Todas as esferas de ferrite não são criadas iguais

Um cenário comum: um engenheiro de projeto insere um cordão de ferrite em um circuito com problemas de EMC, apenas para descobrir que o cordão realmente fez com que o indesejado ruído fosse PIOR. Como isso pode ser? Os grânulos de ferrite não deveriam remover a energia do ruído e não piorar o problema?

A resposta a esta pergunta é bastante simples, mas pode não ser amplamente compreendida fora daqueles que trabalham a maior parte do tempo resolvendo problemas de EMI. Simplificando, uma conta de ferrite não é uma conta de ferrite, não é uma conta de ferrite, etc. A maioria dos fabricantes de contas de ferrite fornece uma tabela que lista seu número de peça, a impedância em uma determinada frequência (geralmente 100 MHz), a resistência DC (DCR) , uma classificação de corrente máxima e algumas informações dimensionais (consulte a Tabela 1). Todas as coisas praticamente padrão. O que não consta na tabela de dados são as informações do material e as respectivas características de desempenho em frequência.

Tabela 1: Tabela típica de dados de grânulos de ferrite

Uma conta de ferrite é um dispositivo passivo que remove energia de ruído de um circuito na forma de calor. O grânulo cria impedância em uma ampla faixa de frequência que elimina toda ou parte da energia de ruído indesejada nessa faixa de frequência. Para aplicações de tensão DC (como linhas Vcc para ICs), é desejável ter um valor de resistência DC baixo para não ter grandes perdas de energia dentro do sinal e/ou fonte de tensão ou corrente desejada (I2 x perdas DCR). No entanto, é desejável ter alta impedância em alguma faixa de frequência definida. Portanto, a impedância está relacionada ao material utilizado (permeabilidade), ao tamanho do cordão de ferrite, ao número de enrolamentos e à construção do enrolamento. Obviamente, quanto mais enrolamentos dentro de um determinado tamanho de caixa e para um material específico usado, maior a impedância, mas isso também resultará em maior resistência CC, pois o comprimento físico da bobina interna é maior. A corrente nominal da peça é inversamente proporcional à sua resistência CC.

Um dos aspectos fundamentais do uso de contas de ferrite para aplicações EMI é que o componente deve estar em seu estágio resistivo. O que isto significa? Simplesmente, significa que "R" (resistência AC) deve ser maior que "XL" (reatância indutiva). Nas frequências em que XL > R (frequências mais baixas), a parte se comporta mais como um indutor do que como um resistor. Nas frequências onde R > XL, a peça se comporta como um resistor que é a propriedade desejada do cordão de ferrite. A frequência na qual "R" se torna maior que "XL" é chamada de frequência "cross-over". Isso é mostrado na Figura 1 com a frequência de cruzamento marcada, 30 MHz neste exemplo, pela seta vermelha.

Figura 1: Frequência de cruzamento

Outra maneira de ver isso é em termos do que a peça está realmente fazendo enquanto está em seus estágios indutivo e resistivo. Como em outras aplicações em que há incompatibilidade de impedância com indutores, parte do sinal introduzido é refletido de volta para a fonte. Isso pode fornecer alguma proteção para dispositivos sensíveis do outro lado do cordão de ferrite, mas também introduz um "L" no circuito e isso pode causar ressonâncias e oscilações (ringing). Assim, quando o grânulo ainda é de natureza indutiva, parte da energia do ruído será refletida e alguma porcentagem passará, dependendo dos valores de indutância e impedância.

Quando o cordão de ferrite está em seu estágio resistivo, o componente se comporta, como dito, como um resistor e, portanto, impede a energia do ruído e absorve essa energia do circuito e o faz na forma de calor. Embora construído de maneira idêntica a alguns indutores, usando os mesmos processos, linhas e técnicas de fabricação, maquinário e alguns dos mesmos materiais componentes, o grânulo de ferrite usa um material de ferrite com perdas, enquanto um indutor utiliza um material de ferrite de menor perda. Isso é mostrado nas curvas da Figura 2.

Figura 2: Reflexão vs. Absorção

Esta figura mostra [μ''] que é usado para refletir o comportamento do material do grânulo de ferrite com perdas.