Saiba como eliminar, definitivamente, as interferências eletromagnéticas
A quantidade crescente de equipamentos que utilizam semicondutores de potência na comutação da energia da rede e a sensibilidade cada vez maior dos equipamentos de consumo que empregam dispositivos de tecnologia CMOS fazem com que a preocupação com os problemas causados pela EMI (Interferência Eletromagnética) ocupe um lugar de destaque nos requisitos de qualquer projeto. O uso de ferrites na supressão de EM! é algo que interessa a todos os projetistas de equipamentos eletrônicos, daí abordarmos neste artigo os fundamentos desta técnica que, sem dúvida alguma, deverá ser do agrado dos leitores e, muito mais do que isso, servirá de orientação na sua atividade profissional.
Os ferrites são materiais ferromagnéticos que podem ser magnetizados para produzir densidades de fluxo magnético muito grandes. As aplicações iniciais deste material se restringiam em substituir os núcleos de ferro laminado ou de ferro doce em locais onde a frequência do sinal era superior a 100 kHz. Os núcleos laminados e de ferro apresentavam correntes de turbilhão muito intensas com estes sinais, apresentando perdas e gerando calor em uma quantidade não admitida pelos projetos. Atualmente, os núcleos de ferrite encontram aplicações em fontes chaveadas e em transformadores de pulsos, além de outras tais como para a supressão de EMI.
Para entendermos como os ferrites podem ser usados na supressão de transientes será interessante começarmos analisando algumas de suas propriedades fundamentais.
Propriedades
Ferrites destinadas a aplicações de eliminação de interferências eletromagnéticas acima de 30 MHz são misturas de ferro, níquel e óxido de zinco que se caracterizam por uma elevada resistividade, da ordem de 107 ohm-cm, e uma permeabilidade inicial moderada entre 100 e 1500.
Anéis de ferrite são usados normalmente em elementos de circuito de dois terminais, ou em grupos de elementos de dois terminais.
A característica de supressão que eles apresentam deve-se ao seu circuito equivalente, que é mostrado na figura 1.
Em frequências baixas, inferiores a 10 MHz, um anel de ferrite apresenta uma impedância indutiva menor que 100 ohms. À medida que a frequência se eleva, a impedância aumenta para mais de 600 ohms, tipicamente, e se torna essencialmente resistiva acima de 100 MHz, conforme ilustram as curvas da figura 2.
Quando colocadas como filtros contra EMI, as ferrites proporcionam uma perda resistiva que atenua e dissipa o ruído de alta frequência, convertendo-o em pequena quantidade de calor, ao mesmo tempo que representam uma impedância em série desprezível para a componente de baixa frequência do sinal.
Se apropriadamente dimensionados, os anéis de ferrite podem proporcionar uma considerável redução no ruído eletromagnético que passa através de um circuito e, simultaneamente, serem praticamente "transparentes" ao sinal principal, normalmente uma tensão de alimentação.
Diferentemente dos filtros LC, que podem ser ressonantes em certas frequências, causando mais problemas aos circuitos do que deviam, os anéis de ferrite são componentes magnéticos com uma ampla faixa passante e um baixo Q.
Efeitos de Corrente DC, Polarização AC de Baixa Frequência e Saturação
Os materiais magnéticos perdem suas propriedades fundamentais se tiverem de operar sob condições de correntes contínuas intensas, ou de correntes alternadas de polarização intensas.
Uma corrente fraca induz um campo magnético num anel de ferrite em condições normais; veja a figura 3.
Quando a intensidade da corrente aumenta, o fluxo magnético 1 no núcleo de ferrite aumenta, mas somente até determinado valor. Acima desse valor, se a corrente for muito intensa e o campo criado também, o fluxo magnético deixa de crescer. Dizemos que, nessas condições, ocorre o fenômeno da saturação.
Um anel de ferrite que opere nessas condições é indicado como um anel ou núcleo que funciona na região B-H de sua característica, onde B é a densidade de fluxo e H a força magnetizadora, segundo mostra a figura 4.
Em tais condições de operação, a permeabilidade relativa instantânea do núcleo de ferrite vai cair para um valor próximo de 1, que é mais o equivalente ao vácuo.
