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Article

1 - ANALYSE ÉLECTRIQUE DE LA STRUCTURE MÉCANIQUE

2 - IMPACT DE LA STRUCTURE SUR LES SYSTÈMES ÉLECTRIQUES

3 - AVANTAGE DE LA MASSE ÉLECTRIQUE FLOTTANTE

4 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : E1313 v1

Analyse électrique de la structure mécanique
Structures mécaniques en matériaux composites - Impact sur la CEM des systèmes électroniques

Auteur(s) : Éric DELESALLE

Relu et validé le 04 mai 2017

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RÉSUMÉ

Les performances CEM d'un système électronique peuvent être totalement remises en cause dès lors que ce dernier se voit transféré d'une structure en métal vers une structure en composite. Les structures mécaniques assurent des fonctions électriques aux seins des systèmes. Modifier les caractéristiques électriques de ces structures n'est donc pas sans conséquence, cela impose une évolution des Architectures Electriques et Electroniques (AEE) système et de nouvelles contraintes sur les équipements. Le développement d'équipements à référence électrique flottante est l'une des pistes pour limiter l'impact au niveau équipement de ces nouvelles structures et pour répondre à l'absence éventuelle de masse mécanique conductrice.

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ABSTRACT

Mechanical structure in composite materials. Impact on EMC of electronics systems

EMC performances of electrical systems might be significantly modified as soon as the system is transferred from metallic mechanical structure to composite one. Indeed, mechanical structures ensure electrical functions within electrical system installed on then. Therefore, modifications of the electrical structure's characteristics will have a significant impact on electrical system's performances. These new mechanical structures will induced some evolution within architecture of electrical systems and new EMC constraints at equipment's inputs. Development of equipments with internal floating electrical reference is one of the strategies to limit the impact of these composite structures.

Auteur(s)

  • Éric DELESALLE : Ingénieur CEM - SAGEM DÉFENSE SÉCURITÉ – Groupe SAFRAN – Massy, France

INTRODUCTION

Les matériaux composites sont de plus en plus couramment utilisés par les industriels, lors de l'élaboration de leurs structures mécaniques, en substitution aux matériaux métalliques utilisés jusqu'alors. La raison principale de cette évolution est liée à la diversité des propriétés apportées par ces nouveaux matériaux qui sont constitués de plusieurs matériaux. Ils tendent à regrouper un ensemble de propriétés qui ne peuvent être présentées par quelque matériau que ce soit, pris indépendamment. Dans les applications structurantes, les matériaux composites à base de fibre de carbone sont les plus répandus, en raison de leurs propriétés mécaniques de résistance à la traction/compression, ainsi que de leurs propriétés électriques et thermiques. Bien que le surcoût lié à l'utilisation des matériaux composites ainsi que les difficultés liées à leur recyclage constituent un frein à leur expansion, bon nombre d'industries telles que l'automobile, le ferroviaire, l'aéronautique et le spatial commencent à remplacer de façon récurrente les structures métalliques de leur produit par des structures en composite. Les deux raisons majeures sont le gain de poids que ce type de matériaux procure à leurs structures, donc les économies d'énergie à long terme réalisées par l'utilisateur final du produit, ainsi que l'augmentation récurrente des coûts liés à l'utilisation de métaux en voie de raréfaction, les composites organiques ayant un meilleur bilan écologique.

Que cela soit pour des raisons de confort, de sécurité ou un argumentaire commercial, ces mêmes industries embarquent à bord de leurs structures un nombre croissant d'équipements et/ou systèmes électroniques. L'évolution des architectures électriques et électroniques (AEE) répond à l'évolution des répartitions de rôles et besoins. La nécessité de transversalité des fournisseurs comme l'accroissement d'ergonomie et de capacité technologique ont conduit historiquement à des structures réparties dialoguant via des réseaux de communications. Les conséquences sont un accroissement de sécurité, confort, etc. Les structures mécaniques accueillant ces électroniques embarquées sont traditionnellement mises à contribution pour assurer l'équipotentialité entre deux équipements et le retour de courant des signaux en mode commun. Dès lors, toute évolution des caractéristiques électriques propres aux structures mécaniques induit de facto une variation des contraintes de compatibilité électromagnétique en entrée des équipements électroniques. Les propriétés électriques des matériaux composites, telle l'impédance en basse fréquence, étant moins bonnes que celles des matériaux métalliques, les équipements électroniques embarqués sur des structures en composite sont soumis à des augmentations importantes des contraintes CEM. Afin que les gains réalisés au niveau de la structure de leurs systèmes ne soient pas anéantis par une augmentation conséquente des protections CEM, en termes de poids et de volumes, introduites dans les équipements électroniques, les industriels exercent une pression accrue sur leurs équipementiers pour contenir toujours plus le poids et le coût de leurs équipements. Dès lors, comment les équipementiers et/ou systémiers électroniques peuvent-ils résoudre cette équation ?

