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Uso de Ferrites na Supressão de EMI (ART1907)

A quantidade crescente de equipamentos que usam 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 faz com que a preocupação com os problemas causados pela EMI (Interferência Eletromagnética) ocupem um lugar de destaque nos requisitos de qualquer projeto. O uso de ferrites na supressão de EMI é algo que interessa a todos os projetistas de equipamentos eletrônicos, daí abordarmos num artigo os fundamentos desta técnica que, sem dúvida alguma, deverá ser do agrado dos leitores e muito mais que isso, servir de orientação na sua atividade profissional.

Ferrites são materiais ferromagnéticos os quais podem ser magnetizados para produzir densidades de fluxo magnético muito grandes. As aplicações iniciais deste material se restringiram a substituir os núcleos de ferro laminado ou de ferro doce em aplicações 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 numa quantidade não admitida pelos projetos. Atualmente, os núcleos de ferrite encontram aplicações em fontes chaveadas e em transformadores de pulsos, além de outras como, por exemplo, na supressão de EMI.

Para entendermos como ferrites podem ser usadas na supressão de transientes será interessante começarmos analisando algumas de suas propriedades fundamentais.

 

Propriedades

Ferrites destinadas a aplicações na eliminação de interferências eletromagnéticas acima de 30 MHz são misturas de ferro, níquel e óxidos de zinco que se caracterizam por uma elevada resistividade, da ordem de 107 ohm-cm, e uma permeabilidade inicial moderada, entre 100 e 1500.

Normalmente anéis de ferrite são usados em elementos de circuito de dois terminais ou em grupos de elementos de dois terminais.

A característica de supressão que elas apresentam deve-se ao seu circuito equivalente que é mostrado na figura 1.

 

 

    Figura 1 – Circuito equivalente a um anel de ferrite
Figura 1 – Circuito equivalente a um anel de ferrite

 

 

Em frequências baixas, inferiores a 10 MHz, um anel de ferrite apresenta uma impedância indutiva de menos de 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 mostram as curvas da figura 2.

 

 

  Figura 2 – Características típicas de um anel de ferrite como filtro
Figura 2 – Características típicas de um anel de ferrite como filtro

 

 

Quando usadas como filtros contra EMI, as ferrites proporcional uma perda resistiva que atenua e dissipa o ruído de alta frequência, convertendo-o em pequena quantidade de calor, ao mesmo tempo que representa uma impedância em série desprezível para a componente de baixa frequência do sinal.

Se apropriadamente dimensionadas, os anéis ferrites podem proporcional uma considerável redução no ruído eletromagnético que passa através de um circuito e ao mesmo tempo 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 com um baixo Q.

 

Efeitos de Correntes 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 ainda de correntes alternadas de polarização intensas.

Uma corrente fraca induz um campo magnético num anel de ferrite em condições normais, conforme mostra a figura 3.

 

 

  Figura 3 – Campo num anel de ferrite
Figura 3 – Campo num anel de ferrite

 

 

Quando a intensidade da corrente aumenta, o fluxo magnético F no núcleo de ferrite aumenta, mas somente até determinado valor. Acima deste valor, se a corrente for muito intensa e o campo criado também, o fluxo magnético deixa de crescer. Dizemos, nestas condições, que ocorre o fenômeno da saturação.

Um anel de ferrite que opera nestas condições é indicado como um anel ou núcleo que opera na região B-H de sua característica, onde B é a densidade de fluxo e H a força magnetizadora, conforme mostra a figura 4.

 

 

 Figura 4  - Curva de saturação de um núcleo de ferrite
Figura 4 - Curva de saturação de um núcleo de ferrite

 

 

Nestas condições de operação a permeabilidade relativa instantâneo do núcleo de ferrite vai cair para valor próximo de 1, que é mais o equivalente ao vácuo.

Para operação como supressor de EMI um núcleo de ferrite precisa de uma permeabilidade muito maior do que 1, sua operação nesta função exige que a corrente circulante seja bem menor do que aquela que pode provocar a saturação.

Os tipos comerciais de anéis de ferrite usados com a finalidade de supirmir EMI possuem a capacidade de operar com correntes de vários amperes sem que ocorra a saturação.

 

Efeitos da Corrente Continua e AC Numa Aplicação Prática

Os núcleos de ferrite usados na supressão de EMI são projetados para apresentar a máxima impedância quando em condições de operação com correntes contínuas ou correntes de polarização alternadas de baixas frequências.

Nas aplicações normais, para se obter o rendimento ideal na supressão de EMI, eles devem ser usados de tal forma que um anel de ferrite envolta condutores que sejam percorridos pela mesma corrente, mas sem sentido oposto.

Assim, na figura 5 mostramos o modo incorreto de se usar anéis de ferrite nesta função e também o modo correto.

 

 

  Figura 5 – Modo correto e incorreto de usar os núcleos de ferrite
Figura 5 – Modo correto e incorreto de usar os núcleos de ferrite

 

 

Esta disposição se aplica nos circuitos de corrente contínua e também nos 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. Neste 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.

 

 

 Figura 6 –Curva impedância x polarização
Figura 6 –Curva impedância x polarização

 

 

Observe que esta impedância descresce com o aumento da corrente.

 

Uso de Ferrites em Placas de Circuito Impresso

Um ponto fundamental no uso de anéis de ferrite na eliminação de EMI em placas de circuito impresso é que esta EMI seja eliminada o mais próximo quanto seja possível de sua fonte.

Isso significa confinar os ruídos de alta frequência a regiões pequenas de modo a evitar que eles se propagem por outras partes da placa.

