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15/10/2005 1 Les impédances •Fil, piste : impédance nulle? – faux, il y a toujo

15/10/2005 1 Les impédances •Fil, piste : impédance nulle? – faux, il y a toujours une résistance série, une inductance, un condensateur, – exemple dans l’air : • tout câble, parcouru par un courant, présente une inductance due au champ magnétique qui se referme dans l’isolant et l’air (µ0), donc L≈1µH/m, • même chose avec le champ électrique et ε0 donc C≈10pF/m. 15/10/2005 2 Les impédances fils ronds •Attention : toujours vérifier que la longueur du conducteur est inférieure à celle de la longueur d’onde λ, – dans le cas contraire, on travaille avec la théorie des lignes de transmission. • Fil rond : – par définition, on a : Z = R +jLω – en continu, l'impédance vaut : – en alternatif, on a l'effet de peau, soit : -9 cu soit pour le cuivre 17,2 10 R s l l R s ρ • • = = Ω 1 / ( ) en mm ( ) 2 0,066 1 et = cu r r MHz m ou F δ δ σ σµω ρ σ µ − Ω = = , r r µ par rapport au cuivre du matériau σ 15/10/2005 3 Les impédances fils ronds • Exemples de valeurs d’inductance de fils ronds Soit : – h, la distance qui sépare un fil du plan de masse, – s la distance entre deux fils d'une paire, – l la longueur des fils, – d le diamètre des fils. • si h<l ou s<2l : – Lext = 0,2 ln(4h/d) en µH/m pour un fil au dessus du plan de masse, – Lext = 0,2 ln(2s/d) en µH/m pour un fil d'une paire, – Lext = 0,4 ln(2s/d) en µH/m pour les deux fils d'une paire aller et retour. • si h>l ou s>2l – Lext = 0,2 l ln (4l/d) en µH/m (valeur maximum) Plan de masse l d h l d s 15/10/2005 4 Les impédances abaque fils ronds si h>l ou s>2l ZMAX=f(F) pour un fil "rond" 1,0E-05 1,0E-04 1,0E-03 1,0E-02 1,0E-01 1,0E+00 1,0E+01 1,0E+02 1,0E+01 1,0E+02 1,0E+03 1,0E+04 1,0E+05 1,0E+06 1,0E+07 F(Hz) Z(Ω) S=1mm2 S=35mm2 Lω avec 1µH/m RDC Z en HF Si F > qq kHz, Z=f(Lω) Z indépendant du diamètre. Réduire Z ⇒limiter sa self (de 1 m) ZMAX=RDC + 0,2E-6*l*ln(4l/d)*ω " 15/10/2005 5 Les impédances synthèse des fils ronds • Fil rond "seul" – si F > 2kHz, • l’impédance ne dépend que de la self, • la section du fil devient négligeable, • l’ordre de grandeur 1µH/m donne une bonne idée de la self du fil (loin de la masse ou de son retour). • Autres cas ? : – – – 15/10/2005 6 Les impédances conducteurs plats • Impédance d’un conducteur plat – Tresses – Pistes PCB, strap • Z=R+jLω • La résistance se calcule de façon classique : – R=ρl/de • ρ la résistivité (Ωm), • l la longueur (m), • d, e largeur et épaisseur (m). • L’inductance tend vers une valeur décrite par : – 2 ( ) 0,2 ln 0,5 0,22 l d e L µH l d e l  +    = + +     +     15/10/2005 7 Les impédances self des conducteurs plats • Exemples de valeurs d’impédance (Lω) en ohm d’une piste de cuivre de 35µm d’épaisseur en fonction de sa longueur et de la fréquence : • Au delà de 100kHz quand l>10 cm la piste n’est plus tout à fait un court-circuit. l=3cm l=10cm l=30cm l=3cm l=10cm l=30cm L(H) 2,74E-08 1,15E-07 4,12E-07 2,10E-08 9,38E-08 3,47E-07 1kHz 1,72E-04 7,25E-04 2,59E-03 1,32E-04 5,89E-04 2,18E-03 100kHz 1,72E-02 7,25E-02 2,59E-01 1,32E-02 5,89E-02 2,18E-01 1MHz 1,72E-01 7,25E-01 2,59E+00 1,32E-01 5,89E-01 2,18E+00 30MHz 5,17E+00 2,17E+01 7,76E+01 3,97E+00 1,77E+01 6,55E+01 300MHz 5,17E+01 2,17E+02 7,76E+02 3,97E+01 1,77E+02 6,55E+02 Z in d u c t ive à d=1mm d=3mm 15/10/2005 8 Les impédances conducteurs plats • Exemples de valeurs d’impédance d’une piste de cuivre de 35µm d’épaisseur en fonction de sa longueur et de la fréquence : " • Ces exemples montrent encore que très rapidement, c’est la self qui détermine l’impédance. Celle-ci est, même en BF, non nulle. l=3cm l=10cm l=30cm l=3cm l=10cm l=30cm L (H) 2,74E-08 1,15E-07 4,12E-07 2,10E-08 9,38E-08 3,47E-07 RDC(ohm) 1,46E-02 4,86E-02 1,46E-01 4,86E-03 1,62E-02 4,86E-02 1kHz 1,47E-02 4,93E-02 1,48E-01 4,99E-03 1,68E-02 5,08E-02 100kHz 3,18E-02 1,21E-01 4,04E-01 1,81E-02 7,51E-02 2,67E-01 1MHz 1,87E-01 7,73E-01 2,73E+00 1,37E-01 6,05E-01 2,23E+00 30MHz 5,18E+00 2,18E+01 7,78E+01 3,97E+00 1,77E+01 6,55E+01 300MHz 5,17E+01 2,17E+02 7,76E+02 3,97E+01 1,77E+02 6,55E+02 Z t o t a le à d=1mm d=3mm 15/10/2005 9 Les impédances abaque comparatif conducteurs plats/ronds ZMAX=f(F) comparaison entre conducteurs "rond" et "plat" (1m) 1,0E-05 1,0E-04 1,0E-03 1,0E-02 1,0E-01 1,0E+00 1,0E+01 1,0E+02 1,0E+01 1,0E+02 1,0E+03 1,0E+04 1,0E+05 1,0E+06 