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Transformadores de corriente de núcleo partido
La compatibilidad electromagnética (EMC) es una consideración de diseño crítica en los equipos electrónicos modernos. La interferencia electromagnética (EMI) no solo afecta al funcionamiento normal del equipo, sino que también puede infringir requisitos normativos. Para suprimir eficazmente estas perturbaciones, los ingenieros utilizan una amplia gama de componentes de filtrado, en los que los inductores desempeñan un papel central. Entre los muchos tipos de inductores, los choques de modo común y los inductores de modo diferencial son dos de los más utilizados y tienen funciones muy diferentes.
Aunque ambos se utilizan para el filtrado EMI, los tipos de perturbaciones a los que apuntan, sus estructuras y sus principios de funcionamiento son muy diferentes. En este artículo, analizaremos las diferencias esenciales entre los choques de modo común y los inductores de modo diferencial, sus escenarios de aplicación, y proporcionaremos puntos prácticos de selección para ayudar a los ingenieros a tomar la decisión correcta en el diseño de circuitos.
Un inductor de modo común, también conocido como choque de modo común, es un elemento de filtrado utilizado principalmente para suprimir la interferencia de modo común.
El ruido de modo común (CMN) es una señal de ruido con la misma dirección y magnitud en dos líneas de señal (por ejemplo, líneas de alimentación L y N, o líneas de datos D+ y D-) con respecto a tierra o al plano de referencia. Esta interferencia suele estar causada por el acoplamiento de campos electromagnéticos externos o por circuitos desequilibrados dentro del dispositivo, y se irradia hacia el exterior a través del cable o se introduce internamente en el dispositivo a través del cable.
La construcción típica de un inductor de modo común consiste en dos o más conjuntos de bobinas devanadas sobre el mismo núcleo de ferrita de alta permeabilidad, con el mismo número de vueltas y orientación.
El principio de funcionamiento se basa en la cancelación del campo magnético y en efectos de alta impedancia:
Para señales de modo diferencial (señales útiles): Cuando corrientes normales de modo diferencial (es decir, señales de direcciones opuestas e igual magnitud en dos líneas) fluyen a través de dos devanados, los flujos magnéticos que generan en los núcleos tienen direcciones opuestas y se cancelan entre sí. Por lo tanto, la impedancia de un inductor de modo común frente a una señal de modo diferencial es extremadamente baja y apenas afecta la transmisión de señales útiles.
Para señales de modo común (ruido): Cuando corrientes de modo común (en la misma dirección) fluyen a través de dos devanados, generan flujo magnético en el núcleo en la misma dirección, superpuesto entre sí. Esto hace que el núcleo presente una alta inductancia, lo que crea una impedancia extremadamente alta frente al ruido de modo común y logra el objetivo de suprimir y atenuar la interferencia de modo común.
Los choques de modo común suelen tener cuatro pines (dos entradas y dos salidas) y están compuestos por dos devanados, con los extremos homólogos de los devanados ubicados en el mismo lado del anillo magnético.
El inductor de modo diferencial es un componente inductivo tradicional utilizado principalmente para suprimir la interferencia de modo diferencial.
El ruido de modo diferencial (DMN) es una señal de ruido con dirección opuesta y magnitud desigual entre dos líneas de señal. Este tipo de interferencia se superpone directamente a la señal útil y suele estar causado por factores internos, como la acción de conmutación de la fuente de alimentación conmutada, cambios de carga o desajuste de impedancia en la línea de señal.
La estructura de un inductor de modo diferencial es similar a la de un inductor ordinario, que normalmente solo tiene un devanado enrollado sobre un núcleo magnético.
Su principio de funcionamiento se basa en el efecto de autoinducción del inductor:
Para señales de modo diferencial (señales útiles y ruido): Un inductor de modo diferencial se opone al cambio de la corriente que fluye a través de él. Ya sea una señal normal de modo diferencial o ruido de modo diferencial, siempre que la corriente fluya a través del inductor, se verá afectada por su inductancia.
Efecto de filtrado: El inductor de modo diferencial, mediante sus características de impedancia de alta frecuencia, atenúa la alta frecuencia del ruido de modo diferencial, mientras mantiene una baja impedancia para las señales útiles de baja frecuencia (como la CC de alimentación o el componente de CA de baja frecuencia), logrando así el filtrado.
Los inductores de modo diferencial suelen tener solo dos pines y un único devanado. En los circuitos de filtrado EMI, normalmente se conectan en serie en la línea de alimentación o de señal.
