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Procurando e identificando fontes de ruído (EL041)

Fontes de ruídos na rede de energia são a principal causa de danos em equipamentos eletrônicos, pela sua capacidade de afetar principalmente dispositivos semicondutores. No entanto, para se evitar que componentes delicados sejam afetados é preciso que se conte com recursos apropriados para sua eliminação e o uso desses dispositivos é determinado basicamente pela identificação das fontes de ruído. Nesse artigo veremos como identificar fontes de transientes e como eliminá-los. (2008)

Os surtos e transientes consistem na maior causa de falhas em equipamentos eletrônicos sensíveis, tanto pelo fato de poderem queimar dispositivos eletrônicos sensíveis como pelo fato de poderem induzir os equipamentos a um funcionamento errático.

A utilização de filtros, como os TVS (Transient Voltage Suppression), filtros EMI, é uma das soluções que pode ser adotada em muitos casos, mas ela não é a única. A adoção da solução correta está diretamente ligada ao tipo de ruído que está causando problemas.

Assim, para se escolher a solução a ser adotada deve-se antes identificar a forma como o ruído (surto ou transiente) está se propagando até o receptor. Existem então 4 formas básicas segundo o qual o ruído se propaga e que são mostradas na figura 1.

 

Figura 1 - Ruídos - modos de propagação
Figura 1 - Ruídos - modos de propagação

 

Conforme podemos ver os ruídos podem ser propagar por condução , radiação , condução e radiação e radiação e condução.

O tipo de solução adotada vai depender do modo como o ruído se propaga, sendo os dispositivos que evitam os problemas instalados tanto na fonte de ruídos como no receptor dos ruídos. Temos então as seguintes possibilidades;

A) Condução - nesse caso podem ser colocados filtros EMI ou dispositivos TVS junto à fonte de ruído e também junto ao receptor.

b) Quando o ruído é irradiado, a solução consiste em se dotar os pontos sensíveis de blindagens, quer estejam eles na fonte de ruído, quer estejam no receptor dos ruídos.

c) Nos casos em que o ruído é conduzido e depois irradiado colocam-se filtros EMI ou dispositivos TVS na fonte produtora de ruídos e dota-se o receptor de blindagens.

d) No caso em que o ruído é irradiado e depois conduzido a solução está na blindagem da fonte de ruído e na colocação de filtros EMI e dispositivos TVS no receptor. A figura 2 mostra de forma simplificada como essas técnicas podem ser adotadas.

 

Figura 2 - Usando um TVS
Figura 2 - Usando um TVS

 

AS FONTES DE RUÍDOS

As principais fontes de transientes e surtos estão ligadas ao armazenamento de energia em certos dispositivos, as quais são liberadas quando esses dispositivos são comutados. Isso ocorre principalmente com cargas indutivas, mas existem outras causas como as seguintes:

* Curto-circuitos

* ESD

* Descargas atmosféricas (raios)

* Flutuações da rede

* Abertura e fechamento de contactos

* Distúrbios acoplados via cabo

 

Na figura 3 temos um exemplo onde a comutação de uma carga indutiva (no caso um motor) faz com que módulos eletrônicos associados fiquem sujeitos ao problemas de indução de ruídos tanto pela presença de indutâncias como capacitâncias parasitas nos cabos.

 

Figura 3 - Ruído de comutação de carga indutiva
Figura 3 - Ruído de comutação de carga indutiva

 

Um ponto crítico de entrada de ruídos em muitos equipamentos é o conector I/O que proporciona o interfaceamento. Esse é um ponto importante para se colocar o dispositivo de proteção.

Mas, existirem as fontes de ruídos na própria placa, as quais devem ser localizadas e nelas devem ser colocados os dispositivos que evitem a irradiação dos ruídos ou ainda sua propagação até pontos sensíveis dos equipamentos.

Pontos de geração de ruídos são os circuitos comutadores de potência ou de lógica de alta velocidade, as fontes chaveadas, os circuitos de clock e principalmente os circuitos que acionam cargas de potência indutivas (relés, motores e solenóides).

 

Tipo de Proteção

A proteção usada também depende do tipo de transiente. Num ambiente automotivo, por exemplo, os transientes gerados têm amplitudes e durações típicas, além de carregarem uma certa quantidade de energia. Damos alguns exemplos.

