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IEC 61000-4-8 : immunite au champ magnetique 50 Hz

Guide - Immunite EMC basse frequence

L'essai d'immunite au champ magnetique a frequence industrielle selon IEC 61000-4-8 est un essai EMC horizontal souvent meconnu, parce qu'il porte sur un phenomene permanent et non sur un transitoire. Le champ a 50 ou 60 Hz produit par les transformateurs, les moteurs, les armoires de distribution et les chargeurs de forte intensite penetre les boitiers et se couple aux PCB. EN 55035 (multimedia), EN 55024 (equipements informatiques) et surtout EN 60601-1-2 (medical, avec exigence 30 A/m pour les environnements de soins critiques) referencent cet essai. Cette page expose le cadre normatif (edition 2.0 de 2009), les niveaux de severite de 1 a 30 A/m, la geometrie des bobines d'induction, la procedure d'essai sur les trois axes orthogonaux, le critere A unique, l'articulation avec IEC 61000-4-9 (champ impulsionnel) et 4-10 (champ oscillatoire amorti), et les pieges de campagne.

Pourquoi un essai d'immunite magnetique basse frequence

Section intitulée « Pourquoi un essai d'immunite magnetique basse frequence »

La compatibilite electromagnetique distingue trois grandes familles de phenomenes selon leur signature spectrale: les champs et courants haute frequence (essais radies et conduits au-dessus de 150 kHz), les transitoires rapides (ESD, EFT, surge), et les champs basse frequence proches du reseau electrique. La derniere famille est celle traitee par IEC 61000-4-8 et ses voisines 4-9 et 4-10.

Le champ magnetique a 50 ou 60 Hz est present partout ou circule un courant alternatif important: une cellule de transformateur de distribution genere typiquement 5 a 50 A/m a 1 metre de distance, un moteur de 10 kW produit 1 a 5 A/m a la meme distance, une armoire d'automatisme avec bus de jeu de barres atteint 10 a 30 A/m a 0,5 metre. Ces niveaux ne sont pas hypothetiques: ils correspondent a l'environnement reel d'un equipement industriel ou medical installe a proximite immediate de l'infrastructure electrique.

Pourquoi un champ basse frequence perturbe l'electronique

Section intitulée « Pourquoi un champ basse frequence perturbe l'electronique »

A 50 Hz, la longueur d'onde est de 6000 km. Aucun couplage par antenne ou par cavite resonnante n'est en jeu. Les mecanismes de couplage sont quasi-statiques. Le champ magnetique penetre directement les boitiers metalliques par les ouvertures (grilles d'aeration, fentes de ventilation, joints non continus), parce que la profondeur de peau dans l'acier doux a 50 Hz est de l'ordre de 0,8 mm: une tole de 1 mm attenue de quelques decibels seulement.

Une fois a l'interieur du boitier, le champ se couple aux boucles de courant des PCB. Une boucle de 10 cm carres exposee a un champ de 10 A/m a 50 Hz capte une force electromotrice de l'ordre de 50 microvolts crete, ce qui parait peu mais suffit a perturber un capteur de mesure 24 bits, un amplificateur audio en classe AB, un capteur a effet Hall, ou la commutation d'un relais sensible. Les ecrans CRT historiques etaient les premieres victimes (deviation du faisceau visible a 1 A/m), mais le sujet reste actuel pour les microscopes electroniques, les balances de precision, les amplificateurs de signal biomedical, et les capteurs de courant resitifs.

L'edition en vigueur est IEC 61000-4-8 Ed 2.0:2009, qui remplace l'edition 1.0 de 1993 et son amendement 1 de 2000. L'edition 2.0 a precise la geometrie des bobines acceptables, etendu le domaine de frequence (jusqu'a 16,67 Hz pour le ferroviaire et 400 Hz pour l'avionique en complement des 50 et 60 Hz reseau), et clarifie le critere de performance.

