El término «ruido en modo común» aparece constantemente en la documentación de EMC y en las normas. Sin embargo, mucha gente lo usa sin llegar a tener claro «en qué se diferencia del modo normal» o «por qué el modo común es fácil de eliminar».
En este artículo ordenamos los dos modos partiendo de su definición y explicamos cómo funciona un filtro de modo común con circuitos de filtro y equivalentes.
- Una señal siempre viaja por «dos hilos»
- Definición de modo normal y modo común
- La «señal deseada» es modo normal; el ruido se sube en ambos
- Cuándo se vuelve dañino el ruido de modo común
- La «diferencia de filtro» entre modo común y modo normal
- Eliminación con un receptor diferencial
- Resumen
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Una señal siempre viaja por «dos hilos»
Empecemos por lo básico. Una señal eléctrica siempre viaja formando un lazo con un hilo de ida y un hilo de retorno. Aunque en el esquema solo se dibuje una línea, siempre existe una línea de masa como hilo de retorno común.
Este hecho —que «hay dos hilos»— es el punto de partida para pensar en el modo común y el modo normal.
Definición de modo normal y modo común
Antes de las fórmulas, pensémoslo con una imagen concreta. Supongamos que de un integrado salen dos hilos (D+ y D−) que llevan una señal hasta un receptor situado a cierta distancia.
La señal que el diseñador envía a propósito pone formas de onda opuestas en los dos hilos. En el instante en que D+ sube a alto, D− baja a bajo. Al restar las dos tensiones en el receptor, se recupera una señal limpia con el doble de amplitud. Esto es el modo normal (modo diferencial).
El ruido externo, en cambio, se sube a ambos hilos en el mismo instante y en la misma dirección, porque los dos hilos corren en paralelo, muy juntos. Sobre D+ y sobre D− se superpone exactamente la misma forma de ruido. Esto es el modo común (modo en fase).
Expresado como ecuaciones de tensión, queda así. Si los dos hilos (hilo A e hilo B) tienen tensiones EA y EB respecto a masa:
El modo normal (modo diferencial) es la diferencia de tensión entre los dos hilos:
EN = EA − EBEsta es la tensión que se usa como «señal». La crea el par de corrientes que fluyen en direcciones opuestas por el hilo de ida y el de retorno.
El modo común (modo en fase) es la tensión que se sube en común a ambos hilos:
EC = (EA + EB) / 2Es el modo en que ambos hilos varían en la misma dirección y con la misma magnitud. En la figura anterior, la parte de onda en fase opuesta corresponde a EN, y la parte de ruido superpuesta en la misma fase corresponde a EC.
Dicho en términos de corriente:
- Corriente de modo normal: la corriente (de ida y vuelta) que fluye en direcciones opuestas por los dos hilos
- Corriente de modo común: la corriente que fluye en la misma dirección por ambos hilos
La «señal deseada» es modo normal; el ruido se sube en ambos
La señal que un diseñador envía a propósito es siempre modo normal. Nunca se envía una señal en modo común (porque el camino de retorno se volvería inestable).
El ruido, en cambio, se sube por su cuenta. Existen tanto el ruido de modo normal como el ruido de modo común.
Aquí está la diferencia importante:
- Ruido de modo normal: mismo modo que la señal → indistinguible de la señal. Se puede eliminar con un filtro si su frecuencia está suficientemente alejada, pero en principio es difícil de eliminar.
- Ruido de modo común: modo distinto al de la señal → se puede eliminar aprovechando la diferencia de modo.
Que el ruido de modo común sea «más fácil de tratar» se debe precisamente a que se puede aprovechar esta diferencia de modo.
Cuándo se vuelve dañino el ruido de modo común
Como en modo común «los dos hilos se mueven igual», en teoría no debería afectar a un receptor que detecta de forma diferencial. Cuando un tren circula a velocidad constante y un pasajero salta dentro, aterriza en el mismo sitio; del mismo modo, si todo el sistema varía de manera uniforme, no aparece error.
El problema surge cuando la magnitud de la tensión de modo común difiere de un lugar a otro.
Por ejemplo, si conectas dos equipos separados con una línea de señal y cada uno se conecta a tierra en un lugar distinto, el potencial de tierra difiere ligeramente según el lugar. Esta diferencia de potencial se aplica entre ambos equipos como tensión de modo común y puede convertirse en ruido de modo normal.
La «diferencia de filtro» entre modo común y modo normal
Un filtro paso bajo normal (filtro RC, filtro LC) solo puede eliminar el modo normal. ¿Por qué? Porque se dispone de un camino de derivación para el modo normal (el camino de cortocircuito a través del condensador), pero no hay camino para derivar el modo común.
Un filtro de modo común sí tiene un camino para derivar el modo común (un condensador a masa).
La choke de modo común (CMC)
El componente central de un filtro de modo común es la choke de modo común (CMC). Es una inductancia con los dos hilos bobinados en la misma dirección sobre el mismo núcleo:
- Corriente de modo normal: los dos flujos magnéticos se cancelan → inductancia baja → deja pasar la señal
- Corriente de modo común: los dos flujos magnéticos se suman → inductancia alta → la bloquea
Eliminación con un receptor diferencial
Otro medio, además del filtro, es el uso de un receptor diferencial.
Un receptor diferencial detecta solo la «tensión diferencia (modo normal)» de sus dos entradas. Como la componente de modo común se sube por igual a ambas entradas, al tomar la diferencia se cancela.
La razón por la que normas de interfaz diferencial como RS-422/RS-485 son robustas a larga distancia y en entornos ruidosos reside en esta recepción diferencial. Incluso entre equipos que no comparten masa, se puede recibir la señal mientras se cancela el ruido de modo común.
Resumen
- El modo normal es la «tensión diferencia» de los dos hilos; el modo común es la «tensión común».
- La señal deseada es modo normal. El ruido se sube en cualquiera de los dos modos.
- El ruido de modo común se puede eliminar aprovechando la diferencia de modo; por eso es «fácil de eliminar».
- Un filtro de modo común (CMC + condensadores Y) presenta alta impedancia solo al modo común.
- Un receptor diferencial cancela el modo común y extrae solo la señal.
Pensar por separado el modo común y el modo normal se convierte en el criterio de decisión de toda clase de medidas contra el ruido: selección de filtros, diseño de placa, elección de cables y más.
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