Cet article a pour objectif de fournir les grandes tendances quant à l'évolution des caractéristiques électriques des structures mécaniques à base de matériaux composites en fibre de carbone. Il détaillera également des solutions permettant aux équipementiers/systémiers électroniques de contenir les volumes et coûts de leurs développements, malgré l'augmentation des contraintes CEM dans des conditions à préciser.

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KEYWORDS

insulation of internal electrical reference   |   impact's analysis and optimization   |   electromagnetic compatibility   |   composite structures   |   system's analysis

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-e1313


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1. Analyse électrique de la structure mécanique

1.1 Présentation des fonctions électriques des structures

En analysant de plus près les systèmes électriques embarqués sur des structures mécaniques, on constate que les structures mécaniques sont utilisées à des fins électriques. Les sept principales fonctions électriques couramment assurées par ces structures mécaniques sont les suivantes :

  • retour du courant des alimentations à courant continu (1) ;

  • retour du courant des signaux traités en mode commun (2) ;

  • évacuation des courants de défauts (ex : court-circuit) (3) ;

  • équipotentialité entre les équipements électriquement interconnectés (4) ;

  • référence de masse pour les antennes (5) ;

  • dans certains domaines d'application, protection des équipements électriques contre les agressions liées à la foudre (6) et les champs radiofréquences (7).

La figure 1 donne un aperçu de ces différentes fonctions électriques. Après analyse de cette figure, on constate rapidement que les tensions en entrée de l'équipement B dépendent des tensions délivrées par l'équipement A, moins la chute de tension présente aux bornes de la structure mécanique. On démontrerait de même que les tensions présentes sur les entrées de l'équipement A correspondent aux tensions délivrées par l'équipement B auxquelles vient s'ajouter la tension aux bornes de la structure.

La tension aux bornes de la structure se caractérise par une tension permanente et une tension impulsionnelle. La tension permanente est la conséquence du transit sur la structure des courants d'alimentation et de retour des signaux. La tension impulsionnelle est induite par le transit sur la structure des courants d'agression de type foudre et courant de défaut des alimentations. On s'accorde donc rapidement à conclure que les caractéristiques résistive et inductive de la structure ont un impact direct sur le développement des électroniques d'interfaçage. Dans les développements destinés à être installés sur des structures métalliques consistantes, aucune chute de tension n'est prise en considération lors de l'élaboration des étages d'entrée. Comme les équipements assurent correctement leurs fonctions, nous pouvons estimer que la résistance et l'inductance des structures métalliques sont...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) -   RTCA : Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment  -  RTCA DO-160G, 2010.

  • (2) - WALTERS (K.) -   How To Select Transient Voltage Suppressors  -  Microsemi – MicroNote 125.

  • (3) - WALTERS (K.), CLARK (M.) -   Using The Power vs Time Curve  -  Microsemi – MicroNote 104.

  • (4) - WALTERS (K.), CLARK (M.) -   Derating transient voltage suppressors at elevated temperatures for varing pulse widths  -  MICROSEMI – MicroNote 115

DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES

1 Site Internet

MicrosemiNote d'application – Transient Voltage Suppressors : http://www.microsemi.com/design-support/application-notes

HAUT DE PAGE

2 Normes et standards

RTCA : Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment RTCA DO-160G, 2010.

AIRBUS : Environmental conditions and test requirements associated to qualification ABD100.1.2G, 2008.

AIRBUS : Electrical and installation requirements ABD100.1.8E, 2005.

HAUT DE PAGE

3 Annuaire

Transient Voltage Suppressors

MICROSEMI Corporate (USA) http://www.microsemi.com

LITTLEFUSE Inc (USA), http://www.littelfuse.com

RTCA, Inc (USA) http://www.rtca.org

Laboratoires de test pour environnement foudre

EMITECH (France) http://www.emitech.fr

GERAC(France) http://www.gerac.com

LCIE Bureau Veritas (France) http://www.lcie.fr

SOPEMEA (France) http://www.sopemea.fr

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