Norme produitNiveau exigeCritereJustification
EN 55035 (multimedia)1 A/m (residentiel) ou 3 A/m (commercial)AEquipements audio, video, IT grand public
EN 55024 (equipements IT, historique pre-CISPR 35)1 A/mAEquipements informatiques de bureau
EN 61000-6-1 (residentiel generique)3 A/mANorme generique residentiel-commercial
EN 61000-6-2 (industriel generique)30 A/mAIndustriel severe
EN 60601-1-2 (medical)3 A/m generique, 30 A/m USI/CCU/blocsASoins critiques, proximite IRM et defibrillateurs
EN 50121-4 (ferroviaire fixe)30 A/m a 16,67 Hz et 50 HzASous-stations de traction

EN 60601-1-2 est la norme qui pousse le plus loin l'exigence en 30 A/m, parce que les environnements de soins critiques cumulent plusieurs sources: transformateurs d'alimentation patient, defibrillateurs, IRM portatifs, lits a moteur, pompes a perfusion. Un equipement de monitoring patient mal protege peut afficher des artefacts ECG ou des derives de SpO2 a proximite d'un de ces equipements, avec un risque clinique direct.

L'essai standard utilise la frequence du reseau electrique local: 50 Hz en Europe et dans la plupart du monde, 60 Hz en Amerique du Nord et au Japon (partiellement). La norme couvre egalement, en option specifiee par la norme produit:

  • 16,67 Hz pour le materiel embarque ferroviaire 15 kV (Allemagne, Autriche, Suisse, Suede, Norvege).
  • 400 Hz pour le materiel embarque avionique et militaire alimente sur reseau 400 Hz.
  • DC dans certaines normes produit specifiques (instrumentation magnetiquement sensible), bien que IEC 61000-4-8 lui-meme se limite au courant alternatif.

Voir le glossaire pour les sigles EMC referenc, et Tests CE pour le cadre EMC general en UE.

La norme definit cinq niveaux de severite. Le niveau applicable est fixe par la norme produit.

NiveauIntensite de champ continuNiveau de courte dureeEnvironnement typique
11 A/m-Residentiel eloigne des sources industrielles
23 A/m-Residentiel et commercial typique
310 A/m100 A/m (1 a 3 s)Industriel modere
430 A/m300 A/m (1 a 3 s)Industriel severe, soins critiques medicaux
XSpecifie par la norme produitSpecifieCas particulier

Le niveau de courte duree (colonne 3) s'applique en complement du champ continu pour les niveaux 3 et 4, et simule les phenomenes transitoires associes a un court-circuit ou un demarrage moteur. Il porte sur une duree de 1 a 3 secondes ou, dans une variante, 1 a 10 cycles de la frequence (20 a 200 ms a 50 Hz).

Pour un produit certifie EN 55035 grand public, l'exigence est typiquement 1 A/m: niveau permissif, atteignable sans precaution particuliere. Pour un produit industriel certifie EN 61000-6-2, l'exigence monte a 30 A/m: il faut alors integrer des considerations de blindage magnetique, d'orientation des boucles sensibles, et de filtrage sur les capteurs analogiques. Pour un dispositif medical destine aux soins critiques (EN 60601-1-2 en environnement professionnel de sante), le 30 A/m s'impose et exige une architecture robuste des le PCB.

Une campagne IEC 61000-4-8 mobilise un generateur a frequence reseau de forte puissance, une bobine d'induction calibree, et un systeme de positionnement de l'EUT.

Le generateur fournit un courant alternatif a la frequence d'essai (50, 60, 16,67 ou 400 Hz selon la specification produit). Pour produire 30 A/m au centre d'une bobine 1 m x 1 m, il faut typiquement faire circuler 24 a 30 A dans une bobine a une spire, ou quelques amperes seulement dans une bobine a 10 spires. La puissance reactive requise est faible (la bobine est presque purement inductive), mais la stabilite en frequence et l'absence d'harmoniques sont controlees. Un THD inferieur a 8 % est exige par la norme. Les fabricants de reference sont EM TEST (modeles MIG 5060 et MIG OS6), Teseq/Ametek (modeles ECOS et NSG 1007).

