Dans certains domaines, l'automobile et l'aéronautique par exemple, des ingénieurs ont longtemps pris soin dans leurs conceptions, de réduire les émissions indésirables et de minimiser les risques d'interférences provenant d'autres sources. Mais maintenant que les concepteurs doivent intégrer plus de circuits dans des espaces toujours plus petits et que l'internet des objets (IdO) ajoute une connectivité à chaque appareil, les questions de compatibilité électromagnétique (EMC) prennent une importance de plus en plus grande pour un large éventail d'applications.
Selon le spectre de fréquence de l'interférence (à haut débit, à impulsions ou transitoires, ESD, etc.) et le mécanisme de couplage (par conduction ou par rayonnement), de nombreuses techniques différentes sont utilisées pour réduire les effets de la EMC, y compris la mise à la terre, le blindage, le filtrage et le montage minutieux de cartes de circuits imprimés (PCB).
Pour réduire la sensibilité conduite (interférences indésirables se propageant par l'intermédiaire d'un faisceaux de câbles ou d'un câble d'alimentation), arrêter le bruit au moment où il pénètre dans le circuit (au niveau du raccordement) est une approche très efficace. Un raccordement à filtre combine un raccordement standard avec des composants de suppression EMI/RFI pour aider à résoudre les problèmes de EMC. Alors que les éléments filtrants sont contenus à l'intérieur du raccordement lui-même, la zone fonctionnelle du PCB est réduite au minimum et est allégée par rapport à un raccordement standard et à des composants filtrants discrets.
Un raccordement à filtre économise de l'espace, offre une flexibilité de conception, réduit les coûts et permet de modifier et de mettre à niveau rapidement des systèmes existants. Les avantages d'un raccordement à filtre comprennent également les éléments suivants :
- Faible impédance de mise à la terre : une plaque de masse et une gaine métallique offrent une impédance minimale de mise à la terre et des performances supérieures par rapport à un filtre monté sur circuit imprimé.
- Élimination du rayonnement secondaire: un raccordement à filtre sur l'interface ne permet pas au bruit de contourner le filtre.
- Blindage du plan de masse : les plans de masse du raccordement à filtre protègent le boîtier, y compris au port de raccordement.
- Utilisation efficace de l'espace : les filtres situés dans le raccordement libèrent de l'espace sur la carte de circuit imprimé.
- Performances constantes : les raccordements à filtre offrent des performances broche à broche plus constantes.
- Moins de composants : et un nombre réduit de composants génère des économies de coûts.
Construction d'un raccordement à filtre
Un raccordement à filtre comprend un filtre intégré en ajoutant des condensateurs et des inducteurs en ferrite dans le corps de raccordement. Il existe trois types de condensateurs utilisés couramment : un condensateur céramique comme indiqué ci-dessous ; un condensateur tubulaire autour du corps de la broche de raccordement et des matrices de condensateur planaires.
Une matrice de condensateur planaire est un disque ou un rectangle en céramique de titanate de baryum qui fournit un substrat commun de capacitance pour chaque ligne d'un condensateur. Les valeurs de capacitance peuvent être mélangées y compris des lignes de masse et de traversée. La gamme type de la capacitance disponible est comprise entre 500 pF et 100 000 pF. La matrice de condensateur fournit également un plan de masse continu à travers l'interface du raccordement.
L'inducteur en ferrite peut se présenter sous la forme d'une bille de ferrite autour de la broche de raccordement ou d'une plaque de ferrite à travers laquelle passent toutes les broches. Les billes de ferrite sont utilisées pour fournir une inductance de 0,5 uH à 5 uH, avec 10-100 ohms dans le circuit équivalent.
Figure 1 : Construction d'un raccordement à filtre C. (Source : Amphenol)
La figure 1 représente la construction interne d'un raccordement à filtre au format D-subminiature. Ce raccordement comporte un filtre de type C, qui est simplement un condensateur connecté entre la broche et la masse du raccordement.
Sélection du filtre
La sélection d'un circuit de filtre spécifique dépendra des caractéristiques de perte d'insertion requises et des impédances de charge et de la source du système. Un type d'élément unique, par exemple un filtre C ou L est la solution la plus simple ; les filtres appelés C2, avec deux condensateurs en parallèle, sont également fréquents.
Pour des tâches de filtrage plus complexes, des filtres à éléments multiples, tels que les filtres "PI" ou "T" peuvent être utilisés. Selon la disposition des composants, une caractéristique passe-bas, passe-haut, passe bande ou éliminateur de bande est possible.
La figure 2 montre une comparaison entre les différents types de filtres et leurs applications.
Figure 2 : Comparaison des types de filtres. (Source : Amphenol)
Des filtres plus complexes conduisent naturellement à la construction de raccordement à filtre plus complexe. Un filtre LC plus complexe est représenté ci-dessous ; celui-ci est un raccordement ARINC pour une utilisation avionique.
Figure 3 : Raccordement à filtre ARINC. (Source : Amphenol)
Facteurs affectant les performances du filtre à raccordement
Plusieurs facteurs opérationnels affectent les performances du raccordement-filtre et doivent être prises en compte lors du processus de sélection :
- Tension de fonctionnement : la constante diélectrique d'un condensateur augmente avec la tension CC appliquée, ce qui entraîne une diminution de la capacitance et, par conséquent, des performance du filtre. L'amplitude de la variation dépend de la nature du matériau en céramique utilisé, l'épaisseur diélectrique et la tension continue appliquée.
- Courant de fonctionnement : l'augmentation du courant de fonctionnement provoque une saturation magnétique des éléments inductifs (ferrites), de sorte que les filtres avec des inducteurs en ferrite (PI, LRC, CLR et les configurations en T) commenceront à se comporter comme des filtres "C" lorsque la ferrite est proche de la saturation.
Plage de température de fonctionnement : les performances de perte d'insertion et de capacitance sont généralement spécifiées à une température de référence de 25°C. Le coefficient de température de capacitance (TCC), spécifié en termes de pièces par million (ppm) par °C ou pourcentage maximal, décrit la variation maximale de la valeur de la capacitance sur une plage de température donnée. Les diélectriques généralement utilisés ont des TCC de +/- 15 pour cent compris entre -55° C et + 125° C.
Raccordements à filtre pour la suppression des transitoires
Alors que les raccordements à filtre EMI sont efficaces dans la protection contre les transitoires basse consommation, ceux-ci offrent peu de protection contre les transitoires haute tension/consommation élevée qui peuvent être provoqués par la foudre, la commutation de charge, les décharges électrostatiques (ESD) ou l'impulsion électromagnétique (EMP).
Pour les applications nécessitant une protection des circuits sensibles contre des cas de surtension, des diodes de suppression Zener ou des varistances d'oxyde métallique (MOV) peuvent être incorporées dans le corps du raccordement en combinaison avec le filtrage EMI ou de façon autonome.
Un MOV est un dispositif bipolaire non-linéaire, symétrique. Il conduit très peu de courant en basse tension, mais une fois au-dessus de la tension de claquage, la tension à travers le dispositif reste relativement constante car il dissipe l'énergie dans un matériau en oxyde de métal en vrac. Par conséquent, la varistance aura pour effet de verrouiller les transitoires à haute intensité à la fois positifs et négatifs.
La combinaison du dispositif de suppression des transitoires dans le raccordement améliore les performances de verrouillage de la tension par rapport à une solution discrète en éliminant la résistance parasite et l'inductance des composants au niveau de la carte.
Filtrage de la ligne de courant alternatif
Une exigence commune est d'atténuer le bruit associé à l'équipement alimenté par la ligne de courant alternatif. Dans ce cas, les interférences électromagnétiques (EMI) doivent être atténuées dans les deux sens. Les émissions conduites doivent être réduites à un niveau suffisant pour respecter les limites réglementaires telles que le FCC Part 15, qui couvre les émissions involontaires et la sensibilité conduite doit être appropriée pour empêcher les interférences électromagnétiques entrantes de provoquer un comportement de fonctionnement indésirable.
Les raccordements avec filtres de ligne CA intégrés sont disponibles à cet effet. Utilisant souvent le facteur forme de la norme IEC, le filtre est un type LRC pour atténuer les interférences électromagnétiques différentielles et celles en mode commun.
La disponibilité des raccordements à filtre
Arrow Electronics propose plus de 1 750 options de raccordement à filtre, dont des raccordements circulaires, D-Sub, de puissance et de télécommunications ainsi que des blocs de jonction filtrés.