1,0E+07 F(Hz) Z(Ω) Conducteur rond S=35mm2 Lω avec 1µH/m Z en HF Conducteur plat S=35mm2 15/10/2005 10 Les impédances abaque comparatif conducteurs plats/ronds • A section égale un fil de section plate présente une self inférieure, • Si d diminue : – impédances BF et HF augmentent, – la self augmente, • Si e diminue : – impédance BF seule diminue, • e influe très peu sur impédance HF Cf. animation 15/10/2005 11 Les impédances câbles de liaison • De façon grossière les câbles de liaison ont une impédance caractéristique de 100Ω: – coaxial; 50 ou 75Ω, paire bifilaire; 120Ω, • On a vu : –ZHF est quasi indépendante de la section, • A 1 MHz, –ZHF d’un conducteur de 10m ≈80Ω, –λ=cT=c/F=3E8/1E6 = 300 m • Donc ZHF de ce conducteur ne permet pas d’écouler efficacement des courants si F≥1MHz. • Par extension on considère que l’équipotentialité est assurée correctement que si la longueur du conducteur est < à λ /30. 15/10/2005 12 Les impédances câbles de liaison • Impédance d’un conducteur en fonction de la longueur d’onde : origine A. Charoy AEMC 15/10/2005 13 Les impédances les plans (de masse) • La résistance d’un plan de masse se calcule en ohm par carré (Ω/). • En BF (e<0,7δ) : – R = ρ/(σr e) (Ω/) • ρ la résistivité (Ωm), • σr la conductivité relative, • e l’épaisseur en mm. • En HF, l’effet de peau intervient (e>0,7δ) : – F en MHz, σr conductivité relative/cuivre, µr perméabilité magnétique relative. ( ) 6 370 en r r F z µ σ Ω − = , Un plan de masse a toujours une impédance inférieure à celle d’un câble. 15/10/2005 14 Les impédances abaque d’un plan de masse • Quelques exemples d’impédance de plans en fonction du matériau et de la fréquence. • Noter bien les valeurs de Z en comparaison avec celles d’un simple conducteur. D’après M. Mardiguian 15/10/2005 15 Les composants électroniques • Le composant électronique parfait existe-t- il? Non. – tout composant est une combinaison des 3 composants de base, soit l’inductance, le condensateur et la résistance, – ces différents composants apparaissent en fonction de la fréquence. 15/10/2005 16 Les composants électroniques comparaison entre inductances idéale et réelle Log(f) Origine : Power integrations, inc AN-15 15/10/2005 17 Les composants électroniques comparaison entre condensateurs idéal et réel f Origine : Power integrations, inc AN-15 15/10/2005 18 Le spectre électromagnétique • Il s’étend du continu aux rayonnements cosmiques. Origine : http://www.ac-nice.fr/physique/spectreoem/ 15/10/2005 19 Onde électromagnétique • • Si la distance à la source > – on est en champ lointain • L’onde est plane, • et vibrent en phase, • . • Antennes – en champ , – en champ . E H k ⊥ ⊥ J G JJ G G 2 λ π E J G H JJ G 120 E H π = JJJ G JJJG Origine : astro.vision.free.fr/spectre.php / E J G B J G 15/10/2005 20 Antennes et champs Origine Alcatel Alsthom 15/10/2005 21 Le spectre électromagnétique • Il concerne des phénomènes naturels, – la lumière visible, la foudre, les décharges électrostatiques, etc. … • L'homme ne détecte que l'énergie – de la lumière visible, – du rayonnement thermique, – (par contre nos cellules peuvent être gravement atteintes soit par une forte exposition instantanée, soit par l'intégrale de faibles doses). • La partie du spectre que nous étudions va de quelques Hz à plusieurs GHz. 15/10/2005 22 Le spectre électromagnétique Exemple d’activité électromagnétique Foudre ESD signaux utiles parasites Rayonnements et perturbations indésirables Le fonctionnement doit rester correct deviennent des Les 15/10/2005 23 Télécommunications dans le spectre 10 kHz 100G 10G 1G 100M 10M 1M 100 1T 400 4k 40KeV 40 Sub-Millimétrique Infrarouge Visible Ultraviolet Rayons X fréquences Radio 2200 1710 2160 2110 2025 2010 1980 1990 1880 1900 1910 Europe U.I.T. E U Japon MHz Origine E. Sicard, INSA Toulouse 15/10/2005 24 Le spectre électromagnétique activité • Aux phénomènes naturels s'ajoute l'activité de l'homme, • Les d'ondes électromagnétiques peuvent être émises de façon intentionnelle ou non, • Toute cette activité électromagnétique, naturelle ou humaine constitue un environnement électromagnétique qui se propage par conduction ou rayonnement, • C'est cet environnement que l'on étudie lorsque l'on parle de Compatibilité ElectroMagnétique (CEM). 15/10/2005 25 La Compatibilité ElectroMagnétique préambule • Les systèmes électriques uploads/Ingenierie_Lourd/ cours-cem-geii.pdf