L'équipotentialité

L'équipotentialité

L'équipotentialité est une notion que les électroniciens connaissent et appliquent depuis longtemps dans le dessin et leurs cartes, le raccordement des châssis et l'utilisation de câbles blindés. L'évolution des techniques oblige à l'étendre à une échelle beaucoup plus large. De l'équipement individuel, où elle n'était déjà pas si facile à réaliser, l'équipotentialité s'applique à toute l'installation avec les difficultés inhérentes à la diversité des appareils, à la distance qui les sépare, à des exigences élevées de contacts électriques, voire à la structure du réseau d'alimentation. Elle est néanmoins indispensable pour que les «courants faibles», qui véhiculent des informations entre ces équipements, ne soient pas perturbés dans leur environnement.

La référence à un potentiel commun

L'équipotentialité consiste en une référence de potentiel commune à plusieurs éléments, et ne doit pas être confondue avec la terre, rendue nécessaire par la sécurité. Dans ce cas, les masses sont uniquement, du point de vue normatif, les éléments métalliques accessibles des matériels pouvant devenir dangereux par suite d'un défaut. C'est la différence de potentiel entre deux masses, dont l'une peut être la terre, qui est dangereuse. Dans le cadre de la CEM, il convient d'élargir cette notion à tous les éléments métalliques, y compris non accessibles, faisant ou non partie des matériels (structures, bâtis, châssis, charpentes, …). Faisant référence au potentiel commun, ils sont assimilés à des masses. L'important en CEM est que tous les équipements qui ont des liaisons en commun aient le même potentiel de référence. Ces liaisons en commun peuvent être plus ou moins nombreuses ou sensibles (lignes d'alimentation, conducteurs de protection, lignes d'échanges, de mesures, …). Il existe, dans la constitution de ce réseau de masse, une réponse graduelle en fonction de la sensibilité des appareils ou du niveau de perturbation de l'environnement.

L'inductance linéique

Comment deux équipements, souvent reliés entre eux par de multiples lignes, peuvent-ils être affectés.
Pratiquement, l'équipotentialité formée par ces lignes reste le plus souvent limitée aux basses fréquences. Dès que la fréquence augmente - c'est le propre de beaucoup de signaux perturbateurs jusqu'à plusieurs centaines de MHz - elles deviennent trop impédantes. On le voit d'ailleurs dans la formule de base du calcul de l'impédance Z en haute fréquence : Z = 2 π f L, celle-ci croit proportionnellement avec la fréquence f (en Hertz) et l'inductance L (en Henry) du conducteur, elle-même directement liée à la longueur de ce dernier. L'inductance linéique d'un conducteur rectiligne est d'environ 1 µH/m.
Elle peut descendre à des valeurs de 0,1 à 0,5 %H/m pour des conducteurs larges et très courts (feuillards, tresses) où le rapport l / d ≤ 5. Notons que si l'on enroule les conducteurs (boucles ou loves), l'inductance linéique peut monter à 10 mH/m d'où une impédance encore plus élevée. En revanche,si le conducteur retour est très proche du conducteur aller (épingle à cheveux), l'inductance linéique est divisée par 3. En plus, cette disposition limite la formation de boucles soumises au rayonnement et diminue le couplage capacitif entre les câbles. D'où l'intérêt qu'il y a à regrouper dans un même cheminement les conducteurs d'alimentation, les conducteurs de protection et éventuellement de faire cheminer les conducteurs de masse au plus près des masses auxquelles il sont raccordés.

Dans cette situation une perturbation qui affecterait l'équipement 1 (une surtension par exemple) n'affectera pas, ou du moins de manière très atténuée, l'équipement 2. Cette perturbation aura induit une différence de potentiel entre les équipements qui pourra être décodée comme un signal de commande ou une variation de valeur ou tout autre ordre non désirable. En revanche, si les deux équipements sont parfaitement équipotentiels par l'adjonction d'un conducteur de masse, cette perturbation s'équilibrera, souvent en diminuant de niveau. La montée en potentiel sera identique de part et d'autre et aucune différence ne pouvant être décelée, il n'y aura pas de défaut.

Un exemple : l'automobile

L'automobile offre une bonne démonstration de ces phénomènes. Nos voitures intègrent des fonctions utilisant une diversité de signaux grandissante : haute tension pour l'allumage, haute fréquence bas niveau pour la radio, signaux numériques de la gestion de l'alimentation, capteurs analogiques de débit, de températures, courants très élevés pour le démarrage, courant continu de la batterie, alternatif dugénérateur, le tout dans une profusion de perturbations : surtensions, ruptures de courant, parasites des collecteurs de moteur, décharges électrostatiques. La bonne marche du véhicule n'en est pas affectée pour autant !… Tous ces éléments disposent d'une référence commune : la masse du véhicule (et cela sans prise de terre). Et chacun sait les conséquences fâcheuses d'une mauvaise masse, ne serait ce que sur un clignotant !

Valeurs d'impédance

• Pour obtenir une bonne équipotentialité, nos recherches nous ont amenés à définir des valeurs d'impédance qui sont maintenant communément admises :
• – borne de masse (contact)< 5 mΩ,
• – liaison entre deux masses voisines < 20 mΩ (dans un même îlot < 2 m),
• – liaison entre masses et éléments conducteurs < 50 mΩ (distants de 20 m).

Le calcul concernant l'impédance des conducteurs de masse reste délicat. Pour que le conducteur assure un rôle de court-circuit et donc d'équipotentialité jusqu'à une certaine fréquence, il faut que cette liaison possède une impédance inférieure au circuit à shunter. Cette notion d'infériorité peut se définir par un coefficient K de proportionnalité entre l'impédance de ligne et celle de la liaison équipotentielle. Une valeur de K de 10 à 30 peut être généralement retenue.
Voici un ordre de grandeur des valeurs d'impédance de quelques conducteurs : Pour une ligne haute fréquence d'impédance 100 Ω, seul un feuillard très court aura réellement un effet équipotentiel à la fréquence maxi. Les liaisons filaires n'auront souvent qu'un effet illusoire. En pratique, on aura tout intérêt à se servir de tous les éléments métalliques disponibles, charpentes, structures, bâtis, armoires équipements, en multipliant les liaisons par conducteurs courts ou mieux encore par assemblage direct, pour faire baisser principalement en haute fréquence la valeur de la liaison équipotentielle. Pour des applications industrielles courantes (perturbations < 1 MHz), les conducteurs de masse ne devraient pas excéder une longueur d'un mètre. Cette longueur sera ramenée à 0,5 m pour les applications de transmission de données (jusqu'à 100 MHz). On préférera, dans l'ordre d'efficacité, les conducteurs larges et plats (feuillards), les conducteurs multibrins plats (tresses), les conducteurs multibrins souples ; les conducteurs massifs ronds sont les moins efficaces.