La distinción principal entre los choques de modo común y los choques de modo diferencial reside en los tipos de ruido que abordan, su diseño estructural y su impacto en las señales útiles. La siguiente tabla resume las diferencias clave entre ambos:
| Características | Choque de modo común | Inductor de modo diferencial |
| Objetivo de supresión
| Interferencia de modo común (ruido en la misma dirección con respecto a tierra) | Interferencia de modo común (ruido entre líneas de señal) |
| Principio de funcionamiento | La superposición de flujo produce alta impedancia (para modo común), mientras que la cancelación de flujo produce baja impedancia (para modo diferencial). | La autoinducción crea alta impedancia (para todas las corrientes de alta frecuencia) |
| Estructura | Dos devanados, enrollados en la misma dirección sobre el mismo núcleo magnético | Un devanado, enrollado alrededor del núcleo magnético |
| Número de pines | 4 (dos de entrada, dos de salida) | 2 (uno de entrada, uno de salida) |
| Para señales útiles | Impedancia extremadamente baja, prácticamente sin atenuación | Existe cierta impedancia, que puede causar una ligera atenuación de la señal útil. |
| Ubicación de aplicación | Normalmente se utiliza en los extremos de entrada/salida de cables de alimentación o líneas de señal de alta velocidad para filtrar la interferencia radiada. | Normalmente se utiliza en serie con cables de alimentación o líneas de señal para filtrar la interferencia conducida. |
Debido a su excelente supresión del ruido de modo común sin afectar la transmisión de señales de modo diferencial, los choques de modo común se utilizan ampliamente en los siguientes escenarios:
Los choques de modo diferencial suprimen principalmente el ruido de modo diferencial en las líneas de alimentación, a menudo combinados con capacitores para formar filtros tipo π o tipo L:
La selección adecuada es fundamental para garantizar un filtrado EMI eficaz. Al elegir inductores de modo común y de modo diferencial, deben considerarse los siguientes parámetros principales:
Corriente nominal (I_rated): El choque debe soportar la corriente máxima de funcionamiento continuo del circuito.
Impedancia de modo común (Z_CM): Este es el parámetro más crítico. Seleccione choques que presenten la máxima impedancia en la frecuencia de ruido objetivo (normalmente de decenas a cientos de MHz). Una mayor impedancia ofrece una mejor supresión.
Impedancia de modo diferencial (Z_DM): Seleccione inductores con baja impedancia de modo diferencial para minimizar la atenuación de las señales útiles.
Resistencia de CC (DCR): Es preferible una DCR más baja para reducir la pérdida de potencia y el aumento de temperatura.
Rango de frecuencia de funcionamiento: Seleccione el material de núcleo y la estructura de devanado adecuados según la frecuencia de funcionamiento del circuito y la frecuencia de ruido.
Inductancia (L): Determine el valor de inductancia en función de la frecuencia de corte requerida y las características de filtrado. Una mayor inductancia proporciona mejor atenuación del ruido de baja frecuencia.
Corriente nominal (I_rated): Al igual que con los inductores de modo común, debe cumplir el requisito de corriente máxima de funcionamiento del circuito.
Corriente de saturación (I_sat): Cuando la corriente aumenta más allá de cierto umbral, el núcleo se satura, lo que provoca una caída brusca de la inductancia. Durante la selección, la corriente de saturación debe superar la corriente pico del circuito para garantizar el rendimiento del filtrado.
Resistencia de CC (DCR): Del mismo modo, la DCR debe ser lo más baja posible.
Los choques de modo común y los inductores de modo diferencial son dos fuerzas indispensables en los circuitos de filtro EMI. Los inductores de modo común, con su exclusiva estructura de doble devanado, suprimen eficientemente la interferencia de modo común mientras protegen la integridad de las señales útiles. Son la opción preferida para la supresión de radiación en líneas de señal de alta velocidad y líneas de alimentación. El inductor de modo diferencial, mediante el efecto de autoinducción, atenúa directamente la interferencia de modo diferencial y es la piedra angular del filtrado de conducción de potencia.
Comprender las diferencias fundamentales entre ellos: distintos objetos de supresión, distintas estructuras y distintos principios de funcionamiento, es la base para un diseño correcto de circuitos y una selección adecuada de componentes. Solo combinando razonablemente los tipos específicos de interferencia y los requisitos del circuito puede construirse un sistema electrónico que cumpla normas EMC estrictas.
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