Pi filter

Filtre sa bežne používajú v výkonovej a zvukovej elektronike na potlačenie nežiaducich frekvencií. Existuje mnoho rôznych typov filtrov používaných v dizajnoch elektronických obvodov založených na aplikácii, ale základný koncept všetkých z nich je rovnaký, to znamená odstránenie nežiaducich signálov. Všetky tieto filtre možno rozdeliť do dvoch typov - aktívne filtre a pasívne filtre. Aktívny filter používa jeden alebo viac aktívnych komponentov s ostatnými pasívnymi komponentmi, zatiaľ čo pasívne filtre sa vyrábajú výhradne pomocou pasívnych komponentov. O týchto filtroch sme už hovorili podrobne:

• Aktívny vysokopriepustný filter
• Aktívny dolnopriepustný filter
• Pasívny vysokopriepustný filter
• Pasívny dolnopriepustný filter
• Bandpass filter
• Harmonický filter

V tomto výučbe sa naučíme ďalší nový typ filtra s názvom Pi Filter, ktorý sa veľmi často používa v dizajnoch napájacích obvodov. Už sme použili Pi-Filter v niekoľkých našich predchádzajúcich dizajnoch napájania, ako je tento obvod 5V 2A SMPS a obvod 12V 1A SMPS. Poďme teda podrobne na to, čo sú tieto filtre a ako ich navrhnúť.

Pi-filter

Pi Filter je typ pasívneho filtra, ktorý sa skladá hlavne z troch komponentov iných ako tradičné dvojprvkové pasívne filtre. Konštrukčné usporiadanie všetkých komponentov vytvára tvar gréckeho písmena Pi (π), teda názov sekcie Pi Filter.

Väčšinou sa filtre Pi používajú pre aplikáciu dolného priechodu, ale je možná aj iná konfigurácia. Hlavnou súčasťou Pi filtra je kondenzátor a induktor, ktorý z neho robí LC filter. V aplikácii s dolným priechodom sa filter Pi nazýva aj vstupný filter kondenzátora, pretože kondenzátor zostáva na vstupnej strane v konfigurácii s nízkym priechodom.

Pi filter ako dolnopriepustný filter

Pi filter je vynikajúci dolnopriepustný filter, ktorý sa oveľa viac líši od tradičného filtra LC Pi. Keď je filter Pi navrhnutý pre nízkopriepustný prechod, výstup zostáva stabilný s konštantným faktorom k.

Konštrukcia dolnej priepustu pomocou nastavení Pi je veľmi jednoduché. Pi Filtračné obvod sa skladá z dvoch paralelne zapojených kondenzátorov nasleduje induktora v sérii, ktoré tvoria tvar, Pi, ako je znázornené na nasledujúcom obrázku

Ako je vidieť na vyššie uvedenom obrázku, pozostáva z dvoch kondenzátorov, ktoré sú pripojené k zemi pomocou sériového tlmivky. Pretože sa jedná o dolnopriepustný filter, vytvára vysokú impedanciu pri vysokej frekvencii a nízku impedanciu pri nízkej frekvencii. Preto sa bežne používa v prenosovej linke na blokovanie nežiaducich vysokých frekvencií.

Konštrukciu a hodnoty komponentov výpočtu filtra Pi môžete odvodiť z nižšie uvedenej rovnice, aby ste mohli navrhnúť filter Pi pre vašu aplikáciu.

Medzná frekvencia (fc) = 1 / ᴫ (LC) ^1/2 Hodnota kapacity je (C) = 1 / Z _0ᴫfc Hodnota indukčnosti (L1) = Z ₀ / ᴫfc Kde, Z ₀ je impedančná charakteristika v ohmoch a fc je medzná frekvencia.

Pi filter ako hornopriepustný filter

Rovnako ako dolnopriepustný filter, pí filtre môžu byť tiež nakonfigurované ako hornopriepustný filter. V takom prípade filter blokuje nízku frekvenciu a umožňuje prechod vysokej frekvencie. Vyrába sa tiež pomocou dvoch typov pasívnych súčiastok, dvoch tlmiviek a jedného kondenzátora.

V konfigurácii s nízkym priechodom je filter navrhnutý tak, že dva kondenzátory sú paralelne s induktorom medzi nimi, ale v konfigurácii s vysokým priechodom sú poloha a množstvo pasívnych komponentov presne opačné. Namiesto jedného tlmivky sa tu používajú dva samostatné tlmivky s jedným kondenzátorom.

