Como Funcionam as Contas de Ferrite e Como Escolher a Certa?

Às vezes, eu gostaria de poder ver ondas eletromagnéticas. Isso tornaria a detecção de EMI muito mais fácil. Em vez de ter que lidar com configurações complicadas e analisadores de sinal, eu poderia simplesmente olhar e ver qual é todo o alvoroço. Embora possamos não ser capazes de ver EMI, às vezes podemos ouvi-lo quando ele passa por circuitos de áudio. Uma possível solução para esse tipo de interferência é uma conta de ferrite.

Infelizmente, as pérolas de ferrite (também chamadas de indutor de ferrite, braçadeira de ferrite, colar de ferrite, pérola de filtro EMI ou até mesmo filtro de anel de ferrite) podem ser um pouco misteriosas. A função do núcleo de ferrite se assemelha à de um indutor, mas a resposta de frequência do núcleo de ferrite desvia dessa funcionalidade em altas frequências. Além disso, diferentes tipos de pérolas, como pérolas de ferrite enroladas em fio e pérolas de ferrite em chip, fornecem diferentes respostas à redução de ruído. Por exemplo, pérolas de ferrite enroladas em fio operam em uma ampla gama de frequências, mas oferecem menos resistência em configurações de corrente direta. Para usá-las corretamente, você precisará entender suas características eletromagnéticas e como elas mudam durante o uso. Depois de entender a teoria por trás do uso das pérolas de ferrite, você pode selecionar deliberadamente uma para sua placa de circuito. Se não fizer isso, você pode acabar causando mais problemas do que soluções.

Esta imagem mostra por que uma pérola de ferrite é às vezes chamada de anel de ferrite ou indutor de ferrite

O que é uma Pérola de Ferrite e Como Funcionam as Pérolas de Ferrite?

Pérolas de ferrite são componentes eletrônicos passivos que podem suprimir sinais de alta frequência em uma linha de alimentação. Normalmente, são colocadas ao redor de um par de linhas de alimentação/terra que está chegando a um dispositivo específico, como o cabo de alimentação do seu laptop. Essas pérolas funcionam de acordo com a Lei de Faraday: o núcleo magnético ao redor de um condutor induz uma FEM reversa na presença de um sinal de alta frequência, atenuando essencialmente a resposta de frequência do ferrite. Pérolas de ferrite padrão podem ser adquiridas de fabricantes especializados como a Coilcraft, embora certos projetos possam requerer pérolas personalizadas.

Os ferrites são materiais magnéticos, e colocar esse material em um grampo de ferrite ao redor da linha de alimentação/terra fornece uma fonte de impedância indutiva para sinais que passam pela linha. Isso pode tentá-lo a pensar nelas como um indutor padrão, mas elas são mais complexas do que isso. Na realidade, uma pérola de ferrite é um componente não linear; a impedância que ela fornece muda conforme a corrente de carga e a queda de tensão através do ferrite mudam. O modelo de circuito simplificado de uma pérola de ferrite ajudará você a entender suas características de frequência. No entanto, tenha em mente que esses atributos podem mudar como função da corrente e temperatura.

A corrente de carga pode mudar a impedância do seu ferrite.

Para que são Usadas as Pérolas de Ferrite?

Como a impedância do núcleo de ferrite é indutiva, os indutores de núcleo de ferrite são usados para atenuar sinais de alta frequência em componentes eletrônicos. Quando um filtro de núcleo de ferrite é colocado na linha de alimentação conectada a um dispositivo eletrônico, ele remove qualquer ruído de alta frequência espúrio presente em uma conexão de energia ou que é emitido por uma fonte de alimentação DC. Este uso de braçadeira de ferrite é uma das muitas abordagens para supressão de ruído, como o de uma fonte de alimentação comutada. Esta aplicação de esferas de ferrite como um filtro de ferrite proporciona supressão e eliminação de EMI conduzida.

Entre os vários usos de esferas de ferrite como filtros, um filtro EMI de esfera de ferrite/filtro de fonte de alimentação é geralmente classificado para um certo limiar de corrente DC. Correntes maiores que o valor especificado podem danificar o componente. O problema é que este limite é drasticamente afetado pelo calor. À medida que a temperatura aumenta, a corrente nominal diminui rapidamente. A corrente nominal também afeta a impedância do ferrite. À medida que a corrente DC aumenta, uma esfera de ferrite vai "saturar" e perder indutância. Em correntes relativamente altas, a saturação pode reduzir a impedância da esfera de ferrite em até 90%.

Esfera de Ferrite vs. Indutor

Embora uma conta de ferrite possa ser modelada como um indutor, os indutores de conta de ferrite não se comportam como um indutor típico. Se você está se perguntando como medir o comportamento de uma conta de ferrite versus o comportamento de um indutor, você enviaria um sinal analógico através da conta e varreria a frequência por várias ordens de magnitude. Se você criar um gráfico de Bode para as medições com varredura de frequência para uma conta de ferrite, você descobrirá que a conta de ferrite proporciona uma atenuação mais acentuada em frequências mais altas comparada a um indutor com comportamento semelhante em baixas frequências.

Um modelo simples, porém preciso, de uma conta de ferrite conectada a uma fonte de energia AC.

