Pi filter

Filteri se obično koriste u energetskoj i audio elektronici za odbijanje neželjenih frekvencija. Postoji mnogo različitih vrsta filtara koji se koriste u dizajnu elektroničkih sklopova temeljenih na aplikaciji, ali temeljni koncept svih njih je isti, odnosno uklanjanje neželjenih signala. Svi se ti filtri mogu svrstati u dvije vrste - aktivni i pasivni. Aktivni filtar koristi jednu ili više aktivnih komponenata s ostalim pasivnim komponentama, dok se pasivni filtri izrađuju isključivo pomoću pasivnih komponenata. Već smo detaljno razgovarali o ovim filtrima:

• Aktivni visokopropusni filtar
• Aktivni niskopropusni filtar
• Pasivni visokopropusni filtar
• Pasivni niskopropusni filtar
• Propusni filtar
• Harmonski filtar

U ovom uputstvu saznajemo još jednu novu vrstu filtra pod nazivom Pi filter, koja se vrlo često koristi u dizajniranju krugova napajanja. Već smo koristili Pi-filter u nekoliko naših prethodnih izvedbi napajanja, poput ovog 5V 2A SMPS kruga i 12V 1A SMPS kruga. Pa, krenimo u detalje o tome što su to filtri i kako ih dizajnirati.

Pi-filter

Pi filter je vrsta pasivnog filtra koji se sastoji od uglavnom tri komponente, osim tradicionalnih pasivnih filtara s dva elementa. Konstrukcijski raspored svih komponenata stvara oblik grčkog slova Pi (π), pa tako i naziv Pi odjeljak Filter.

U većini se Pi filtri koriste za primjenu filtra niskog prolaza, ali također je moguća i druga konfiguracija. Glavna komponenta Pi filtra je kondenzator i prigušnica što ga čini LC filtrom. U primjeni filtra niskih prolaza, Pi filter se naziva i ulaznim filtrom kondenzatora jer kondenzator ostaje preko ulazne strane u konfiguraciji niskopropusnih signala.

Pi filter kao niskopropusni filtar

Pi filter je izvrstan niskopropusni filtar koji se puno razlikuje od tradicionalnog LC Pi filtra. Kada je Pi filtar dizajniran za niskopropusni signal, izlaz ostaje stabilan s faktorom konstantne k.

Dizajn niskopropusni filtar pomoću Pi konfiguracije je prilično jednostavan. Krug Pi filtra sastoji se od dva paralelno spojena kondenzatora, a slijedi induktor u nizu koji tvori oblik Pi kao što je prikazano na donjoj slici

Kao što se vidi na gornjoj slici, sastoji se od dva kondenzatora koja su spojena na masu između serijskih prigušnica. Kako je ovo niskopropusni filtar, on stvara visoku impedansu na visokoj frekvenciji i nisku impedansu na niskoj frekvenciji. Stoga se obično koristi u dalekovodu za blokiranje neželjenih visokih frekvencija.

Konstrukcija i vrijednosti komponenata izračuna Pi filtra mogu se izvesti iz dolje navedene jednadžbe za dizajn Pi filtra za vašu aplikaciju.

Granična frekvencija (fc) = 1 / ᴫ (LC) ^1/2 Vrijednost kapacitivnosti je (C) = 1 / Z _0ᴫfc Vrijednost induktiviteta (L1) = Z ₀ / ᴫfc Gdje je Z ₀ karakteristika impedancije u ohima i fc je granična frekvencija.

Pi filter kao visokopropusni filtar

Kao i niskopropusni filtar, pi filtri također se mogu konfigurirati kao visokopropusni filtar. U takvom slučaju filtar blokira nisku frekvenciju i omogućuje prolazak visoke frekvencije. Također se izrađuje pomoću dvije vrste pasivnih komponenata, dvije prigušnice i jednog kondenzatora.

U niskopropusnoj konfiguraciji filtar je izveden tako da su dva kondenzatora paralelno s induktivitetom između, ali u konfiguraciji prolaska, položaj i količina pasivnih komponenata dobivaju upravo suprotno. Umjesto jedne prigušnice, ovdje se koriste dvije odvojene prigušnice s jednim kondenzatorom.

