdance interne trs faible) avec changement de la polarit et aprs le signal apparaisse de nouveau puce aprs le temps 2l/o comme il a t montr sur la figure 37c.

    Pour viter a on doit rduire impdance linique en ralisant des trajets rapprochs va et vient.

    Circuit 1 Circuit 2 Circuit 3

    point de terre

    a)

    A eviter!

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    BIBLIOGRAPHIE

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    Ed. POPEE 85, Avon 1991. 2. Williams T. - EMC for Product Designers, Newnws II-nd ed. 1996. 3. Charoy A. - Compatibilit Electromagntique, Tome 1, 2, 3, 4,

    Dunodtech 1992. 4. Degauque P., Hamelin J. - Compatibilit Electromagntique, Dunod

    1990. 5. Chauvet F. - Compatibilit Electromagntique, Techniques de

    l'Ingenieur D 1900-E 3750. 6. Boudenot J.-C., Labanne G. - La compatibilit lectromagntique et

    nucleaire, Ed. Ellipses 1998, Paris. 7. Tesche F.M., Janoz M.V., Karlson T. - EMC Analysis methods and

    computational models John Wiley and Sons New York, 1977. 8. *** - CETIM Materiau et revetements pour la compatibilit

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    Bucuresti. 10. Schwab A. - Compatibilitatea electromagnetica, Ed. Tehnica, 1996,

    Bucuresti.