A diferencia de los antiguos circuitos analógicos, la mayoría de los circuitos modernos utilizan fuentes conmutadas. Las fuentes conmutadas o "Switched Mode Power Supplies" (abreviadas por SMPS) generan un alto nivel de interferencias y ruidos, es decir, EMI y RFI. Para evitar que los ruidos e interferencias generadas se propaguen a través de la red de energía se deben utilizar filtros. En este artículo abordamos algunos temas de la tecnología de los filtros en modo común, así como la forma en que se utilizan.
Los circuitos de conmutación rápida, como los utilizados en fuentes de alimentación conmutada, pueden generar ruidos y señales de altas frecuencias que se propagan tanto por el aire como a través de la red de energía.
Para evitar que las señales se propaguen a través de la red de energía alcanzando otros equipos conectados en la misma red, y que sean sensibles, deben ser utilizados filtros. Como muestra la figura 1, estos filtros normalmente se intercalan entre el dispositivo interferente y la red de energía.
En el caso específico de las fuentes de alimentación conmutadas son raros los proyectos que no incluyen uno o más filtros, como muestra la figura 2.
Estos filtros pueden ser tanto del tipo en modo común (common mode) como diferenciales (diferencial).
En la mayoría de los casos, sin embargo, el uso de un solo filtro en modo común ya puede eliminar hasta el 90% del ruido generado, sin que se haya eliminado el filtro diferencial adicional.
Para los lectores que tienen problemas de ruido y RFI generados en circuitos conmutadores de alta velocidad, como los de las fuentes conmutadas, será interesante entender más sobre el funcionamiento de los filtros en modo común.
El filtro en modo común
En el filtro en modo común existen dos devanados que se conectan cada uno en serie con una de las fases de la señal de alimentación, como muestra la figura 3.
Las conexiones de los devanados deben ser hechas de tal forma que los flujos creados por los devanados tengan sentidos en que uno tenga que cancelar el otro.
De esta forma la impedancia presentada por el dispositivo se vuelve cercana a cero (existen sólo pequeñas pérdidas por las fugas y por la resistencia de los devanados).
Como muestra la figura 4, el ruido generado por una fuente de llave aparece normalmente en una de las fases o en las dos y consiste en un componente de alta frecuencia.
Sin embargo, como esta corriente encuentra en los devanados una impedancia elevada, pues no es cancelada por la corriente de retorno. Esto significa que la tensión en modo común que aparece es cancelada por el inductor,
El resultado es que la señal no pasa a la red de energía, propagándose hasta otros equipos que sean sensibles.
El material del inductor
La mayoría de las fuentes de conmutación común operan con frecuencias entre 20 y 200 kHz.
El ruido generado en estas fuentes normalmente tiene un rango de frecuencias entre 200 kHz y 50 MHz, lo que significa que el mejor material para fabricar un inductor para un filtro es la ferrita.
Este material ofrece la más alta impedancia en el rango de frecuencias de los ruidos que deben ser eliminados.
En la figura 5 tenemos una curva en la que mostramos la impedancia Zt de un toroide de ferrita en función de la frecuencia de la señal. Observe que los valores máximos se alcanzan entre 1 y 10 MHz.
En el mismo gráfico tenemos la reactancia inductiva en serie (Xs) y la resistencia en serie (Rs) del devanado, las cuales son función de la permeabilidad y del factor de pérdidas del material, los cuales juntos generan la impedancia total del dispositivo, la cual está trazada.
Este gráfico muestra que en las bajas frecuencias, la reactancia inductiva Xs iguala la impedancia total, mientras que en las altas frecuencias es la resistencia en serie que contribuye más a la impedancia total.
Cuando la frecuencia aumenta, partiendo de un bajo valor, la resistencia en serie aumenta y comienza a sumarse con la reactancia en serie creando Zt, la impedancia total.
En aproximadamente 700 kHz, la reactancia decreciente iguala la resistencia que aumenta. Por encima de esta frecuencia la resistencia en serie es que contribuye más a la impedancia total.
En la figura 6 tenemos un gráfico en el que la permeabilidad y el factor de pérdida del material usado (ferrita) se comporta en función de la frecuencia.
