Qualité Sécurité Environnement Risques électromagnétiques - Alexandre Boyer
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Qualité Sécurité Environnement
Risques électromagnétiques
4ème année IR
Alexandre Boyer
alexandre.boyer@insa-toulouse.fr
135 avenue de Rangueil – 31077 Toulouse cedex 4 – Tel : 05.61.55.95.13 – Fax : 05.61.55.95.00 - www.insa-toulouse.frIntroduction
Quels risques encourent les personnes lorsqu’elles
sont exposées aux champs électromagnétiques ?
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 2Introduction
Des effets sur la santé ?
http://www.senat.fr/notice-
rapport/2008/r08-307-notice.html
Libération –
Le Nouvel Observateur – Octobre 2011
Novembre 2011
Le risque est-il avéré dans des conditions « nominales » ?
Quelles sont les exigences et les recommandations de la part des
autorités ?
Comment garantit-on le respect de ces recommandations ?
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 3Introduction
Des effets sur la sûreté des systèmes électriques/électroniques ?
Interference Technology – Octobre 2011
http://www.emcs.org/acstrial/newslett
ers/fall04/63_67.pdf
Quelle est l’origine des problèmes d’interférences électromagnétiques ?
Quelles sont les exigences liées à la Compatibilité Electromagnétique ?
Comment garantit-on le respect des recommandations de CEM ?
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 4Introduction
Des problèmes d’interférences entre systèmes radio ?
Des problèmes d’interférences sur la bande ISM 2400-2483.5 MHz ?
Les performances d’un réseau WiFi (IEEE 802.11) affectées par les
interférences provenant de fours à micro-ondes, de téléphones sans fil,
de dispositif Bluetooth, Zigbee… ?
« La qualité d’un service de voix transmise sur un réseau WiFi se
dégrade lorsqu’un téléphone, une caméra sans fil, un four à micro-
onde, ou un autre dispositif WiFi se situe dans un rayon de 8 m »
(Cisco, « 20 Myths of WiFi Interference », White Paper, 2008).
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 5PLAN
I. Notions de base
II. Environnement électromagnétique
III. Compatibilité électromagnétique
IV. Exposition des personnes aux champs
électromagnétiques
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 6I – Notions de base Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 7
Champ électromagnétique
Electrostatique
Les charges électriques exercent des forces entre elles. L’action à distance se fait par
l’intermédiaire d’un champ électrique.
Ligne de
champ r
électrique E r
E (r ) =
Q r
r
Charge Q
4πεr 3
r r ρ
E (r ) =
1 r
∫∫∫ ρdV r ⇔ divE =
Loi de Gauss
4πε V ε
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 8Champ électromagnétique
Magnétostatique
r
Toute circulation de courant électrique continu est à B
l’origine de la création d’un champ magnétique.
r r r r r r J
Loi d’Ampère ∫ Hdl = ∫∫ JdS ⇔ rotH = J
C S
Les charges et les courants électriques sont les sources élémentaires
des champs électromagnétiques (champs électriques et magnétiques).
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 9Champ électromagnétique
Equations de Maxwell
La distribution des champs électriques et magnétiques dans l’espace peut être
déterminée à partir des équations de Maxwell.
ρ Loi de conservation de la charge :
div E = div B = 0
ε dρ
div J = −
dE
dt
dH
rot E = − µ rot H = σ E + ε Loi d’Ohm :
dt dt r
J = σE
ρ : densité volumique de charge
ε : permittivité électrique (F/m). A noter ε0 : permittivité diélectrique dans le vide (= 8.85e-
12) et εr : permittivité électrique relative telle que ε = ε0× εr
µ : perméabilité magnétique (H/m). A noter µ0 : permittivité diélectrique dans le vide (=
4π.10-7) et µr : permittivité magnétique relative telle que µ = µ0× µr
Conséquences de la résolution des équations de Maxwell :
Propagation d’une onde électromagnétique
Rayonnement électromagnétique
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 10Onde électromagnétique
Ondes électromagnétiques
d2E
Equations de Equations de
∆ E − εµ 2 = 0
Maxwell
dt
Helmholtz r
r 2
d H
∆H − εµ 2 = 0
dt
La résolution de ces équations conduit à l’apparition d’une onde dite
électromagnétique progressive, se propageant à la vitesse :
1
v= ⇒ dans le vide : v = c = 299792456m / s
ε ×µ
Expression mathématique d’une onde électromagnétique se
propageant le long d’un axe Z :
r r r
E ( z, t ) = E. exp j (ωt ± βz ) = E ( z ). exp j (ωt ). exp j (± βz )
r r r
H (z , t ) = H . exp j (ωt ± βz ) = H (z ). exp j (ωt ). exp j (± βz )
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 11Onde électromagnétique
Propriétés d’une onde électromagnétique
Front d’onde -
Onde sphérique
c
λ=
source ε r µr × f
Longueur d’onde λ
Plan de
polarisation
H Plan H
Plan E Direction de
propagation
Front d’onde local -
Onde plane
3
E µ
Impédance d’onde : = = η = 377Ω dans le vide
H ε
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 12Onde électromagnétique
Puissance transportée par une onde électromagnétique
Dans un volume dV, une onde électromagnétique transporte une énergie
composée de :
• Énergie électrique
εE 2
dV
2
• Energie magnétique
µH 2
dV
2
εE 2 + µH 2 1
Contribution électrique + magnétique :
dV = E.H .dV
2 c
Une onde EM transporte une puissance représentée par le vecteur de Poynting :
P=
1
2
(
E ∧ H * W / m2 )
Transfert sans contact, sans fil d’énergie ou d’information !!!
