Pi филтър

Филтрите често се използват в силовата и аудио електрониката за отхвърляне на нежелани честоти. Има много различни видове филтри, използвани в проектирането на електронни схеми, базирани на приложението, но основната концепция на всички тях е една и съща, тоест за премахване на нежелани сигнали. Всички тези филтри могат да бъдат категоризирани в два вида - активни филтри и пасивни филтри. Активният филтър използва един или повече активни компоненти с други пасивни компоненти, докато пасивните филтри са направени единствено с използване на пасивни компоненти. Вече обсъдихме подробно за тези филтри:

Активен високочестотен филтър
Активен нискочестотен филтър
Пасивен високочестотен филтър
Пасивен нискочестотен филтър
Bandpass филтър
Хармоничен филтър

В този урок научаваме друг нов тип филтър, наречен Pi Filter, който се използва много често при проектирането на вериги за захранване. Вече сме използвали Pi-Filter в няколко от предишните ни проекти на захранване като тази 5V 2A SMPS верига и 12V 1A SMPS схема. И така, нека да разгледаме подробно какви са тези филтри и как да ги проектираме.

Pi-филтър

Pi Filter е вид пасивен филтър, който се състои предимно от три компонента, различни от традиционните двуелементни пасивни филтри. Разположението на конструкцията на всички компоненти създава формата на гръцката буква Pi (π), като по този начин името Pi секция Филтър.

В повечето случаи, Pi филтрите се използват за приложение на нискочестотен филтър, но е възможна и друга конфигурация. Основният компонент на Pi филтъра е кондензаторът и индукторът, което го прави LC филтър. В приложението за нискочестотен филтър, Pi филтърът също се нарича входен филтър за кондензатор, тъй като кондензаторът остава през входната страна в конфигурация с ниски честоти.

Pi филтър като нискочестотен филтър

Филтърът Pi е отличен нискочестотен филтър, който е много по-различен от традиционния LC Pi филтър. Когато Pi филтърът е проектиран за нискочестотен проход, изходът остава стабилен с фактор константа-k.

В дизайна на нискочестотен филтър с помощта на конфигурацията Pi е доста ясен. В схема Pi филтър се състои от две кондензатори, свързани в паралел, последвано от индуктор в серия, образуващи форма Pi както е показано на изображението по-долу

Както се вижда на горното изображение, той се състои от два кондензатора, които са свързани към земята с междинен индуктор. Тъй като това е нискочестотен филтър, той произвежда висок импеданс при висока честота и нисък импеданс при ниска честота. По този начин той често се използва в предавателна линия за блокиране на нежелани високи честоти.

Конструкцията и стойностите на компонентите на изчислението на Pi филтър могат да бъдат получени от уравнението по-долу, за да се проектира Pi филтър за вашето приложение.

Честота на прекъсване (fc) = 1 / ᴫ (LC) ^1/2 Стойността на капацитета е (C) = 1 / Z _0ᴫfc Стойност на индуктивността (L1) = Z ₀ / ᴫfc Къде, Z ₀ е характеристиката на импеданса в ома и fc е граничната честота.

Pi филтър като високочестотен филтър

Подобно на нискочестотния филтър, пи филтрите също могат да бъдат конфигурирани като високочестотни филтри. В такъв случай филтърът блокира ниската честота и позволява преминаването на високата честота. Също така се прави с помощта на два вида пасивни компоненти, две индуктори и един кондензатор.

При нискочестотна конфигурация филтърът е проектиран, тъй като два кондензатора са успоредни с индуктор между тях, но при конфигурация на пропускане положението и количеството на пасивните компоненти получават точно обратното. Вместо един индуктор, тук се използват две отделни индуктори с един кондензатор.

Горното изображение на схемата на филтъра Pi показва филтъра във високочестотна конфигурация и да не говорим, че конструкцията също изглежда като символ Pi. Конструкцията и стойностите на компонентите на Pi филтъра могат да бъдат получени от уравнението по-долу -

Честота на прекъсване (fc) = 1 / 4ᴫ (LC) ^1/2 Стойността на капацитета е (C) = 1 / 4Z _0ᴫfc Стойност на импеданса (L1) = Z ₀ / 4ᴫfc Къде, Z ₀ е характеристиката на импеданса в ома и fc е граничната честота.

Предимства на Pi филтъра

Високо изходно напрежение

Изходното напрежение на pi филтъра е доста високо, което го прави подходящ за най-свързаното с мощността приложение, където се изискват DC филтри с високо напрежение.

Нисък коефициент на пулсации

Конфигуриран като нискочестотен филтър За целите на постояннотоковото филтриране, Pi филтърът е ефективен филтър за филтриране на нежеланото пулсиране на променлив ток, идващо от мостов изправител. Кондензаторът осигурява нисък импеданс в променлив ток, но високо съпротивление в постоянен ток поради ефекта на капацитета и реактивното съпротивление. Поради този нисък импеданс в променлив ток, първият кондензатор на филтъра Pi заобикаля пулсациите на променлив ток, идващи от мостовия токоизправител. Преминалата пулсация на променлив ток влиза в индуктора. Индукторът се противопоставя на промените в текущия поток и блокира пулсациите на променлив ток, които допълнително се филтрират от втория кондензатор. Тези няколко етапа на филтриране помагат да се получи много ниска пулсация на плавен DC изход през Pi филтъра.

