Filtru Pi

Filtrele sunt utilizate în mod obișnuit în electronica de putere și audio pentru a respinge frecvențele nedorite. Există multe tipuri diferite de filtre utilizate în proiectele de circuite electronice bazate pe aplicație, dar conceptul de bază al tuturor acestora este același, adică eliminarea semnalelor nedorite. Toate aceste filtre pot fi clasificate în două tipuri: filtre active și filtre pasive. Filtrul activ folosește una sau mai multe componente active cu alte componente pasive, în timp ce filtrele pasive sunt realizate numai folosind componente pasive. Am discutat deja în detalii despre aceste filtre:

Filtru Active High Pass
Filtru Active Low Pass
Filtru pas pas înalt
Filtru pas pas redus
Filtru bandpass
Filtru armonic

În acest tutorial, aflăm un alt tip nou de filtru numit Pi Filter, care este foarte frecvent utilizat în proiectarea circuitelor de alimentare. Am folosit deja Pi-Filter în câteva dintre proiectele noastre anterioare de alimentare, cum ar fi acest circuit SMPS de 5V 2A și circuitul SMPS de 12V 1A. Deci, să intrăm în detaliu despre ceea ce sunt aceste filtre și cum să le proiectăm.

Pi-Filter

Filtrul Pi este un tip de filtru pasiv care constă în principal din trei componente, altele decât filtrele pasive tradiționale cu două elemente. Aranjamentul de construcție al tuturor componentelor creează forma literei grecești Pi (π), denumind astfel secțiunea Pi Filtru.

În majoritate, filtrele Pi sunt utilizate pentru aplicația de filtrare low-pass, dar este posibilă și o altă configurație. Componenta principală a unui filtru Pi este condensatorul și inductorul care îl fac un filtru LC. În aplicația de filtrare trece jos, filtrul Pi numit și filtrul de intrare condensator, deoarece condensatorul rămâne peste partea de intrare în configurația trece jos.

Filtru Pi ca filtru trece jos

Filtrul Pi este un excelent filtru trece jos, care este mult mai diferit decât filtrul tradițional LC Pi. Când un filtru Pi este proiectat pentru o trecere joasă, ieșirea rămâne stabilă cu un factor k constant.

Proiectarea unui filtru trece - jos folosind configurația Pi este destul de simplă. Circuitul Pi Filter este format din două condensatoare conectate în paralel, urmat de un inductor în serie formând o formă Pi așa cum se arată în imaginea de mai jos

După cum se vede în imaginea de mai sus, este format din doi condensatori care sunt conectați la masă cu un inductor de serie intermediar. Deoarece acesta este un filtru trece jos, produce impedanță ridicată la frecvență înaltă și impedanță mică la frecvență joasă. Astfel, este frecvent utilizat într-o linie de transmisie pentru a bloca frecvențele înalte nedorite.

Construcția și valorile componentelor calculului filtrului Pi pot fi derivate din ecuația de mai jos pentru a proiecta un filtru Pi pentru aplicația dvs.

Frecvența de tăiere (fc) = 1 / ᴫ (LC) ^1/2 Valoarea capacității este (C) = 1 / Z _0ᴫfc Valoarea inductanței (L1) = Z ₀ / ᴫfc Unde, Z ₀ este caracteristica impedanței în ohmi și fc este frecvența de tăiere.

Filtru Pi ca filtru de trecere înaltă

La fel ca filtrul trece jos, filtrele pi pot fi configurate și ca filtru trece sus. Într-un astfel de caz, filtrul blochează frecvența joasă și permite trecerea frecvenței înalte. De asemenea, este realizat folosind două tipuri de componente pasive, doi inductori și un condensator.

În configurația trece jos filtrul este proiectat deoarece doi condensatori sunt în paralel cu un inductor între, dar în configurația trece înalt, poziția și cantitatea componentelor pasive devin exact opusul. În loc de un singur inductor, aici sunt folosiți doi inductori separați cu un singur condensator.

