Filtr Pi

Filtry są powszechnie stosowane w elektronice mocy i audio, aby odrzucać niepożądane częstotliwości. Istnieje wiele różnych typów filtrów wykorzystywanych w projektach obwodów elektronicznych opartych na aplikacji, ale podstawowa koncepcja wszystkich z nich jest taka sama, to znaczy usuwa niepożądane sygnały. Wszystkie te filtry można podzielić na dwa typy - filtry aktywne i filtry pasywne. Filtr aktywny wykorzystuje jeden lub więcej aktywnych komponentów z innymi komponentami pasywnymi, podczas gdy filtry pasywne są wykonane wyłącznie z komponentów pasywnych. Omówiliśmy już szczegółowo te filtry:

• Aktywny filtr górnoprzepustowy
• Aktywny filtr dolnoprzepustowy
• Pasywny filtr górnoprzepustowy
• Pasywny filtr dolnoprzepustowy
• Filtr pasmowoprzepustowy
• Filtr harmonicznych

W tym samouczku poznamy inny nowy typ filtra zwany filtrem Pi, który jest bardzo często używany w projektach obwodów zasilania. Zastosowaliśmy już filtr Pi w kilku naszych poprzednich projektach zasilaczy, takich jak ten obwód 5 V 2 A SMPS i obwód 12 V 1 A SMPS. Przejdźmy więc do szczegółów, czym są te filtry i jak je zaprojektować.

Filtr Pi

Filtr Pi to rodzaj filtra pasywnego, który składa się głównie z trzech elementów innych niż tradycyjne dwuelementowe filtry pasywne. Układ konstrukcyjny wszystkich elementów tworzy kształt greckiej litery Pi (π), stąd nazwa Pi sekcja Filtr.

W większości filtry Pi są używane do aplikacji filtrów dolnoprzepustowych, ale możliwa jest również inna konfiguracja. Głównym składnikiem filtru Pi jest kondensator i cewka indukcyjna, co czyni go filtrem LC. W zastosowaniu filtra dolnoprzepustowego, filtr Pi zwany również filtrem wejściowym kondensatora, ponieważ kondensator pozostaje po stronie wejściowej w konfiguracji dolnoprzepustowej.

Filtr Pi jako filtr dolnoprzepustowy

Filtr Pi to doskonały filtr dolnoprzepustowy, który znacznie różni się od tradycyjnego filtra LC Pi. Kiedy filtr Pi jest zaprojektowany dla dolnoprzepustowego, wyjście pozostaje stabilne ze stałym współczynnikiem k.

Design filtr dolnoprzepustowy z wykorzystaniem konfiguracji Pi jest dość prosta. Obwód Pi Filtr składa się z dwóch kondensatorów połączonych równolegle, a następnie przez cewki połączone szeregowo tworząc kształt Pi, jak pokazano na poniższej

Jak widać na powyższym obrazku, składa się z dwóch kondensatorów, które są połączone z masą za pomocą umieszczonej między nimi cewki szeregowej. Ponieważ jest to filtr dolnoprzepustowy, wytwarza on wysoką impedancję przy wysokiej częstotliwości i niską impedancję przy niskiej częstotliwości. Dlatego jest powszechnie stosowany w linii przesyłowej do blokowania niepożądanych wysokich częstotliwości.

Konstrukcję i wartości składowe obliczenia filtru Pi można wyprowadzić z poniższego równania, aby zaprojektować filtr Pi dla swojej aplikacji.

Częstotliwość odcięcia (fc) = 1 / ᴫ (LC) ^1/2 Wartość pojemności wynosi (C) = 1 / Z _0ᴫfc Wartość indukcyjności (L1) = Z ₀ / ᴫfc gdzie Z ₀ jest charakterystyką impedancji w omach, a fc to częstotliwość odcięcia.

Filtr Pi jako filtr górnoprzepustowy

Podobnie jak filtr dolnoprzepustowy, filtry pi można również skonfigurować jako filtr górnoprzepustowy. W takim przypadku filtr blokuje niską częstotliwość i przepuszcza wysoką częstotliwość. Jest również wykonany przy użyciu dwóch rodzajów elementów biernych, dwóch cewek i jednego kondensatora.

W konfiguracji dolnoprzepustowej filtr jest zaprojektowany jako dwa kondensatory połączone równolegle z cewką indukcyjną pomiędzy, ale w konfiguracji górnoprzepustowej położenie i ilość elementów pasywnych jest dokładnie odwrotna. Zamiast pojedynczej cewki stosuje się tutaj dwie oddzielne cewki z jednym kondensatorem.

