Os circuitos com fontes chaveadas são cada vez mais comuns em nossos tempos.. As fontes chaveadas ou "Switched Mode Power Supplies" (abreviadas por SMPS) geram um elevado nível de interferências e ruídos, ou seja, EMI e RFI. Para evitar que os ruídos e interferências geradas se propaguem através da rede de energia devem ser usados filtros. Neste artigo abordamos alguns tópicos da tecnologia dos filtros em modo comum, assim como o modo como eles são utilizados. Nesta revisão de 2012 não notamos a necessidade de alterações no texto, apenas observando que artigos sobre o mesmo assunto podem ser encontrados no site.
Circuitos de comutação rápida, como os usados em fontes de alimentação chaveada podem gerar ruídos e sinais de altas freqüências que se propagam tanto pelo ar como através da rede de energia.
Para evitar que os sinais se propaguem através da rede de energia alcançando outros equipamentos ligados na mesma rede, e que sejam sensíveis, devem ser utilizados filtros. Conforme mostra a figura 1, esses filtros são normalmente intercalados entre o aparelho interferente e a rede de energia.
No caso específico das fontes de alimentação chaveadas são raros os projetos que não incluem um ou mais filtros, conforme mostra a figura 2.
Esses filtros podem ser tanto do tipo em modo comum (common mode) como diferenciais (differential).
Na maioria dos casos, entretanto, o uso de um único filtro em modo comum já consegue eliminar até 90% do ruído gerado, dispensando-se assim o filtro diferencial adicional.
Para os leitores que têm problemas de ruídos e RFI gerados em circuitos comutadores de alta velocidade, como os das fontes chaveadas, será interessante entender mais sobre o funcionamento dos filtros em modo comum.
O Filtro em Modo Comum
No filtro em modo comum existem dois enrolamentos que são ligados cada um em série com uma das fases do sinal de alimentação, conforme mostra a figura 3.
As conexões dos enrolamentos devem ser feitas de tal forma que os fluxos criados pelos enrolamentos tenham sentidos em que um tenha a cancelar o outro.
Dessa forma a impedância apresentada pelo dispositivo se torna próxima de zero (existem apenas pequenas perdas pelas fugas e pela resistência dos enrolamentos).
Conforme mostra a figura 4, o ruído gerado por uma fonte chaveada aparece normalmente em uma das fases ou nas duas e consiste numa componente de alta freqüência.
No entanto, como essa corrente encontra nos enrolamentos uma impedância elevada, pois ela não é cancelada pela corrente de retorno. Isso significa que a tensão em modo comum que aparece é cancelada pelo indutor.
O resultado é que o sinal não passa para a rede de energia, propagando-se até outros equipamentos que sejam sensíveis.
O Material do Indutor
A maioria das fontes chaveadas comuns opera com freqüências entre 20 e 200 kHz.
O ruído gerado nessas fontes normalmente têm uma faixa de freqüências entre 200 kHz e 50 MHz, o que significa que o melhor material para se fabricar um indutor para um filtro é o ferrite.
Esse material oferece a mais elevada impedância na faixa de freqüências dos ruídos que devem ser eliminados.
Na figura 5 temos uma curva em que mostramos a impedância Zt de um toróide de ferrite em função da freqüência do sinal. Observe que os valores máximos são alcançados entre 1 e 10 MHz.
No mesmo gráfico temos a reatância indutiva em série (Xs) e a resistência em série (Rs) do enrolamento, as quais são função da permeabilidade e do fator de perdas do material, os quais juntos geram a impedância total do dispositivo, a qual está plotada.
Esse gráfico mostra que nas baixas freqüências, a reatância indutiva Xs iguala a impedância total, enquanto que nas altas freqüências é a resistência em série que contribui mais para a impedância total.
Quando a freqüência aumenta, partindo de um baixo valor, a resistência em série aumenta e começa a se somar com a reatância em série criando Zt, a impedância total.
Em aproximadamente 700 kHz, a reatância decrescente iguala a resistência que aumenta. Acima dessa freqüência a resistência em série é que contribui mais para a impedância total.
