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En los dispositivos electrónicos, normalmente existe un filtro en la línea de entrada de corriente alterna. Esto se debe a que, en los equipos electrónicos que incorporan una fuente de alimentación conmutada, la principal fuente de interferencia electromagnética (EMI) es la propia unidad de alimentación. Las fuentes de EMI son diversas, incluyendo fenómenos naturales como los rayos y el campo magnético terrestre, así como fuentes artificiales como motores, tecnologías de radiofrecuencia (RF) y señales digitales/analógicas, todas las cuales pueden generar interferencias. Los filtros son componentes indispensables para evitar que estas señales de interferencia se transmitan hacia el exterior del dispositivo o afecten a otros equipos electrónicos cercanos. En este artículo se analizarán las causas de la interferencia electromagnética y las contramedidas para abordarla.
1- Tipos de señales de interferencia y su generación
El ruido en dispositivos electrónicos se refiere a señales eléctricas no deseadas dentro del dispositivo. Estas señales son perturbaciones de voltaje o corriente inevitables. Si la interferencia es excesiva, pueden ocurrir los siguientes fenómenos:
① Escuchar ruido en radios o dispositivos multimedia que no está relacionado con el audio deseado.
② Mostrar imágenes distorsionadas o confusas en pantallas de televisión además del contenido original.
③ Los dispositivos digitales pueden iniciar incorrectamente o dejar de funcionar normalmente.
④ Los equipos de comunicación pueden ser incapaces de transmitir señales normales.
⑤ Otros efectos que interfieren con el correcto funcionamiento de los dispositivos electrónicos.
Por estas razones, países y regiones han establecido requisitos y regulaciones correspondientes para equipos electrónicos, exigiendo que las señales de interferencia generadas por estos dispositivos no superen un límite determinado. Los fabricantes tienen la obligación de controlar la EMI generada por sus productos dentro de estos límites especificados.
En los últimos años, los dispositivos electrónicos han adoptado ampliamente tecnologías digitales y de conmutación. Siempre que un producto utilice estas tecnologías, inevitablemente generará señales de EMI. El uso de filtros es una forma efectiva de mantener esta interferencia dentro de los límites reglamentarios. Los límites de interferencia pueden variar entre países o regiones, lo que significa que las características de los filtros requeridos también serán diferentes. A continuación se muestran ejemplos de un filtro de línea de alimentación utilizado externamente en equipos industriales y un filtro interno (choque de modo común, choque de modo diferencial) instalado dentro de una fuente de alimentación.
Figura 1 (Izquierda): Filtro Industrial Externo de Línea de Alimentación
Figura 2 (Derecha): Filtro Interno de Fuente de Alimentación Conmutada (Choque de Modo Común)
En una fuente de alimentación conmutada, el transistor de conmutación, el diodo rectificador de alta frecuencia y el transformador conmutado generan niveles más altos de interferencia. Las formas de onda de operación dentro de una fuente de alimentación conmutada suelen ser ondas cuadradas o triangulares (ondas fundamentales). Estas formas de onda contienen componentes de alta frecuencia que son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental. Cuando estas formas de onda de alta frecuencia se propagan hacia el exterior, se convierten en señales de interferencia.
Además, la velocidad de conmutación de los transistores es extremadamente rápida. Por ejemplo, una corriente de 2 A a 12 V puede ser activada/desactivada a una frecuencia de aproximadamente 300 kHz. Como se muestra en el diagrama a continuación, durante el estado de transición de conmutación, la tasa de cambio de la corriente (di/dt) es muy alta. Dado que la inductancia existe no solo en la bobina del inductor, sino también como inductancia parásita en la placa de circuito impreso (PCB), este rápido cambio de corriente puede generar señales de voltaje de interferencia, que afectan al entorno circundante u otros componentes electrónicos. Estas señales de interferencia no solo se transmiten a través de las pistas del PCB, sino que también se irradian hacia el exterior mediante ondas electromagnéticas y cables. La frecuencia de esta EMI no es fija; existen muchos componentes di/dt dentro de un solo ciclo de conmutación, lo que da lugar a un amplio espectro de frecuencias de voltaje de interferencia generado.
Figura 3: Modelo de Circuito Equivalente
Figura 4: Modelo de Señal de Voltaje de Interferencia
Figura 5: Señal de Voltaje de Interferencia
Figura 6: Señal de corriente de interferencia
Figura 7: Modelo de corriente de cortocircuito al apagar el diodo
No limitado únicamente a fuentes de alimentación conmutadas, podemos clasificar ampliamente los lugares donde se genera la interferencia en un dispositivo electrónico según la trayectoria de voltaje/corriente. Como se muestra en el diagrama siguiente, la interferencia generada en modo diferencial y en modo común se denomina interferencia en modo diferencial e interferencia en modo común, respectivamente.
Figura 8: Diagrama del modelo de señal de interferencia
La interferencia que aparece entre las líneas de un cable de alimentación de corriente alterna, o entre los terminales positivo y negativo de una salida de corriente continua, es una interferencia en modo diferencial. En contraste, la interferencia en modo común se refiere al componente de señal de interferencia que surge entre cualquier línea del circuito y la línea de tierra (es decir, con respecto a tierra). La interferencia generada por los circuitos de alimentación casi siempre es inicialmente en modo diferencial. Sin embargo, a medida que esta señal en modo diferencial se propaga a otros circuitos, su equilibrio de impedancia con respecto a tierra puede verse alterado por influencias electromagnéticas o electrostáticas, lo que provoca que se convierta en una señal en modo común. Finalmente, una parte significativa de la interferencia se convierte en modo común.