Observe que la permeabilidad que cae después de los 700 kHz hace que la reactancia inductiva caiga también, y el factor de pérdida aumentando con la frecuencia hace que la resistencia se convierta en el factor dominante en la determinación de la impedancia en las altas frecuencias.
En la figura 6 la impedancia total tiene su valor más elevado, y por lo tanto de mayor utilidad como material de filtro, en frecuencias entre 1 y 20 MHz. Esto ocurre debido a las pérdidas del material, y sólo con poca contribución de la permeabilidad.
Por lo tanto, queda claro que el rango de frecuencias que un material es útil en un filtro es imposible de identificar a partir de la permeabilidad y el factor de pérdidas en bajas frecuencias. La mejor manera de identificar el mejor material es utilizar las curvas comparativas impedancia x frecuencia, como la mostrada en la figura 7.
En esta curva tenemos las curvas impedancia x frecuencia de tres tipos de ferritas. El material J tiene una impedancia total alta en el rango de frecuencias de 1 a 20 MHz y es el más utilizado para enrollar filtros de modo común.
El material W tiene un 20% a un 50% más de impedancia que el material J en frecuencias inferiores a 1 MHz. Por lo que este material es preferible para enrollar filtros donde el ruido de baja frecuencia es el predominante.
El material K, por otro lado, es recomendado para el caso en que los ruidos de alta frecuencia predominan. En el rango superior a 2 MHz, este material del 100% más impedancia que el material J.
Formato del Núcleo
La geometría más popular para el enrollamiento de filtros EMI / RFI es la que hace uso de núcleos toroidales, como muestra la figura 8.
Sin embargo, entre los dos devanados, se utiliza un divisor no metálico, cuya finalidad es permitir su fijación en una placa de circuito impreso.
El núcleo "E" es más caro que el núcleo toroidal, pero su utilización tiene sus ventajas. El montaje es más barato y las bobinas listas se pueden fijar más fácilmente en las placas de circuito impreso. El propio enrollamiento requiere máquinas menos sofisticadas, siendo, por eso, más barato.
Se debe considerar además que los núcleos E presentan una fuga de inductancia mayor que los núcleos toroidales, pero es posible utilizar un "gap" que aumenta a esa fuga y con ello hacer que el dispositivo absorbe tanto los ruidos en modo común como diferenciales.
Curvas de Impedancia
El tamaño del núcleo para un determinado filtro puede determinarse a partir de la impedancia deseada y las curvas impedancia x frecuencia del material. En la figura 9 tenemos algunos ejemplos de estas curvas.
Considerando el espacio en el proyecto disponible para la instalación del filtro, seleccione un núcleo del gráfico en la figura 8.
Para obtener una impedancia específica, divida la impedancia deseada por la impedancia alrededor del cuadrado (Z / N2) obtenida en el gráfico en la frecuencia de interés.
El cuadrado de ese número nos da el número de espiras que deben ser enrolladas en el núcleo seleccionado. Si este número de espira no cabe en el núcleo, se debe seleccionar un núcleo más grande.
No será necesario tener en cuenta la posibilidad de saturación del núcleo, pues la mayoría de los ruidos en modo común son de bajas tensiones.
Las curvas mostradas en los gráficos fueron obtenidas en el sitio de Magnetics (www.mag-inc.com) y son típicas para núcleos comunes, con una tolerancia del 30%. Las variaciones normalmente se deben a las variaciones del diámetro del hilo usado y su colocación en el devanado.
Conclusión
Conforme los lectores percibieron no es difícil diseñar un filtro EMI / RFI para una fuente conmutada usando toroides comunes.
El propio comportamiento del material y la distribución de las frecuencias que deben ser eliminadas en una franja que es prácticamente inherente a las propiedades de las ferritas facilita las cosas.
Si el lector tiene problemas de EMI / RFI de fuentes de circuito de circuitos más diversos, ¿por qué no diseñar e incluir un filtro basado en la información de este artículo.
La tabla siguiente da las dimensiones a los núcleos de Magnetics tomados como ejemplo en este artículo:
