O termo “ruído de modo comum” aparece o tempo todo em materiais de EMC e em normas. Ainda assim, muita gente o usa sem ter uma noção clara de “em que difere do modo normal” ou “por que o modo comum é fácil de remover”.
Neste artigo, organizamos os dois modos a partir de sua definição e explicamos como um filtro de modo comum funciona usando circuitos de filtro e equivalentes.
Um sinal sempre trafega por “dois fios”
Vamos começar pelo básico. Um sinal elétrico sempre trafega formando um laço com um fio de ida e um fio de retorno. Mesmo que o esquema desenhe apenas uma linha, sempre existe uma linha de terra como fio de retorno comum.
Esse fato — “há dois fios” — é o ponto de partida para pensar o modo comum e o modo normal.
Definições de modo normal e modo comum
Antes das fórmulas, pensemos com uma imagem concreta. Suponha que dois fios (D+ e D−) saem de um CI e levam um sinal até um receptor a certa distância.
O sinal que o projetista envia intencionalmente coloca formas de onda opostas nos dois fios. No instante em que D+ sobe para alto, D− desce para baixo. Ao subtrair as duas tensões no receptor, recupera-se um sinal limpo com o dobro da amplitude. Isto é o modo normal (modo diferencial).
O ruído externo, por outro lado, sobe em ambos os fios no mesmo instante e na mesma direção, porque os dois fios correm em paralelo, bem juntos. Sobre D+ e sobre D− sobrepõe-se exatamente a mesma forma de ruído. Isto é o modo comum (modo em fase).
Expresso como equações de tensão, fica assim. Se os dois fios (fio A e fio B) têm tensões EA e EB em relação ao terra:
O modo normal (modo diferencial) é a diferença de tensão entre os dois fios:
EN = EA − EBEsta é a tensão usada como “sinal”. É criada pelo par de correntes que fluem em direções opostas nos fios de ida e de retorno.
O modo comum (modo em fase) é a tensão que sobe em comum nos dois fios:
EC = (EA + EB) / 2É o modo em que ambos os fios variam na mesma direção e com a mesma magnitude. Na figura acima, a parte de onda em fase oposta corresponde a EN, e a parte de ruído sobreposta na mesma fase corresponde a EC.
Em termos de corrente:
- Corrente de modo normal: a corrente (de ida e volta) que flui em direções opostas nos dois fios
- Corrente de modo comum: a corrente que flui na mesma direção em ambos os fios
O “sinal desejado” é modo normal; o ruído sobe em ambos
O sinal que um projetista envia intencionalmente é sempre modo normal. Nunca se envia um sinal em modo comum (porque o caminho de retorno ficaria instável).
O ruído, por outro lado, sobe por conta própria. Tanto o ruído de modo normal quanto o ruído de modo comum existem.
Aqui está a diferença importante:
- Ruído de modo normal: mesmo modo do sinal → indistinguível do sinal. Pode ser removido com um filtro se sua frequência estiver suficientemente afastada, mas em princípio é difícil de remover.
- Ruído de modo comum: modo diferente do sinal → pode ser removido explorando a diferença de modo.
O ruído de modo comum ser “mais fácil de lidar” se deve justamente a poder explorar essa diferença de modo.
Quando o ruído de modo comum se torna nocivo
Como no modo comum “os dois fios se movem da mesma forma”, em teoria não deveria afetar um receptor que detecta de forma diferencial. Quando um trem anda a velocidade constante e um passageiro pula dentro dele, ele aterrissa no mesmo lugar; do mesmo modo, se todo o sistema varia uniformemente, nenhum erro aparece.
O problema surge quando a magnitude da tensão de modo comum difere de lugar para lugar.
Por exemplo, se você liga dois equipamentos separados por uma linha de sinal e cada um é conectado ao terra em um local diferente, o potencial de terra difere ligeiramente conforme o local. Essa diferença de potencial é aplicada entre os dois equipamentos como tensão de modo comum e pode se transformar em ruído de modo normal.
A “diferença de filtro” entre modo comum e modo normal
Um filtro passa-baixa comum (filtro RC, filtro LC) só consegue remover o modo normal. Por quê? Porque há um caminho de desvio para o modo normal (o caminho de curto pelo capacitor), mas não há caminho para desviar o modo comum.
Um filtro de modo comum possui um caminho para desviar o modo comum (um capacitor para o terra).
O choke de modo comum (CMC)
O componente central de um filtro de modo comum é o choke de modo comum (CMC). É um indutor com os dois fios enrolados na mesma direção sobre o mesmo núcleo:
- Corrente de modo normal: os dois fluxos magnéticos se cancelam → indutância baixa → deixa o sinal passar
- Corrente de modo comum: os dois fluxos magnéticos se somam → indutância alta → bloqueia
Remoção com um receptor diferencial
Outro meio, além do filtro, é o uso de um receptor diferencial.
Um receptor diferencial detecta apenas a “tensão de diferença (modo normal)” de suas duas entradas. Como a componente de modo comum sobe igualmente nas duas entradas, tomar a diferença a cancela.
A razão de normas de interface diferencial como RS-422/RS-485 serem robustas a longas distâncias e em ambientes ruidosos está nessa recepção diferencial. Mesmo entre equipamentos que não compartilham terra, o sinal pode ser recebido enquanto se cancela o ruído de modo comum.
Resumo
- O modo normal é a “tensão de diferença” dos dois fios; o modo comum é a “tensão comum”.
- O sinal desejado é modo normal. O ruído sobe em qualquer um dos modos.
- O ruído de modo comum pode ser removido explorando a diferença de modo — por isso é “fácil de remover”.
- Um filtro de modo comum (CMC + capacitores Y) apresenta alta impedância apenas ao modo comum.
- Um receptor diferencial cancela o modo comum e extrai apenas o sinal.
Pensar separadamente o modo comum e o modo normal torna-se o critério de decisão de todo tipo de medida contra ruído: seleção de filtros, projeto de placa, escolha de cabos e mais.
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