Trois geometries sont specifiees:

  • Bobine simple carree 1 m x 1 m, a une spire d'epaisse section, montee sur un cadre non magnetique. Constante d'etalonnage typique: 0,87 A/m par ampere injecte au centre.
  • Bobine simple rectangulaire 1 m x 2,6 m, pour des EUT plus grands. Constante differente, fournie par le constructeur.
  • Bobines d'Helmholtz a deux elements, deux bobines paralleles separees par leur rayon, produisant un champ tres uniforme dans le volume central. Plus precise mais plus encombrante.

La bobine fait l'objet d'un certificat d'etalonnage annuel qui fournit la cartographie du champ a l'interieur de son volume utile (typiquement les 50 % centraux du volume englobant), avec la tolerance d'uniformite specifiee par la norme (plus ou moins 3 dB).

+-------------------------------+
| Bobine d'induction (1 spire) |
| geometrie 1 m x 1 m |
| |
| +-------------------+ |
| | | |
| | EUT en marche | |
| | centre dans le | |
| | volume uniforme | |
| | | |
| +-------------------+ |
| | |
| | rotations 90 deg |
| | X, Y, Z |
| v |
+-------------------------------+
| |
| |
+------------+ |
| Generateur | |
| 50/60 Hz | |
| I = 0 a 30A| |
+------------+ |
| |
+--- GRP ---+
|
Earth
Orientations a tester (3 axes orthogonaux):
X horizontal Y horizontal Z vertical
[EUT] [EUT pivote 90deg] [EUT pivote 90deg]

L'EUT est pose sur une table en bois non conductrice ou sur un support non magnetique, centre dans le volume uniforme de la bobine. La salle d'essai doit etre eloignee des sources de champ ambiant superieures a 1 A/m, ce qui exclut une proximite immediate avec des transformateurs HT-BT ou des armoires de distribution non blindees. Le rapport mesure et consigne le champ ambiant avant et apres l'essai.

L'EUT execute son logiciel applicatif typique pendant l'essai. Un equipement medical de monitoring affiche une trace ECG simulee; un capteur industriel envoie ses mesures sur le bus; une passerelle reseau pousse un flux de paquets. La configuration d'observation doit permettre de detecter une degradation, meme transitoire.

L'essai consiste a appliquer le champ a l'intensite specifiee, dans les trois orientations orthogonales successivement, avec observation de l'EUT pendant et apres chaque sequence.

Pour un essai au niveau 4 (30 A/m), la procedure est:

  1. Stabilisation de l'EUT. L'EUT est mis en marche, son logiciel applicatif execute, et l'observation est verifiee comme nominale pendant au moins 1 minute.
  2. Orientation 1 (X horizontal). Le champ est etabli a 30 A/m, maintenu pendant 1 a 3 secondes apres stabilisation, puis coupe. L'observation est verifiee pendant et apres.
  3. Rotation de 90 degres. L'EUT est pivote autour d'un axe vertical pour exposer l'axe Y a la direction du champ.
  4. Orientation 2 (Y horizontal). Repetition du cycle: champ etabli, maintenu, coupe, observation.
  5. Rotation de 90 degres autour d'un axe horizontal. L'EUT est bascule pour exposer l'axe Z (vertical) a la direction du champ.
  6. Orientation 3 (Z vertical). Repetition du cycle.

Une variante repandue: au lieu de pivoter l'EUT, on pivote la bobine ou on utilise un systeme a trois bobines orthogonales et on commute l'excitation entre elles. Le resultat physique est equivalent.

Quand la norme produit specifie le niveau de courte duree (niveau 3 ou 4), une seconde sequence est ajoutee apres la sequence continue: le champ est applique a l'amplitude transitoire (100 ou 300 A/m) pendant 1 a 3 secondes, ou pendant 1 a 10 cycles de la frequence reseau (20 a 200 ms a 50 Hz), selon la specification produit. Cette modalite simule un court-circuit a proximite ou un demarrage de moteur de forte puissance.

L'observateur verifie la fonction principale de l'EUT pendant chaque application du champ et pendant les 1 a 3 secondes qui suivent la coupure. La presence d'une degradation, meme breve, est consignee avec l'orientation, le niveau, et la nature de l'observation (perte de communication, artefact sur la mesure, derive d'une sortie analogique).

