Uma introdução à perda de inserção e desempenho do capacitor de filtro

por Anthony Kenny. Capacitores são usados ​​em circuitos analógicos e digitais para remover sinais indesejados. O desempenho de filtragem de um capacitor ou circuito de filtragem é comumente descrito em termos de perda de inserção. Alguns dos fatores que afetam significativamente o desempenho de perda de inserção de um circuito de filtragem incluem a configuração dos elementos de filtragem, impedância e corrente de carga.

Filtragem EMI em circuitos
Perturbações elétricas, tanto naturais quanto causadas pelo homem, podem afetar significativamente o desempenho de um circuito eletrônico. Esses sinais indesejados são conhecidos coletivamente como interferência eletromagnética (EMI). Os circuitos de filtragem são usados ​​na maioria dos circuitos analógicos e digitais para eliminar esses sinais indesejados. Algumas das fontes mais comuns desses sinais incluem iluminação, tempestades, precipitação, linhas de energia, motores, sistemas de ignição, transmissores de radar, amplificadores de potência, relógios de computador e fontes cósmicas.

A configuração dos elementos em um circuito de filtragem determina significativamente seu desempenho de filtragem. A configuração de filtragem mais simples, comumente conhecida como filtro C, consiste em um único capacitor de passagem. O desempenho de um circuito de filtragem é aprimorado pelo uso de uma combinação de elementos capacitivos e indutivos. Algumas das configurações mais comuns incluem construções L-C, T e Pi. Aumentar o número de elementos capacitivos e indutivos ajuda a melhorar o desempenho de um circuito de filtragem.

imagem em destaque:gráfico de perda de inserção para diferentes topologias de filtro; fonte: S.Nelson, Médio

Características de perda de inserção de capacitores e circuitos
Um dos principais fatores a considerar ao selecionar um capacitor para filtragem EMI são suas características de perda de inserção. Este parâmetro é comumente definido como a relação da tensão antes e depois de um filtro ser adicionado. Em um circuito básico, o valor é obtido dividindo-se os valores de tensão obtidos antes e depois de um componente de filtragem ser inserido. Este parâmetro determina muito o nível de atenuação de um circuito de filtragem. O desempenho de perda de inserção de um circuito ou componente é comumente dado em decibéis.

Os capacitores comuns não têm boas características de desempenho de perda de inserção. A presença de indutância inerente reduz sua capacidade de aterrar distúrbios elétricos indesejados. Essa indutância residual aumenta com o aumento do comprimento dos eletrodos. Além disso, quanto mais estreito for o eletrodo, maior será a quantidade de indutância. Para reduzir essa indutância indesejada e melhorar o desempenho de filtragem dos capacitores, é necessário modificar a arquitetura desses componentes passivos. Alterar a arquitetura de um capacitor e adicionar um terceiro terminal ajuda a minimizar a indutância residual. Capacitores de passagem, uma classe especial de elementos capacitivos amplamente usados ​​para aplicações de filtragem, são baseados nesta arquitetura modificada.

Em capacitores com dois terminais, a indutância residual é maior porque os cabos de um componente se comportam como indutores. A introdução de um terceiro terminal ajuda a reduzir o componente de indutância em série com o componente capacitivo. Isso melhora significativamente as características de perda de inserção de um capacitor. Ao reduzir essa indutância residual, a frequência de auto-ressonância de um capacitor de filtragem é aumentada.

Os capacitores de passagem são especialmente projetados para fornecer desempenho excepcional de perda de inserção. Esses capacitores são amplamente usados ​​para aplicações de supressão e desvio de EMI. Os projetos mais comuns de capacitores de passagem de cerâmica usados ​​nos circuitos de filtragem de hoje são os condensadores discoidais e tubulares. Capacitores de alimentação de filme plástico são comumente usados ​​em aplicações que exigem alta confiabilidade.

Variação de perda de inserção com frequência
As características de perda de inserção dos capacitores ideais e reais são ligeiramente diferentes. A perda de inserção de um capacitor ideal aumenta com o aumento da frequência. Em comparação, a perda de inserção de um componente real aumenta com a frequência até um certo nível. Este nível é conhecido como frequência de auto-ressonância. Após este nível, a perda de inserção de um componente real diminui com o aumento da frequência.

Em frequências mais altas do que a frequência de ressonância, o desempenho da perda de inserção de um filtro não muda se a indutância residual for mantida constante. Aumentar ou diminuir a capacitância de um componente nessas condições não afeta a perda de inserção. Isso significa que um capacitor com uma alta frequência de auto-ressonância é necessário para a supressão de ruído em altas frequências. Componentes com pequenas indutâncias residuais devem ser usados ​​para tais aplicações.

Fatores que determinam o desempenho da perda de inserção
O desempenho da perda de inserção de um circuito ou componente é determinado por muitos fatores; alguns dos principais fatores são configuração elétrica, corrente de carga, impedância da fonte, impedância de carga, impedância de aterramento, características dos materiais dielétricos dos componentes e integridade da blindagem.

Configuração de componentes
Embora elementos únicos possam ser usados ​​para remover sinais indesejados, a maioria dos circuitos de filtragem usa uma combinação de componentes capacitivos e indutivos. A escolha da configuração é determinada principalmente pelo desempenho de perda de inserção desejado. As configurações mais comuns incluem C, C-L, L-C, Pi e T. Veja a figura abaixo:



Teoricamente falando, um filtro de elemento único rende uma perda de inserção de 20 dB por década, enquanto um filtro de dois elementos rende 40 dB por década. Os circuitos de filtragem com três ou mais elementos podem resultar em um desempenho de perda de inserção ainda melhor. Os circuitos de filtragem com vários elementos capacitivos e indutivos são usados ​​em circuitos onde são necessários altos níveis de desempenho de filtragem. O desempenho real da perda de inserção é determinado pelas características reais dos componentes usados. Essas informações geralmente são fornecidas em planilhas de dados. É importante considerar a fonte e as impedâncias de carga ao selecionar uma configuração para o circuito de filtragem.

Carregar corrente
O efeito da corrente de carga na perda de inserção é significativamente determinado pelas propriedades dos elementos de filtragem usados. Para circuitos de filtragem com elementos indutivos, a perda de inserção pode cair se indutores de ferrite forem usados. O grau desse efeito depende das características específicas do material de ferrite.

Impedâncias do circuito
O desempenho da perda de inserção de um circuito de filtragem depende muito das impedâncias da fonte e da carga. Este desempenho é geralmente otimizado pela escolha de uma configuração adequada de elementos capacitivos e indutivos.

Conclusão
Capacitores são usados ​​em circuitos analógicos e digitais para remover sinais indesejados. O desempenho de filtragem de um capacitor ou circuito de filtragem é comumente descrito em termos de perda de inserção. Alguns dos fatores que afetam significativamente o desempenho de perda de inserção de um circuito de filtragem incluem a configuração dos elementos de filtragem, impedância e corrente de carga.

Os capacitores convencionais não apresentam um bom desempenho de perda de inserção e os componentes de três terminais são usados ​​quando um melhor desempenho é necessário. Para um desempenho ideal de perda de inserção, são usados ​​circuitos de filtragem que consistem em vários elementos capacitivos e indutivos.