Powyższy obraz obwodu filtru Pi pokazuje filtr w konfiguracji górnoprzepustowej, nie wspominając o konstrukcji również wyglądającej jak symbol Pi. Konstrukcję i wartości składowe filtra Pi można wyprowadzić z poniższego równania -

Częstotliwość odcięcia (fc) = 1 / 4ᴫ (LC) ^1/2 Wartość pojemności wynosi (C) = 1 / 4Z _0ᴫfc Wartość impedancji (L1) = Z ₀ / 4ᴫfc gdzie Z ₀ jest charakterystyką impedancji w omach, a fc to częstotliwość odcięcia.

Zalety filtra Pi

Wysokie napięcie wyjściowe Napięcie

wyjściowe na filtrze pi jest dość wysokie, dzięki czemu nadaje się do większości zastosowań związanych z mocą, w których wymagane są filtry wysokiego napięcia DC.

Niski współczynnik tętnienia

Skonfigurowany jako filtr dolnoprzepustowy Do celów filtracji prądu stałego, filtr Pi jest skutecznym filtrem, filtrującym niepożądane tętnienia prądu przemiennego pochodzące z prostownika mostkowego. Kondensator zapewnia niską impedancję w AC, ale wysoką rezystancję w DC ze względu na wpływ pojemności i reaktancji. Ze względu na tę niską impedancję na AC, pierwszy kondensator filtru Pi omija tętnienie AC pochodzące z prostownika mostkowego. Pominięte tętnienie prądu przemiennego trafia do cewki indukcyjnej. Cewka jest odporna na zmiany przepływu prądu i blokuje tętnienie prądu przemiennego, które jest dalej filtrowane przez drugi kondensator. Te liczne etapy filtrowania pomagają w wytwarzaniu płynnego prądu stałego DC na wyjściu filtra Pi o bardzo niskich tętnieniach.

Łatwość projektowania w zastosowaniach RF

W kontrolowanym środowisku RF, gdzie wymagana jest transmisja z wyższą częstotliwością, na przykład w paśmie GHz, filtry Pi wysokiej częstotliwości są łatwe i elastyczne do wykonania na PCB przy użyciu tylko ścieżek PCB. Filtry Pi o wysokiej częstotliwości zapewniają również większą odporność na przepięcia niż filtry na bazie krzemu. Na przykład chip krzemowy ma limit wytrzymałości napięciowej, podczas gdy filtry pi wykonane z elementów pasywnych mają znacznie większą odporność na przepięcia i trudne warunki przemysłowe.

Wady filtra Pi

Wartości cewki indukcyjnej o większej mocy

W przeciwieństwie do konstrukcji RF, wysoki pobór prądu przez filtr Pi nie jest zalecany, ponieważ prąd musi przepływać przez cewkę indukcyjną. Jeśli ten prąd obciążenia jest stosunkowo wysoki, wówczas moc cewki indukcyjnej również wzrasta, co czyni go nieporęcznym i kosztownym. Ponadto wysoki prąd przepływający przez cewkę indukcyjną zwiększa rozpraszanie mocy na cewce, co prowadzi do słabej wydajności.

Kondensator wejściowy o dużej wartości

Innym poważnym problemem filtra Pi jest duża wartość pojemności wejściowej. Filtry Pi wymagają dużej pojemności na wejściu, co stało się wyzwaniem w zastosowaniach o ograniczonej przestrzeni. Ponadto kondensatory o dużej wartości zwiększają koszt projektu.

Zła regulacja napięcia

Filtry Pi nie są odpowiednie, gdy prądy obciążenia nie są stabilne i stale się zmieniają. Filtry Pi zapewniają złą regulację napięcia, gdy prąd obciążenia znacznie się zmienia. W takim zastosowaniu zalecane są filtry z sekcją L.

Zastosowanie filtrów Pi

Przetwornice mocy

Jak już wspomniano, filtry Pi są doskonałym filtrem DC do tłumienia tętnień AC. Ze względu na to zachowanie filtry Pi są szeroko stosowane w projektach Power Electronic, takich jak przetwornica AC-DC, przetwornica częstotliwości itp. Jednak w energoelektronice Filtry Pi są używane jako filtr dolnoprzepustowy i już zaprojektowaliśmy obwód zasilania filtra Pi, dla nasz projekt SMPS 12 V 1 A, jak pokazano poniżej.