Este tipo de procedimento é mais custoso já que pode exigir o uso 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 atender melhor como este ruído é gerado, podemos usar o circuito equivalente mostrado na figura 7.

 

 

    Figura 7 - Circuito equivalente
Figura 7 - Circuito equivalente

 

 

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 este ruído se repete na velocidade de operação do circuito, o ruído introduzido no sistema vai oscilar na frequência de operação do CI. Este 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 em que isso ocorre podem transportar este 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 este ruído.

O ideal seria que esta impedância fosse nula para curto-circuitar este ruído, mas na prática isso não ocorre.

Para diminuir a impedância desta fonte que alimenta uma placa, os projetistas usam capacitores de desacoplamento dispostos ao longo da linha de alimentação.

Estes capacitores se comportam como baixas impedâncias nos próprios locais em que os ruídos são gerados, normalmente próximos dos terminais de alimentação dos CIs, conforme mostra a figura 8.

 

 

Figura 8 – Desacoplamento da alimentação de CIs digitais
Figura 8 – Desacoplamento da alimentação de CIs digitais

 

 

Esta técnica pode ser analisada como se colocássemos um curto-circuito para sinais de altas frequências junto dos circuitos integrados que podem gerar estes sinais durante a operação.

No entanto, a eficiência de tais capacitores só vai até aproximadamente uns 75 MHz. Acima disso, a presença de ressonâncias no circuito diminui 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 ruído gerado.

Em muitos casos, observar-se que problemas sérios de EMI podem ocorrer 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 já que elas são impedâncias essencialmente resistivas em circuitos de altas frequências. Ruído gerado pela comutação de circuitos pode ser facilmente eliminado com esta combinação.

Na figura 9 mostramos o uso combinado de capacitores e anéis de ferrite para filtragem DC de uma linha de alimentação numa placa de circuito impresso.

 

  Figura 9 – Filtro LC com ferrites (anel)
Figura 9 – Filtro LC com ferrites (anel)

 

 

Lembramos que a eficiência deste 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 justamente determinado por este fator, o que exige a consulta por parte do projetista às características dos anéis que devem ser usados.

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 o uso de filtros independentes, conforme mostra a figura 10.

 

 

 Figura 10 – Placas com filtros independentes
Figura 10 – Placas com filtros independentes

 

 

O filtro deve 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 nestes casos, os anéis de ferrite operam sob condição de polarização, já que uma corrente contínua estará sempre circulando pelo condutor. Isso significa eu sua eficiência diminui na mesma proporção que a intensidade desta 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 é 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 esta finalidade possuem em suas linhas de produtos as duas opções.

 

Filtragem em Condutores de Dados I/O

Uma das aplicações mais comuns para os anéis de ferrites na filtragem de EMI está na eliminação dos ruídos em cabos de dados em ambientes ruidosos como por exemplo dentro dos próprios computadores.

Um exemplo mais consistente do que ocorre está no próprio ruído gerado por um microprocessador dentro de um computador, o qual pode ser transferido para os diversos circuitos periféricos como por exemplo o cabo que faz a conexão do teclado. Este cabo pode então irradiar este ruído, conforme mostra a figura 11.

 

 

Figura 11 – Ruídos em cabos externos de um PC
Figura 11 – Ruídos em cabos externos de um PC

 

 

O leitor pode ter uma ideia da intensidade deste ruído ligando nas proximidades do seu computador, do teclado e do fio que faz sua ligação ao PC, um radio comum de ondas médias sintonizado numa frequência livre da faixa abaixo de 1 MHz. Os filtros usados nos circuitos internos praticamente eliminam todos os componentes deste ruído acima de 1 MHz.

Os fabricantes de núcleos de ferrites para esta finalidade possuem em sua linha de produtos os tipos "multi linha" 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 mostramos o uso de um filtro deste tipo para eliminar os ruídos que se propagam através do cabo de conexão do teclado de um computador.

 

 

 Figura 12 – Filtro num PC
Figura 12 – Filtro num PC

 

 

 

Supressão de EMI em Cabos

Os cabos de transmissão de sinais digitais em 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, conforme mostra a figura 13.

 

 

  Figura 13 – Filtro em cabo de sinais
Figura 13 – Filtro em cabo de sinais

 

 

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 ferrites para filtragem de EMI fornecem, em seus catálogos, informações não só sobre as características de seus produtos mas também 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 pode 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 pode 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 podem 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.

 

 

Figura 14 – Aumentando a impedância
Figura 14 – Aumentando a impedância

 

 

A impedância aumenta com o quadrado do número de voltas. Isso significa que, esta impedância deve 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 também implica na existência de capacitância entre as espiras o que não é desejável neste tipo de aplicação.

 

Posicionamento:

Os filtros supressores devem ser colocados os mais próximos quanto seja 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 usam cabos blindados, como por exemplos 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 exemplos de como isso pode ser feito.

 

 Figura 15 – Outras formas de uso
Figura 15 – Outras formas de uso

 

 

 

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 quer exige o uso de materiais especialmente indicados para esta aplicação. Estes 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 pode ser necessário considerar a proteção do próprio dispositivo contra choques e vibrações. Os anéis de ferrite, como outros dispositivos de cerâmica são delicados e podem ter problemas sobre condições de vibração e choque intensas.

Estes dispositivos podem ser protegidos por luvas plásticas fixadas termicamente ou ainda de outras formas 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 ferrites ou núcleos de ferrites 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, baseado em informações de diversos fabricantes de núcleos de ferrite.

 

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