Para operar como supressor de EMI, um núcleo de ferrite precisa de uma permeabilidade muito maior do que 1, pois sua operação nessa função exige que a corrente circulante seja bem menor do que aquela que pode provocar a saturação.
Os tipos comerciais de anéis de ferrite utilizados com a finalidade de suprimir EMI possuem a capacidade de operar com correntes de vários ampères sem que provoque a saturação.
Efeitos da Corrente Contínua e da AC em uma Aplicação Prática
Os núcleos de ferrite usados na supressão de EMI foram projetados para apresentar a máxima impedância quando em condições de operação com correntes contínuas, ou com correntes de polarização alternadas de baixas frequências.
Em aplicações normais, para se obter o rendimento ideal na supressão de EMI, eles devem ser colocados de tal forma que um anel de ferrite envolva condutores que sejam percorridos pela mesma corrente, mas em sentido oposto.
Assim, na figura 5 ilustramos o modo incorreto de se usar anéis de ferrite nessa função e, depois, também o modo correto. Essa disposição se aplica aos circuitos de corrente contínua e também aos circuitos de baixas frequências como, por exemplo, os que transportam a alimentação de 60 Hz da rede de energia.
Veja que no caso "incorreto", cada anel de ferrite ficará submetido a uma forte corrente contínua ou alternada de baixa frequência de polarização, o que reduz sua eficiência. No segundo caso, as correntes circulando em sentidos opostos no mesmo circuito cancelam o campo de polarização no núcleo de ferrite, que opera com uma densidade de fluxo magnético líquido praticamente nula.
Algumas aplicações não aceitam ferrites operando na condição de polarização nula, como a indicada. Nesse caso, a perda da impedância com as correntes mais intensas pode ser compensada com o uso de peças de ferrite de maior massa.
Na figura 6 temos a curva típica da impedância de um anel de ferrite em função da polarização DC. Observe que essa impedância decresce com o aumento da corrente.
Uso de Ferrites em Placas de Circuito Impresso
Um ponto fundamental no emprego de anéis de ferrite para eliminação de EMI em placas de circuito impresso, é que a interferência seja eliminada o mais próximo quanto seja possível de sua fonte.
Eletrônica Aplicada
Isso significa confinar os ruídos de alta frequência a regiões pequenas de modo a evitar que eles se propaguem por outras partes da placa.
Este tipo de procedimento é mais custoso, uma vez que pode exigir a utilização dos supressores em diversas partes de um mesmo circuito, mas, por outro lado, é o mais eficiente.
A maior parte do ruído gerado nos circuitos modernos se deve ao chaveamento de sinais, que ocorre principalmente em circuitos digitais.
Para entender melhor como esse ruído é gerado, podemos analisar o circuito equivalente mostrado na figura 7.
Cada vez que o circuito muda de estado, uma forte corrente de alta frequência circula pela linha de alimentação (Vcc e terra). Esta ação de comutação introduz no circuito uma pequena quantidade de ruído diferencial, denominada "sag". Como esse ruído se repete na velocidade de operação do circuito, o ruído introduzido no sistema irá oscilar na frequência de operação do CI. Esse ruído vai se propagar pelo sistema e ser acoplado a outras partes do circuito com efeitos danosos para seu funcionamento.
Mais do que isso, cabos de dados ou de interfaceamento que sejam ligados a uma placa onde isso acontece podem transportar o ruído para os circuitos de outros equipamentos.
Pode-se aproximar esta situação indicando a fonte de alimentação de um circuito de uma placa de circuito impresso como sendo constituída por uma fonte de tensão e uma impedância interna sobre a qual aparece esse ruído.
O ideal seria que essa impedância fosse nula para curto-circuitar esse ruído, mas na prática isso não ocorre.
Para diminuir a impedância dessa fonte que alimenta uma placa, os projetistas usam capacitores de desacoplamento dispostos ao longo da linha de alimentação. Esses capacitores se comportam como baixas impedâncias nos próprios locais em que os ruídos são gerados, normalmente próximos dos terminais de alimentação dos CIs; observe a figura 8.
Esta técnica pode ser analisada como se colocássemos um curto-circuito para sinais de altas frequências junto dos circuitos integrados que podem gerar esses sinais durante a operação.
