Cuidado com a entrada

Ao projetar filtros EMI, como e onde o filtro é instalado é fundamental para obter as perdas de inserção desejadas. Normalmente, o efeito de uma localização ou instalação errada não é considerado no projeto do filtro e surpresas aparecem.

Algumas semanas atrás, eu estava trabalhando em um produto de uma empresa que falhava em emissões conduzidas. O produto foi alimentado por rede elétrica de 240V 50Hz (Europa) consumindo 10A e um filtro personalizado foi incluído no projeto para tentar passar os regulamentos para emissões conduzidas na faixa de 9kHz-30MHz.

O esquema do filtro usado neste produto está incluído na Figura 1. O filtro era composto por dois capacitores X2 de 100nF, uma bobina de modo comum de 470uH e dois capacitores de 4,7nF.

Figura 1: Esquema do filtro em estudo.

Porém, os resultados obtidos na casa de testes EMC pela empresa foram muito ruins (>20dB) em comparação com os resultados esperados da teoria e simulação na faixa de 1MHz a 10MHz.

Quando um filtro não está funcionando como esperado, costumo verificar alguns pontos típicos:

Em minha análise, consegui identificar que nenhum dos efeitos anteriores era a origem do problema, então fui verificar como o filtro estava conectado e descobri que a entrada e a saída do filtro estavam muito próximas uma da outra. Esta é uma situação perigosa, especialmente para a faixa de alta frequência.

Reproduzi parcialmente o efeito para que você possa entender a ideia (a identificação exata e as fotos do sistema permanecem confidenciais).

Considere, por exemplo, que você tem um filtro blindado como o da Figura 2. Observe que, em teoria, estaremos esperando uma resposta de filtragem diferencial passa baixa.

Figura 2: Filtro utilizado em nosso exemplo em layout "ideal".

Agora, considere a Figura 3 onde o filtro é instalado com os cabos de entrada e saída próximos um do outro.

Figura 3: Filtro usado em nosso exemplo com uma distância curta entre os fios de entrada e saída.

Já a posição dos cabos cria uma espécie de acoplamento entre a entrada e a saída do filtro. Este acoplamento pode ser capacitivo (campo elétrico) e indutivo (campo magnético), de modo que a resposta teórica do filtro passa-baixo é "curto-circuitada" e os sinais podem ir da entrada para a saída facilmente (especialmente na faixa de alta frequência). Nas Figuras 2 e 3, não estou considerando os efeitos parasitários dos componentes.

Para verificar a instalação do filtro em nosso produto, utilizei meu analisador de rede Bode 100 com o produto DESLIGADO. Os resultados estão incluídos na Figura 4.

Figura 4: Resposta medida do filtro com roteamento bom-ruim dos fios de entrada-saída.

Observe que a resposta em baixas frequências (<600kHz) não é afetada pelo feedback de E/S parasita. Porém, é degradado em até 30dB na faixa de frequência de 1-10MHz quando o feedback de E/S está presente, semelhante à Figura 3.

É interessante notar em nossas medições o pico na resposta em 361kHz (cursor 1, verde). Esta é uma situação muito perigosa se o pico ultrapassar 0dB e não estiver relacionado com o feedback do IO (tópico para um artigo futuro).

Observe também como a resposta passa-baixa no filtro é dominada por componentes parasitas em frequências superiores a 2,5MHz (cursor 2, laranja).

Meu conselho final: ao fazer o layout de um filtro nos formatos com fio ou PCB, TENHA CUIDADO com o feedback de E/S. Tente rotear as linhas corretamente para minimizar o feedback parasita que degrada a resposta do filtro em altas frequências.

Referências

Arthur médio recebeu seu M.Sc. (1990) e seu Ph. D. (1997) em Engenharia Elétrica pela Universidade de Zaragoza (Espanha), onde ocupou o cargo de professor em EMI/EMC/RF/SI desde 1992. Desde 1990, ele esteve envolvido em P&D projetos nas áreas de EMI/EMC/SI/RF para comunicações, indústria e aplicações científicas/médicas com uma sólida experiência em treinamento, consultoria e solução de problemas para empresas na Espanha, EUA, Suíça, França, Reino Unido, Itália, Bélgica, Alemanha, Canadá, Holanda, Portugal e Singapura. Ele é o fundador do The HF-Magic Lab®, um laboratório especializado para design, diagnóstico, solução de problemas e treinamento nos campos EMI/EMC/SI e RF no I3A (Universidade de Zaragoza), e desde 2011 é instrutor de Besser Associates (CA, EUA) oferece cursos públicos e presenciais em assuntos EMI/EMC/SI/RF nos EUA, especialmente no Vale do Silício/Área da Baía de São Francisco. Ele é Membro Sênior do IEEE, membro ativo de 1999 (Chair 2013-2016) do Comitê Técnico MTT-17 (HF/VHF/UHF) da Microwave Theory and Techniques Society e membro da Electromagnetic Compatibility Society. Arturo pode ser contatado em [email protected].