por Engo. Ivo Capella – transistor@mpcnet.com.br

Filtros de Linha

1. Ruído
Ruído, em Eletrônica, é um tipo de sinal elétrico que é subproduto de algum processamento elétrico. É um sinal indesejável que interfere em circuitos provocando, às vezes, um mau funcionamento. Em aparelhos de áudio, geralmente aparece como zumbido, em TV, como chuvisco na tela, em aparelhos de medicina, como erros de medição e em computadores, como erros esporádicos e travamentos, geralmente inexplicáveis.

Quanto ao modo de propagação, os ruídos se classificam em irradiados e conduzidos.

Quanto ao tipo, os ruídos se classificam em ruídos de modo comum e ruídos de modo diferencial.

1.1 Fontes de ruído
Na última década, com o aumento do uso de controladores eletrônicos de potência por chaveamento, aumentou muito a geração de ruído e a consequente poluição das linhas de distribuição de energia. Dessa forma, é cada vez mais necessário o uso de filtros de linha em equipamentos sensíveis.

O ruído pode ser gerado por fenômenos naturais como relâmpagos, raios, reações químicas de corrosão, ou por equipamentos elétricos e eletrônicos.

Por exemplo, o chaveamento de comutadores de motores, de grandes máquinas, mesmo sem motores, controladores de potência com triacs ou SCR’s (tais como dimmers), controladores tipo choppers para cargas de alta potência, e, em menor grau, aparelhos de TV e computadores.

Nos computadores, as fontes de alimentação são chaveadas, quer dizer, existe um elemento chaveador, que liga e desliga uma corrente elétrica em alta velocidade. As fontes chaveadas usadas em computadores, geram ruído e também são sujeitas a ruídos externos.Ver figura 1.


Figura 1: Diagrama simplificado de uma fonte chaveada

Os capacitores da fonte são do tipo eletrolíticos, geralmente de 220uF. Esses capacitores exibem uma característica indutiva em frequências bem acima dos 60Hz.. Tal comportamento faz com que eles não sejam capazes de filtrar os ruídos que porventura apareçam na linha e assim, eles passam direto ao circuito de chaveamento, e daí para a placa-mãe.

Observe que o terra só é ligado ao lado secundário da fonte, e que o capacitor eletrolítico de filtro do lado secundário, é diferente do capacitor do lado primário, pois precisa filtrar os pulsos gerados no transistor chaveador e acoplados pelo transformador. Mesmo assim, parte do ruído proveniente da linha chega à placa-mãe.

Um ruído forte na linha pode provocar alteração de informação guardada na memória ou no disco rígido, mudando o valor lógico de algum bit. Um único bit errado pode invalidar um programa inteiro, de qualquer tamanho. Em Eletrônica Digital não existe meio erro. Todos os bits tem que estar corretos para que o programa funcione.

Por outro lado, a fonte chaveada gera ruído que pode interferir em equipamentos ligados na mesma linha de energia.

1.2 Ruídos irradiados
Os ruídos que se propagam por irradiação são semelhantes às ondas de rádio. Eles são gerados em algum lugar e acoplados eletromagneticamente a algum trecho de circuito no qual interferem. Esse trecho de circuito funciona como uma antena para esse tipo de ruído. Afetam mais os aparelhos de áudio e eletromedicina, especialmente se a impedância de entrada desses dispositivos for muito alta. Em computação, tem menor importância.

1.3 Ruídos conduzidos
Os ruídos que se propagam por condução, utilizam algum meio físico para atingir o circuito aonde interferem. Geralmente, o meio físico é a linha de distribuição de energia, que recebe toda sorte de interferência devido à complexidade e tamanho da malha. A rede elétrica alimenta máquinas de todos os tamanhos e de todos os tipos. O ruído aí presente se propaga facilmente pelas linhas de fase e neutro até o aparelho no qual interfere.

1.4 Ruídos de modo comum
Os ruídos de modo comum são aqueles que se propagam pelas linhas de fase e neutro simultaneamente, fechando o circuito pelo terra. É este o principal tipo de ruído, responsável por cerca de 80% dos problemas em equipamentos de computação.

1.5 Ruídos de modo diferencial
Este tipo de ruído se propaga apenas pela linha de fase, fechando o circuito pelo neutro ou pelo terra. Em computação, é o que menos afeta os equipamentos.

