Pi-filter

Filtre brukes ofte i kraft- og lydelektronikk for å avvise uønskede frekvenser. Det er mange forskjellige typer filtre som brukes i elektroniske kretsdesigner basert på applikasjonen, men det underliggende konseptet til dem alle er det samme, det vil si å fjerne uønskede signaler. Alle disse filtrene kan kategoriseres i to typer - Aktive filtre og passive filtre. Det aktive filteret bruker en eller flere aktive komponenter med andre passive komponenter, mens passive filtre kun er laget med passive komponenter. Vi har allerede diskutert i detaljer om disse filtrene:

• Aktivt høypassfilter
• Aktivt lavpassfilter
• Passivt høypassfilter
• Passivt lavpassfilter
• Båndpassfilter
• Harmonisk filter

I denne opplæringen lærer vi en annen ny type filter som heter Pi Filter, som veldig ofte brukes i strømforsyningskretsdesign. Vi har allerede brukt Pi-Filter i noen av våre tidligere strømforsyningsdesign som denne 5V 2A SMPS-kretsen og 12V 1A SMPS-kretsen. Så, la oss komme i detalj om hva disse filtrene er og hvordan vi kan designe dem.

Pi-filter

Pi Filter er en type passivt filter som består av hovedsakelig tre andre komponenter enn de tradisjonelle to-element passive filtrene. Konstruksjonen av alle komponentene skaper formen til den greske bokstaven Pi (π), og dermed navnet Pi-seksjonen Filter.

I flertall brukes Pi-filtre til lavpasfilterapplikasjon, men en annen konfigurasjon er også mulig. Hovedkomponenten i et Pi-filter er kondensatoren og induktoren som gjør det til et LC-filter. I lavpassfilterapplikasjon kalte Pi-filter også kondensatorinngangsfilteret da kondensatoren holder seg over inngangssiden i lavpasskonfigurasjon.

Pi-filter som lavpassfilter

Pi-filteret er et utmerket lavpasfilter som er mye mer annerledes enn det tradisjonelle LC Pi-filteret. Når et Pi-filter er designet for lavpass, forblir utgangen stabil med en konstant k-faktor.

Den utformingen av et lavpassfilter med Pi konfigurasjonen er ganske grei. Den Pi filterkretsen består av to kondensatorer koblet i parallell, etterfulgt av en induktor i serie som danner en Pi form som vist på bildet nedenfor

Som vist i bildet ovenfor, består den av to kondensatorer som er koblet til jord med en mellomliggende serielinduktor. Siden dette er et lavpassfilter, produserer det høy impedans ved høy frekvens og lav impedans ved lav frekvens. Dermed blir det ofte brukt i en overføringslinje for å blokkere uønskede høye frekvenser.

Konstruksjonen og komponentverdiene til Pi-filterberegningen kan avledes fra ligningen nedenfor for å designe et Pi-filter for applikasjonen din.

Kuttfrekvens (fc) = 1 / ᴫ (LC) ^1/2 Verdien av kapasitansen er (C) = 1 / Z _0ᴫfc Induktansens verdi (L1) = Z ₀ / ᴫfc Hvor Z ₀ er impedanskarakteristikken i ohm og fc er avskjæringsfrekvensen.

Pi-filter som et høypassfilter

Samme som lavpassfilter, kan pi-filtre også konfigureres som et høypassfilter. I et slikt tilfelle blokkerer filteret lavfrekvensen og lar den høye frekvensen passere. Den er også laget med to typer passive komponenter, to induktorer og en kondensator.

I lavpass-konfigurasjon er filteret designet som to kondensatorer er parallelle med en induktor i mellom, men i høypass-konfigurasjon får posisjonen og mengden av de passive komponentene nøyaktig det motsatte. I stedet for en enkelt induktor brukes her to separate induktorer med en enkelt kondensator.

Ovenstående Pi Filter-kretsbilde viser filteret i høypass-konfigurasjon, og for ikke å nevne at konstruksjonen også ser ut som et symbol Pi. Konstruksjonen og komponentverdiene til Pi-filteret kan avledes fra ligningen nedenfor -

Kuttfrekvens (fc) = 1/4 ᴫ (LC) ^1/2 Verdien av kapasitansen er (C) = 1 / 4Z _0ᴫfc Impedansverdien (L1) = Z ₀ / 4ᴫfc Hvor Z ₀ er impedanskarakteristikken i ohm og fc er avskjæringsfrekvensen.

Fordeler med Pi-filteret

Høy utgangsspenning

Utgangsspenningen over pi-filteret er ganske høy, noe som gjør den egnet for den mest strømrelaterte applikasjonen der det kreves høyspennings DC-filtre.

Lav rippelfaktor

Konfigurert som et lavpassfilter I likestrømsfiltreringsformål er Pi-filter et effektivt filter for å filtrere ut uønsket vekselstrømsring som kommer fra en broretter. Kondensatoren gir lav impedans i vekselstrøm, men høy motstand i likestrøm på grunn av effekten av kapasitans og reaktans. På grunn av denne lave impedansen over vekselstrøm, forbi den første kondensatoren til Pi-filteret vekselstrømskrusningen som kommer fra broensretteren. Den forbikoblede AC-krusningen går inn i induktoren. Induktoren motstår endringene i strømmen og blokkerer vekselstrømsrykket som blir ytterligere filtrert av den andre kondensatoren. Disse flere trinnene i filtrering hjelper til med å produsere en jevn DC-utgang med veldig lav rippel jevnt over Pi-filteret.

