Caso práctico: Supresión de ruido con choque de RF

Nivel: Medio – Demostrar la alta impedancia del inductor a altas frecuencias para bloquear el ruido en las líneas de alimentación.

Objetivo y caso de uso

Construirá un filtro paso bajo LR utilizando un choque de RF para aislar una línea de alimentación de CC del ruido de CA de alta frecuencia. Al superponer una señal de CA sobre una fuente de tensión de CC, observará cómo la reactancia del inductor, dependiente de la frecuencia, permite el paso de la CC mientras atenúa fuertemente el ruido de alta frecuencia antes de que llegue a la carga.

Este concepto de circuito es muy útil en el mundo real para:
* Evitar que el ruido de conmutación de alta frecuencia entre en circuitos de sensores analógicos sensibles.
* Filtrar la interferencia de radiofrecuencia (RFI) de líneas largas de suministro de energía.
* Aislar diferentes bloques funcionales que comparten un raíl de alimentación común en un PCB.
* Proteger la electrónica de comunicación y audio del automóvil contra el zumbido del alternador.

Resultado esperado:
* La señal de entrada mixta (V_IN_MIX) mostrará un offset de CC estable combinado con un rizado significativo de alta frecuencia.
* La tensión de salida (V_OUT_CLEAN) en la carga mostrará un nivel de CC estable con el ruido de CA enormemente reducido.
* Un análisis FFT (Transformada Rápida de Fourier) de la entrada revelará una gran componente a 0 Hz (CC) y un pico prominente de alta frecuencia.
* Un análisis FFT de la salida mostrará el pico de alta frecuencia casi completamente suprimido, confirmando la acción de bloqueo del choque.

Público objetivo: Estudiantes de electrónica de nivel intermedio que aprenden sobre componentes reactivos y superposición de CA/CC.

Materiales

• V1: fuente de CC de 5 V, función: fuente de alimentación principal de CC
• V2: fuente de CA de onda senoidal de 500 mV de pico a 100 kHz, función: simulador de ruido de alta frecuencia
• L1: inductor de 1 mH, función: choque de RF para bloquear el ruido de alta frecuencia
• R1: resistencia de 100 Ω, función: simulación de carga

Guía de conexionado

• V1: se conecta entre V_DC y 0
• V2: se conecta entre V_IN_MIX y V_DC
• L1: se conecta entre V_IN_MIX y V_OUT_CLEAN
• R1: se conecta entre V_OUT_CLEAN y 0

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

[ V1: 5 V DC Source ] --(V_DC)--> [ V2: AC Noise Simulator ] --(V_IN_MIX)--> [ L1: 1mH RF Choke ] --(V_OUT_CLEAN)--> [ R1: 100 Ω Load ] --> GND

Diagrama eléctrico

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Mediciones y pruebas

1. Conecte una sonda de osciloscopio a V_IN_MIX con la pinza de tierra conectada al nodo 0. Configure el acoplamiento del canal en CC. Debería observar una línea base de 5 V de CC con una onda senoidal de 100 kHz y 1 V pico a pico montada sobre ella.
2. Conecte una segunda sonda de osciloscopio a V_OUT_CLEAN. Observe que la tensión de CC se mantiene en aproximadamente 5 V, pero el rizado de alta frecuencia de 100 kHz se atenúa drásticamente debido a la alta reactancia inductiva (XL = 2\pi fL) del choque.
3. Active la función matemática FFT (Transformada Rápida de Fourier) en el osciloscopio para el canal V_IN_MIX. Note el pico masivo a 0 Hz (que representa la componente de CC de 5 V) y el pico de ruido distintivo a 100 kHz.
4. Aplique la función FFT al canal V_OUT_CLEAN. Compare la magnitud del pico de 100 kHz con la medición de entrada; debería estar significativamente reducido, demostrando con éxito las capacidades de bloqueo de alta frecuencia del inductor.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* Noise suppression with RF choke
.width out=256

* Main DC power supply (5V)
V1 V_DC 0 DC 5

* High-frequency noise simulator (500mV peak, 100kHz sine wave superimposed on DC)
V2 V_IN_MIX V_DC SINE(0 500m 100k)

* RF choke to block high-frequency noise (1mH)
L1 V_IN_MIX V_OUT_CLEAN 1m

* Load simulation (100 ohms)
* ... (truncated in public view) ...

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* Noise suppression with RF choke
.width out=256

* Main DC power supply (5V)
V1 V_DC 0 DC 5

* High-frequency noise simulator (500mV peak, 100kHz sine wave superimposed on DC)
V2 V_IN_MIX V_DC SINE(0 500m 100k)

* RF choke to block high-frequency noise (1mH)
L1 V_IN_MIX V_OUT_CLEAN 1m

* Load simulation (100 ohms)
R1 V_OUT_CLEAN 0 100

* Analysis directives
.op
* Simulate for 100us to capture 10 full cycles of the 100kHz noise
.tran 0.1u 100u
.print tran V(V_IN_MIX) V(V_OUT_CLEAN) V(V_DC) I(L1)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation shows a 5V DC signal with a superimposed 500mV peak 100kHz sine wave at the input (V_IN_MIX ranges from 4.5V to 5.5V). At the output (V_OUT_CLEAN), the voltage ranges from 4.92V to 5.12V, indicating that the 1mH RF choke significantly attenuates the high-frequency noise while passing the DC component to the 100-ohm load.