Vyššie uvedený obrázok obvodu filtra Pi ukazuje filter v konfigurácii vysokého priechodu a nehovoriac o tom, že konštrukcia vyzerá aj ako symbol Pi. Konštrukciu a hodnoty komponentov filtra Pi možno odvodiť z nasledujúcej rovnice -

Medzná frekvencia (fc) = 1 / 4ᴫ (LC) ^1/2 Hodnota kapacity je (C) = 1 / 4Z _0ᴫfc Hodnota impedancie (L1) = Z ₀ / 4ᴫfc Kde, Z ₀ je impedančná charakteristika v ohmoch a fc je medzná frekvencia.

Výhody filtra Pi

Vysoké výstupné napätie

Výstupné napätie na filtri pi je pomerne vysoké, takže je vhodné pre aplikácie súvisiace s napájaním, kde sú potrebné vysokonapäťové jednosmerné filtre.

Nízky faktor zvlnenia

Konfigurovaný ako dolnopriepustný filter Na účely jednosmernej filtrácie je filter Pi efektívnym filtrom na filtrovanie nežiaduceho zvlnenia striedavého prúdu prichádzajúceho z mostíkového usmerňovača. Kondenzátor poskytuje nízku impedanciu v AC, ale vysoký odpor v DC v dôsledku účinku kapacity a reaktancie. Kvôli tejto nízkej impedancii cez striedavý prúd prvý kondenzátor filtra Pi obchádza zvlnenie striedavého prúdu prichádzajúce z mostíkového usmerňovača. Obídené zvlnenie striedavého prúdu ide do tlmivky. Induktor odoláva zmenám toku prúdu a blokuje zvlnenie striedavého prúdu, ktoré je ďalej filtrované druhým kondenzátorom. Tieto viaceré stupne filtrovania pomáhajú produkovať veľmi nízky zvlnenie a hladký jednosmerný výstup cez filter Pi.

Ľahko sa navrhujú v RF aplikáciách

V kontrolovanom RF prostredí, kde sa vyžaduje vysokofrekvenčný prenos, napríklad v pásme GHz, sa vysokofrekvenčné filtre Pi dajú ľahko a flexibilne vyrobiť na doske plošných spojov iba pomocou stôp po doske plošných spojov. Vysokofrekvenčné filtre Pi tiež poskytujú imunitu proti prepätiu viac ako filtre na báze kremíka. Napríklad kremíkový čip má limit odolnosti voči napätiu, zatiaľ čo filtre pí vyrobené pomocou pasívnych komponentov majú oveľa väčšiu imunitu, pokiaľ ide o prepätie a drsné priemyselné prostredie.

Nevýhody filtra Pi

Hodnoty induktora vyššieho výkonu

Okrem RF konštrukcie sa neodporúča vysoký odber prúdu cez filter Pi, pretože prúd musí prúdiť induktorom. Ak je tento záťažový prúd pomerne vysoký, potom sa zvyšuje aj príkon induktora, čo ho robí objemným a nákladným. Vysoký prúd cez induktor tiež zvyšuje rozptyl energie cez induktor, čo má za následok zlú účinnosť.

Vysokohodnotný vstupný kondenzátor

Ďalším veľkým problémom filtra Pi je veľká hodnota vstupnej kapacity. Filtre Pi vyžadujú vysokú kapacitu na vstupe, čo sa stalo výzvou v priestorovo obmedzených aplikáciách. Vysokohodnotné kondenzátory tiež zvyšujú náklady na dizajn.

Filtre zlej regulácie napätia Pi nie sú vhodné tam, kde záťažové prúdy nie sú stabilné a neustále sa menia. Pi filtre poskytujú zlú reguláciu napätia, keď sa prúd záťaže veľmi posúva. V takejto aplikácii sa odporúčajú filtre s časťou L.

Aplikácia Pi filtrov

Výkonové meniče

Ako už bolo uvedené, filtre Pi sú vynikajúcim jednosmerným filtrom na potlačenie striedavého prúdu. Kvôli tomuto správaniu sa filtre Pi vo veľkej miere používajú v prevedeniach Power Electronic, ako je prevodník AC-DC, frekvenčný menič atď. Avšak v Power Electronics sa filtre Pi používajú ako dolnopriepustný filter a už sme navrhli napájací obvod filtra Pi, náš dizajn 12V 1A SMPS, ako je uvedené nižšie.

