Maîtriser les EMI rayonnées et conduites grâce à un connecteur approprié

Les interférences électromagnétiques (EMI) constituent une réalité frustrante et souvent inévitable dans de nombreuses conceptions de systèmes. Elles sont omniprésentes et néfastes, et leurs effets s'aggravent à mesure que les fréquences de fonctionnement augmentent. Elles peuvent être rayonnées dans l'air ou conduites via des lignes de signaux et d'alimentation, qui les injectent ensuite dans le circuit ou agissent comme des antennes pour les transmettre.

Si un produit conduit ou rayonne des interférences électromagnétiques (« l'agresseur »), il peut perturber le fonctionnement de systèmes à proximité, échouer aux tests de conformité réglementaires et être retiré du marché. En revanche, si un produit joue le rôle inverse, c'est-à-dire celui de récepteur intentionnel ou non intentionnel d'interférences électromagnétiques (une « victime »), il peut subir des défaillances, des pannes et des incohérences inexplicables et intermittentes.

Ces problèmes peuvent être potentiellement mortels, comme dans un avion ou un hôpital, coûteux, comme dans une chaîne de production, mais aussi plutôt comiques, comme dans le cas du compteur de vitesse sans fil de mon vélo. Ce compteur de vitesse fonctionne dans la bande de 432 MHz et, pour une raison inconnue, affiche systématiquement une vitesse entre 104 et 136 km/h sur un tronçon de route d'une petite centaine de mètres entre une maison isolée et la voie ferrée à proximité, sous des lignes aériennes de 20 kV.

Comment réduire les effets des interférences électromagnétiques

Réduire ou éliminer la source des interférences électromagnétiques ou leur impact est à la fois simple et difficile. Les étapes de base incluent une mise à la terre adéquate, un blindage complet, une dérivation appropriée et, bien sûr, l'utilisation de filtres. Outre ces étapes, c'est souvent la règle des « 80/20 » qui s'applique : éliminer 80 % des interférences mobilise 20 % des efforts, tandis que pour se débarrasser des 20 % restants, cela peut facilement représenter 80 % du travail.

Toute ouverture dans un boîtier, comme celle requise pour une fiche et une prise, est une brèche par laquelle l'énergie EMI peut passer dans les deux sens. Toutefois, si les interférences électromagnétiques sont uniquement dues à l'énergie rayonnée, un connecteur blindé permet de résoudre le problème.

Ce problème a été résolu il y a plusieurs dizaines d'années, grâce à l'utilisation de câbles coaxiaux et des connecteurs mâles et femelles classiques SO-239 et PL-259, et à la série BNC. Cependant, ces connecteurs RF entièrement blindés ne peuvent prendre en charge qu'un seul signal par connecteur et ne conviennent pas à l'alimentation CC ni aux signaux non-RF.

Une bonne alternative consiste à procéder à un « retour vers le futur » en adoptant un type de connecteur qui était autrefois très répandu pour les liaisons de communication et autres interfaces : le connecteur D-subminiature (D-sub) (Figure 1) d'entreprises telles que Molex. Avant l'apparition des ports USB et parallèles, les ingénieurs et de nombreux consommateurs utilisaient ce connecteur dans sa version à 9 broches (appelée DB-9) comme interconnexion pour le protocole série RS-232.

Figure 1 : La série de connecteurs et d'adaptateurs D-sub robustes et largement utilisés est disponible dans une grande variété de positions de contact, de caractéristiques électriques, de bandes passantes de filtrage EMI et de terminaisons physiques ; les filtres en pi traitent les interférences électromagnétiques conduites. (Source de l'image : Molex)

Les technologies USB et Ethernet ont largement remplacé le protocole RS-232, qui est désormais principalement utilisé dans les anciens systèmes et rarement dans les nouvelles conceptions. Cependant, le connecteur D-sub continue d'exister. Il existe de nombreuses raisons qui expliquent sa longévité :

• La conception métal sur métal sans ouverture offre un blindage à 100 % autour des fils.
• Il est mécaniquement robuste, ce qui permet l'utilisation de bornes et de vis d'accouplement pour un verrouillage positif entre les paires à raccorder.
• Des versions à 9, 15, 25, 37 et 50 contacts sont disponibles.
• Il est proposé avec une large gamme de terminaisons, notamment des bornes en coupelle et des broches de cartes droites ou à angle droit.

Quand le blindage seul ne suffit pas

Le blindage du connecteur D-sub résout le problème des interférences électromagnétiques rayonnées, mais pas celui des interférences électromagnétiques conduites. C'est là que les adaptateurs et connecteurs D-sub pi hautes performances à filtrage EMI de Molex (Figure 1) entrent en jeu.