Uma conta de ferrite pode ser modelada como capacitores e indutores, e também um resistor em paralelo com esta rede RLC conectada a um resistor em série. O resistor em série quantifica a resistência do dispositivo às correntes DC. O indutor neste modelo representa a função primária de uma conta de ferrite de atenuar sinais de alta frequência, ou seja, fornecer impedância indutiva através da Lei de Faraday. O resistor em paralelo neste modelo contabiliza as perdas em correntes parasitas que são induzidas dentro da conta de ferrite em altas frequências. Finalmente, o capacitor neste modelo contabiliza a capacitância parasita natural do componente.

Ao observar uma curva de impedância de uma conta de ferrite, a impedância primariamente resistiva é extremamente alta apenas em uma faixa estreita. A indutância da conta domina dentro desta faixa estreita. Em frequências mais altas, a impedância da conta de ferrite começa a parecer capacitiva e a impedância diminui rapidamente. Eventualmente, à medida que a frequência continua aumentando, a impedância capacitiva cairá para um valor muito pequeno, e a impedância da conta de ferrite aparece puramente resistiva.

O núcleo de ferrite em uma conta de ferrite fornece uma função similar ao núcleo de ferrite em um transformador.

Guia de Seleção de Conta de Ferrite

Agora que você já tem a teoria da ferrite na ponta da língua, é hora de escolher uma para o seu dispositivo. Isso não é muito difícil, e se você quer saber como selecionar uma conta de ferrite para um design, você só precisa prestar atenção nas especificações da conta. Você pode estar se perguntando, as contas de ferrite são necessárias para o meu design? Como muitas decisões de engenharia, a resposta não é tão simples. Se você sabe que sua placa experimentará EMI conduzida dentro de uma faixa de frequência específica, e você precisa atenuar essas frequências, então uma conta de ferrite pode ser a escolha certa para o seu design.

Com base no comportamento indutivo das pérolas de ferrite, é natural concluir que as pérolas de ferrite "atenuam altas frequências" sem muita consideração adicional. No entanto, as pérolas de ferrite não atuam como um filtro passa-baixa de banda larga, pois só podem ajudar a atenuar uma faixa específica de frequências. Você deve escolher uma seleção de pérola de ferrite e um indutor onde suas frequências indesejadas estejam na sua banda resistiva. Se você escolher uma frequência um pouco mais baixa ou um pouco mais alta, a pérola não terá o efeito desejado.

Antes de selecionar uma pérola de ferrite específica para o seu projeto, você deve verificar se o fabricante pode fornecer-lhe curvas de impedância versus corrente de carga para a pérola de ferrite. De longe, esta é a melhor ferramenta que você pode usar se não tem certeza de como selecionar uma pérola de ferrite. Se suas correntes de carga forem muito altas, você precisará selecionar uma pérola de ferrite que possa suportá-las sem saturar e perder sua impedância dentro da faixa de frequência desejada.

Cuidados

As pérolas de ferrite e os indutores de ferrite são essencialmente cargas resistivas em altas frequências, o que significa que podem causar alguns problemas no seu circuito. Ao colocar uma pérola, você precisará pensar na queda de tensão e na dissipação de calor.

Nos tempos de circuitos de alta tensão, a queda de tensão não era um grande problema. Agora temos muitos circuitos de baixa potência que podem usar tensões na faixa de 2 V. Nesses níveis, você não pode se dar ao luxo de perder muito. As contas de ferrite causam uma queda de tensão DC no seu circuito. Pode não parecer muito, mas se seus circuitos integrados (ICs) tiverem um estado de alta corrente de curta duração, a perda pode se tornar significativa. Posicione suas contas de ferrite onde elas não causarão problemas de queda de tensão.

Como os materiais de núcleo de ferrite são resistivos em altas frequências, eles dissipam principalmente a energia absorvida como calor. Esse calor não é necessariamente um problema para sua PCB quando um indutor de ferrite é usado em uma linha de fornecimento de energia, mas pode se tornar um quando é usado para dissipar altas frequências em alta corrente. Se seu sistema é especialmente ruidoso e a conta estará absorvendo muitas altas frequências, esse calor pode se tornar mais problemático. Certifique-se de levar em conta a dissipação de calor da conta.

A impedância da conta de ferrite mudará com a temperatura.

As pérolas de ferrite podem ser bastante úteis, mas apenas se você entender exatamente como elas funcionam. Lembre-se de que elas atenuam sinais em uma faixa bastante pequena, e sua eficácia depende da temperatura e da corrente de carga. Para usar uma pérola de ferrite da melhor forma, você deve garantir que ela atenda às suas especificações exatas. Então, ao colocar a pérola, certifique-se de levar em conta a queda de tensão e o calor.

Frequentemente discutimos a importância e a função das pérolas de ferrite. Se você deseja mais informações sobre pérolas de ferrite ou núcleos de ferrite, confira Tudo o Que Você Precisa Saber Sobre Pérolas de Ferrite pela especialista do setor Kella Knack. 

Lidar com coisas como pérolas de ferrite pode ser difícil, mas projetar sua placa de circuito impresso não precisa ser. Altium Designer^® é um software de design de PCB de última geração com ferramentas que podem ajudá-lo a construir a placa ideal. Ele até possui complementos como a rede de entrega de energia, que pode ajudá-lo a lidar com problemas como queda de tensão e dissipação de calor.

Tem mais perguntas sobre pérolas de ferrite ou núcleos de ferrite? Ligue para um especialista na Altium.