Лесно проектиране в RF приложения

В контролирана RF среда, където се изисква предаване с по-висока честота, например в GHz лента, високочестотните Pi филтри се правят лесно и гъвкаво в печатната платка, използвайки само следи от печатни платки. Високочестотните Pi филтри също осигуряват имунитет срещу пренапрежение повече от филтрите на силициева основа. Например силициевият чип има граница на издръжливост на напрежение, докато pi филтрите, направени с помощта на пасивните компоненти, имат много по-голям имунитет по отношение на пренапрежения и тежки индустриални условия.

Недостатъци на Pi филтъра

По-високи стойности на индуктор на мощност

Различни от RF конструкцията, не е препоръчително да тече ток през Pi филтър, тъй като токът трябва да тече през индуктора. Ако този ток на натоварване е относително висок, тогава мощността на индуктора също се увеличава, което го прави обемен и скъп. Също така, високият ток през индуктора увеличава разсейването на мощността през индуктора, което води до лоша ефективност.

Входен кондензатор с висока стойност

Друг основен проблем на Pi филтъра е голямата стойност на входния капацитет. Пи филтрите изискват висок капацитет през входа, което се превърна в предизвикателство в ограничените приложения. Също така кондензаторите с висока стойност увеличават цената на дизайна.

Филтрите Pi с лошо регулиране на напрежението не са подходящи, когато токовете на натоварване не са стабилни и постоянно се променят. Pi филтрите осигуряват лошо регулиране на напрежението, когато токът на товара се отклонява много. В такова приложение се препоръчват филтрите с L секция.

Прилагане на Pi филтри

Преобразуватели на мощност

Както вече беше обсъдено, Pi филтрите са отличен DC филтър за потискане на пулсациите на променлив ток. Поради това поведение, Pi филтрите се използват широко в проекти на Power Electronic като AC-DC преобразувател, преобразувател на честота и др. Въпреки това, в Power Electronics Pi филтрите се използват като нискочестотен филтър и ние вече проектирахме верига за захранване Pi Filter нашият 12V 1A SMPS дизайн, както е показано по-долу.

Като цяло, Pi филтрите са директно свързани с мостовия токоизправител и изходът на Pi филтрите се нарича DC DC с високо напрежение. Изходното DC високо напрежение се използва за схемата на драйвера за захранване за по-нататъшна работа.

Тази конструкция, от диода на мостовия токоизправител до драйвера, има различна операция с работата на Pi-Filter. Първо, този Pi филтър осигурява плавен постоянен ток за работа без пулсации на цялостната верига на драйвера, водеща до ниска пулсация на изхода от крайния изход на захранването, а другият е за изолиране на основните линии от високата честота на превключване през верига на водача.

Правилно конструираният линеен филтър може да осигури общ режим на филтриране (филтър, който отхвърля шумовия сигнал, сякаш независим единичен проводник) и диференциален режим на филтриране (разграничаване на два шума от честотата на превключване, особено високочестотни шумове, които могат да бъдат добавени към мрежовата линия) в захранване, където Pi филтърът е важен компонент. Филтърът pi се нарича още Power Line филтър, ако се използва в Power Electronics Application.

RF приложение

В RF приложението Pi филтрите се използват при различни операции и различни конфигурации. Например, в RF приложения, съвпадащият импеданс е огромен фактор и Pi филтрите се използват за съвпадение на импеданса в RF антените и преди RF усилвателите. Въпреки това, в максимални случаи, когато се използва много висока честота, като например в честотната лента GHz, Pi филтрите се използват в линията за предаване на сигнала и са проектирани, като се използват само следи от печатни платки.

Горното изображение показва филтри, базирани на PCB проследяване, където проследяването създава индуктивност и капацитет в приложения с много висока честота. Освен предавателната линия, Pi филтрите се използват и в RF комуникационни устройства, където се извършват модулация и демодулация. Pi филтрите са предназначени за целева честота за демодулация на сигнала след приемане в страната на приемника. Високочестотните Pi филтри също се използват за заобикаляне на насочената висока честота в усилващите или предавателните етапи.

Съвети за дизайн на Pi-Filter

За да се проектира подходящ Pi филтър, се изисква да се компенсират правилните тактики за проектиране на платки за безпроблемна работа, тези съвети са изброени по-долу.

В силовата електроника

В оформлението на филтъра Pi се изискват дебели следи.
Изолирането на Pi филтъра от захранващото устройство е от съществено значение.
Разстоянието между входния кондензатор, индуктора и изходния кондензатор е необходимо, за да бъде затворено.
Заземителната равнина на изходния кондензатор е необходима, за да бъде директно свързана към веригата на драйвера чрез подходяща земна равнина.
Ако дизайнът се състои от шумни линии (като например линия за високо напрежение за водача), които трябва да бъдат свързани през DC с високо напрежение, е необходимо да свържете трасето преди крайния изходен кондензатор на Pi филтрите. Това подобрява имунитета срещу шум и нежеланото впръскване на шум във веригата на драйвера.

В RF схема

Изборът на компонент е основен критерий за RF приложението. Толерансът на компонентите играе основна роля.
Малко увеличение на проследяването на печатни платки може да предизвика индуктивност във веригата. Трябва да се внимава за избора на индуктор, като се вземе предвид индуктивността на следите от PCB. Дизайнът трябва да бъде направен, като се използват подходящи тактики за намаляване на разсейващата се индуктивност.
Необходим е разсеяният капацитет, за да се сведе до минимум.
Изисква се затворено поставяне.
Коаксиалният кабел е подходящ за вход и изход в RF приложението.