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Split Core Current Transformers
A compatibilidade eletromagnética (CEM) é uma consideração essencial na conceção de equipamentos eletrónicos modernos. A interferência eletromagnética (EMI) afeta o funcionamento normal dos equipamentos e pode também levar ao incumprimento de requisitos regulamentares. Para suprimir estas perturbações, os engenheiros utilizam diversos componentes de filtragem, entre os quais os indutores desempenham um papel central. Dos muitos tipos de indutores, os choques de modo comum e os indutores de modo diferencial estão entre os mais utilizados e têm funções muito diferentes.
Embora ambos sejam usados na filtragem EMI, diferem muito quanto aos tipos de perturbações que combatem, à estrutura e aos princípios de funcionamento. Neste artigo, abordamos as principais diferenças entre choques de modo comum e indutores de modo diferencial, as suas aplicações e critérios práticos de seleção para ajudar os engenheiros a escolher o componente certo na conceção de circuitos.
Um indutor de modo comum, também conhecido como choque de modo comum, é um elemento de filtragem utilizado principalmente para suprimir interferências de modo comum.
O ruído de modo comum (CMN) é um sinal de ruído com a mesma direção e amplitude em duas linhas de sinal (por exemplo, as linhas de alimentação L e N ou as linhas de dados D+ e D-), relativamente à terra ou ao plano de referência. Esta interferência resulta geralmente do acoplamento de campos eletromagnéticos externos ou de circuitos desequilibrados no equipamento, sendo irradiada para o exterior através do cabo ou introduzida no equipamento por essa via.
Na construção típica de um indutor de modo comum, dois ou mais conjuntos de bobinas são enrolados no mesmo núcleo de ferrite de elevada permeabilidade, com igual número de espiras e a mesma orientação.
O princípio de funcionamento baseia-se no cancelamento dos campos magnéticos e na elevada impedância:
Para sinais de modo diferencial (sinais úteis): Quando correntes normais de modo diferencial (ou seja, sinais de sentidos opostos e amplitudes iguais nas duas linhas) atravessam os dois enrolamentos, os fluxos magnéticos que geram no núcleo têm sentidos opostos e anulam-se. Por isso, a impedância de um indutor de modo comum perante um sinal de modo diferencial é extremamente baixa e praticamente não afeta a transmissão dos sinais úteis.
Para sinais de modo comum (ruído): Quando correntes de modo comum (no mesmo sentido) atravessam os dois enrolamentos, geram fluxos magnéticos no núcleo com o mesmo sentido, que se somam. Isto faz com que o núcleo apresente uma elevada indutância, criando uma impedância extremamente alta ao ruído de modo comum e permitindo suprimir e atenuar a interferência.
Os choques de modo comum têm geralmente quatro terminais (dois de entrada e dois de saída) e são compostos por dois enrolamentos cujas extremidades homólogas se encontram do mesmo lado do núcleo toroidal.
O indutor de modo diferencial é um componente indutivo convencional utilizado principalmente para suprimir interferências de modo diferencial.
O ruído de modo diferencial (DMN) é um sinal de ruído de sentidos opostos e amplitudes diferentes entre duas linhas de sinal. Este tipo de interferência sobrepõe-se diretamente ao sinal útil e resulta geralmente de fatores internos, como a comutação da fonte de alimentação, alterações da carga ou desadaptação de impedância das linhas de sinal.
A estrutura de um indutor de modo diferencial é semelhante à de um indutor comum: geralmente tem apenas um enrolamento, disposto sobre um núcleo magnético.
O seu princípio de funcionamento baseia-se no efeito de autoindução do indutor:
Para sinais de modo diferencial (sinais úteis e ruído): Um indutor de modo diferencial opõe-se à variação da corrente que o atravessa. Quer se trate de um sinal normal de modo diferencial, quer de ruído de modo diferencial, a corrente que passa pelo indutor é afetada pela sua indutância.
Efeito de filtragem: graças à sua elevada impedância a altas frequências, o indutor de modo diferencial atenua o ruído de modo diferencial de alta frequência, mantendo uma baixa impedância para os sinais úteis de baixa frequência (como a componente CC da alimentação ou uma componente CA de baixa frequência). É assim que se obtém a filtragem.
Os indutores de modo diferencial têm geralmente apenas dois terminais e um único enrolamento. Nos circuitos de filtragem EMI, são normalmente ligados em série na linha de alimentação ou de sinal.