Show raw data table (1008 rows)

Index   time            v(v_in_mix)     v(v_out_clean)  v(v_dc)         l1#branch
0	0.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e-02
1	1.000000e-09	5.000314e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e-02
2	2.000000e-09	5.000628e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e-02
3	4.000000e-09	5.001257e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e-02
4	8.000000e-09	5.002513e+00	5.000001e+00	5.000000e+00	5.000001e-02
5	1.600000e-08	5.005026e+00	5.000004e+00	5.000000e+00	5.000004e-02
6	3.200000e-08	5.010052e+00	5.000016e+00	5.000000e+00	5.000016e-02
7	6.400000e-08	5.020101e+00	5.000064e+00	5.000000e+00	5.000064e-02
8	1.280000e-07	5.040169e+00	5.000256e+00	5.000000e+00	5.000256e-02
9	2.280000e-07	5.071384e+00	5.000808e+00	5.000000e+00	5.000808e-02
10	3.280000e-07	5.102316e+00	5.001665e+00	5.000000e+00	5.001665e-02
11	4.280000e-07	5.132845e+00	5.002818e+00	5.000000e+00	5.002818e-02
12	5.280000e-07	5.162850e+00	5.004261e+00	5.000000e+00	5.004261e-02
13	6.280000e-07	5.192212e+00	5.005985e+00	5.000000e+00	5.005985e-02
14	7.280000e-07	5.220816e+00	5.007980e+00	5.000000e+00	5.007980e-02
15	8.280000e-07	5.248548e+00	5.010236e+00	5.000000e+00	5.010236e-02
16	9.280000e-07	5.275299e+00	5.012741e+00	5.000000e+00	5.012741e-02
17	1.028000e-06	5.300963e+00	5.015481e+00	5.000000e+00	5.015481e-02
18	1.128000e-06	5.325440e+00	5.018443e+00	5.000000e+00	5.018443e-02
19	1.228000e-06	5.348633e+00	5.021613e+00	5.000000e+00	5.021613e-02
20	1.328000e-06	5.370449e+00	5.024976e+00	5.000000e+00	5.024976e-02
21	1.428000e-06	5.390804e+00	5.028515e+00	5.000000e+00	5.028515e-02
22	1.528000e-06	5.409616e+00	5.032213e+00	5.000000e+00	5.032213e-02
23	1.628000e-06	5.426812e+00	5.036054e+00	5.000000e+00	5.036054e-02
... (984 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

• Usar un inductor con una baja frecuencia de autorresonancia (SRF): Todos los inductores tienen capacitancia parásita de devanado. Si la frecuencia del ruido supera la SRF del inductor, el componente se comporta como un condensador y permite que el ruido de alta frecuencia pase directamente. Verifique siempre que la SRF esté muy por encima de la frecuencia de ruido objetivo.
• Ignorar la resistencia de CC (DCR) del inductor: Los inductores están hechos de alambre enrollado que naturalmente posee resistencia. Altas corrientes de carga pasando por un inductor con alta DCR causarán una caída de tensión de CC inaceptable. Elija un choque con una DCR adecuadamente baja para su carga.
• Saturación del núcleo debido a alta corriente de CC: Si la carga consume más corriente continua que la especificación de saturación del inductor (Isat), el flujo magnético del núcleo se satura. Esto hace que la inductancia caiga drásticamente, destruyendo su capacidad de filtrado. Compruebe siempre la especificación de corriente de saturación.

Solución de problemas

• Síntoma: El ruido de alta frecuencia sigue estando muy presente en V_OUT_CLEAN.
• Causa: El valor del inductor es demasiado bajo para proporcionar una reactancia significativa a la frecuencia del ruido simulado, o se ha superado su SRF.
• Solución: Aumente el valor de la inductancia (por ejemplo, escale de 10 µH a 1 mH) o verifique los límites de frecuencia del choque específico que se está utilizando.
• Síntoma: Caída significativa de tensión de CC en V_OUT_CLEAN bajo carga (por ejemplo, leyendo 4 V en lugar de 5 V).
• Causa: La resistencia interna de CC (DCR) del inductor es demasiado alta en relación con la resistencia de carga R1.
• Solución: Reemplace el inductor por uno físicamente más grande que utilice un alambre más grueso, lo que reduce la DCR, o aumente la resistencia de carga si está consumiendo más corriente de la prevista.
• Síntoma: El choque se calienta en exceso durante el funcionamiento.
• Causa: La corriente de CC consumida por la carga excede la especificación de corriente térmica continua (Irms) del inductor.
• Solución: Seleccione un inductor de potencia de mayor especificación capaz de manejar de forma segura la corriente de carga en estado estable.

Posibles mejoras y extensiones

• Formar un filtro paso bajo LC: Añada un condensador de desacoplo (por ejemplo, 100 nF o 1 µF) en paralelo a la carga (entre V_OUT_CLEAN y 0). Esto crea un filtro de segundo orden, proporcionando una caída mucho más pronunciada y una atenuación de ruido inmensamente superior en comparación con la configuración LR simple.
• Implementar un filtro Pi: Utilice una disposición Condensador-Inductor-Condensador (C-L-C) para proporcionar una supresión de ruido bidireccional. Esto no solo limpia la energía que entra a la carga, sino que también evita que cualquier ruido de conmutación generado por la carga contamine la línea principal de suministro de CC.

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Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

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