Pi-filter

Filtre bruges ofte i strøm- og lydelektronik til at afvise uønskede frekvenser. Der er mange forskellige typer filtre, der anvendes i elektroniske kredsløbsdesign baseret på applikationen, men det underliggende koncept for dem alle er det samme, det vil sige at fjerne uønskede signaler. Alle disse filtre kan kategoriseres i to typer - aktive filtre og passive filtre. Det aktive filter bruger en eller flere aktive komponenter sammen med andre passive komponenter, mens passive filtre udelukkende fremstilles ved hjælp af passive komponenter. Vi har allerede diskuteret detaljeret om disse filtre:

• Aktivt højpasfilter
• Aktivt lavpasfilter
• Passivt højpasfilter
• Passivt lavpasfilter
• Båndpasfilter
• Harmonisk filter

I denne vejledning lærer vi en anden ny type filter kaldet Pi Filter, som meget almindeligt bruges i strømforsyningskredsløb. Vi har allerede brugt Pi-filter i et par af vores tidligere strømforsyningsdesign som dette 5V 2A SMPS-kredsløb og 12V 1A SMPS-kredsløb. Så lad os komme i detaljer om, hvad disse filtre er, og hvordan man designer dem.

Pi-filter

Pi Filter er en type passivt filter, der hovedsagelig består af tre andre komponenter end de traditionelle to-element passive filtre. Konstruktionsarrangementet for alle komponenter skaber formen på det græske bogstav Pi (π), og dermed navnet Pi-sektion Filter.

I de fleste tilfælde anvendes Pi-filtre til lavpasfilterapplikation, men en anden konfiguration er også mulig. Hovedkomponenten i et Pi-filter er kondensatoren og induktoren, der gør det til et LC-filter. I lavpasfilterapplikation kaldte Pi-filter også kondensatorinputfilteret, da kondensatoren forbliver på tværs af indgangssiden i lavpaskonfiguration.

Pi-filter som et lavpasfilter

Pi-filteret er et fremragende lavpasfilter, der er meget mere anderledes end det traditionelle LC Pi-filter. Når et Pi-filter er designet til en lavpasning, forbliver output stabilt med en konstant-k-faktor.

Den udformning af et lavpasfilter ved hjælp af Pi konfiguration er temmelig ligetil. Den Pi Filter kredsløb består af to kondensatorer er forbundet i parallel efterfulgt af en spole i serie danner en Pi form som vist i billedet nedenfor

Som det ses i ovenstående billede, består den af ​​to kondensatorer, der er forbundet til jord med en mellemliggende serielinduktor. Da dette er et lavpasfilter, producerer det høj impedans ved høj frekvens og lav impedans ved lav frekvens. Således bruges det almindeligt i en transmissionslinie til at blokere uønskede høje frekvenser.

Konstruktionen og komponentværdierne i Pi-filterberegningen kan udledes af nedenstående ligning for at designe et Pi-filter til din applikation.

Afskæringsfrekvens (fc) = 1 / ᴫ (LC) ^1/2 Værdien af ​​kapacitansen er (C) = 1 / Z _0ᴫfc Induktansens værdi (L1) = Z ₀ / ᴫfc Hvor Z ₀ er impedanskarakteristikken i ohm og fc er afskæringsfrekvensen.

Pi-filter som et højpasfilter

Samme som lavpasfilter, pi-filtre kan også konfigureres som et højpasfilter. I et sådant tilfælde blokerer filteret lavfrekvensen og tillader højfrekvens at passere. Det er også lavet ved hjælp af to typer passive komponenter, to induktorer og en kondensator.

I lavpas-konfiguration er filteret designet, da to kondensatorer er parallelle med en induktor imellem, men i højpas-konfiguration får positionen og mængden af ​​de passive komponenter nøjagtigt det modsatte. I stedet for en enkelt induktor bruges her to separate induktorer med en enkelt kondensator.

Ovenstående Pi Filter-kredsløbsbillede viser filteret i højpas-konfiguration, og for ikke at nævne konstruktionen ligner også et symbol Pi. Konstruktionen og komponentværdierne for Pi-filteret kan afledes af nedenstående ligning -

Afskæringsfrekvens (fc) = 1/4 ᴫ (LC) ^1/2 Værdien af ​​kapacitansen er (C) = 1 / 4Z _0ᴫfc Impedansværdien (L1) = Z ₀ / 4ᴫfc Hvor, Z ₀ er impedanskarakteristikken i ohm og fc er afskæringsfrekvensen.

Fordele ved Pi-filteret

Høj udgangsspænding

Udgangsspændingen over pi-filteret er ret høj, hvilket gør den velegnet til den mest strømrelaterede anvendelse, hvor jævnstrøms-jævnstrømsfiltre er påkrævet.

Lav krusningsfaktor

Konfigureret som et lavpasfilter I jævnstrømsfiltreringsformål er Pi-filter et effektivt filter til at filtrere uønsket vekselstrøms krusning fra en broretter. Kondensatoren giver lav impedans i AC, men en høj modstand i DC på grund af effekten af ​​kapacitans og reaktans. På grund af denne lave impedans over vekselstrøm omgår Pi-filterets første kondensator vekselstrømsbølgen, der kommer fra broensretteren. Den forbikoblede AC-krusning går ind i induktoren. Induktoren modstår ændringer i strømmen og blokerer AC-krusningen, som han yderligere filtrerer af den anden kondensator. Disse flere trin i filtrering hjælper med at producere en meget lav rippel jævn DC-output på tværs af Pi-filteret.