No entanto, a eficiência de tais capacitores só irá até aproximadamente uns 75 MHz. Acima disso, a presença de ressonâncias no circuito diminuirá dramaticamente sua eficiência. Na verdade, um capacitor pode até se comportar como um indutor em frequências mais altas, aumentando assim a eficiência do circuito em propagar o ruído gerado.
Em muitos casos, observa-se que problemas sérios de EMI podem surgir quando os efeitos dos capacitores se combinam com o layout da placa e frequências de ruído indevidas.
O uso de ferrites em conjunto com capacitores de desacoplamento pode ser interessante em muitas aplicações, pois elas são impedâncias essencialmente resistivas em circuitos de altas frequências. O ruído gerado pela comutação de circuitos pode ser facilmente eliminado com esta combinação.
Na figura 9 apresentamos o uso combinado de capacitores e anéis de ferrite para filtragem DC de uma linha de alimentação numa placa de circuito impresso.
Lembramos que a eficiência desse tipo de filtro depende da intensidade da corrente que passa pelo condutor, e que ela é maior nas baixas correntes. Assim, o tamanho do anel de ferrite está determinado justamente por esse fator, o que exige a consulta por parte do projetista às características dos anéis que devem ser empregados.
A filtragem com a supressão de EMI para diversas placas de um mesmo aparelho pode ser feita segundo tecnologia semelhante.
A maioria dos projetistas prefere a utilização de filtros independentes, conforme ilustra a figura 10.
O filtro deverá ser colocado o mais próximo possível do conector de entrada de alimentação de cada placa (para maior eficiência).
Outra possibilidade está no caso em que todas as placas de um mesmo equipamento operam na mesma frequência e, portanto, o ruído gerado por todas tem as mesmas características, o que facilita bastante a implementação dos filtros.
Observe que, nesses casos, os anéis de ferrite operam sob condição de polarização, visto que uma corrente contínua estará circulando sempre pelo condutor. Isso significa que sua eficiência diminui na mesma proporção que a intensidade dessa corrente aumenta.
Para os casos de correntes intensas deve-se pensar no uso do anel diferencial, onde os campos das correntes indo e vindo se anulam e, com isso, a eficiência na supressão do ruído se torna maior.
Esta operação em "modo comum" exige o emprego de núcleos especiais que sejam projetados para permitir a passagem de dois condutores ao mesmo tempo. Os fabricantes de anéis de ferrites para essa finalidade possuem em suas linhas de produtos as duas opções.
Filtragem em Condutores de Dados I/0
Uma das aplicações mais usuais para os anéis de ferrite na filtragem de EMI é a eliminação dos ruídos em cabos de dados em ambientes ruidosos como, por exemplo, dentro dos próprios computadores.
Um exemplo mais consistente do que sucede está no próprio ruído gerado por um microprocessador dentro de um computador, o qual pode ser transferido para diversos circuitos periféricos, entre eles o cabo que faz a conexão do teclado. Esse cabo poderá então irradiar o ruído, conforme mostra a figura 11.
O leitor pode ter uma ideia da intensidade desse ruído ligando nas proximidades do seu computador, do teclado ou do fio que faz sua ligação ao PC, um rádio comum de ondas médias sintonizadas numa frequência livre da faixa abaixo de 1 MHz.
Os filtros usados nos circuitos internos praticamente eliminam todos os componentes desse ruído acima de 1 MHz.
Os fabricantes de núcleos de ferrite para esta finalidade possuem em sua linha de produtos os tipos "multilinha", que podem filtrar o ruído de até 8 linhas de dados ao mesmo tempo, reduzindo assim o tempo de montagem e os custos neste tipo de aplicação.
Na figura 12 exibimos o uso de um filtro desse tipo para eliminar os ruídos que se propagam através do cabo de conexão do teclado de um computador.
Supressão de EMI em Cabos
Os cabos de transmissão de sinais digitais nos equipamentos industriais, computadores e equipamentos de testes e medidas funcionam como antenas, transformando correntes e tensões de ruídos em EMI irradiada.
Cabos não blindados irradiam sinais quando correntes se propagam através deles no mesmo sentido e com a mesma fase. A introdução de um anel de ferrite "captura" parte deste sinal, transformando-o em calor. O anel de ferrite funciona como uma alta impedância para os sinais em modo comum, de acordo com a figura 13.