Filtre Pi sú vo všeobecnosti priamo spojené s mostíkovým usmerňovačom a výstup filtrov Pi sa označuje ako vysokonapäťové jednosmerné napätie. Výstupné vysoké napätie DC sa používa pre obvody budiča napájania na ďalšiu prevádzku.

Táto konštrukcia, od diódy usmerňovača mosta po budič, má inú prácu s funkciou filtra Pi. Po prvé, tento Pi filter poskytuje plynulý jednosmerný prúd pre bezokrajovú prevádzku celého obvodu vodiča, čo vedie k nízkemu zvlneniu výstupu z konečného výstupu napájacieho zdroja, a druhý slúži na izoláciu hlavných vedení od vysokej spínacej frekvencie cez vodičský obvod.

Správne zostavený sieťový filter môže poskytnúť filtráciu v bežnom režime (filter, ktorý odmieta šumový signál, akoby bol nezávislým samostatným vodičom) a diferenciálnu filtráciu (rozlišuje dva šumy spínacích frekvencií, najmä vysokofrekvenčný šum, ktorý je možné pridať do siete). v napájacom zdroji, kde je dôležitý filter Pi. Filter pí sa tiež označuje ako filter elektrického vedenia, ak sa používa v aplikácii výkonovej elektroniky.

RF aplikácia

V aplikácii RF sa filtre Pi používajú v rôznych operáciách a rôznych konfiguráciách. Napríklad v RF aplikáciách je prispôsobenie impedancie obrovským faktorom a Pi filtre sa používajú na prispôsobenie impedancie cez RF antény a pred RF zosilňovače. Avšak v maximálnych prípadoch, keď sa používa veľmi vysoká frekvencia, napríklad v pásme GHz, sa v prenosovom vedení signálu používajú filtre Pi a sú navrhnuté iba pomocou stôp PCB.

Vyššie uvedený obrázok zobrazuje filtre založené na trasovaní PCB, kde stopa vytvára indukčnosť a kapacitu vo veľmi vysokofrekvenčných aplikáciách. Okrem prenosového vedenia sa filtre Pi používajú aj v RF komunikačných zariadeniach, kde prebieha modulácia a demodulácia. Filtre Pi sú určené pre cieľovú frekvenciu na demoduláciu signálu po prijatí na strane prijímača. Filtre High Pass Pi sa tiež používajú na obídenie cieľovej vysokej frekvencie do stupňov zosilnenia alebo vysielania.

Tipy na dizajn filtra Pi

Aby ste navrhli správny Pi filter, je potrebné kompenzovať správnu taktiku návrhu DPS pre bezproblémovú prevádzku, tieto tipy sú uvedené nižšie.

In Power Electronics

• V rozložení filtra Pi sú potrebné silné stopy.
• Izolácia filtra Pi od napájacej jednotky je nevyhnutná.
• Je potrebné uzavrieť vzdialenosť medzi vstupným kondenzátorom, tlmivkou a výstupným kondenzátorom.
• Uzemňovaciu rovinu výstupného kondenzátora je potrebné priamo pripojiť k budiacemu obvodu prostredníctvom správnej uzemňovacej roviny.
• Ak návrh pozostáva z hlučných vedení (napríklad vysokonapäťové snímacie vedenie pre vodič), ktoré je potrebné pripojiť cez vysokonapäťové jednosmerné napätie, je potrebné pripojiť stopu pred konečný výstupný kondenzátor filtrov Pi. To zlepšuje odolnosť proti hluku a nežiaduce vstrekovanie hluku cez obvody vodiča.

V obvode RF

• Výber komponentu je hlavným kritériom pre aplikáciu RF. Tolerancia komponentov hrá hlavnú úlohu.
• Malé zvýšenie stopy PCB by mohlo indukovať indukčnosť v obvode. Výberu induktora je potrebné venovať náležitú pozornosť zvážením stopovej indukčnosti PCB. Návrh by mal byť vyrobený s použitím správnej taktiky na zníženie túlavej indukčnosti.
• Je potrebné minimalizovať túlavú kapacitu.
• Vyžaduje sa uzavreté umiestnenie.
• Koaxiálny kábel je vhodný na vstup a výstup v aplikácii RF.