Imaginea de mai sus a circuitului Pi Filter arată filtrul în configurația de trecere înaltă și, ca să nu mai vorbim de construcție, arată și ca un simbol Pi. Construcția și valorile componentelor filtrului Pi pot fi derivate din ecuația de mai jos -

Frecvența de întrerupere (fc) = 1 / 4ᴫ (LC) ^1/2 Valoarea capacității este (C) = 1 / 4Z _0ᴫfc Valoarea impedanței (L1) = Z ₀ / 4ᴫfc Unde, Z ₀ este caracteristica impedanței în ohmi și fc este frecvența de tăiere.

Avantajele filtrului Pi

Tensiune de ieșire ridicată Tensiunea de

ieșire din filtrul pi este destul de ridicată, ceea ce îl face adecvat pentru aplicațiile cele mai legate de energie, unde sunt necesare filtre de înaltă tensiune DC.

Factor de ondulare scăzută

Configurat ca filtru de trecere jos În scopuri de filtrare DC, filtrul Pi este un filtru eficient, pentru a filtra ondularea de curent alternativ nedorită provenită de la un redresor de punte. Condensatorul oferă o impedanță scăzută în curent alternativ, dar o rezistență ridicată în curent continuu datorită efectului capacității și reactanței. Datorită acestei impedanțe scăzute în curent alternativ, primul condensator al filtrului Pi ocolește ondulația de curent alternativ care vine de la redresorul de punte. Ondulația de curent alternativ intrată în inductor. Inductorul rezistă modificărilor fluxului de curent și blochează ondularea de curent alternativ, care este filtrată în continuare de al doilea condensator. Aceste etape multiple ale filtrării ajută la obținerea unei ieșiri DC netede, foarte reduse, prin filtrul Pi.

Ușor de proiectat în aplicații RF

Într-un mediu controlat RF, unde este necesară transmisia de frecvență mai mare, de exemplu în banda GHz, filtrele Pi de înaltă frecvență sunt ușor și flexibile de realizat în PCB folosind doar urmele PCB. Filtrele Pi de înaltă frecvență oferă, de asemenea , imunități la supratensiune mai mult decât filtrele pe bază de siliciu. De exemplu, un cip de siliciu are o limită a capacității de rezistență la tensiune, în timp ce filtrele pi fabricate folosind componentele pasive au mult mai multă imunitate în ceea ce privește supratensiunile și mediile industriale dure.

Dezavantaje ale filtrului Pi

Valori ale inductorului

cu putere mai mare În afară de proiectarea RF, consumul de curent ridicat printr-un filtru Pi nu este recomandabil, deoarece curentul trebuie să curgă prin inductor. Dacă acest curent de încărcare este relativ mare, atunci puterea inductorului crește, făcându-l voluminos și costisitor. De asemenea, curentul ridicat prin inductor mărește disiparea puterii pe inductor, rezultând o eficiență slabă.

Condensator de intrare de mare valoare

O altă problemă majoră a filtrului Pi este valoarea mare a capacității de intrare. Filtrele Pi necesită o capacitate ridicată pe intrare, ceea ce a devenit o provocare în aplicațiile cu spațiu limitat. De asemenea, condensatorii cu valoare ridicată măresc costul proiectării.

Filtrele Pi de reglare a tensiunii defecte nu sunt potrivite acolo unde curenții de sarcină nu sunt stabili și se schimbă constant. Filtrele Pi asigură o reglare defectuoasă a tensiunii atunci când curentul de sarcină scade foarte mult. Într-o astfel de aplicație se recomandă filtrele cu o secțiune L.

Aplicarea filtrelor Pi

Convertoare de putere

După cum sa discutat deja, filtrele Pi sunt un filtru excelent de curent continuu pentru a suprima undele de curent alternativ. Datorită acestui comportament, filtrele Pi sunt utilizate pe scară largă în electronice de putere modele cum ar fi Convertor AC-DC, convertor de frecvență, etc Cu toate acestea, în Power Electronics Pi Filtrele sunt folosite ca Low Pass Filter si am deja proiectat un filtru Pi de alimentare Circuit, pentru Designul nostru 12V 1A SMPS așa cum se arată mai jos.

În general, filtrele Pi sunt conectate direct cu redresorul de punte, iar ieșirea filtrelor Pi este denumită DC de înaltă tensiune. Ieșirea DC High Voltage este utilizată pentru circuitul driverului de alimentare cu energie pentru o funcționare ulterioară.

Această construcție, de la dioda redresoare Bridge la driver, are o funcționare diferită cu funcționarea Pi-Filter. În primul rând, acest filtru Pi oferă o curent continuu liniar pentru funcționarea fără ondulații a circuitului general al driverului, rezultând o ondulare scăzută a ieșirii de la ieșirea finală a sursei de alimentare, iar cealaltă este pentru izolarea liniilor principale de frecvența mare de comutare circuitul conducătorului auto.

Un filtru de linie construit corespunzător poate oferi filtrare în modul comun (un filtru care respinge semnalul de zgomot ca și cum ar fi un singur conductor independent) și filtrare în mod diferențial (diferențierea a două zgomote de frecvență de comutare, în special zgomot de înaltă frecvență care poate fi adăugat în linia de rețea) într-o sursă de alimentare în care filtrul Pi este o componentă importantă. Un filtru pi este denumit și filtru linie de alimentare dacă este utilizat în aplicația de electronică de putere.

Aplicație RF

În aplicația RF, filtrele Pi sunt utilizate în diferite operațiuni și configurații diferite. De exemplu, în aplicațiile RF, impedanța de potrivire este un factor imens, iar filtrele Pi sunt utilizate pentru a se potrivi impedanței între antenele RF și înainte de amplificatoarele RF. Cu toate acestea, în cazurile maxime în care se utilizează o frecvență foarte mare, cum ar fi banda GHz, filtrele Pi sunt utilizate în linia de transmisie a semnalului și proiectate folosind doar urme de PCB.

Imaginea de mai sus prezintă filtre bazate pe urmele PCB în care urmele creează inductanță și capacitate în aplicații cu frecvență foarte mare. În afară de linia de transmisie, filtrele Pi sunt de asemenea utilizate în dispozitivele de comunicații RF, unde au loc modulația și demodularea. Filtrele Pi sunt proiectate pentru o frecvență vizată pentru a demodula semnalul după ce a primit în partea receptorului. Filtrele Pi de trecere înaltă sunt, de asemenea, utilizate pentru a ocoli frecvența înaltă vizată în etapele de amplificare sau transmisie.

Sfaturi de proiectare Pi-Filter

Pentru a proiecta un filtru Pi adecvat, este necesar să compensați tacticile adecvate de proiectare a PCB pentru o funcționare fără probleme, aceste sfaturi sunt enumerate mai jos.

În Electronică de putere

Urmele groase sunt necesare în aspectul filtrului Pi.
Izolarea filtrului Pi de la sursa de alimentare este esențială.
Este necesară închiderea distanței dintre condensatorul de intrare, inductor și condensatorul de ieșire.
Planul de masă al condensatorului de ieșire este necesar pentru a fi conectat direct la circuitul driverului printr-un plan de masă adecvat.
Dacă proiectarea constă din linii zgomotoase (cum ar fi linia de detectare a tensiunii înalte pentru șofer) care trebuie conectată la DC de înaltă tensiune, este necesar să conectați urmele înainte de condensatorul final de ieșire al filtrelor Pi. Acest lucru îmbunătățește imunitatea la zgomot și injecția de zgomot nedorită în circuitele șoferului.

În circuitul RF

Selecția componentelor este un criteriu major pentru aplicația RF. Toleranța componentelor joacă un rol major.
O mică creștere a urmelor PCB ar putea induce inductanță în circuit. Trebuie acordată o atenție adecvată selecției inductorului, luând în considerare inductanța urmei PCB. Proiectarea trebuie realizată folosind tactici adecvate pentru a reduce inductanța rătăcită.
Capacitatea rătăcită este necesară pentru a fi minimizată.
Este necesară plasarea închisă.
Cablul coaxial este potrivit pentru intrarea și ieșirea din aplicația RF.