Quando uma carga indutiva é comutada o transiente dura tipicamente menos 300 microssegundos, tem uma energia menor que 1 joule e sua amplitude pode variar tipicamente entre -300 V e 80 V. Esse transiente será produzido todas às vezes que a carga for comutada.

Outra causa de produção de transientes num ambiente automotivo é a que resulta da contração do campo magnético do alternador, que ocorre todas as vezes que ele desliga. Esse transiente tem uma duração típica de 200 ms, energia inferior a 1 joule e uma amplitude entre -40 e -100 V.

As descargas de eletricidade estática que ocorrem num ambiente automotivo (ESD) duram tipicamente menos de 50 ns, carregam energia muito pequenas, da ordem de 10 mJ, mas sua amplitude pode chegar aos 8 kV por contacto e 15 kV por centelhamento. Essas, entretanto, são pouco comuns.

Fica evidentemente que os dispositivos instalados num veículo devem estar preparados para não sofrer danos com esses tipos de transientes,

 

Testes

Existem diversos procedimentos para testes de imunidade contra ruídos e ESD, definidos por normas internacionais. Para os circuitos integrados, por exemplo, os testes levam em conta o modelo humano (HBM) e o modelo de máquina (MM) enquanto que os testes em sistemas usam a especificação IEC 61000-4-2.

As especificações HBM e IEC ESD são projetadas para simular o contacto direto de uma pessoa com um dispositivo, por exemplo, o pino de uma porta I/O de um conector, enquanto que os procedimentos indicados pela IEC são mais severos.

O teste IEC é definido pela descarga de um capacitor de 150 pF através de um resistor de 330 ?, enquanto que o teste HBM usa um capacitor de 100 pF descarregando através de um resistor de 1 500 ?.

Os testes MM, por outro lado, simulam a ocorrência de um evento quando uma placa de circuito impresso está sendo montada.

Para a identificação das fontes de ruídos EMI, a especificação ISSO 7637 pode ser usada como guia para identificação de fontes comuns de ruído como as encontradas em sistema DC. Essa norma, define os requisitos de imunidade para interferência conduzida embarcada.

Na figura 4 temos um circuito de teste típico usado pela IS0 7637-2, responsável pela produção de um surto numa carga indutiva.

 

Figura 4 - Teste pela ISSO 7637-2
Figura 4 - Teste pela ISSO 7637-2

 

Esse circuito produz um pulso negativo com a forma de onda típica mostrada na figura 5.

 

Figura 5 - Gerador de pulso negativo
Figura 5 - Gerador de pulso negativo

 

A carga indutiva pode ser um motor de corrente contínua, relé, solenóide, etc.

Nesse caso, as cargas também podem ser motores, relés, solenóides, reatores, etc. A forma de pulso gerado nesse circuito é mostrada na figura 6.

 

Figura 6 - Forma de onda do pulso gerado
Figura 6 - Forma de onda do pulso gerado

 

A norma ISO 7637-2 apresenta ainda outros procedimentos de testes envolvendo diversas condições de comutação de cargas indutivas, as quais podem gerar transientes e surtos com as mais diversas características.

 

Descargas Atmosféricas

nível de imunidade às descargas atmosféricas dado por um dispositivo TVS pode ser definido por pulsos de 10 µs a 1 000 µs e um pulso curto de 8 a 20 µs.

Os pulsos mais longos são usados nos testes de sistemas primários como linhas telefônicas externas, enquanto que os mais curtos são usados nos testes de sistemas secundários (internos), como a fiação dentro de uma casa. Os testes são definidos pela IEC 61000-4-5.

 

Testes ESD

Para os testes de ESD as especificações exigem uma imunidade de pelo menos 8,0 kV, no entanto, com o uso de um TVS pode-se chegar aos 30 kV.

A maior dificuldade em se quantificar a imunidade a ESD está no fato de que seus efeitos são cumulativos. As descargas alteram a impedância do circuito, por exemplo, uma porta I/O. O circuito pode continuar funcionando depois de um certo número de descargas, e as falhas só vão ocorrer algum tempo depois.

 

Conclusão

Existem procedimentos específicos que permitem localizar as fontes de ruídos, medir sua intensidade e a imunidade de um circuito com a solução adotada. Os projetistas devem estar atentos a todos esses procedimentos, pois cada vez mais os dispositivos dos circuitos eletrônicos são mais sensíveis e mais problemas podem ocorrer com a propagação de ruídos pela rede, por linhas telefônicas ou qualquer tipo de cabeamento que chegue a um circuito.

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