2. Filtros de linha
Embora o ruído de modo comum seja o mais importante, as fontes chaveadas geram ambos os tipos. Os filtros empregados nos circuitos são projetados para eliminar ambos os tipos de ruídos. Estes filtros, dentro dos circuitos, não são de linha, porque estão embutidos nos circuitos. Os filtros de linha são empregados na linha de alimentação de energia para minimizar o fluxo do ruído para dentro e para fora do equipamento. A figura 2 mostra o circuito típico de um filtro de linha.


Figura 2: Diagrama de um filtro de linha típico

O capacitor C1 é conhecido como capacitor “X” e sua função é reduzir o ruído de modo diferencial. Os capacitores C2 são conhecidos como capacitores “Y” e sua função é reduzir o ruído de modo comum. Os indutores L1 são o segredo do filtro e reduzem a ação dos dois tipos de ruído, sendo muito mais eficaz contra o ruído de modo comum. Geralmente consiste em um núcleo de ferrite toroidal no qual são enrolados ambos os indutores. Os enrolamentos são feitos com o mesmo número de espiras e de modo que a polaridade instantânea do sinal neles induzido é a mesma no lado esquerdo para ambos.

2.1 Ação no modo diferencial
No modo diferencial, o ruído penetra pela linha de fase. O capacitor C1 apresenta baixa impedância a esse ruído e facilita o fechamento do circuito pelo neutro. O indutor que está na linha de fase bloqueia o fluxo do ruído diferencial para dentro do equipamento, e o capacitor C2 que está na linha de fase descarrega no terra o que tiver sobrado dele. O ruído diferencial que for gerado no equipamento protegido, tende a se propagar na direção inversa e encontra primeiro C2 e depois L1. Ver Figura 3.


Figura 3: Percurso do ruído de modo diferencial

2.2 Ação no modo comum
Devido à disposição dos indutores no ferrite, o ruído de modo comum que chega pela fase gera no núcleo um campo magnético que se opõe ao gerado pelo ruído que chega pelo neutro e aí, dentro do ferrite, eles se cancelam. O que sobra do ruído de modo comum é desviado para o terra pelos capacitores C2, que apresentam baixa impedância ao ruído.

O ruído de modo comum que for gerado no equipamento protegido, tende a se propagar na direção inversa e aí encontra primeiro os capacitores C2, depois os indutores L1. Ver Figura 4.


Figura 4: Percurso do ruído de modo comum.

A tensão da linha, que é senoidal, é pouco afetada pelo filtro, porque é um sinal de modo diferencial e de baixa frequência (60Hz) enquanto o ruído geralmente apresenta componentes de 10kHz a 100MHz. Mesmo o núcleo de ferrite não responde à frequência de 60Hz.

3. Critérios de qualidade para os filtros de linha e circuitos
3.1 A posição ideal dos filtros no circuito (não os de linha) é o mais próximo possível dos pontos onde o ruído é gerado. Isto significa que cada circuito capaz de gerar ruído deve ter seu próprio filtro. Isto é um requisito de projeto.
3.2 Os componentes do filtro devem responder à faixa de frequência do ruído a ser eliminado. No caso dos filtros de linha, que devem ser abrangentes, o ideal é responderem na faixa de 10kHz a 100MHz.
3.3 Os melhores filtros comerciais vem embutidos em caixas metálicas que servem de blindagem, para evitar que o ruído se propague para fora dela por radiação. Se não houver blindagem, parte do fluxo magnético do indutor pode enlaçar algum componente ou trilha de circuito impresso e propagar ruído por irradiação. Alguns vem já providos de tomadas tipo IEC (as de 3 pinos) e outros de tomadas e interruptores.

4. Dicas para evitar interferência de ruído:
4.1 Não se deve ligar aparelhos sensíveis na mesma linha de alimentação onde se liga aparelhos de maior potência, tais como ar-condicionado, geladeiras, fornos elétricos, lâmpadas incandescentes fortes com controladores a triac, máquinas de lavar e outros. O ideal é separar uma linha específica, com seu próprio disjuntor para ligar os aparelhos sensíveis.
4.2 Manter o aterramento em bom estado de funcionamento, de preferência um aterramento separado para os aparelhos sensíveis, e DESLIGADO do neutro.

ATENÇÃO: Não se liga o aterramento no neutro!!!

4.3 Utilizar blindagem sempre que possível: por exemplo, instalar o equipamento sensível num rack ou móvel metálico, tendo o cuidado de aterrar a estrutura metálica.