Además, las señales de interferencia externas que ingresan al equipo desde el entorno natural suelen ser en modo común, ya que su generación está casi siempre relacionada con la Tierra (tierra eléctrica). Asimismo, cuando una interferencia en modo común ingresa a un circuito, también puede convertirse en interferencia en modo diferencial bajo diversas condiciones e influencias del dispositivo, lo cual puede afectar directamente y de forma adversa el funcionamiento del circuito.
En dispositivos electrónicos o circuitos de potencia, es necesario considerar e implementar contramedidas tanto para interferencias en modo común como en modo diferencial, que son completamente diferentes en naturaleza.
2- Contramedidas contra la Interferencia Electromagnética
Desde la perspectiva de la propagación de señales de interferencia, la interferencia se puede clasificar ampliamente en interferencia conducida e interferencia radiada. Desde el punto de vista de los tipos de señales de interferencia, se puede dividir en interferencia en modo común e interferencia en modo diferencial. Existen dos enfoques principales para suprimir las señales de interferencia:
① Evitar la generación de señales de interferencia.
② Bloquear, absorber o eliminar la propagación de señales de interferencia.
Los dispositivos electrónicos modernos utilizan predominantemente tecnologías de fuente de alimentación conmutada y digitales. Los dispositivos que emplean estas tecnologías generan inevitablemente señales de interferencia, difíciles de suprimir únicamente mediante mejoras tecnológicas. Actualmente, la mayoría de las soluciones se centran en bloquear o mitigar la propagación de las señales de interferencia.
2.1 Uso de componentes pasivos para bloquear (absorber o eliminar) la conducción de señales de interferencia, como la combinación de inductores de modo común, inductores de modo diferencial, condensadores X y condensadores Y para suprimir la interferencia conducida.
2.2 Uso de inductores de potencia con cuentas de ferrita o estructuras de blindaje magnético para evitar que las señales de interferencia radiada se propaguen externamente.
Para abordar la EMI conducida, Codaca ofrece una serie de inductores de modo común para líneas de señal (serie SPRHS, serie CSTP, serie VSTCB, etc.), inductores de modo común para líneas de alimentación (serie TCB, serie SQH, serie TCMB), e inductores de modo diferencial (serie SPRH, serie PRD, y otros inductores de potencia que pueden utilizarse como inductores de modo diferencial). Estos inductores de modo común y modo diferencial ayudan a que los dispositivos electrónicos resistan la interferencia electromagnética externa y también evitan que los dispositivos emitan EMI generada internamente.
La eficacia de la supresión de interferencias está estrechamente relacionada con la impedancia del inductor. Consulte las tablas de especificaciones y los gráficos de características de frecuencia para obtener más detalles.
Tabla 1: Características de los choques comunes de modo Codaca Tabla
Nota: Esta tabla muestra solo una selección de modelos de inductores. Para más información, visite el sitio web oficial de Codaca.
Figura 9: Gráfico de características de impedancia-frecuencia para choques comunes de modo en líneas de señal
Figura 10: Gráfico de características de impedancia-frecuencia para choques comunes de modo en líneas de alimentación
Para soluciones contra EMI radiada, se pueden utilizar bolas de ferrita. En algunos circuitos de alta frecuencia, como circuitos RF y osciladores, es necesario añadir una bola de ferrita en la sección de entrada de alimentación. Codaca ofrece una serie de bolas de ferrita, como las series RHD, RHV, SMB y UUN.
Tabla 2: Tabla de características de bolas de ferrita
Nota: Esta tabla muestra solo una selección de modelos. Para más información, visite el sitio web oficial de Codaca.
Como se mencionó anteriormente, los inductores de potencia magnéticamente apantallados también pueden bloquear la propagación de interferencias radiadas. Para la EMI radiada, Codaca ofrece una serie de componentes magnéticamente apantallados, incluyendo inductores moldeados, inductores de alta corriente, inductores para amplificadores digitales e inductores chip. Estos inductores de potencia pueden utilizarse en las líneas de alimentación de fuentes de alimentación conmutadas. La estructura de apantallamiento magnético evita eficazmente que las interferencias generadas por el inductor se irradien hacia el exterior y también protege al inductor frente a interferencias radiadas externas. Dichos inductores apantallados también se utilizan en soluciones de interferencia en modo diferencial para líneas de señal y de alimentación.
Tabla 3: Tabla de Características de Inductores Magnéticamente Apantallados
Nota: Esta tabla muestra solo una selección de modelos. Para más información, visite el sitio web oficial de Codaca.
Figura11: Curvas de Elevación de Temperatura y Corriente de Saturación, Características de Inductancia-Frecuencia e Impedancia-Frecuencia para VSHB0421-4R7MC
3- Conclusión
Con la creciente integración y complejidad de los productos electrónicos, el entorno EMI/EMC en el que operan también enfrenta desafíos significativos. Para ayudar a los dispositivos electrónicos a resolver problemas de EMI/EMC, Codaca ha desarrollado varias series de componentes estandarizados inductores de modo común para líneas de señal , choke de Modo Común de Línea de Potencia s , inductores de modo diferencial, cuentas ferritas , y varios inductores de potencia magnéticamente blindados . Los ingenieros pueden seleccionar inductores comunes en modo común, inductores de modo diferencial o inductores de potencia estandarizados adecuados de Codaca según los requisitos específicos de su diseño del circuito de alimentación.