Contrairement aux essais transitoires (ESD, EFT, surge) ou les criteres B (recuperation automatique) et C (recuperation par intervention utilisateur) sont admissibles selon la criticite de la fonction, IEC 61000-4-8 n'admet que le critere A pour les phenomenes continus.

L'argument est physique. Le champ magnetique a frequence industrielle n'est pas un transitoire dans l'environnement reel: un equipement installe a proximite d'un transformateur reste expose en permanence pendant des annees. Une degradation temporaire en laboratoire deviendrait une degradation permanente sur site, donc une perte de fonction durable. Le critere A est alors le seul coherent.

Le mode de courte duree (niveaux 3 et 4 avec 100 ou 300 A/m pendant 1 a 3 secondes ou 1 a 10 cycles) peut accepter le critere B selon la norme produit, parce qu'il simule un transitoire (court-circuit, demarrage moteur) qui n'est pas permanent. EN 61000-6-2 par exemple specifie critere A pour le 30 A/m continu et critere B pour le 300 A/m de courte duree.

Trois essais IEC 61000-4-x couvrent les phenomenes magnetiques. Leur articulation est presentee ci-dessous.

EssaiPhenomene simuleNiveauxDureeCritereNorme produit typique
IEC 61000-4-8Champ magnetique continu a frequence reseau (50/60 Hz)1 a 30 A/mContinu, 1 a 3 sAEN 55035, EN 60601-1-2, EN 61000-6-2
IEC 61000-4-9Champ magnetique impulsionnel (coup de foudre proche, court-circuit)100 a 1000 A/m creteImpulsion 6,4/16 microsecondesBEN 61000-6-5 (postes electriques), EN 61000-6-2
IEC 61000-4-10Champ magnetique oscillatoire amorti (commutation HT)10 a 100 A/m creteOscillation 100 kHz ou 1 MHzBEN 61000-6-5, EN 61000-6-2 industriel severe

L'essai 4-9 simule l'effet magnetique d'un courant de defaut tres eleve (court-circuit en distribution, decharge atmospherique proche). L'impulsion a un front de 6,4 microsecondes et une demi-largeur de 16 microsecondes, avec un pic jusqu'a 1000 A/m au niveau 5. Le critere B est applicable parce que le phenomene est transitoire par nature. Concerne essentiellement les equipements installes en poste electrique haute tension et les equipements industriels en environnement severe.

L'essai 4-10 simule l'effet de la commutation d'un disjoncteur ou d'un sectionneur en haute tension, qui genere une oscillation amortie a 100 kHz ou 1 MHz. Pic 100 A/m au niveau 5. Critere B applicable. Concerne aussi essentiellement les equipements de poste electrique et certains equipements industriels.

Pour les essais EMC voisins, voir ESD selon IEC 61000-4-2, Surge et burst selon IEC 61000-4-5 et 4-4, et Creux et coupures secteur selon IEC 61000-4-11.

Le cas medical: 30 A/m en environnement de soins critiques

Section intitulée « Le cas medical: 30 A/m en environnement de soins critiques »

EN 60601-1-2 est la norme qui formalise le niveau le plus eleve pour IEC 61000-4-8. La table 9 de EN 60601-1-2:2015 (et son amendement A1:2021) specifie:

  • 3 A/m pour les equipements destines a l'environnement de soins a domicile (Home Healthcare Environment).
  • 30 A/m pour les equipements destines a l'environnement professionnel de sante (Professional Healthcare Facility Environment), qui inclut les unites de soins intensifs (USI), les unites de soins cardiaques (CCU), les blocs operatoires, les salles d'imagerie, et les zones a proximite d'IRM.

Le critere de performance applique a chaque fonction de l'equipement medical resulte d'une analyse de risque clinique selon ISO 14971. Si la perte de fonction sous champ magnetique peut causer un dommage patient (arret d'une pompe a perfusion, derive d'un moniteur ECG en USI, perte d'une fonction d'alarme), le critere applicable est A sans alternative possible. La justification figure dans le dossier de gestion des risques et dans le rapport d'essai.