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 13Antenne
Antenne Puissance
rayonnée PR
Une antenne est dispositif qui Puissance
convertit de l’énergie électrique électrique PS
en énergie électromagnétique,
et vice-versa. Source Rayonnement
électrique Antenne électromagnétique
Une antenne peut émettre / recevoir dans une ou des directions privilégiés.
Notion de directivité ou de gain G :
Dipôle électrique
P(θ , ϕ )
G (θ , ϕ ) = 4π
PA
Diagramme de
rayonnement
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 14Antenne Dipôle élémentaire (de Hertz) Fil électriquement court (h
Antenne
Boucle élémentaire
Boucle de rayon b petit devant λ, parcouru par un courant d’amplitude constant.
Antenne « magnétique » :
En champ lointain :
z
Hr ωµβ o2 1
Hθ Hθ = j × Iπb 2 × sin θ × j × e − jβ r o
4πηo βor
R
Eφ ωµβ o2 1
θ Eϕ = − j × Iπb 2 × sin θ × j × e − jβ r o
Io
b y 4π βor
8
x Champ électrique (V) 6
4
2
0
0 30 60 90 120 150 180
Theta ( )
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 16Propagation des ondes électromagnétiques
En espace libre
exp(− iβr )
E (r ) = E0
En champ lointain, l’amplitude du champ
électrique ou magnétique décroît avec la distance : r
Atténuation de la puissance transportée par une onde EM avec la distance :
E
Sphère de surface = 4πr 2
Pray
r
Onde
Antenne sphérique
émettrice
Pe
Si l’antenne est isotrope et sans pertes, la puissance
Pray =
rayonnée par unité de surface :
4πr 2
Si l’antenne n’est pas isotrope (PIRE = PIRE PeGe
Puissance Isotrope Rayonnée Equivalente) : Pray = =
4πr
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012
2
4πr 2
17Propagation des ondes électromagnétiques
En environnement réel
La propagation des ondes électromagnétiques subissent de très
nombreuses perturbations qui la rendent complexe et difficilement
maitrisable :
• Rarement en visibilité directe
• Réflexions multiples dues aux obstacles, étalement temporel
• Diffusions, difractions sur les arêtes des bâtiments
• Absorption atmosphérique
Atténuation (dB/Km) Absorption
moléculaire
diffraction 100
Transmission
directe
Forte pluie
02 H2 0
réflexion 10
Pluie moyenne
1.0
diffusion
0.1
Septembre 2010 1 10 100 1000
Fréquence (GHz)
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 18Propagation des ondes électromagnétiques
En environnement réel
Modèle de pertes de propagation en espace libre :
L 0 ( dB ) = 32 . 4 + 20 ⋅ log (d (km )) + 20 ⋅ log ( f (MHz ))
Modèle de pertes de propagation d’Okumura-Hata en grande ville (Hb : hauteur station
de base, Hm : hauteur station mobile) :
Lu (dB) = 49.3 + 33.9 log( f ) − 13.82 log(H b ) − A(H m ) + (44.9 − 6.55 log(H b ))× log(d )
Modèle numérique 3D de Rangueil +
bâtiments + couverture radio
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 19II – Environnement électromagnétique Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 20
Source de bruit électromagnétique
Natural Noise vs. Man Made Noise
Source naturelle Activité humaine
Emission
intentionnelle
Emission non
Décharge intentionnelle
électrostatique
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 21Source de bruit électromagnétique
Emission électromagnétique liée aux radiocommunications
MF HF VHF UHF SHF EHF
0.3-3MHz 3-30MHz 30-300MHz 300-3000MHz 3-30GHz 30-300GHz
Liaison sous IEEE WiFi
ISM 802.11 Gigabit
marine RFID GPS
Radio AM Radio FM GSM ZigBee Liaison
Radio OC DCS satellite
Radio- TV VHF TV UHF Wimax
navigation CB UMTS Fréquence (Hz)
100K 1M 10M 100M 1G 10G 100G
Régulation et planification du spectre radioélectrique par l’Union
Internationale des Télécommunications (ITU-R) au niveau
international, et par l’agence nationale des fréquence (ANFR) au
niveau national.
Définition des bandes de fréquence affectées aux systèmes et des
puissance/champ max.
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 22Source de bruit électromagnétique
Emission électromagnétique liée aux radiocommunications
www.anfr.fr
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 23Source de bruit électromagnétique
Emission électromagnétique liée aux radiocommunications
Signaux « bandes étroites » et intermittents. Les caractéristiques du
signal sont liées à la spécification technique de l’interface air :
Bande passante, canaux, séparation
puissance d’émission, dynamique, spurious, ACLR…
Modulation, débit …
Exemple : signal GSM et gabarit sur le spectre de sortie (spéc. GSM)
200 KHz 200 KHz
Seuil de bruit
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 24Source de bruit électromagnétique
Emission électromagnétique liée aux radiocommunications
Atténuation du champ et de la puissance rayonnée en espace libre :
PIRE
P= E=
30.PIRE
4πd 2 d
Exemples :
Emetteur radio FM (PIRE = 50 KW), à 1 km :
E = 1.22 V/m, P = 0.12 W/m²
Station de base GSM (P = 20 W, G = 17 dB), à
100 m : E = 1.7 V/m, P = 8 mW/m²
Téléphone portable (PIRE = 600 mW), à 1 m:
E = 4.24 V/m, P = 47 mW/m²
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 25Source de bruit électromagnétique
Emission électromagnétique non intentionnelle
Bruit parasite lié à l’activité des équipements électriques et électroniques
(machines électriques, lignes électriques, composants électroniques).
Bruit impulsionnel large bande.
Exemple : Emission rayonnée d’un microcontrôleur 16 bits (commutation
d’un port à 1 MHz, PLL à 32 MHz.
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 26Environnement électromagnétique
Recommandation ITU-R 372-8
Niveaux définis dans les années 70.
Augmentation de 20 à 40 dB dans les milieux semi-fermés.
Exemple: Surveillance du niveau moyen au Canada en 1990 en milieu
urbain et sub-urbain : le champ E maximal varie entre 1 et 20 V/m.
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 27Environnement électromagnétique
Mesure en environnement urbain
Site Agence Nationale des Fréquences (ANFR) – outil Cartoradio.
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 28Environnement électromagnétique
Mesure en environnement urbain
Site Agence Nationale des Fréquences (ANFR) – outil Cartoradio.
distance antenne – point de mesure = 56 m
Champ E
Etot = 1.04 V/m
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 29Environnement électromagnétique
Mesure en environnement urbain
Site Agence Nationale des Fréquences (ANFR) – outil Cartoradio.
distance antenne – point de mesure = 60 m
Champ E
Etot = 4.35 V/m
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 30Environnement électromagnétique
Environnement semi-fermé – mesure de champ E dans un véhicule
Niveau mesuré : jusqu’à 30 V/m.
F = 900 MHz
Y. Tarasuwa et al., “Fine Positioning Three-Dimensional Electric-
Field Measurements in Automotive Environments”, IEEE Trans.
On Vehicular Technology, vol. 56, no 3, May 2007
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 31III – Compatibilité électromagnétique (CEM) Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 32
Interférence électromagnétique Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 33
Interférence électromagnétique
Deux exemples :
« Des perturbations des instruments
de bord causant des déviations de
trajectoire apparaissent lorsqu’un ou
plusieurs passagers allument leurs
appareils électroniques. » (Air et
Cosmos, Avril 1993)
29 juillet 1967 : accident du porte
avions américain USS Forrestal. Le
lancement accidentel d’un missile fit
exploser un réservoir de carburants et
un stock de munitions, tuant 135
personnes et causant des dommages qui
nécessitèrent 7 mois de réparation.
L’enquête montra qu’un radar avait
induit une tension parasite sur le
câblage d’un avion suffisant pour
déclencher le lancement d’un missile.