Nos cabos internos de um equipamento, a EMI pode ser reduzida pela inclusão de anéis de ferrite nos pontos apropriados. Cabos de alimentação AC e DC podem receber estes anéis, assim como os cabos de sinais digitais.
Para os cabos externos, os fabricantes incluem nas saídas dos equipamentos os filtros que impedem a saída da EMI.
Selecionando Ferrites para uma Aplicação
A maioria dos fabricantes de anéis de ferrite para filtragem de EMI fornece em seus catálogos informações, não só sobre as características de seus produtos, mas também com indicações sobre seu uso.
Tamanho: Uma vez que o material e tipo aproximado de um fabricante seja selecionado para uma determinada aplicação, a performance no circuito na supressão de EMI poderá ser otimizada com três procedimentos:
a) Aumentando o tamanho do condutor que seja envolvido pela ferrite;
b) Aumentando a secção da ferrite (especialmente indicado nas aplicações de alta potência);
c) Selecionando um anel de ferrite cujo diâmetro interno seja o mais próximo possível do diâmetro do condutor que deve atravessá-lo.
De um modo geral pode-se dizer que o melhor anel de ferrite para uma aplicação é o mais longo e mais fino que possa ser acomodado no espaço disponível e de acordo com a espessura do condutor.
Nos casos em que eles sejam instalados em cabos flexíveis, os núcleos de dimensões maiores poderão ser fixados e presos de modo apropriado.
Número de voltas: A impedância em série representada pela presença de um núcleo de ferrite pode ser consideravelmente aumentada se o condutor passar por ele dando duas ou mais voltas, conforme mostra a figura 14.
A impedância aumenta com o quadrado do número de voltas. Isso significa que essa impedância deverá ser quatro vezes maior do que a do condutor passando sozinho quando usamos duas espiras.
No entanto, na prática não se recomenda dar mais de duas voltas de fio num núcleo deste tipo. O aumento do número de voltas implica também na existência de capacitância entre as espiras, o que não é desejável neste tipo de aplicação.
Posicionamento: Os filtros supressores devem ser colocados o mais próximo possível da fonte de EMI. Isso evita que a fonte de ruído possa ser acoplada a outros circuitos, dificultando assim a eliminação do problema na aplicação como um todo. Nos circuitos que utilizam cabos blindados como, por exemplo, relacionados com interfaceamento de sinais, o filtro deve ser posicionado o mais próximo possível do ponto onde termina (ou começa) a blindagem.
Na figura 15 damos vários exemplos de como isso pode ser feito.
Escolha do Material
Ao escolher o material do anel de ferrite a ser usado como supressor de EMI, devem ser levados em consideração três parâmetros:
a) Frequência de operação;
b) Seletividade ou largura da faixa ;
c) Resistividade.
A aplicação como filtro de EMI é uma aplicação de faixa ampla (broadband), o que exige o uso de materiais especialmente indicados para esta aplicação. Esses materiais oferecem um desempenho adequado em frequências que podem chegar aos 200 MHz, como as exigidas por aplicações que envolvem certos tipos de redes, por exemplo.
Proteção Mecânica
Dependendo da aplicação, poderá ser necessário considerar a proteção do próprio dispositivo contrachoques e vibrações. Os anéis de ferrite, como outros dispositivos de cerâmica, são delicados e podem ter problemas sob condições de vibração e choque intensas. Esses dispositivos podem ser protegidos por luvas plásticas fixadas termicamente ou ainda de outras maneiras apropriadas, conforme suas dimensões.
Conclusão
Os problemas de EMI são críticos em muitos projetos de equipamentos eletrônicos. O profissional de projeto deve estar apto a atacá-los de todas as formas possíveis. O uso de anéis de ferrite ou núcleos de ferrite para aumentar a impedância de uma linha de alimentação ou de sinais, bloqueando o ruído, é uma das soluções mais importantes adotadas atualmente.
Todo o profissional deve estar atento às suas possibilidades de uso.
Neste artigo, demos uma breve visão de como o assunto pode ser abordado, com base em informações de diversos fabricantes de núcleos de ferrite, entre os quais a Steward (www.steward.com), que possui vasta literatura disponível sobre o assunto.