Gornja slika kruga Pi filtra prikazuje filtar u visokopropusnoj konfiguraciji, a da ne spominjemo konstrukcija također izgleda kao simbol Pi. Konstrukcija i vrijednosti komponenata Pi filtra mogu se izvesti iz donje jednadžbe -

Granična frekvencija (fc) = 1 / 4ᴫ (LC) ^1/2 Vrijednost kapacitivnosti je (C) = 1 / 4Z _0ᴫfc Vrijednost impedancije (L1) = Z ₀ / 4ᴫfc Gdje je Z ₀ karakteristika impedancije u ohima i fc je granična frekvencija.

Prednosti Pi filtra

Visoki izlazni napon

Izlazni napon na pi filtru prilično je visok što ga čini prikladnim za primjenu u većini slučajeva gdje su potrebni visokonaponski istosmjerni filtri.

Niski faktor valovitosti

Konfiguriran kao niskopropusni filtar U svrhu filtracije istosmjernom strujom, Pi filter učinkovit je filtar za filtriranje neželjenog mreškanja izmjeničnog napona koje dolazi iz mostovnog ispravljača. Kondenzator pruža nisku impedansu u izmjeničnoj struji, ali visoki otpor u istosmjernoj struji zbog učinka kapacitivnosti i reaktancije. Zbog ove male impedancije na izmjeničnom naponu, prvi kondenzator Pi filtra zaobilazi mreškanje izmjeničnog napona koje dolazi iz mostovnog ispravljača. Zaobiđeno valovitost izmjeničnog toka ulazi u prigušnicu. Prigušnica se odupire promjenama struje i blokira mreškanje izmjeničnog napona koje dalje filtrira drugi kondenzator. Ovi višestruki stupnjevi filtriranja pomažu u stvaranju vrlo niskog valovitog glatkog istosmjernog izlaza na Pi filtru.

Jednostavno dizajniranje u RF aplikacijama

U kontroliranom RF okruženju, gdje je potreban prijenos veće frekvencije, na primjer u opsegu GHz, visokofrekventni Pi filtri jednostavno se i fleksibilno izrađuju u PCB-u koristeći samo tragove PCB-a. Visokofrekventni Pi filtri također pružaju prenaponski imunitet više od filtera na bazi silicija. Na primjer, silicijski čip ima ograničenje izdržljivosti napona, dok pi filtri izrađeni pomoću pasivnih komponenata imaju puno veću imunost u pogledu prenapona i teških industrijskih okruženja.

Mane Pi filtra

Vrijednosti induktora veće snage, osim RF dizajna, nije preporučljivo izvlačenje velike struje kroz Pi filter jer struja mora prolaziti kroz induktor. Ako je ova struja opterećenja relativno visoka, tada se i snaga induktora povećava što ga čini glomaznim i skupim. Također, velika struja kroz prigušnicu povećava rasipanje snage kroz prigušnicu što rezultira lošom učinkovitošću.

Ulazni kondenzator

velike vrijednosti Sljedeći glavni problem Pi filtra je velika vrijednost ulaznog kapaciteta. Pi filtri zahtijevaju visoku kapacitivnost na ulazu što je postalo izazov u aplikacijama s ograničenim prostorom. Također, kondenzatori velike vrijednosti povećavaju cijenu dizajna.

Pi filtri s lošom regulacijom napona nisu prikladni tamo gdje struje opterećenja nisu stabilne i stalno se mijenjaju. Pi filtri pružaju lošu regulaciju napona kada struja opterećenja jako nanese. U takvoj se aplikaciji preporučuju filtri s L presjekom.

Primjena Pi filtera

Pretvarači snage

Kao što je već spomenuto, Pi filtri su izvrstan istosmjerni filtar za suzbijanje mreškanja AC. Zbog takvog ponašanja, Pi filtri se široko koriste u izvedbama Power Electronic-a poput AC-DC pretvarača, pretvarača frekvencije itd. Međutim, u Power Electronics Pi filtri se koriste kao niskopropusni filtar, a mi smo već osmislili krug napajanja Pi filtra za naš 12V 1A SMPS dizajn kao što je prikazano dolje.