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 34Interférence électromagnétique
Autres exemples :
http://www.interferencetechnology.com
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 35Compatibilité électromagnétique
Définition:
« La capacité d’un composant, équipement ou système à fonctionner de
manière satisfaisante dans un environnement électromagnétique
donné, sans introduire de perturbations électromagnétiques
intolérables pour tout système présent dans cet environnement. »
Aspect essentiel pour la sûreté fonctionnelle des applications
électroniques
Garantir le fonctionnement simultanée de tous les
équipements électriques et électroniques dans un
environnement électromagnétique donné
Réduire l’émission électromagnétique parasite et la
sensibilité ou susceptibilité aux interférences
électromagnétiques
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 36Compatibilité électromagnétique
Emission et susceptibilité
Susceptibilité aux
interférences Emission électromagnétique
électromagnétiques
Equipements
Interférences
inter systèmes
Cartes
électroniques
Faute
matérielle
Erreur logicielle Interférences
Radar
intra systèmes
Pertes fonction
Composants
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 37Compatibilité électromagnétique
Présentation générale d’un problème de CEM
Victime
Chemin de couplage
• Conduit
• Diaphonie
Agresseur
• Rayonné
Susceptibilité
électromagnétique
(perturbation,défaillance)
Emission
Résoudre un problème de CEM
électromagnétique
consiste à agir sur ces 3
éléments.
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 38Compatibilité électromagnétique
CEM appliquée aux radiocommunications
Couplage
rayonné
Victime
Perturbateur
Schéma classique d’un problème de CEM entre deux
systèmes de communications radioélectriques.
Couplage rayonné par les antennes. Brouillage du récepteur
victime par l’émetteur perturbateur.
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 39Compatibilité électromagnétique
CEM appliquée aux radiocommunications
Interférence = “présence de signaux RF non désirées,
qui peuvent affectés la communication sans fil”.
La tolérance aux interférences dépend du rapport signal sur
interférence (Signal-to-Interference Ratio) minimal à
respecter.
Deux cas d’interférence :Interférence Co-Canal et interférence
sur canal adjacent.
Interférence co-
canal
S
Interférence
≥ SIRmin
canal adjacent
I+N
Signal utile
fréquence
Canal
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 40Compatibilité électromagnétique
CEM appliquée aux radiocommunications
La réduction des interférences co-canal passe par une
séparation géographique des émetteurs utilisant les mêmes
fréquences.
La réduction des interférences sur canal adjacent passe par un
filtrage du bruit hors bande (à l’émission et à la réception).
Contrainte Adjacent Channel Leakage Ratio (ACLR) :
rapport entre la puissance transmise par un émetteur et la
puissance mesurée sur un canal adjacent.
Contrainte minimale typique en radiocommunication : 40 à 50
dB.
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 41Compatibilité électromagnétique
CEM appliquée aux radiocommunications
Emission de spurious.
Exemple : émetteur à 434 MHz.
10
Level (dBm)
0
Spurious
-10
-20
Limite
-30
-40
Frequency (MHz)
-50
432 433 434 435 436
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 42Compatibilité électromagnétique
CEM appliquée aux radiocommunications
Les problèmes de CEM peuvent exister au sein d’un même site.
Les chemins de couplage et les sources de perturbation sont
multiples.
Couplage entre
antennes Autres émetteurs,
Foudre bruit industriel,
atmosphérique
Intermodulation
structure proche
TX RX
Diaphonie
Diaphonie
Bruit
Systèmes électronique Systèmes
électroniques électroniques
Couplage par Alimentation
l’alimentation
Bruit alimentation
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 43Compatibilité électromagnétique
CEM appliquée aux radiocommunications
Couplage entre antennes au sein d’une application sans fil
embarqué.
Exemple : ordinateur portable :
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 44Compatibilité électromagnétique
CEM appliquée aux radiocommunications
Risques pour les récepteurs :
Désensibilisation (augmentation du seuil de bruit)
Réduction de la portée
Brouillage
Augmentation des temps de latence, réduction des débits
Blocage d’un ou plusieurs canaux de communications
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 45Compatibilité électromagnétique
Directive européenne CEM
La directive européenne 89/336/EEC (1996) puis 2004/108/EC (2004)
exige que tout « appareil électrique » placé sur le marché européen :
Ne génère pas d’interférences électromagnétiques capables de
perturber les équipements radio ou télécom, ainsi que le
fonctionnement de tout équipement
Ait un niveau d’immunité aux interférences électromagnétiques
tels qu’il n’y ait pas de dégradation de son fonctionnement.
Tout fabricant « d’appareil électrique » doit
attester que cette directive est supposée
respectée, en délivrant une déclaration de
conformité et en apposant un marquage CE sur
Marquage CE
le produit.
Il est recommandé d’utiliser le ou les standards harmonisés
(limites+ méthodes de test) adaptés au produit et à son
environnement pour vérifier la supposition de conformité à la directive
CEM.
