O principal objetivo de Componentes de filtragem elétrica (EFC) é a redução de perturbações eletromagnéticas num sistema microeletrónico causadas pelo ambiente externo. Em [1], estas técnicas são chamadas "Devices Used to Suppress Transients".

As perturbações eletromagnéticas podem ter origem em diferentes fontes, como por exemplo:

• Interferência eletromagnética (EMI);
• Interferência de frequência de rádio (RDI);
• Descarga eletrostática (ESD);
• Outros componentes eletrónicos.

Os EFC são essenciais na redução do ruído elétrico de entrada numa placa PCB e no aumento do ciclo de vida do sistema, ao evitar danos nos componentes incluídos. Este artigo é uma introdução a componentes de filtragem EMI, RFI e ESD que são importantes no planeamento de circuitos elétricos.

Condensadores de Desacoplamento e em Massa

Componentes microeletrónicos são desenhados para terem uma fonte de alimentação estável. Têm sido observadas alterações em circuitos relacionadas com a falta de qualidade do sinal da fonte [1]. Equipamento de campo, que é alimentado por uma tensão DC externa, pode ter picos de tensão de ruído. Este problema tem um impacto maior em sistemas industriais, onde existem correntes elétricas elevadas e, consequentemente, maior ruído eletromagnético.

Para reduzir o ruído na fonte DC e proteger os componentes do PCB, são usados condensadores de desacoplamento (também chamados condensadores de bypass). O seu princípio teórico baseia-se na rejeição de qualquer mudança inesperada na tensão de entrada, absorvendo assim o ruído e mantendo a tensão DC o mais suave possível. Há duas funções elétricas principais a atuar:

• Se a tensão de entrada baixar, o condensador de desacoplamento consegue fornecer energia ao circuito integrado (IC) para estabilizar a tensão;
• Se a tensão de entrada subir, o condensador de desacoplamento consegue absorver a energia em excesso e manter a tensão estável.

A figura 1 apresenta uma aplicação típica deste tipo de circuito.

Condensadores de desacoplamento são incluídos nas linhas de entrada de tensão, perto do circuito integrado entre a fonte e a terra. Um condensador de – ajuda a suavizar quaisquer alterações de baixa frequência na tensão de entrada. Geralmente, para frequências baixas são usados condensadores de tântalo. Um condensador de – ajuda a suavizar ruído de alta frequência no circuito, sendo para tal recomendado usar condensadores de cerâmica. Os condensadores cerâmicos têm melhores características a altas frequências comparativamente a outros condensadores, como os condensadores eletrolíticos de alumínio [1].

Condensadores em massa têm uma grande capacitância, prevenindo assim que a corrente desça demasiado baixo quando a fonte de tensão está indisponível. Os condensadores são usados em paralelo, tal como os condensadores de desacoplamento. [3]

Normalmente a documentação dos circuitos integrados indica quais os condensadores que são recomendados.

Estrangulamento Diferencial e de Modo Comum

Um indutor é um componente eletrónico constituído por uma bobina e que armazena energia sob a forma de um campo magnético. Este componente permite que a corrente DC flua livremente, mas impede que a corrente AC o atravesse. Ao lidar com alterações geradas por ruído (EMI ou RFI), um indutor previne que as correntes de ruído cheguem à placa PCB.

Um indutor tipicamente usado na prevenção de ruído em canais de tensão DC é o filtro de estrangulamento [5, 1]. O filtro de estrangulamento consiste em duas bobinas com o mesmo número de anéis enroladas à volta de um centro magnético, e pode operar em dois modos:

• Em modo comum, o estrangulamento aumenta a impedância de entrada no circuito para altas frequências, ou seja, resiste à passagem de ruído em modo comum. A impedância aumenta em modo comum através dos campos magnéticos que fluem na mesma direção no core magnético.
• Para sinais em modo diferencial, o core magnético tem campos magnéticos que se opõem, resultando numa anulação do fluxo de corrente.

A figura 2 ilustra ambas as situações.

Varistor e Fusível

Um varistor é um componente eletrónico cuja resistência é inversamente proporcional à tensão nos seus terminais. Este comportamento permite a proteção conta sobretensão em períodos curtos e pode ser considerado uma proteção contra uma descarga eletrostática. Este componente é implementado em paralelo, tal como os condensadores na figura 2 (ver [1]).

É altamente recomendado proteger o sistema quando ocorre um curto-circuito na placa, como quando um varistor é danificado. Nesta situação, há uma corrente alta a percorrer o sistema. Para prevenir isto, é comum usar um fusível. O fusível é um componente usado para proteger conta corrente em excesso, e é constituído por um filamento que derrete quando um limite de corrente é excedido por algum tempo. Na figura 3, é possível ver uma aplicação típica com um fusível e um varistor [1].

Díodo Zener

O díodo Zener é um semicondutor que permite que a corrente flua no sentido direto e no inverso. A tensão direta é a tensão necessária para que a corrente flua através da junção pn, tal como num díodo normal. A grande diferença deste componente é que tem uma tensão de rutura inversa baixa e bem definida, e conduz corrente quando a tensão de rutura inversa é excedida.

Na figura 4 é possível observar as zonas de funcionamento do díodo Zener e verificar que, quando a tensão entre a entrada e a saída se encontra entre a tensão de rutura e a tensão direta, a corrente não flui. O díodo Zener é usado em diferentes aplicações como, por exemplo, proteção contra sobretensão (figura 5).

Exemplos de aplicação

Com os componentes anteriormente mencionados, é possível construir diferentes circuitos para proteger placas ou sistemas. As figuras 6 e 7 apresentam alguns exemplos.

A figura 6 apresenta uma fonte de tensão 24VDC com filtragem.

A figura 7 apresenta um circuito de proteção contra sobretensão numa fonte de 5VDC, usada para alimentar um circuito integrado de manutenção de potência (PMIC) a um microprocessador.

[1] também descreve alguns circuitos de proteção contra sobrevoltagem.

Referências

[1] Paul Scherz and Simon Monk. Practical Eletronics for Inventors, volume 4. MC Graw Hill Education, 2016.
[2] Robert Keim. Clean power for every ic, part 1: Understanding bypass capacitors. https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/clean-power-for-every-ic-part-1-understanding-bypass-capacitors/, 2015.
[3] Texas Instruments. Voltage margin and bulk capacitance. https://training.ti.com/ti-precision-labs-motor-drivers-voltage-margin-and-bulk-capacitance, 2022.
[4] Coilcraft. A guide to understanding common mode chokes. https://www.coilcraft.com/en-us/edu/series/a-guide-to-understanding-common-mode-chokes/, 2022.
[5] LLC Ahmed Alamin Associate Product Engineer Abracon. Common mode chokes basics and applications. https://abracon.com/uploads/resources/Common-Mode-Chokes-Basics-and-Applications.pdf, 2022.
[6] OurPCB. Metal oxide varistors(mov): A voltage surge protection device. https://www.ourpcb.com/metal-oxide-varistors.html, 2022.
[7] EletronicsTutorials. The zener diode. https://www.electronics-tutorials.ws/diode/diode_7.html, 2022

Autor

Jorge Alves