Općenito, Pi filtri su izravno povezani s mostovskim ispravljačem, a izlaz Pi filtara naziva se visokonaponskim istosmjernim naponom. Izlazni istosmjerni napon koristi se za sklop pogonskog sklopa napajanja za daljnji rad.

Ova konstrukcija, od mostne ispravljačke diode do pogonskog sklopa, ima drugačiji rad s radom Pi-filtra. Prvo, ovaj Pi filtar pruža glatki istosmjerni tok za rad bez mreškanja cjelokupnog kruga pogonskog sklopa što rezultira niskim izlaznim valovanjem konačnog izlaza napajanja, a drugi je za izoliranje glavnih vodova od visoke frekvencije prebacivanja preko sklop vozača.

Ispravno konstruirani mrežni filtar može osigurati uobičajeni način filtriranja (filtar koji odbija signal šuma kao da je neovisni jednostruki vodič) i diferencijalni način filtriranja (razlikovanje dva prekidačka frekvencijska šuma, posebno visokofrekventnog šuma koji se mogu dodati u mrežni vod) u napajanju gdje je Pi filter važna komponenta. Pi filter se također naziva i Power Line filtrom ako se koristi u aplikaciji Power Electronics.

RF aplikacija

U RF aplikaciji Pi filtri koriste se u različitim operacijama i različitim konfiguracijama. Na primjer, u RF aplikacijama podudarna impedancija je ogroman faktor i Pi filtri se koriste za usklađivanje impedancije na RF antenama i prije RF pojačala. Međutim, u maksimalnim slučajevima kada se koristi vrlo visoka frekvencija, poput one u GHz opsegu, Pi filtri se koriste u liniji za prijenos signala i dizajnirani su koristeći samo PCB tragove.

Gornja slika prikazuje filtre temeljene na PCB-u gdje trag stvara induktivitet i kapacitivnost u aplikacijama vrlo visoke frekvencije. Osim dalekovoda, Pi filtri se također koriste u RF komunikacijskim uređajima, gdje se odvijaju modulacija i demodulacija. Pi filtri su dizajnirani za ciljanu frekvenciju za demodulaciju signala nakon prijema na prijemnu stranu. Visokopropusni Pi filtri također se koriste za zaobilaženje ciljane visoke frekvencije u faze pojačanja ili prijenosa.

Savjeti za dizajn Pi-filtra

Za dizajn ispravnog Pi filtra potrebno je nadoknaditi pravilnu taktiku dizajna PCB-a za rad bez problema, ovi su savjeti navedeni u nastavku.

U Power Electronics

• U rasporedu Pi filtra potrebni su gusti tragovi.
• Izolacija Pi filtra od jedinice napajanja je presudna.
• Potrebno je zatvoriti udaljenost između ulaznog kondenzatora, induktora i izlaznog kondenzatora.
• Uzemljenje izlaznog kondenzatora potrebno je da bi se izravno povezalo s krugom pogona putem odgovarajuće ravnine uzemljenja.
• Ako se dizajn sastoji od bučnih vodova (kao što je visokonaponski osjetni vod za vozača) koje treba povezati preko istosmjernog istosmjernog napona, potrebno je povezati trag prije konačnog izlaznog kondenzatora Pi filtara. Ovo poboljšava otpornost na buku i neželjeno ubrizgavanje buke u sklop vozača.

U RF krugu

• Odabir komponente glavni je kriterij za RF aplikaciju. Tolerancija komponenata igra glavnu ulogu.
• Mali porast traga PCB-a mogao bi inducirati induktivitet u krugu. Potrebno je pripaziti na odabir induktora uzimajući u obzir induktivnost traga PCB-a. Dizajn treba izraditi primjenom taktike za smanjenje zalutale induktivnosti.
• Potreban je zalutali kapacitet da bi se minimalizirao.
• Zatvoren je smještaj.
• Koaksijalni kabel pogodan je za ulaz i izlaz u RF aplikaciji.