Una introducción a la pérdida de inserción y el rendimiento del condensador de filtro

por Anthony Kenny. Los condensadores se utilizan en circuitos analógicos y digitales para eliminar señales no deseadas. El rendimiento de filtrado de un condensador o circuito de filtrado se describe comúnmente en términos de pérdida de inserción. Algunos de los factores que afectan significativamente el rendimiento de la pérdida de inserción de un circuito de filtrado incluyen la configuración de los elementos de filtrado, la impedancia y la corriente de carga.

Filtrado EMI en circuitos
Las perturbaciones eléctricas, tanto naturales como provocadas por el hombre, pueden afectar significativamente el rendimiento de un circuito electrónico. Estas señales no deseadas se conocen colectivamente como interferencia electromagnética (EMI). Los circuitos de filtrado se utilizan en la mayoría de los circuitos analógicos y digitales para eliminar estas señales no deseadas. Algunas de las fuentes más comunes de estas señales incluyen iluminación, tormentas, precipitaciones, líneas eléctricas, motores, sistemas de encendido, transmisores de radar, amplificadores de potencia, relojes de computadora y fuentes cósmicas.

La configuración de los elementos en un circuito de filtrado determina significativamente su rendimiento de filtrado. La configuración de filtrado más simple, comúnmente conocida como filtro C, consiste en un solo capacitor de paso. El rendimiento de un circuito de filtrado se mejora mediante el uso de una combinación de elementos capacitivos e inductivos. Algunas de las configuraciones más comunes incluyen construcciones L-C, T y Pi. Aumentar el número de elementos capacitivos e inductivos ayuda a mejorar el rendimiento de un circuito de filtrado.

imagen destacada:gráfico de pérdida de inserción para diferentes topologías de filtro; fuente: S.Nelson, medio

Características de pérdida de inserción de condensadores y circuitos
Uno de los factores clave a considerar al seleccionar un capacitor para filtrado EMI son sus características de pérdida de inserción. Este parámetro se define comúnmente como la relación de voltaje antes y después de agregar un filtro. En un circuito básico, el valor se obtiene dividiendo los valores de voltaje obtenidos antes y después de insertar un componente de filtrado. Este parámetro determina en gran medida el nivel de atenuación de un circuito de filtrado. El rendimiento de la pérdida de inserción de un circuito o un componente se expresa comúnmente en decibelios.

Los condensadores ordinarios no tienen buenas características de rendimiento de pérdida de inserción. La presencia de inductancia inherente reduce su capacidad para conectar a tierra perturbaciones eléctricas no deseadas. Esta inductancia residual aumenta con el aumento de la longitud de los electrodos. Además, cuanto más estrecho es el electrodo, mayor es la cantidad de inductancia. Para reducir esta inductancia no deseada y mejorar el rendimiento de filtrado de los condensadores, es necesario modificar la arquitectura de estos componentes pasivos. Cambiar la arquitectura de un condensador y agregar un tercer terminal ayuda a minimizar la inductancia residual. Los condensadores de paso, una clase especial de elementos capacitivos que se utilizan ampliamente para aplicaciones de filtrado, se basan en esta arquitectura modificada.

En condensadores con dos terminales, la inductancia residual es mayor porque los conductores de un componente se comportan como inductores. La introducción de un tercer terminal ayuda a reducir el componente de inductancia en serie con el componente capacitivo. Esto mejora significativamente las características de pérdida de inserción de un condensador. Al reducir esta inductancia residual, aumenta la frecuencia de autorresonancia de un condensador de filtrado.

Los condensadores de paso están especialmente diseñados para proporcionar un rendimiento excepcional de pérdida de inserción. Estos condensadores se utilizan ampliamente para aplicaciones de supresión y derivación de EMI. Los diseños más comunes de condensadores cerámicos de paso que se utilizan en los circuitos de filtrado actuales son los condensadores discoidales y tubulares. Los condensadores de alimentación de película plástica se utilizan comúnmente en aplicaciones que exigen alta confiabilidad.

Variación de la pérdida de inserción con la frecuencia
Las características de pérdida de inserción de los condensadores ideales y reales son ligeramente diferentes. La pérdida de inserción de un condensador ideal aumenta con un aumento de frecuencia. En comparación, la pérdida de inserción de un componente real aumenta con la frecuencia hasta cierto nivel. Este nivel se conoce como frecuencia de autorresonancia. Después de este nivel, la pérdida de inserción de un componente real disminuye con un aumento en la frecuencia.

A frecuencias más altas que la frecuencia de resonancia, el rendimiento de pérdida de inserción de un filtro no cambia si la inductancia residual se mantiene constante. El aumento o la disminución de la capacitancia de un componente en estas condiciones no afecta la pérdida de inserción. Esto significa que se requiere un condensador con una alta frecuencia de autorresonancia para la supresión de ruido a altas frecuencias. Se deben utilizar componentes con pequeñas inductancias residuales para tales aplicaciones.

Factores que determinan el rendimiento de la pérdida de inserción
El rendimiento de pérdida de inserción de un circuito o un componente está determinado por muchos factores; Algunos de los factores principales son la configuración eléctrica, la corriente de carga, la impedancia de la fuente, la impedancia de la carga, la impedancia de la conexión a tierra, las características de los materiales dieléctricos de los componentes y la integridad del blindaje.

Configuración de componentes
Aunque se pueden usar elementos individuales para eliminar señales no deseadas, la mayoría de los circuitos de filtrado usan una combinación de componentes capacitivos e inductivos. La elección de la configuración está determinada principalmente por el rendimiento de pérdida de inserción deseado. Las configuraciones más comunes incluyen C, C-L, L-C, Pi y T. Consulte la figura siguiente:

En teoría, un filtro de un solo elemento produce una pérdida de inserción de 20 dB por década, mientras que un filtro de dos elementos produce 40 dB por década. Los circuitos de filtrado con tres o más elementos pueden producir un rendimiento de pérdida de inserción aún mejor. Los circuitos de filtrado con múltiples elementos capacitivos e inductivos se utilizan en circuitos donde se requieren altos grados de rendimiento de filtrado. El rendimiento real de la pérdida de inserción está determinado por las características reales de los componentes utilizados. Esta información generalmente se proporciona en hojas de datos. Es importante considerar su fuente y las impedancias de carga al seleccionar una configuración para su circuito de filtrado.

Cargar corriente
El efecto de la corriente de carga sobre la pérdida de inserción está determinado significativamente por las propiedades de los elementos filtrantes utilizados. Para circuitos de filtrado con elementos inductivos, la pérdida de inserción puede disminuir si se utilizan inductores de ferrita. El grado de este efecto depende de las características específicas del material de ferrita.

Impedancias de circuito
El rendimiento de pérdida de inserción de un circuito de filtrado depende en gran medida de las impedancias de fuente y carga. Este rendimiento generalmente se optimiza eligiendo una configuración adecuada de elementos capacitivos e inductivos.

Conclusión
Los condensadores se utilizan en circuitos analógicos y digitales para eliminar señales no deseadas. El rendimiento de filtrado de un condensador o circuito de filtrado se describe comúnmente en términos de pérdida de inserción. Algunos de los factores que afectan significativamente el rendimiento de la pérdida de inserción de un circuito de filtrado incluyen la configuración de los elementos de filtrado, la impedancia y la corriente de carga.

Los condensadores convencionales no ofrecen un buen rendimiento de pérdida de inserción y se utilizan componentes de tres terminales cuando se requiere un mejor rendimiento. Para un rendimiento óptimo de la pérdida de inserción, se utilizan circuitos de filtrado que constan de múltiples elementos capacitivos e inductivos.