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 46Compatibilité électromagnétique
Organismes de standardisation CEM
International Européen
International Electrotechnical European European
Commission(IEC) Commitee for Telecommunication
Electrotechnical Standards Institute
Standardization (ETSI)
(CENELEC)
Comité International
TC77 Spécial des
Perturbations
Radioélectriques(CISPR)
EN 50XXX
IEC 61000-X CISPR-XX EN 300XX
EN 55XXX
EN 6XXXX
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 47Compatibilité électromagnétique
Directive européenne R&TTE
La directive européenne 99/5/EC (1999) Radio & Telecommunications
Terminal Equipment s’appliquant à tout équipement de télécom et de
radio émettant sur la bande 9 KHz – 3000 GHz remplace la directive
CE (ainsi que la directive Low voltage sur les risques pour la sécurité
et la santé des utilisateurs).
Elle exige que les équipements de télécoms et radio placés sur le
marché européen :
Respecte les contraintes de sécurité pour les personnes imposées par la
directive Low Voltage (73/23/EEC) (notamment les limites de
rayonnement EM) et les contraintes de protection CEM imposées par la
directive 2004/108/EC.
Les équipements radio utilise les ressources spectrales allouées pour les
communications terrestres et spatiales de manière à éviter toute
interférence
Marquage prévu :
Obligatoire pour tous les Signe d’alerte
équipements concernés par obligatoire pour les
la directive R&TTE équipements classe 2
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 48Compatibilité électromagnétique
Directive européenne R&TTE
Deux classes de transmetteurs radio prévues.
Classe 1 : équipements pouvant être placés sur le marché et être mis
en service sans restrictions
Classe 2 : équipements sujets à restrictions
Exemples de sous-classe d’équipements classe 1 (www.ero.dk/rtte)
Sous classe Fréquence Système
8 890-915/935-960 MHz GSM, GSM-R
880-890/925-935 MHz
876-880/921-925 MHz
9 1710-1785/1805-1880 MHz GSM
13 380-385 MHz TETRA
390-395 MHz
18 1880-1900 MHz DECT
20 433.05-434.79 MHz Non Specific Short Range Devices
24 13.553-13.567 MHz Inductive Applications
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 49Compatibilité électromagnétique
Standards commerciaux harmonisés EN XXXXX (liste non exhaustive)
EN 61000-6-3 Generic Emission Standard, for residential,
(IEC61000-6-3) commercial and light industrial
environment
EN 61000-6-1 Generic Immunity Standard, for residential,
Standard générique (IEC61000-6-1) commercial and industrial environment
EN 55011 Industrial, scientific and medical RF
(CISPR11) equipment – Emission Limits and methods
of measurement
EN 55013 Limits and methods of measurement of
(CISPR13) emission characteristics of broadcast
receivers and associated equipments.
EN 55020 Sound and TV broadcast receivers and
Standard dédié à un (CISPR20) associated equipment immunity
produit characteristics – limits and methods
EN 330220 Short Range Devices (SRD); Radio
(ETSI 330 220) equipment to be used in the 25 MHz to 1
000 MHz frequency range with power levels
ranging up to 500 mW;
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 50Compatibilité électromagnétique
Autres standards
Les secteurs automobiles, militaires, aéronautiques, ferroviaires ont
des standards CEM propres.
Raisons historiques ou propres au secteur.
Applications Références de standard
Automobile ISO 7637, ISO 11452, CISPR 25,
SAE J1113
Aeronautique DO-160, ED-14
Militaire MIL-STD-461D, MIL-STD-462D, MIL-
STD-461E
Ferroviaire EN 50121
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 51Compatibilité électromagnétique
Exemple de test d’émission : émission rayonnée en chambre anéchoïque
(Siepel)
Absorbants Cage de
Antenne Faraday
Dispositif
large
sous test
bande 1m
1m
Récepteur
(analyseur
R = 3 ou 10 m
de spectre)
1m Alimentation
électrique
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 52Compatibilité électromagnétique
Exemple de tests d’immunité – EN 61000-6-1
Décharge 4 KV en contact, 8 KV pour une décharge dans l’air
électrostatique
Champ RF rayonnée 3 V/m entre 80 MHz et 1 GHz
Transitoire électrique Impulsion 5/50 ns avec 1 KV pour les E/S, 2 KV pour
rapide, Rafales les alimentations
Surge Impulsion de 1 KV de 1.2/50 µs appliquées sur les
alimentations
Immunité conduite RF 3 V RMS, 150 KHz – 80 MHz
Champ magnétique 3 A/m à 50 / 60 Hz
Voltage dips, short Variations de 40 % de la tension d’alimentation 5 fois
interrupt
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 53Compatibilité électromagnétique
Exemple de déclaration de conformité (R&TTE)
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 54IV – Exposition des personnes aux
champs électromagnétiques
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 55Effet des ondes EM sur la santé
Rayonnement ionisant vs. Non ionisant
Quelque soit la fréquence, les propriétés des champs
électromagnétiques sont les mêmes.