Nemt at designe i RF-applikationer

I et kontrolleret RF-miljø, hvor der kræves transmission med højere frekvens, for eksempel i GHz-båndet, er High-Frequency Pi-filtre nemme og fleksible at fremstille i printkortet ved hjælp af kun printkortspor. Højfrekvente Pi-filtre giver også overspændingsimmuniteter mere end de siliciumbaserede filtre. For eksempel har en siliciumchip en grænse for spændingsmodstandskapacitet, mens pi-filtre fremstillet ved hjælp af de passive komponenter har meget mere immunitet med hensyn til bølger og barske industrielle miljøer.

Ulemper ved Pi-filteret

Højere wattinduktorværdier

Bortset fra RF-design anbefales høj strømtrækning gennem et Pi-filter ikke, da strømmen skal strømme gennem induktoren. Hvis denne belastningsstrøm er relativt høj, øges induktorens watt også, hvilket gør det voluminøst og dyrt. Den høje strøm gennem induktoren øger også spredningen over induktoren, hvilket resulterer i dårlig effektivitet.

Inputkondensator med høj værdi

Et andet stort problem med Pi-filteret er den store inputkapacitansværdi. Pi-filtre kræver høj kapacitans på tværs af indgangen, hvilket blev en udfordring i pladsbegrænsede applikationer. Desuden øger kondensatorer med høj værdi omkostningerne ved designet.

Dårlig spændingsregulering

Pi-filtre er ikke egnede, når belastningsstrømme ikke er stabile og konstant skifter. Pi-filtre giver dårlig spændingsregulering, når belastningsstrømmen flyder meget. I en sådan anvendelse anbefales filtre med en L-sektion.

Anvendelse af Pi-filtre

Strømomformere

Som allerede diskuteret er Pi-filtre et fremragende DC-filter til at undertrykke AC-krusninger. På grund af denne opførsel anvendes Pi-filtre i vid udstrækning i strømelektroniske designs som AC-DC-konverter, frekvensomformer osv. Imidlertid anvendes Pi-filtre som lavpasfilter i Power Electronics, og vi har allerede designet et Pi-filter strømforsyningskredsløb til vores 12V 1A SMPS-design som vist nedenfor.

Generelt er Pi-filtre direkte forbundet med broensretteren, og output fra Pi-filtre kaldes højspændingsstrøm. Outputtet DC højspænding bruges til strømforsyning driver kredsløb til videre drift.

Denne konstruktion, fra Bridge-ensretterdiode til føreren, har en anden operation med Pi-Filter's arbejde. For det første giver dette Pi-filter jævn DC til krusningsfri drift af det samlede driverkredsløb, hvilket resulterer i en lav output-krusning fra den endelige output fra strømforsyningen, og den anden er til isolering af hovedledninger fra den høje skiftefrekvens over hele driver kredsløb.

Et korrekt konstrueret linjefilter kan tilvejebringe filtrering i fælles tilstand (Et filter, der afviser støjsignal, som om en uafhængig enkeltleder) og differentieringsmodusfiltrering (differentierer to koblingsfrekvensstøj, især højfrekvent støj, der kan tilføjes til hovedledningen) i en strømforsyning, hvor Pi-filter er en vigtig komponent. Et pi-filter kaldes også et Power Line-filter, hvis det bruges i Power Electronics-applikationen.

RF-applikation

I RF-applikationen bruges Pi-filtre i forskellige operationer og forskellige konfigurationer. For eksempel i RF-applikationer er matchende impedans en enorm faktor, og Pi-filtre bruges til at matche impedans på tværs af RF-antennerne og før RF-forstærkere. I maksimale tilfælde, hvor meget høj frekvens, f.eks. I GHz-båndet, anvendes, anvendes Pi-filtre i signaltransmissionsledningen og er kun designet med PCB-spor.

Ovenstående billede viser PCB-sporingsbaserede filtre, hvor sporet skaber induktans og kapacitans i meget højfrekvente applikationer. Ud over transmissionslinjen bruges Pi-filtre også i RF-kommunikationsenheder, hvor modulering og demodulation finder sted. Pi-filtre er designet til en målrettet frekvens til at demodulere signalet efter modtagelse i modtagersiden. Højpas Pi-filtre bruges også til at omgå målrettet højfrekvens til forstærkning eller transmissionstrin.

Pi-filter designtips

For at designe et ordentligt Pi-filter er det nødvendigt at kompensere for korrekt PCB-designtaktik for problemfri drift. Disse tip er anført nedenfor.

I Power Electronics

• Der kræves tykke spor i Pi-filterlayoutet.
• Det er vigtigt at isolere Pi-filteret fra strømforsyningsenheden.
• Afstanden mellem indgangskondensatoren, induktoren og udgangskondensatoren er nødvendig for at blive lukket.
• Udgangskondensatorens jordplan er nødvendig for at være direkte forbundet til førerkredsløbet via et korrekt jordplan.
• Hvis designet består af støjende linjer (som f.eks. Højspændingsfølsomhedslinje for driveren), der skal forbindes over højspændingsstrøm, er det nødvendigt at forbinde sporet inden den endelige udgangskondensator for Pi-filtrene. Dette forbedrer støjimmunitet og uønsket støjinjektion over førerens kredsløb.

I RF-kredsløb

• Komponentvalget er et vigtigt kriterium for RF-applikationen. Komponenternes tolerance spiller en vigtig rolle.
• En lille stigning i PCB-sporet kan inducere induktans i kredsløbet. Korrekt forsigtighed skal tages ved valg af induktor ved at overveje PCB-sporinduktans. Designet skal laves ved hjælp af korrekt taktik for at reducere svindelinduktans.
• Stray kapacitans er nødvendig for at minimeres.
• Lukket placering er påkrævet.
• Koaksialkabel er velegnet til input og output i RF-applikationen.