A principal distinção entre choques de modo comum e indutores de modo diferencial reside nos tipos de ruído que combatem, na sua estrutura e no seu efeito sobre os sinais úteis. A tabela seguinte resume as principais diferenças:
| Características | Choque de modo comum | Indutor de modo diferencial |
| Tipo de interferência suprimida
| Interferência de modo comum (ruído no mesmo sentido relativamente à terra) | Interferência de modo comum (ruído entre linhas de sinal) |
| Princípio de funcionamento | A soma dos fluxos gera uma elevada impedância (para o modo comum), enquanto o seu cancelamento gera uma baixa impedância (para o modo diferencial). | A autoindução cria uma elevada impedância (para todas as correntes de alta frequência) |
| Estrutura | Dois enrolamentos, enrolados no mesmo sentido sobre o mesmo núcleo magnético | Um enrolamento, disposto em torno do núcleo magnético |
| Número de terminais | 4 (dois de entrada, dois de saída) | 2 (um de entrada, um de saída) |
| Efeito nos sinais úteis | Impedância extremamente baixa, praticamente sem atenuação | Apresenta alguma impedância, que pode causar uma ligeira atenuação do sinal útil. |
| Local de aplicação | Normalmente utilizado nas extremidades de entrada/saída de cabos de alimentação ou linhas de sinal de alta velocidade para filtrar interferências radiadas. | Normalmente ligado em série com cabos de alimentação ou linhas de sinal para filtrar interferências conduzidas. |
Graças à sua excelente capacidade de suprimir o ruído de modo comum sem afetar a transmissão de sinais de modo diferencial, os choques de modo comum são amplamente utilizados nas seguintes aplicações:
Os indutores de modo diferencial suprimem principalmente o ruído de modo diferencial nas linhas de alimentação e são frequentemente combinados com condensadores para formar filtros do tipo π ou L:
Uma seleção adequada é essencial para assegurar uma filtragem EMI eficaz. Ao escolher indutores de modo comum e de modo diferencial, devem considerar-se os seguintes parâmetros principais:
Corrente nominal (I_rated): O choque deve suportar a corrente máxima de funcionamento contínuo do circuito.
Impedância de modo comum (Z_CM): Este é o parâmetro mais importante. Selecione choques com impedância máxima à frequência do ruído a suprimir (normalmente de dezenas a centenas de MHz). Uma impedância mais elevada proporciona uma melhor supressão.
Impedância de modo diferencial (Z_DM): Selecione indutores com baixa impedância de modo diferencial para minimizar a atenuação dos sinais úteis.
Resistência em CC (DCR): É preferível uma DCR mais baixa para reduzir as perdas de potência e a elevação de temperatura.
Gama de frequências de funcionamento: Selecione o material do núcleo e a estrutura dos enrolamentos de acordo com a frequência de funcionamento do circuito e a frequência do ruído.
Indutância (L): Determine o valor da indutância com base na frequência de corte e nas características de filtragem pretendidas. Uma indutância mais elevada proporciona melhor atenuação do ruído de baixa frequência.
Corrente nominal (I_rated): Tal como nos indutores de modo comum, deve cumprir o requisito de corrente máxima de funcionamento do circuito.
Corrente de saturação (I_sat): Quando a corrente ultrapassa um determinado limite, o núcleo satura e a indutância diminui acentuadamente. Ao selecionar o componente, a corrente de saturação deve exceder a corrente de pico do circuito para assegurar o desempenho da filtragem.
Resistência em CC (DCR): Do mesmo modo, a DCR deve ser tão baixa quanto possível.
Os choques de modo comum e os indutores de modo diferencial são dois componentes indispensáveis nos circuitos de filtragem EMI. Graças à sua estrutura de dois enrolamentos, os indutores de modo comum suprimem eficazmente a interferência de modo comum e preservam a integridade dos sinais úteis. São a escolha preferencial para suprimir a radiação em linhas de sinal de alta velocidade e linhas de alimentação. O indutor de modo diferencial, através do efeito de autoindução, atenua diretamente a interferência de modo diferencial e é fundamental na filtragem da interferência conduzida nas linhas de alimentação.
Compreender as diferenças fundamentais entre estes componentes — os tipos de interferência que suprimem, as suas estruturas e os seus princípios de funcionamento — é a base de uma conceção correta dos circuitos e da seleção dos componentes. Ao ter em conta os tipos específicos de interferência e os requisitos do circuito, é possível construir um sistema eletrónico que cumpra normas rigorosas de CEM.
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