Ogólnie filtry Pi są bezpośrednio połączone z prostownikiem mostkowym, a wyjście filtrów Pi jest określane jako wysokonapięciowe DC. Wyjście wysokiego napięcia DC jest używane w obwodach sterownika zasilacza do dalszej pracy.

Konstrukcja ta, od diody prostowniczej mostka do sterownika, ma inne działanie z działaniem filtra Pi. Po pierwsze, ten filtr Pi zapewnia płynne napięcie prądu stałego w celu pozbawienia tętnień działania całego obwodu sterownika, co powoduje niskie tętnienia wyjściowe z końcowego wyjścia zasilacza, a drugi służy do izolowania głównych linii od wysokiej częstotliwości przełączania w poprzek obwód sterownika.

Odpowiednio skonstruowany filtr sieciowy może zapewnić filtrację w trybie wspólnym (filtr, który odrzuca sygnał szumu tak, jakby był niezależnym pojedynczym przewodnikiem) i filtrację w trybie różnicowym (rozróżnianie szumów o dwóch częstotliwościach przełączania, zwłaszcza szumów o wysokiej częstotliwości, które można dodać do linii zasilającej) w zasilaczu, w którym filtr Pi jest ważnym elementem. Filtr pi jest również nazywany filtrem linii zasilania, jeśli jest używany w zastosowaniach energoelektronicznych.

Aplikacja RF

W aplikacji RF filtry Pi są używane w różnych operacjach i różnych konfiguracjach. Na przykład w zastosowaniach RF dopasowanie impedancji jest ogromnym czynnikiem, a filtry Pi są używane do dopasowania impedancji w antenach RF i przed wzmacniaczami RF. Jednak w maksymalnych przypadkach, w których wykorzystuje się bardzo wysokie częstotliwości, na przykład w paśmie GHz, filtry Pi są stosowane w linii transmisji sygnału i projektowane są tylko z wykorzystaniem ścieżek PCB.

Powyższy obraz przedstawia filtry oparte na śladach PCB, w których ślad tworzy indukcyjność i pojemność w aplikacjach o bardzo wysokiej częstotliwości. Oprócz linii transmisyjnej filtry Pi są również wykorzystywane w urządzeniach komunikacyjnych RF, w których zachodzi modulacja i demodulacja. Filtry Pi są zaprojektowane dla docelowej częstotliwości, aby demodulować sygnał po jego odebraniu po stronie odbiornika. Filtry górnoprzepustowe Pi są również używane do obejścia docelowej wysokiej częstotliwości na etapach wzmocnienia lub transmisji.

Wskazówki dotyczące projektowania filtra Pi

Aby zaprojektować odpowiedni filtr Pi, należy skompensować odpowiednią taktykę projektowania PCB w celu zapewnienia bezproblemowego działania. Te wskazówki są wymienione poniżej.

W energoelektronice

• W układzie filtra Pi wymagane są grube ślady.
• Niezbędne jest odizolowanie filtra Pi od zasilacza.
• Należy zamknąć odległość między kondensatorem wejściowym, cewką indukcyjną i kondensatorem wyjściowym.
• Płaszczyzna uziemienia kondensatora wyjściowego musi być bezpośrednio podłączona do obwodu sterownika poprzez odpowiednią płaszczyznę uziemienia.
• Jeśli projekt składa się z zaszumionych linii (takich jak linia wykrywania wysokiego napięcia dla sterownika), które muszą być podłączone do prądu stałego wysokiego napięcia, wymagane jest podłączenie ścieżki przed końcowym kondensatorem wyjściowym filtrów Pi. Poprawia to odporność na szumy i niepożądane wtryskiwanie szumów w obwodzie sterownika.

W obwodzie RF

• Wybór komponentów jest głównym kryterium aplikacji RF. Tolerancja komponentów odgrywa ważną rolę.
• Niewielki wzrost śladu PCB może indukować indukcyjność w obwodzie. Należy zwrócić szczególną uwagę na dobór cewki indukcyjnej, biorąc pod uwagę indukcyjność śladową PCB. Projekt powinien być wykonany przy użyciu odpowiedniej taktyki, aby zmniejszyć rozproszoną indukcyjność.
• Należy zminimalizować pojemność rozproszoną.
• Wymagane jest zamknięte miejsce docelowe.
• Kabel koncentryczny nadaje się do wejścia i wyjścia w aplikacji RF.