Geração e Contramedidas de Interferência Eletromagnética (EMI) em Equipamentos Eletrônicos

Em dispositivos eletrônicos, normalmente existe um filtro na linha de entrada de corrente alternada (CA). Isso ocorre porque, em equipamentos eletrônicos que incorporam uma fonte de alimentação chaveada, a principal fonte de interferência eletromagnética (EMI) é a própria unidade de alimentação. As fontes de EMI são diversas, incluindo fenômenos naturais como raios e o campo magnético da Terra, bem como fontes artificiais, como motores, tecnologias de radiofrequência (RF) e sinais analógicos/digitais, todas capazes de gerar interferência. Os filtros são componentes indispensáveis para impedir que esses sinais de interferência sejam transmitidos para fora do dispositivo ou afetem outros equipamentos eletrônicos próximos. Este artigo explorará as causas da interferência eletromagnética e as contramedidas para combatê-la.

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1- Tipos de Sinais de Interferência e Sua Geração

O ruído em dispositivos eletrônicos refere-se a sinais elétricos indesejados dentro do dispositivo. Esses sinais são perturbações de tensão ou corrente inevitáveis. Se a interferência for excessiva, podem ocorrer os seguintes fenômenos:

① Ouvir ruídos em rádios ou dispositivos multimídia que não estão relacionados ao áudio desejado.

② Exibir imagens distorcidas ou confusas em telas de televisão além do conteúdo original.

③ Dispositivos digitais podem iniciar incorretamente ou deixar de funcionar normalmente.

④ Equipamentos de comunicação podem ser incapazes de transmitir sinais normais.

⑤ Outros efeitos que interferem no funcionamento adequado de dispositivos eletrônicos.

Por essas razões, países e regiões estabeleceram requisitos e regulamentações correspondentes para equipamentos eletrônicos, exigindo que os sinais de interferência gerados por esses dispositivos não excedam um determinado limite. Os fabricantes têm a obrigação de controlar a EMI gerada por seus produtos dentro desses limites especificados.

Nos últimos anos, dispositivos eletrônicos adotaram amplamente tecnologias digitais e de comutação. Sempre que um produto utiliza essas tecnologias, inevitavelmente gerará sinais de EMI. O uso de filtros é uma maneira eficaz de manter essa interferência dentro dos limites regulamentados. Os limites de interferência podem variar entre países ou regiões, o que significa que as características dos filtros necessários também serão diferentes. Abaixo estão exemplos de um filtro de linha de alimentação usado externamente em equipamentos industriais e um filtro interno (indutor de modo comum, indutor de modo diferencial) instalado dentro de uma fonte de alimentação.

Figura 1 (Esquerda): Filtro Externo de Linha de Alimentação Industrial

Figura 2 (Direita): Filtro Interno de Fonte Chaveada (Indutor de Modo Comum)

Em uma fonte de alimentação chaveada, o transistor de comutação, o diodo retificador de alta frequência e o transformador de comutação geram níveis mais elevados de interferência. As formas de onda operacionais dentro de uma fonte de alimentação chaveada são tipicamente ondas quadradas ou triangulares (formas de onda fundamentais). Essas formas de onda contêm componentes de alta frequência que são múltiplos inteiros da frequência fundamental. Quando essas formas de onda de alta frequência se propagam para o exterior, tornam-se sinais de interferência.

Além disso, a velocidade de comutação dos transistores é extremamente rápida. Por exemplo, uma corrente de 2 A a 12 V pode ser ligada/desligada em uma frequência de cerca de 300 kHz. Conforme mostrado no diagrama abaixo, durante o estado de transição da comutação, a taxa de variação da corrente (di/dt) é muito alta. Como a indutância existe não apenas na bobina do indutor, mas também como indutância parasita na placa de circuito impresso (PCB), essa rápida mudança na corrente pode gerar sinais de tensão de interferência, que afetam o ambiente ao redor ou outros componentes eletrônicos. Esses sinais de interferência não se propagam apenas pelos trilhos da PCB, mas também são irradiados para o exterior por meio de ondas eletromagnéticas e fios. A frequência dessa EMI não é fixa; existem muitos componentes di/dt dentro de um único ciclo de comutação, resultando em um amplo espectro de frequências de tensão de interferência gerada.

Figura 3: Modelo de Circuito Equivalente

Figura 4: Modelo de Sinal de Tensão de Interferência

Figura 5: Sinal de Tensão de Interferência

Figura 6: Sinal de Corrente de Interferência

Figura 7: Modelo de Corrente de Curto-Circuito no Desligamento do Diodo

Não se limitando apenas a fontes chaveadas, podemos classificar amplamente onde a interferência é gerada em um dispositivo eletrônico com base no caminho da tensão/corrente. Conforme mostrado no diagrama abaixo, a interferência gerada em modo diferencial e em modo comum é referida como interferência em modo diferencial e interferência em modo comum, respectivamente.

Figura 8: Diagrama do Modelo de Sinal de Interferência

A interferência que aparece entre as linhas de um cabo de alimentação CA, ou entre os terminais positivo e negativo de uma saída CC, é a interferência em modo diferencial. Em contraste, a interferência em modo comum refere-se ao componente do sinal de interferência que surge entre qualquer linha do circuito e a linha de terra (ou seja, em relação à Terra). A interferência gerada por circuitos de energia é quase sempre inicialmente em modo diferencial. No entanto, à medida que esse sinal em modo diferencial se propaga para outros circuitos, seu equilíbrio de impedância em relação à terra pode ser perturbado por influências eletromagnéticas ou eletrostáticas, fazendo com que ele seja convertido em um sinal em modo comum. Em última instância, uma parte significativa da interferência torna-se em modo comum.