Enkel å designe i RF-applikasjoner

I et kontrollert RF-miljø, der høyere frekvensoverføring er nødvendig, for eksempel i GHz-båndet, er høyfrekvente Pi-filtre enkle og fleksible å lage i PCB med bare PCB-spor. Høyfrekvente Pi-filtre gir også overspenningsimmuniteter mer enn de silisiumbaserte filtrene. For eksempel har en silisiumchip en grense for spenningstålkapasitet, mens pi-filtre laget med passive komponenter har mye mer immunitet når det gjelder overspenninger og tøffe industrielle miljøer.

Ulemper med Pi-filteret

Høyere effektinduktorverdier

Annet enn RF-design, anbefales ikke høy strømtrekk gjennom et Pi-filter siden strømmen må strømme gjennom induktoren. Hvis denne laststrømmen er relativt høy, øker også wattstyrken til induktoren og gjør den klumpete og kostbar. Dessuten øker den høye strømmen gjennom induktoren kraftavledningen over induktoren, noe som resulterer i dårlig effektivitet.

Inngangskondensator med høy verdi

Et annet stort problem med Pi-filteret er den store inngangskapasitansverdien. Pi-filtre krever høy kapasitans på tvers av inngangen, noe som ble en utfordring i plassbegrensede applikasjoner. Kondensatorer med høy verdi øker også kostnadene ved designet.

Dårlig spenningsregulering

Pi-filtre er ikke egnet der laststrømmen ikke er stabil og endrer seg kontinuerlig. Pi-filtre gir dårlig spenningsregulering når belastningsstrømmen går mye. I en slik applikasjon anbefales filtrene med en L-seksjon.

Påføring av Pi-filtre

Strømomformere

Som allerede diskutert, er Pi-filtre et utmerket DC-filter for å undertrykke AC-krusninger. På grunn av denne oppførselen blir Pi-filtre mye brukt i Power Electronic-design som AC-DC-omformer, Frekvensomformer osv. Imidlertid brukes Pi-filtre som lavpassfilter i Power Electronics, og vi har allerede designet en Pi- filterstrømforsyningskrets for vårt 12V 1A SMPS-design som vist nedenfor.

Vanligvis er Pi-filtre direkte koblet til broensretteren, og utgangen fra Pi-filtrene blir referert til som høyspennings DC. Utgangen DC-høyspenning brukes til strømforsyningskretsene for videre drift.

Denne konstruksjonen, fra Bridge-likeretterdiode til sjåføren, har en annen operasjon med Pi-Filter. For det første gir dette Pi-filteret jevn likestrøm for den rippelfrie driften av den totale driverkretsen, noe som resulterer i en lav utgangsring fra den endelige utgangen av strømforsyningen, og den andre er for å isolere hovedlinjer fra den høye svitsjefrekvensen over førerkrets.

Et riktig konstruert linjefilter kan gi Common-mode-filtrering (Et filter som avviser støysignal som om en uavhengig enkeltleder) og differensialmodusfiltrering (skiller mellom to koblingsfrekvensstøy, spesielt høyfrekvent støy som kan legges inn i strømledningen) i en strømforsyning der Pi-filter er en viktig komponent. Et pi-filter blir også referert til som et Power Line-filter hvis det brukes i Power Electronics Application.

RF-applikasjon

I RF-applikasjonen brukes Pi-filtre i forskjellige operasjoner og forskjellige konfigurasjoner. For eksempel, i RF-applikasjoner, er matchende impedans en stor faktor, og Pi-filtre brukes til å matche impedans over RF-antenner og før RF-forsterkere. Imidlertid, i maksimale tilfeller der veldig høy frekvens, som i GHz-båndet, brukes, brukes Pi-filtre i signaloverføringslinjen og utformet med kun PCB-spor.

Ovenstående bilde viser PCB-sporingsbaserte filtre der sporet skaper induktans og kapasitans i svært høyfrekvente applikasjoner. Annet enn overføringslinjen, brukes Pi-filtre også i RF-kommunikasjonsenheter, der modulering og demodulering finner sted. Pi-filtre er designet for en målrettet frekvens for å demodulere signalet etter mottak på mottakersiden. High pass Pi-filtre brukes også til å omgå målrettet høyfrekvens til forsterknings- eller overføringstrinnene.

Pi-filter designtips

For å designe et skikkelig Pi-filter er det nødvendig å kompensere riktig PCB-designtaktikk for problemfri drift. Disse tipsene er oppført nedenfor.

I kraftelektronikk

• Tykke spor kreves i Pi-filteroppsettet.
• Det er viktig å isolere Pi-filteret fra strømforsyningsenheten.
• Avstanden mellom inngangskondensatoren, induktoren og utgangskondensatoren er nødvendig for å bli stengt.
• Jordplanet til utgangskondensatoren er nødvendig for å være direkte koblet til førerkretsen via et riktig jordplan.
• Hvis designet består av støyende linjer (slik som høyspenningsfølsom linje for driveren) som må kobles over høyspennings DC, er det nødvendig å koble sporet før den endelige utgangskondensatoren til Pi-filtrene. Dette forbedrer støyimmunitet og uønsket støyinjeksjon over førerkretsene.

I RF-krets

• Komponentvalget er et hovedkriterium for RF-applikasjonen. Komponentenes toleranse spiller en viktig rolle.
• En liten økning i PCB-sporet kan indusere induktans i kretsen. Forsiktig bør utvises for valg av induktor ved å vurdere PCB-sporinduktans. Designet skal lages med riktig taktikk for å redusere svindelinduktans.
• Stray kapasitans er nødvendig for å minimeres.
• Stengt plassering kreves.
• Koaksialkabel er egnet for inngang og utgang i RF-applikasjonen.