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Guia do filtro de supressão de ruído
Noções básicas de contramedidas de ruído [Lição 6] Bobinas de choke de modo comum
No seguimento da nossa discussão anterior sobre condensadores de três terminais do tipo chip, nesta lição vamos discutir bobinas de choke de modo comum.
<As bobinas de choke de modo comum separam o ruído dos sinais utilizando modos de condução>
Nas nossas discussões anteriores sobre as esferas de ferrite em chip e os condensadores de três terminais em chip, explicámos como utilizam as diferenças de frequência, uma vez que as frequências de ruído são relativamente mais elevadas do que as frequências de sinal. Como tal, funcionam como filtros passa-baixo que suprimem seletivamente apenas o ruído. As bobinas de choke de modo comum são também um tipo de filtro de ruído, mas em vez de utilizarem diferenças de frequência, separam o ruído dos sinais através de diferenças no modo de condução. Por isso, temos de aprender primeiro a distinção entre modos comuns e modos diferenciais.
<Modos comuns e modos diferenciais>
Normalmente, no circuito elétrico de uma placa de circuitos, a corrente que sai de uma determinada parte atinge outro circuito através da carga e regressa à origem através de um percurso diferente na placa de circuitos. (Em muitos casos, a rota de retorno é o plano de terra da placa de circuito.) Este tipo de fluxo é chamado de modo diferencial (ou modo normal).
Existe também outra via de condução, embora não seja um fio bem definido. Uma pequena quantidade de capacitância dispersa é gerada entre os fios da placa de circuito e a superfície de terra de referência, criando uma rota de condução onde a capacitância flui normalmente através de todos os fios da placa de circuito e retorna na direção oposta ao longo da superfície de terra de referência. Essa rota é chamada de modo comum.
Embora a capacitância parasita entre os fios e a superfície de terra de referência seja bastante pequena, a impedância diminui à medida que a frequência do sinal aumenta, mesmo com a pequena quantidade de capacitância parasita, de modo que a corrente de modo comum flui mais facilmente. Normalmente, a corrente de modo comum não é enviada ativamente através do circuito elétrico, mas se a terra de um circuito de alimentação ou de um CI de condutor vibrar, todo o circuito que ele acciona vibrará, resultando em ruído de modo comum. Se um cabo estiver ligado externamente ao circuito, a corrente de modo comum também fluirá através do cabo. Como terá um potencial elétrico em relação à terra, a corrente será libertada sob a forma de ondas de rádio de ruído.
<As bobinas de estrangulamento de modo comum são filtros de ruído que actuam apenas sobre as correntes de modo comum>
As bobinas de estrangulamento de modo comum são filtros de ruído que discriminam entre sinais e ruído dos modos comuns e modos diferenciais, ou modos de condução, acima mencionados. Em termos simples, são filtros que actuam apenas nos modos comuns.
A figura 3 mostra um diagrama de princípio para bobinas de estrangulamento de modo comum.
As bobinas de estrangulamento de modo comum são constituídas por dois fios condutores enrolados à volta de um único núcleo (um núcleo de ferrite quando utilizado em aplicações de alta frequência). Por conseguinte, têm quatro terminais. Os fios são enrolados à volta do núcleo em direcções opostas. Quando as correntes de modo comum fluem através de bobinas com este tipo de estrutura, é gerado fluxo pelo fenómeno de indução electromagnética que ocorre em cada bobina. No entanto, como a direção do fluxo gerado é a mesma, ambos os fluxos se tornam mais fortes para aumentar a sua ação como indutores. Pelo contrário, as correntes de modo diferencial que atravessam a bobina geram fluxos em direcções opostas que se anulam mutuamente. Como resultado, deixa de atuar como indutor contra a corrente de modo diferencial. As bobinas de estrangulamento de modo comum são, portanto, filtros que só actuam como indutores para modos comuns e não contra modos diferenciais.
<Vantagens das bobinas de choke de modo comum>
As bobinas de choke de modo comum têm duas vantagens.
(1) Mesmo quando as frequências dos sinais e do ruído se sobrepõem, os seus diferentes modos de condução permitem a supressão apenas do ruído.
(2) O desempenho não diminui mesmo com uma grande corrente de modo diferencial, uma vez que o núcleo não fica saturado.