Ces connecteurs intègrent des filtres EMI dans leurs contacts, et aucun espace ni composant supplémentaire n'est donc requis sur le circuit imprimé. Les lignes mises à la terre et isolées se trouvent dans le même connecteur pour économiser encore plus d'espace. Ils sont disponibles dans un large éventail de configurations mécaniques et de terminaisons, pour des options d'intégration.

Les filtres intégrés empêchent les interférences électromagnétiques conduites de traverser la paire de connecteurs, ce qui permet d'atténuer ces interférences dans les situations critiques comme les commandes de moteurs dans les avions, les radios aéroportées, les équipements d'imagerie, les équipements de traitement et de nombreuses autres applications.

Les fonctionnalités clés des adaptateurs et des connecteurs incluent les suivantes :

• Construction : le capot moulé sous pression en une seule pièce et la structure interne entièrement soudée renforcent les performances mécaniques et électriques, empêchant ainsi les défaillances dans les environnements soumis à de fortes vibrations. Les connecteurs sont compatibles avec la norme M24308 (MIL-DTL-24308). Leur corps en polyester chargé de fibres de verre respecte également la norme d'inflammabilité UL 94 V-0.
• Robustesse électrique : les connecteurs peuvent résister à la foudre et aux transitoires environnementaux CA jusqu'au niveau IV de la norme DO-160 pour les tests environnementaux du matériel aéroporté.
• Filtrage électrique : grâce à une configuration en pi à trois éléments (condensateur, inductance et condensateur), les filtres absorbent le bruit haute fréquence dans les lignes d'alimentation et de signaux. Leur forte pente d'atténuation prend en charge la suppression des interférences électromagnétiques à large bande.
• Condensateurs de traversée : pour empêcher tout transfert indésirable de signaux aux points d'interconnexion, des condensateurs de traversée fournissent un trajet à faible impédance vers la terre. Ils réduisent efficacement les émissions conduites, en particulier dans les boîtiers blindés où les condensateurs traditionnels ne suffisent pas.
• Éléments inductifs (ferrites, tores) : ces éléments absorbent l'énergie haute fréquence et la dissipent sous forme de chaleur, minimisant ainsi le couplage involontaire.

La fréquence de coupure du filtrage EMI est sélectionnée par l'utilisateur, étant donné que ces connecteurs sont proposés avec une large gamme de capacités et donc de fréquences de coupure, avec les pertes d'insertion associées (Figure 2).

Figure 2 : Les utilisateurs des adaptateurs et connecteurs D-sub pi à filtrage EMI hautes performances peuvent choisir parmi une gamme de paramètres afin de s'adapter aux exigences de leur application. (Source de l'image : Molex)

Les contacts ont une résistance maximum de 10 mΩ et peuvent supporter jusqu'à 5 A (courant RF de 0,3 A), avec une tension de fonctionnement nominale de 50 V ou 100 V, selon le modèle.

Deux exemples parmi de nombreuses possibilités

Pour répondre aux besoins des concepteurs en matière de nombre spécifique de positions de contact, de fréquences de coupure et d'options de montage, cette gamme de produits de Molex propose des connecteurs et des adaptateurs dotés de 9 à 50 positions de contact, de multiples capacités et de plusieurs types de terminaisons.

Par exemple, le 0732843041 (Figure 3, à gauche) est un connecteur femelle à 9 contacts avec des options de capacité de 100 à 4000 pF et des bornes en coupelle conçues pour le raccordement direct des fils. Le 0732840290 (Figure 3, à droite) quant à lui, est un connecteur mâle à 25 contacts offrant les mêmes options de capacité, mais présentant deux rangées de terminaisons de broches à angle droit pour le soudage direct sur circuit imprimé.

Figure 3 : Le connecteur femelle 0732843041 à 9 contacts (à gauche) est doté de bornes en coupelle pour le raccordement de fils individuels. Le connecteur mâle 0732840290 à 25 contacts (à droite) est équipé de deux rangées de terminaisons de broches à angle droit pour le soudage sur circuit imprimé. (Source de l'image : Molex)

Conclusion

Les ingénieurs expérimentés savent que les connecteurs sont aussi essentiels à la réussite d'un produit que n'importe quel autre composant actif ou passif. Les adaptateurs et connecteurs D-sub pi à filtrage EMI hautes performances de Molex ne se contentent pas d'assurer la continuité. Ils peuvent fournir une atténuation significative des interférences électromagnétiques rayonnées et conduites. Ils réduisent ainsi les incertitudes de conception et les surprises indésirables en matière d'interférences électromagnétiques.

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