Na figura 6 temos um gráfico em que a permeabilidade e o fator de perda do material usado (ferrite) se comporta em função da freqüência.
Observe que a permeabilidade caindo depois dos 700 kHz faz com que a reatância indutiva caia também, e o fator de perda aumentando com a freqüência faz com que a resistência se torne o fator dominante na determinação da impedância nas altas freqüências.
Observe que na figura 6 a impedância total tem seu valor mais elevado, e portanto de maior utilidade como material de filtro, em freqüências entre 1 e 20 MHz. Isso ocorre devido às perdas do material, e somente com pouca contribuição da permeabilidade.
Fica então claro que a faixa de freqüências que um material é útil num filtro é impossível de identificar a partir da permeabilidade e fator de perdas em baixas freqüências. A melhor maneira de se identificar o melhor material é usar curvas comparativas impedância x freqüência, como a mostrada na figura 7.
Nessa curva temos as curvas impedância x freqüência de três tipos de ferrites. O material J tem uma impedância total alta na faixa de freqüências de 1 a 20 MHz e é o mais utilizado para se enrolar filtros de modo comum.
Já, o material W tem 20% a 50% mais impedância do que o material J em freqüências abaixo de 1 MHz. Por esse motivo esse material é preferido para enrolar filtros onde o ruído de baixa freqüência é o predominante.
O material K, por outro lado, é recomendado para o caso em que os ruídos de alta freqüência predominam. Na faixa acima de 2 MHz, esse material de 100% mais impedância que o material J.
Formato do Núcleo
A geometria mais popular para o enrolamento de filtros EMI/RFI é a que faz uso de núcleos toroidais, conforme mostra a figura 8.
No entanto, entre os dois enrolamentos, é utilizado um divisor não metálico, cuja finalidade é permitir sua fixação numa placa de circuito impresso.
O núcleo "E" é mais caro do que o núcleo toroidal, mas a sua utilização tem suas vantagens. A montagem é mais barata e as bobinas prontas tem recursos para serem fixadas mais facilmente nas placas de circuito impresso. O próprio enrolamento exige máquinas menos sofisticadas, sendo, por isso, mais barato.
Deve-se considerar ainda que os núcleos E apresenta uma fuga de indutância maior do que os núcleos toroidais, mas é possível utilizar um "gap" que aumenta a essa fuga e com isso fazer o dispositivo absorver tanto os ruídos em modo comum como diferenciais.
Curvas de Impedância
O tamanho do núcleo para um determinado filtro pode ser determinado a partir da impedância desejada e as curvas impedância x freqüência do material. Na figura 9 temos alguns exemplos dessa curvas.
Considerando o espaço no projeto disponível para a instalação do filtro, selecione um núcleo a partir do gráfico na figura 8.
Para obter uma impedância específica, divida a impedância desejada pela imped6ancia por volta ao quadrado (Z/N2) obtida no gráfico na freqüência de interesse.
O quadrado desse número nos dá o número de espiras que devem ser enroladas no núcleo selecionado. Se esse número de espira não couber no núcleo, um núcleo maior deve ser selecionado.
Não será preciso levar em conta a possibilidade de haver saturação do núcleo, pois a maioria dos ruídos em modo comum é de baixas tensões.
As curvas mostradas nos gráficos foram obtidas no site da Magnetics (www.mag-inc.com) e são típicas para núcleos comuns, com uma tolerância de 30%. As variações normalmente são devidas às variações do diâmetro do fio usado e sua colocação no enrolamento.
Conclusão
Conforme os leitores perceberam não é difícil projetar um filtro EMI/RFI para uma fonte chaveada usando toroides comuns.
O próprio comportamento do material e a distribuição das freqüências que devem ser eliminadas numa faixa que é praticamente inerente as propriedades dos ferrites facilita as coisas.
Se o leitor está com problemas de EMI/RFI de fontes chaveadas de circuitos os mais diversos, por que não projetar e incluir um filtro baseado nas informações dadas neste artigo.
A tabela abaixo dá as dimensões para os núcleos da Magnetics tomados como exemplo neste artigo:
