Пі-фільтр

Фільтри зазвичай використовуються в силовій та аудіоелектроніці для відхилення небажаних частот. Існує багато різних типів фільтрів, що використовуються в конструкціях електронних схем, заснованих на застосуванні, але основна концепція всіх них однакова, тобто видалення небажаних сигналів. Всі ці фільтри можна розділити на два типи - активні та пасивні. Активний фільтр використовує один або кілька активних компонентів з іншими пасивними компонентами, тоді як пасивні фільтри виготовляються виключно з використанням пасивних компонентів. Ми вже детально обговорювали ці фільтри:

• Активний фільтр високих частот
• Активний фільтр низьких частот
• Пасивний фільтр високих частот
• Пасивний фільтр низьких частот
• Смуговий фільтр
• Гармонічний фільтр

У цьому підручнику ми дізнаємося про новий тип фільтра, який називається Pi Filter, який дуже часто використовується в конструкціях схем живлення. Ми вже використовували Pi-фільтр у кількох наших попередніх проектах джерела живлення, як це схема 5V 2A SMPS та схема SMPS 12V 1A. Отже, давайте детально розберемося, що це за фільтри та як їх проектувати.

Пі-фільтр

Pi Filter - це тип пасивного фільтра, який складається переважно з трьох компонентів, крім традиційних двоелементних пасивних фільтрів. Розміщення конструкцій усіх компонентів створює форму грецької літери Pi (π), тому назва Pi розділу Фільтр.

У більшості випадків фільтри Pi використовуються для застосування фільтрів низьких частот, але можлива і інша конфігурація. Основним компонентом фільтра Pi є конденсатор та індуктор, що робить його LC-фільтром. У застосуванні фільтра низьких частот фільтр Pi також називається вхідним фільтром конденсатора, оскільки конденсатор залишається на вхідній стороні в конфігурації низьких частот.

Пі-фільтр як фільтр низьких частот

Фільтр Pi - чудовий фільтр низьких частот, який набагато відрізняється від традиційного фільтра LC Pi. Коли фільтр Pi розроблений для низької частоти, вихід залишається стабільним з коефіцієнтом постійного k.

Конструкція фільтра нижніх частот з використанням конфігурації Pi досить проста. Схема фільтра Pi складається з двох паралельно з'єднаних конденсаторів, за якими послідовно складається індуктор, утворюючи форму Pi, як показано на зображенні нижче

Як видно на наведеному вище зображенні, він складається з двох конденсаторів, які підключені до землі за допомогою проміжного індуктора. Оскільки це фільтр низьких частот, він створює високий імпеданс при високій частоті та низький опір при низькій частоті. Таким чином, він зазвичай використовується в лінії електропередачі для блокування небажаних високих частот.

Конструкцію та значення компонентів розрахунку фільтра Pi можна отримати з наведеного нижче рівняння, щоб розробити фільтр Pi для вашої програми.

Частота відсічення (fc) = 1 / ᴫ (LC) ^1/2 Значення ємності становить (C) = 1 / Z _0ᴫfc Значення індуктивності (L1) = Z ₀ / ᴫfc Де, Z ₀ - характеристика імпедансу в омах і fc - частота відсічення.

Пі-фільтр як фільтр високих частот

Як і фільтр низьких частот, фільтри pi також можуть бути налаштовані як фільтр високих частот. У такому випадку фільтр блокує низьку частоту і пропускає високу частоту. Він також виготовляється з використанням двох типів пасивних компонентів, двох котушок індуктивності та одного конденсатора.

У конфігурації низьких частот фільтр розроблений так, що два конденсатори розташовані паралельно індуктору між ними, але в конфігурації низьких частот положення та кількість пасивних компонентів отримують прямо протилежне. Замість однієї котушки індуктивності тут використовуються дві окремі котушки індуктивності з одним конденсатором.

Наведене вище зображення схеми Pi фільтра показує фільтр у конфігурації високих частот, і не кажучи вже про конструкцію, вона також виглядає як символ Pi. Конструкцію та значення компонентів фільтра Pi можна отримати з наведеного нижче рівняння -

Частота відсічення (fc) = 1/4 / (LC) ^1/2 Значення ємності становить (C) = 1 / 4Z _0ᴫfc Значення імпедансу (L1) = Z ₀ / 4ᴫfc Де, Z ₀ - характеристика імпедансу в омах і fc - частота відсічення.

Переваги фільтра Pi

Висока вихідна напруга

Вихідна напруга на фільтрі pi досить висока, що робить його придатним для найбільш енергетичного застосування, де потрібні фільтри постійного струму високої напруги.

Низький коефіцієнт пульсації

Налаштований як фільтр низьких частот У фільтрації постійного струму фільтр Pi є ефективним фільтром для фільтрації небажаної пульсації змінного струму, що надходить від мостового випрямляча. Конденсатор забезпечує низький імпеданс в змінному струмі, але високий опір в постійному струмі через вплив ємності та реактивного опору. Через цей низький імпеданс через змінний струм перший конденсатор фільтра Pi обходить пульсації змінного струму, що надходять від мостового випрямляча. Оброблена пульсація змінного струму потрапляє в індуктор. Індуктор протистоїть змінам потоку струму і блокує пульсації змінного струму, які далі фільтруються другим конденсатором. Ці кілька етапів фільтрації допомагають отримати дуже низьку пульсацію плавного виходу постійного струму через фільтр Pi.

Легко проектувати у ВЧ-додатках

У контрольованому ВЧ-середовищі, де потрібна більш висока частота передачі, наприклад в діапазоні ГГц, високочастотні фільтри Pi легко та гнучко виготовляти на друкованій платі, використовуючи лише сліди друкованої плати. Високочастотні фільтри Pi також забезпечують перенапруження більше, ніж фільтри на основі кремнію. Наприклад, кремнієвий чіп має межу витримує напругу, тоді як фільтри pi, виготовлені з використанням пасивних компонентів, мають набагато більший захист від стрибків напруги та суворих виробничих умов.

Недоліки фільтра Pi

Більші значення потужності індуктора, крім конструкції ВЧ, не рекомендується використовувати сильний струм через фільтр Pi, оскільки струм повинен проходити через індуктор. Якщо цей струм навантаження відносно високий, то потужність індуктора також збільшується, роблячи його громіздким і дорогим. Крім того, високий струм через індуктор збільшує розсіювання потужності через індуктор, що призводить до низької ефективності.

Високозначний вхідний конденсатор

Ще однією основною проблемою фільтра Pi є велике значення вхідної ємності. Пі-фільтри вимагають високої ємності на вході, що стало проблемою в обмежених просторах додатках. Також високоцінні конденсатори збільшують вартість конструкції.

Фільтри Pi з поганою регуляцією напруги не підходять там, де струми навантаження не стабільні і постійно змінюються. Пі-фільтри забезпечують погане регулювання напруги, коли струм навантаження сильно дрейфує. У такому застосуванні рекомендуються фільтри з L-перерізом.

Застосування фільтрів Pi

Перетворювачі живлення

Як вже обговорювалося, фільтри Pi є чудовим фільтром постійного струму для придушення пульсацій змінного струму. Завдяки такій поведінці фільтри Pi широко використовуються в конструкціях Power Electronic, таких як перетворювач змінного струму, перетворювач частоти тощо. Однак у Power Electronics Pi фільтри використовуються як фільтр низьких частот, і ми вже розробили схему живлення Pi Filter для наш дизайн SMPS 12V 1A, як показано нижче.

Як правило, фільтри Pi безпосередньо пов'язані з мостовим випрямлячем, а вихід фільтрів Pi називається високовольтним постійним струмом. Вихідна напруга постійного струму використовується для схеми драйвера джерела живлення для подальшої роботи.

Ця конструкція, від діодного моста випрямляча до драйвера, має різну роботу з роботою Pi-фільтра. По-перше, цей фільтр Pi забезпечує плавний постійний струм для роботи без пульсацій загальної схеми драйвера, що призводить до низької пульсації на виході з кінцевого виходу джерела живлення, а інший призначений для ізоляції магістральних ліній від високої частоти комутації через схема драйвера.

Правильно сконструйований лінійний фільтр може забезпечити загальномодну фільтрацію (фільтр, який відхиляє сигнал шуму, як ніби незалежний одиночний провідник), та фільтрацію диференціального режиму (розмежування двох шумів частоти перемикання, особливо високочастотних шумів, які можна додати в мережеву лінію) в блоці живлення, де фільтр Pi є важливим компонентом. Пі-фільтр також називається фільтром Power Line, якщо він використовується в програмі Power Electronics.

Застосування РФ

У додатку RF фільтри Pi використовуються в різних операціях та різних конфігураціях. Наприклад, у радіочастотних додатках узгоджувальний імпеданс є величезним фактором, і фільтри Pi використовуються для узгодження імпедансу в радіочастотних антенах і перед підсилювачами радіочастот. Однак у максимальних випадках, коли використовується дуже висока частота, наприклад, в діапазоні ГГц, фільтри Pi використовуються в лінії передачі сигналу і проектуються з використанням лише слідів друкованої плати.

На наведеному вище зображенні показані фільтри на основі друкованих плат, де трасування створює індуктивність та ємність у дуже високочастотних додатках. Крім лінії передачі, фільтри Pi також використовуються в пристроях радіочастотного зв'язку, де відбувається модуляція та демодуляція. Пі-фільтри призначені для цільової частоти для демодуляції сигналу після прийому на стороні приймача. Високочастотні фільтри Pi також використовуються для обходу цільової високої частоти на каскадах посилення або передачі.

Поради щодо дизайну Pi-фільтра

Для розробки належного фільтра Pi потрібно компенсувати належну тактику проектування друкованої плати за безвідмовну роботу, ці поради наведені нижче.

В енергетичній електроніці

• У макеті фільтра Pi потрібні товсті сліди.
• Ізоляція фільтра Pi від блоку живлення є дуже важливою.
• Відстань між вхідним конденсатором, індуктивністю та вихідним конденсатором потрібно закрити.
• Площина заземлення вихідного конденсатора необхідна для безпосереднього підключення до схеми драйвера через відповідну площину заземлення.
• Якщо конструкція складається з шумних ліній (наприклад, високовольтної лінії для драйвера), яку потрібно підключити через високовольтний постійний струм, потрібно підключити трасу перед кінцевим вихідним конденсатором фільтрів Pi. Це покращує захист від шуму та небажане впорскування шуму в схему драйвера.

У ВЧ схемі

• Вибір компонентів є основним критерієм для застосування ВЧ. Допуск компонентів відіграє головну роль.
• Невелике збільшення сліду друкованої плати може викликати індуктивність в ланцюзі. Слід бути обережним при виборі індуктора, враховуючи індуктивність слідів ПХБ. Конструкція повинна бути виконана з використанням належної тактики для зменшення розсіяної індуктивності.
• Блудна ємність необхідна для мінімізації.
• Потрібно закрите розміщення.
• Коаксіальний кабель підходить для введення та виведення в радіочастотному додатку.