Seule l’énergie change !
Pour la science – Nov. 2011
Rayonnement Rayonnement
non ionisant ionisant
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 56Effet des ondes EM sur la santé
Champ magnétique statique
Champ magnétique terrestre 50 µT
1 µT = 1.257 A/m
Aimants pour les produits 0.5 mT
commerciaux
Electroaimant 10 – 100 mT
Imagerie par résonance magnétique 0.15 – 3 T
IRM imagerie du cerveau 10 T
Etude in vitro : effet biologique au-delà de qq T
Etude animale : effet cardiovasculaire et neurologique significatif au-
delà de 8 T.
Etude humain : pas d’effets clairs sur les fonctions cardiovasculaires et
neurologiques à 8 T. Effets transitoires (nausée, vertige, goût
métallique, phosphènes) à 2 – 3 T.
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 57Effet des ondes EM sur la santé
Champ magnétique basse fréquence (1 – 100 KHz)
Ligne haute tension (50 Hz)
Effet indirect Pièce métallique
H < 10 A/m
Courant
I induit
Effet direct sur
E ≈ 5 KV/m l’humain
U = 400 KV Apparition de
courant (bon
conducteur en BF)
Effets indirects: induction de courant sur les pièces métalliques,
pouvant créer une gêne chez les humains et les animaux en cas de
contact. Pas de risque sanitaire avec niveaux de champs usuels.
Champ électrique : pas de pénétration dans le corps humain, dans les
bâtiments, uniquement apparition de charges superficielles et courant
de décharge.
Seule réaction biologique observée : gêne liée au courant de fuite (2 à
5 KV/m @ 50/60 Hz)
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 58Effet des ondes EM sur la santé
Champ magnétique basse fréquence (1 – 100 KHz)
Champ magnétique : pénétration dans le corps humain, induction de
courant.
Réactions biologiques observées :
• Si très intenses : contraction musculaire, troubles rythmes cardiaques
• Effets transitoires tels qu’une affectation de la coordination motrice à
1 – 2 mT @ f = 1°-20 Hz. Phosphènes à 5 mT @ 20 Hz.
Pas d’augmentation du risque de cancers et d’affections neurodégénératives
Léger accroissement du risque de leucémie chez l’enfant à long terme
(0.4 µT) :
• Corrélation statistique, mais causalité non démontrée
• 1 cas supplémentaire pour une population de 35 millions de
personnes
• Passage du champ H ELF dans catégorie 2B (potentiellement
cancérogènes) par le CIRC.
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 59Effet des ondes EM sur la santé
Expositions aux ondes radiofréquences (100 KHz – 300 GHz)
Onde plane
Absorption et
échauffement
Effets thermiques : absorption du champ électromagnétique qui
provoque une élévation de température locale ou globale.
Une augmentation de température > 1°c peut conduire à un
dérèglement de la régulation thermique effet sur la santé.
Effet direct sur la santé : les études in-vitro, animale et
épidémiologiques convergent en faveur d’une absence d’effet direct.
Effet du portable : résultat plutôt négatif, mais études épidémiologiques
faites sur des durées courtes (10 ans).
Passage des champs RF dans la catégorie 2B par le CIRC.
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 60Législation – protection du public
Définition des niveaux de référence - Organismes de normalisation
ICNIRP (International Commission on
Non-Ionizing Radiation Protection)
Recommandations
Institution Organisation Centre international
politique, agence Mondiale de la de recherche sur le
gouvernementale Santé (OMS) cancer (CIRC)
Union Européenne
Recommandation 1999/519/EC : limitation à l’exposition
du public aux champs électromagnétiques (0 Hz à 300 GHz)
Directive 2004/40/EC : limitation à l’exposition des travailleurs
aux champs électromagnétiques (0 Hz à 300 GHz)
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 61Législation – protection du public
Limites d’exposition aux champs statiques
Niveaux de référence recommandés par l’ICNIRP :
Exposition Caractéristiques Flux magnétique max.
Travailleurs Tête et tronc 2T
(environnement contrôlé
+ pratiques de travail Autres membres 8T
appropriées)
Public 400 mT
Niveaux de référence définie par l’UE :
Exposition Flux magnétique max.
Travailleurs 200 mT
Public 40 mT
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 62Législation – protection du public
Niveaux de référence pour les champs basses fréquences
Entre 1 Hz et 1 MHz, les limites basées sur la densité de courant
induite minimum pour induire des effets sur le système nerveux (Jmax
= 10 mA/m²).