Além disso, sinais de interferência externos que entram nos equipamentos a partir do ambiente natural são tipicamente em modo comum, pois sua geração está quase sempre relacionada à Terra (massa). Além disso, quando a interferência em modo comum entra em um circuito, ela também pode ser convertida em interferência em modo diferencial sob diversas condições e influências dos dispositivos, o que pode ter um efeito direto e adverso no funcionamento do circuito.

Em dispositivos eletrônicos ou circuitos de potência, é necessário considerar e implementar contramedidas tanto para interferência em modo comum quanto para interferência em modo diferencial, que são totalmente diferentes em sua natureza.

2- Contramedidas para Interferência Eletromagnética

Do ponto de vista da propagação do sinal de interferência, a interferência pode ser amplamente classificada em interferência conduzida e interferência irradiada. Do ponto de vista dos tipos de sinal de interferência, pode ser dividida em interferência em modo comum e interferência em modo diferencial. Existem duas abordagens principais para suprimir sinais de interferência:

① Evitar a geração de sinais de interferência.

② Bloquear, absorver ou eliminar a propagação de sinais de interferência.

Dispositivos eletrônicos modernos utilizam predominantemente tecnologias de fonte chaveada e digitais. Dispositivos que empregam essas tecnologias geram inevitavelmente sinais de interferência, difíceis de suprimir apenas por meio de atualizações tecnológicas. Atualmente, a maioria das soluções foca em bloquear ou mitigar a propagação dos sinais de interferência.

2.1 Utilizando componentes passivos para bloquear (absorver ou eliminar) a condução de sinais de interferência, como a combinação de indutores de modo comum, indutores de modo diferencial, capacitores X e capacitores Y para suprimir interferências conduzidas.

2.2 Utilizando indutores de potência com contas de ferrite ou estruturas de blindagem magnética para impedir que sinais de interferência irradiada se propaguem externamente.

Para lidar com EMI conduzida, Codaca oferece uma série de indutores de modo comum para linhas de sinal (série SPRHS, série CSTP, série VSTCB, etc.), indutores de modo comum para linhas de alimentação (série TCB, série SQH, série TCMB), e indutores de modo diferencial (série SPRH, série PRD, e outros indutores de potência que podem ser usados como indutores de modo diferencial). Esses indutores de modo comum e modo diferencial ajudam os dispositivos eletrônicos a resistir à interferência eletromagnética externa e também evitam que os dispositivos emitam EMI gerada internamente.

A eficácia da supressão de interferências está diretamente relacionada à impedância do indutor. Consulte as tabelas de especificações e os gráficos de características de frequência a seguir para obter detalhes.

Tabela 1: Características dos Chokes de Modo Comum Codaca Tabela

Nota: Esta tabela apresenta apenas uma seleção de modelos de indutores. Para mais informações, visite o site oficial da Codaca.

Figura 9: Gráfico da Característica Impedância-Frequência para Chokes de Modo Comum em Linhas de Sinal

Figura 10: Gráfico da Característica Impedância-Frequência para Chokes de Modo Comum em Linhas de Alimentação

Para soluções contra EMI irradiada, podem ser utilizados filtros de ferrite (ferrite beads). Em alguns circuitos de alta frequência, como circuitos RF e osciladores, é necessário adicionar um filtro de ferrite na seção de entrada de alimentação. A Codaca oferece uma série de filtros de ferrite, como as séries RHD, RHV, SMB e UUN.

Tabela 2: Tabela de Características dos Filtros de Ferrite

Nota: Esta tabela apresenta apenas uma seleção de modelos. Para mais informações, visite o site oficial da Codaca.

Como mencionado anteriormente, indutores de potência com blindagem magnética também podem bloquear a propagação de interferência irradiada. Para EMI irradiada, a Codaca oferece uma série de componentes com blindagem magnética, incluindo indutores moldados, indutores de alta corrente, indutores para amplificadores digitais e indutores em chip. Esses indutores de potência podem ser utilizados nas linhas de alimentação de fontes chaveadas. A estrutura de blindagem magnética impede eficazmente que as interferências geradas pelo indutor sejam irradiadas para o exterior e também protege o indutor contra interferências externas irradiadas. Tais indutores blindados são igualmente utilizados em soluções de interferência em modo diferencial para linhas de sinal e de alimentação.

Tabela 3: Tabela de Características dos Indutores com Blindagem Magnética

Nota: Esta tabela apresenta apenas uma seleção de modelos. Para mais informações, visite o site oficial da Codaca.

Figura 11: Curvas de Elevação de Temperatura e Corrente de Saturação, Características de Indutância-Frequência e Impedância-Frequência para VSHB0421-4R7MC

3- Conclusão

Com a crescente integração e complexidade dos produtos eletrônicos, o ambiente EMI/EMC no qual operam também enfrenta desafios significativos. Para ajudar os dispositivos eletrônicos a resolver problemas de EMI/EMC, a Codaca desenvolveu várias séries padronizadas de indutores de modo comum para linhas de sinal , choke de Modo Comum de Linha de Potência s , indutores modo diferencial, contas de ferrite , e vários indutores de potência magneticamente blindados . Os engenheiros podem selecionar indutores comum modo padronizados, indutores modo diferencial ou indutores de potência adequados da Codaca com base nos requisitos específicos do seu projeto de circuito de potência.