A caraterística mais importante das bobinas de choke de modo comum é a sua capacidade de distinguir entre ruído e sinais, mesmo da mesma frequência. Recentemente, cada vez mais dispositivos electrónicos estão a começar a utilizar a transmissão diferencial de alta velocidade como método de transmissão de sinais. USB, SATA e HDMI são exemplos típicos de transmissão diferencial de alta velocidade. Nas linhas de transmissão diferencial de alta velocidade, são transmitidos sinais de frequência extremamente elevada e os filtros, como as esferas de ferrite, que separam o ruído dos sinais por diferenças de frequência, não conseguem distinguir entre os dois. A ênfase no impacto do sinal significa que não pode suprimir muito bem o ruído, mas a concentração na supressão do ruído atenua parte do sinal, influenciando assim a integridade do sinal. As bobinas de estrangulamento de modo comum, por outro lado, separam os sinais do ruído utilizando modos de transmissão, de modo a que os sinais de alta velocidade que fluem através das bobinas não sejam afectados se forem modos diferenciais. Nas linhas de transmissão diferencial de alta velocidade, os sinais são geralmente apenas modos diferenciais. O ruído problemático é sobretudo o ruído de modo comum, pelo que as bobinas de estrangulamento de modo comum podem ser utilizadas para suprimir eficazmente o ruído de modo comum sem afetar os sinais de alta velocidade.
Os cabos são ligados às linhas de alimentação da empresa e aos adaptadores CA secundários que recebem entradas de energia. Estes cabos tornam-se antenas e o ruído que é libertado torna-se um problema. Quando se utilizam filtros do tipo indutor que actuam em modos diferenciais, tais como esferas de ferrite ou bobinas de estrangulamento de modo normal, o núcleo fica magneticamente saturado por grandes correntes que passam através dele, causando uma redução drástica no seu desempenho como indutores. As bobinas de estrangulamento de modo comum são muito úteis neste tipo de aplicações. Nas bobinas de estrangulamento de modo comum, não ocorre saturação magnética, uma vez que o fluxo gerado pelas correntes de modo diferencial se anula mutuamente e desaparece. As bobinas de estrangulamento de modo comum são, por conseguinte, utilizadas para suprimir o ruído em linhas eléctricas através das quais circulam grandes correntes.
<Exemplos de bobinas de choke de modo comum >
A figura 5 mostra alguns exemplos de bobinas de choke de modo comum.
As linhas eléctricas de corrente alternada estão sujeitas a alta tensão, pelo que é dada especial atenção à segurança na construção de bobinas para estas linhas. Por outro lado, como as linhas de sinal de alta velocidade requerem bobinas de menor dimensão, as bobinas do tipo chip são utilizadas nestas aplicações. Outras bobinas disponíveis no mercado são as do tipo fio enrolado que enrolam um fio à volta de um núcleo de ferrite e as do tipo filme que utilizam bobinas de filme. A bobina de fio apresenta um elevado desempenho, enquanto a bobina de película apresenta um tamanho mais pequeno. A figura 6 mostra um exemplo da estrutura de uma bobina de estrangulamento de modo comum do tipo chip de fio bobinado. Duas linhas são enroladas em conjunto à volta da bobina, de modo a que a linha de saída e a linha de retorno fiquem próximas uma da outra, e o acoplamento magnético entre as linhas aumenta para elevar a seletividade entre modos comuns e modos diferenciais.
<Precauções para a utilização de bobinas de choke de modo comum>
A discussão até agora afirmou que as bobinas de estrangulamento de modo comum não afectam os modos diferenciais, mas isto só é verdade para bobinas de estrangulamento de modo comum ideais. Na realidade, parte do fluxo produzido pelas fugas das bobinas opostas não é cancelado, resultando numa pequena quantidade de indutância. Esta indutância de modo diferencial é muito pequena, mas a sua influência deve ser considerada em aplicações que utilizam sinais de frequência extremamente elevada. A figura 7 mostra um exemplo de uma curva de impedância real para uma bobina de choke de modo comum do tipo chip. Sabemos que a impedância de modo diferencial torna-se elevada por volta de 1 GHz. Recentemente, foram desenvolvidas bobinas de indução de modo comum do tipo chip que suprimem ainda mais a impedância de modo diferencial. Devem ser escolhidas bobinas de estrangulamento de modo comum do tipo chip adequadas para portas de ecrã, USB3.0 e outros dispositivos que utilizem sinais de frequência extremamente elevada.
Consulte o guia que disponibilizámos para selecionar bobinas de estrangulamento de modo comum do tipo chip para utilização em linhas diferenciais de alta velocidade.
Guia de seleção de bobinas de indução de modo comum para linhas de transmissão diferencial de alta velocidade
https://www.murata.com/products/emc/emifil/selectionguide/highspeed
*As informações apresentadas neste artigo estavam actualizadas à data da publicação. Tenha em atenção que podem diferir das informações mais recentes.