Exposition des travailleurs et du public aux champs E et H :
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 63Législation – protection du public
Effets thermiques – Dose maximum (100 KHz – 10 GHz)
On caractérise la capacité du corps à absorber l’énergie véhiculée par
le champ RF produit par un appareil radioélectrique par : Specific
Absorption Rate (SAR) ou Taux d’Absorption Spécifique (TAS):
d dW d dW σErms 2
SAR (W / kg ) = = =
dt dm dt ρdV ρ
Avec : • W : énergie absorbée
Champ E et SAR à 1.8 GHz
• M : masse [CST]
• Ρ: masse volumique
SAR × t
Augmentation de température : ∆T =
Cth
Avec : • t : durée d’exposition
• Cth : capacité calorifique du corps (J/(kg.°c))
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 64Législation – protection du public
Effets thermiques – Dose maximum (100 KHz – 10 GHz)
Le calcul de l’absorption est complexe. Il dépend de la fréquence, de
la polarisation de l’onde incidente, des tissus considérés, des
vêtements, de la conduction vers la terre …
Un être humain moyen soumis à un champ électrique vertical
présente un maximum d’absorption entre 60 et 100 MHz (en fonction
de sa taille). Certains membres ont des fréquences de résonance
particulières.
Législation européenne: avec un SAR de 4 W/kg, une exposition de 30
minutes conduit à une élévation de température de 1 °C.
Exposition SAR max - SAR local max (tête SAR local (autres
Corps complet et tronc) membres)
Travailleur 0.4 W/kg 10 W/kg 20 W/kg
Public 0.08 W/kg 2 W/kg 4 W/kg
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 65Législation – protection du public
Niveaux de référence pour les champs radiofréquences
Entre 100 KHz et 10 GHz, les limites sont basées sur la restriction des
SAR moyen et localisés, ainsi que sur le courant induit.
Au dessus de 10 GHz, les restrictions portent sur la densité de
puissance transportée par l’onde et son effet à la surface du corps (10
– 50 W/m²).
Exposition des travailleurs et du public aux champs E et H :
137 V/m
61 V/m
61 V/m
28 V/m
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 66Législation – protection du public
Exposition simultanée à des champs de fréquences différentes
Est-ce que les effets d’expositions à des champs de fréquences
différentes s’additionnent ?
Principe recommandé par l’ICNIRCP :
1MHz 1MHz 1MHz
Ji Ei Hi
Courant induit :
∑
i =1Hz J Li
≤1 ∑
i =1Hz E Li
≤1 ∑
i =1Hz H Li
≤1
10 GHz
SARi 300GHz Si
Effet thermique :
∑
i =100 KHz SARLi
+ ∑
i =10 GHz S Li
≤1
2 2
300GHz
Ei 300 GHz
Hi
∑ ≤ 1
i =100 KHz E Li
∑ ≤ 1
i =100 KHz H Li
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 67Contrôle de l’exposition du public aux ondes électromagnétiques
Contrôle du DAS
Normes européennes sur les protocoles de
mesures du SAR des dispositifs RF (EN 50360 et
50361 pour les « handheld devices » et 50383
pour les stations de base RF).
Utilisation Specific Anthropomorphic Mannequin
(SAM) pour les mesures de DAS.
MCL-Technology
Satimo (www.microwavevision.com)
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 68Contrôle de l’exposition du public aux ondes électromagnétiques
Contrôle du DAS – Comparaison entre différents mobiles
Données fournisseurs :
Apple – Iphone 3G : 0.878 W/kg
Apple – Iphone 4G : 0.933 W/kg
Blackberry – Torch 9800 : 1.13 W/kg (10g) / 0.79 W/kg (1g)
HTC – Trinity : 0.77 W/kg
Nokia – N95 : 0.72 W/kg
Samsung – Galaxy S i9000 : 0.238 W/kg
Samsung - SGH-L760V : 0.56 W/kg
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 69Contrôle de l’exposition du public aux ondes électromagnétiques
Contrôle des stations émettrices
RF - Principes des mesures
ETS Lindgren – EM field
probe (10 KHz – 1 GHz)
Wavecontrol– Mesureur de
champ (500 KHz – 3 GHz)
www.anfr.fr
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 70Contrôle de l’exposition du public aux ondes électromagnétiques
Périmètre de sécurité autour d’une station de base
Un périmètre de sécurité doit être respecté autour des stations de base fixes.
Il convient de s’assurer qu’en dehors du périmètre de sécurité :
2
300 GHz Ei
∑
≤1
10 MHz Ei lim ite
P=43 dBm (fort)
Gain : 15.5 dBi
Tilt = 5°
Champ < 3 V/m dans
les zones publics.