Trois sources principales generent des champs significatifs en milieu hospitalier de soins critiques:

  • Les IRM, qui produisent des champs statiques de l'ordre du tesla (10 millions de A/m localement), avec des gradients qui s'etendent dans les locaux adjacents. Le champ a 50 Hz couple a la magnetisation peut atteindre 10 a 50 A/m a 2 ou 3 metres de l'aimant.
  • Les defibrillateurs et les bistouris electriques HF en bloc operatoire, qui generent des champs transitoires forts captures par les equipements voisins.
  • Les alimentations medicales de forte puissance pour les lits motorises, les pompes a perfusion en parallele, et les chariots de reanimation, qui produisent des champs cumules a 50 Hz.

L'exigence 30 A/m de EN 60601-1-2 est dimensionnee pour garantir le fonctionnement d'un equipement vital dans cet environnement cumule.

Six erreurs reviennent dans les rapports d'echec au premier passage de l'essai 4-8.

  1. Positionnement de l'EUT hors du volume uniforme. La bobine produit un champ uniforme dans seulement les 50 % centraux de son volume englobant, avec une tolerance de plus ou moins 3 dB. Un EUT pose en bord de bobine recoit un champ plus faible que prevu, et le laboratoire peut conclure a tort que l'EUT est conforme. La verification a posteriori (par sonde de champ traceable) revele l'erreur. Le plan d'essai doit specifier le positionnement et le rapport doit le photographier.

  2. Une des trois orientations omise. Le piege classique sur les EUT poses a plat est d'oublier l'axe vertical, qui demande une rotation a 90 degres autour d'un axe horizontal pas toujours pratique. Tester X et Y horizontaux sans Z fait passer un EUT qui aurait echoue sur Z. Le rapport doit photographier les trois rotations.

  3. Bobine etalonnage perimee. La constante d'etalonnage de la bobine (A/m par ampere) derive si le cadre se deforme, si la spire est legerement deplacee, ou si une masse magnetique a proximite a ete ajoutee. La calibration annuelle est obligatoire, et la verification de l'absence de masse ferromagnetique a moins de 2 metres est documentee.

  4. EUT en veille ou hors mode nominal. Un equipement teste en veille execute peu de fonctions sensibles, et passe souvent trivialement. Le plan d'essai doit specifier le mode operationnel (boucle de mesure, capture ECG simulee, transmission reseau active) et le critere d'observation.

  5. THD du generateur eleve. Un generateur avec THD superieur a 8 % injecte des harmoniques (150, 250, 350 Hz...) qui se couplent differemment des 50 Hz purs. La norme exige THD < 8 % au courant nominal. La mesure se fait avant la campagne et figure au rapport.

  6. Champ ambiant non mesure. La salle d'essai doit avoir un champ ambiant inferieur a 1 A/m (10 % du niveau le plus bas testable). Un local a proximite d'un transformateur de distribution non blindee peut depasser cette valeur. La mesure du champ ambiant avant et apres essai est obligatoire et figure au rapport. Voir Pieges CE pour les anomalies de rapport EMC en general.

Conception robuste au champ magnetique basse frequence

Section intitulée « Conception robuste au champ magnetique basse frequence »

La conformite 4-8, surtout au niveau 30 A/m, se decide en amont par la conception du PCB et du boitier.

Toute boucle de courant fermee dans un PCB capte une force electromotrice proportionnelle a la surface, a l'intensite du champ, et a la frequence. A 50 Hz et 30 A/m, une boucle de 100 cm carres capte 80 microvolts crete. Reduire la surface de boucle (routage retour de masse au plus pres du signal aller, plan de masse continu) reduit proportionnellement la tension parasite induite.

Les composants a fort facteur de couplage magnetique (bobines de relais, transformateurs de mesure, capteurs a effet Hall, microphones a bobine mobile) ont une direction sensible. Orienter ces composants pour que leur axe sensible soit perpendiculaire a l'orientation la plus probable du champ exterieur reduit le couplage. Cette optimisation cible un axe specifique, mais l'essai a 3 axes orthogonaux verifie que l'EUT survit dans toute orientation.

