Ruídos e filtros de modos comum e diferencial

Ruídos e filtros

Antes de apresentar as peculiaridades de cada filtro é necessário passar por algumas definições e conceitos:

Ruído elétrico (Electrical Noise) é qualquer sinal elétrico não desejado presente em um circuito.

Interferência Eletromagnética (EMI – Electromagnetic Interference) é o termo utilizado para os ruídos elétricos que interferem e que causem uma resposta indesejada do sistema.  

Compatibilidade Eletromagnética (EMC – Eletromagnetic Compatibility) é a capacidade de um dispositivo ou sistema de funcionar satisfatoriamente no seu ambiente eletromagnético, ao qual foi projetado, sem introduzir perturbações eletromagnéticas intoleráveis naquele ambiente, ou seja:

  • Não causa interferência em outros equipamentos;
  • É imune às emissões de outros equipamentos;
  • Não causa interferência em si próprio.

Imunidade Eletromagnética é o nível máximo de uma perturbação eletromagnética que pode ser tolerado pelo sistema. É seu grau de robustez.

Ruído Conduzido chegam ao circuito em forma de correntes espúrias via meios físicos: fios, cabos, aterramento, rede elétrica.

Ruído Irradiado  é transmitido via ondas eletromagnéticas, não necessitam de um meio físico de condução, e que acabam por serem induzidos no circuito.

Ruído Natural são oriundos de tempestades solar, descargas atmosféricas.

Ruído Artificial Intencional provém de estações de rádio FM/AM, estações de TV, radares, torres de celulares.

Artificial Não Intencional são emitidos de sistemas de ignição, transformadores, motores elétricos, lâmpadas eletrônicas, microondas, inversores de frequência.

Ruídos de modo comum e modo diferencial

Ruído de  modo comum ou assimétrico, são sinais que circulam com mesma direção pelo condutores de sinais, dados ou alimentação e também  pelo condutor de retorno (GND).

No esquema abaixo, observamos que o ruído é comum para todos os condutores e possuem o mesmo sentido (vide ponto A e B), inclusive ao de retorno (GND). Esse ruído flui devido à capacitâncias parasitas encontradas no equipamento e formam vários loops de correntes.

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Ruído de modo diferencial ou simétrico são sinais que circulam em um sentido pelas linhas de sinais, dados ou alimentação e na direção oposta na linha de retorno (GND).

Nessa outra esquematização, vemos que o ruído agora flui em direções opostas (vide ponto A e B).

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Filtros com bobinas de choque de modo comum e modo diferencial

Enfim, com um básico conhecimento sobre o que são ruídos de modo comum e diferencial, agora vamos estabelecer como tratar da melhor forma esses indesejáveis  ruídos em nossos projetos.

A forma mais usual e recomendada é o uso de indutores. Esses indutores para filtros de ruídos recebem um nome específico: bobinas de choque (chokes inductors/coils).

Esses indutores de choque têm dois ou mais enrolamentos, dispostos de forma bem específica, onde criam campos magnéticos que se opõem a mudanças na corrente elétrica e são ligados de forma diferente para cada tipo de ruído.

Filtro de modo comum

Bobinas de choque para modo comum têm os dois ou mais enrolamentos dispostos de tal forma que a corrente de ruído de modo comum cria um campo magnético que se opõe a qualquer aumento na corrente de modo comum. Conforme ilustrado abaixo, vemos as correntes de ruído fluindo na mesma direção, causando no toróide (bobina circular com núcleo de ferrite) um aumento dos campos magnéticos. Esses campos magnéticos circulam na mesma direção no núcleo e se somam/combinam e aumentam a impedância do circuito. Isto é, adiciona um campo magnético oposto, oferecendo uma resistência a passagem do ruído, suprimindo-o.

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Filtro de modo diferencial

Já em bobinas de modo diferencial, como vemos na figura abaixo, o ruído flui em direções opostas e as conexões dos enrolamentos devem ser feitas de tal forma que os fluxos magnéticos criados pelo ruído diferencial sejam de sentido contrários e se anulem mutuamente. Dessa forma a impedância apresentada pelo dispositivo se torna próxima de zero (existem apenas pequenas perdas pelas fugas e pela resistência dos enrolamentos), ou seja, o fluxo subtrai ou cancela para que o campo não se oponha ao sinal do modo normal (sinal sem o ruído).

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Aplicação prática

Vemos sempre bobina de choque em circuitos de fontes de alimentação. Isso porque, fontes de alimentação são a porta de entrada e também de saída de ruídos eletromagnéticos conduzidos. A tríade da EMC: não causar interferência em outros equipamentos, ser imune às emissões de outros equipamentos e não causar interferência em si próprio, se aplicam, obviamente, em circuitos de fontes de alimentação.

Esquema básico de filtragem em fontes de alimentação:

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Os capacitores CX e CY da figura acima somam com o indutor no trabalho de filtragem. Os CX são capacitores para filtrar ruídos diferenciais e os capacitores CY, em conjunto com a bobina de choque criam um forte filtro de ruídos de modo comum.

Um adendo aqui, os capacitores CX e CY não podem ser quaisquer capacitores, devem possuir características importantes que podemos ver nesse outro artigo aqui do Embarcados.

Nas imagens abaixo vemos aplicações de filtros em fontes de alimentação:

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Existem diversos modelos de bobinas de choque e com diversas características elétricas. As definições dependem do seu projeto, porém as mais relevantes são: a indutância típica (inductance), máxima corrente (rated current) e resistência em corrente contínua (DC resistance).

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Kelmet em www.mouser.com
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Kelmet em www.mouser.com

Diversos formatos e tamanhos:

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Conclusão

Não existe a menor possibilidade de se pensar em homologação de produto, sem pensar em circuitos de filtros de ruídos eletromagnéticos. São indispensáveis para um produto confiável e seguro. Já parou para pensar se equipamentos médicos em unidades de tratamentos intensivos “resetassem” caso um enfermeiro ligasse a luz do quarto? Pois então, comece a tratar disso com a importância que se deve dar.

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Graduando em engenharia de computação, técnico em eletrônica e informática. Tenho a eletrônica como hobby desde minha infância. Membro do Laboratório Hacker de Campinas - LHC, onde participo e contribuo ativamente das atividades. Atualmente trabalho como especialista em hardware, desenvolvendo soluções voltadas à IoT.

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Eduardo da Silva
Eduardo da Silva
17/10/2019 08:56

Obrigado pelo artigo Alexandre. É possível citar quais foram as referências usadas para a escrita?

ELEILSON SANTOS SILVA
ELEILSON SANTOS SILVA
Reply to  Eduardo da Silva
30/09/2020 15:28

Também gostaria de saber, inclusive de indicações de livros sobre esse tema

Alessandrovert
Alessandrovert
05/08/2019 10:30

Muito bem explanado, grato pela disponibilização.

Fabiano Fruett
Fabiano Fruett
01/04/2019 12:36

Parabéns pelo artigo Alexandre,

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