Champ électrique autour d’une station de base GSM en terrasse d’immeuble (source :
www.anfr.fr)
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 71Contrôle de l’exposition du public aux ondes électromagnétiques
Périmètre de sécurité autour d’une station de base
Exemple : une antenne panneau de gain égal à 18 dBi est placée sur le toit d’un
immeuble. Il s’agit d’une antenne tribande GSM 900/1800 – UMTS. La puissance
d’émission est limitée à 20 W. Déterminer le périmètre de sécurité face à l’antenne.
PeGe
En supposant une propagation en espace libre, la Pr =
puissance incidente à une distance d est égale à : 4πd 2
1 E2 2 PeGeη 0 1 2 PeGeη 0
En champ lointain : Pr = E × H = E= ⇔ d =
2 2η 0 4πd 2 E 4π
2 2 2
E900 E1800 E2100
On doit respecter : + + ≤1
E E E
900 lim ite 1800 lim ite 2100 lim ite
1
E900 = × E900 lim ite = 23.7 V / m ⇒ d ≥ 11.6m
3
En supposant des contributions 1
égales de chaque système E1800 = × E1800 lim ite = 33.5V / m ⇒ d ≥ 8.2m
3
1
E2100 = × E2100
72
lim ite = 35.2 V / m ⇒ d ≥ 7.8m
3 e
Qualité, Sécurité, Environnement, 4 année IR, 2012 72Contrôle de l’exposition du public aux ondes électromagnétiques
Contrôle de l’exposition du public aux champs radiofréquences
Mesure effectuée à Rangueil par l’ANFR
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 73Contrôle de l’exposition du public aux ondes électromagnétiques
Contrôle de l’exposition du public aux champs radiofréquences
Mesure effectuée à Rangueil par l’ANFR
Mesure de champ E par service
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 74Contrôle de l’exposition du public aux ondes électromagnétiques
Contrôle de l’exposition du public aux champs radiofréquences
Mesure effectuée à Rangueil par l’ANFR
Comparaison avec les limites de champ
2
300 GHz
Ei
∑ = 0.014Contrôle de l’exposition du public aux ondes électromagnétiques
Contrôle de l’exposition du public aux champs radiofréquences
Mesure effectuée à Ramonville par l’ANFR
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 76Contrôle de l’exposition du public aux ondes électromagnétiques
Contrôle de l’exposition du public aux champs radiofréquences
Mesure effectuée à Ramonville par l’ANFR
Mesure de champ E par service
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 77Contrôle de l’exposition du public aux ondes électromagnétiques
Contrôle de l’exposition du public aux champs radiofréquences
Mesure effectuée à Ramonville par l’ANFR
Comparaison avec les limites de champ
2
300 GHz
Ei
∑
i =100 KHz E Li
= 0.0076Compatibilité électromagnétique
Signalétique (ISO/DIS 7010 – NF X 08-003)
Radiations non ionisantes, danger
Champ magnétique, danger
Entrée interdite aux porteurs d’un
stimulateur cardiaque
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 79Bibliographie
C. R. Paul, « Introduction to Electromagnetic Compatibility », Wiley
Interscience, 1992, ISBN 0-471-54927-4
T. Williams, “EMC for Product Designers – Fourth Edition”, Newnes, 2007, ISBN
0-7506-4167-3
F. Leferink, “Gaps in the Application of the EMC Directive Due to Inadequate
Harmonized Product Standards », 2010, IEEE EMC Newsletter
“Recommendation IUT-R P.372-8 – Radio Noise”, 2003
Directive 204/108/EC of the European Parliament and of the Council of 15
December 2004 on the approximation of the laws of the Member States relating
to electromagnetic compatibility and repealing Directive 89/336/EC
Directive 1999/5/EC of the European Parliament and of the Council of 9 March
1999 on radio equipment and telecommunications terminal equipment and the
mutual recognition of their conformity, OJEU No L/97, p 13-14, 7th April 1999.
“Protocole de Mesure In-Situ”, Agence Nationale des Fréquences ANFR / DR15-
3, Version 3, 31 mai 2011, www.anfr.fr
« ICNIRP Guidelines for limiting exposure to time varying electric, magnetic
and electromagnetic fields (up to 300 GHz) », published in HEALTH PHYSICS 74
(4):494‐522; 1998, International Commission on Non-Ionizing Radiation
Protection.
L. Verschaeve, J. Vanderstraeten, “Champs et ondes : quel impact sur la santé”,
Pour la Science, n°409, Novembre 2011
Qualité, Sécurité, Environnement, 4e année IR, 2012 80Vous pouvez aussi lire