Les boitiers acier doux attenuent peu a 50 Hz (profondeur de peau 0,8 mm, attenuation de quelques dB par millimetre). Pour un blindage significatif, des materiaux a haute permeabilite magnetique sont necessaires: mumetal, permalloy, ferrites a basse frequence. Un blindage en mumetal de 0,5 mm peut atteindre 30 a 40 dB d'attenuation a 50 Hz, mais le materiau est cher, fragile (les contraintes mecaniques degradent la permeabilite), et perd ses proprietes apres pliage si non recuit. Une enveloppe complete en mumetal est typiquement reservee aux instruments de mesure de tres haute precision (microscopes electroniques, magnetometres SQUID).

Sur les capteurs analogiques, un filtre passe-bas avec frequence de coupure inferieure a 50 Hz attenue le signal parasite induit. Sur les mesures ECG ou audio, un filtre coupe-bande (notch filter) a 50 Hz est standard. Au niveau logiciel, une moyennage sur des fenetres de 20 ms ou 40 ms (un ou deux periodes 50 Hz) eliminera la composante magnetique residuelle.

  • IEC 61000-4-8 Ed 2.0:2009 evalue l'immunite a un champ magnetique continu a la frequence du reseau (50 Hz ou 60 Hz typiquement, jusqu'a 16,67 ou 400 Hz pour les applications speciales).
  • Cinq niveaux de severite: 1 A/m (residentiel eloigne), 3 A/m (residentiel/commercial), 10 A/m (industriel modere), 30 A/m (industriel severe et soins critiques medicaux), X (specifie produit). Un mode de courte duree existe en complement aux niveaux 3 et 4 (100 ou 300 A/m pendant 1 a 3 secondes ou 1 a 10 cycles).
  • Trois orientations orthogonales obligatoires: l'EUT est teste dans chacune des trois directions X, Y, Z, soit par rotation de l'EUT, soit par commutation de bobines orthogonales.
  • Critere A unique pour le champ continu, parce que le phenomene est permanent dans le monde reel. Le critere B est admissible pour le mode de courte duree selon la norme produit.
  • EN 60601-1-2 exige 30 A/m pour les dispositifs medicaux destines a l'environnement professionnel de sante (USI, CCU, blocs operatoires, proximite IRM), avec critere A sur les fonctions critiques justifie par l'analyse de risque clinique ISO 14971.
  • IEC 61000-4-9 et 4-10 completent la famille magnetique: 4-9 pour le champ impulsionnel (coup de foudre, court-circuit), 4-10 pour le champ oscillatoire amorti (commutation HT). Tous deux acceptent le critere B.
  • La robustesse vient de la conception: reduction des boucles de courant sensibles, orientation des composants a fort couplage magnetique, blindage en mumetal pour les cas extremes, filtrage passe-bas et notch 50 Hz sur les capteurs sensibles.

Pour la mise en pratique en certification, voir Tests CE pour le cadre EMC en UE, Tests RED pour les essais radios complementaires, et le glossaire pour les sigles EMC.

Sources & références

  1. IEC 61000-4-8 Ed 2.0:2009, essai d'immunite au champ magnetique a frequence industrielle , IEC webstore.iec.ch/publication/4189
  2. EN 60601-1-2:2015+A1:2021, dispositifs medicaux, compatibilite electromagnetique , IEC webstore.iec.ch/publication/67383
  3. EN 55035:2017+A11:2020, equipements multimedias, immunite electromagnetique , CENELEC standards.cencenelec.eu/dyn/www/f?p=205:110:0::::FSP_PROJECT,FSP_ORG_ID:67027,1258635
  4. EN 55024:2010+A1:2015, equipements de traitement de l'information, immunite , CENELEC standards.cencenelec.eu/dyn/www/f?p=205:110:0::::FSP_PROJECT,FSP_ORG_ID:35375,25
  5. IEC 61000-4-9 Ed 2.0:2016, essai d'immunite au champ magnetique impulsionnel , IEC webstore.iec.ch/publication/4191
  6. Directive 2014/30/UE relative a la compatibilite electromagnetique , EUR-Lex eur-lex.europa.eu/eli/dir/2014/30/oj