Pi filtrs

Filtri parasti tiek izmantoti enerģijas un audio elektronikā, lai noraidītu nevēlamās frekvences. Elektronisko shēmu projektēšanā, pamatojoties uz lietojumprogrammu, tiek izmantoti daudz dažādu filtru veidi, taču to visu pamatideja ir vienāda, tas ir, lai noņemtu nevēlamus signālus. Visus šos filtrus var iedalīt divos veidos - aktīvie un pasīvie filtri. Aktīvais filtrs izmanto vienu vai vairākus aktīvos komponentus kopā ar citiem pasīvajiem komponentiem, savukārt pasīvie filtri tiek izgatavoti tikai, izmantojot pasīvos komponentus. Mēs jau detalizēti apspriedām šos filtrus:

• Aktīvs augstfrekvences filtrs
• Aktīvs zemas caurlaides filtrs
• Pasīvais augstfrekvences filtrs
• Pasīvais zemfrekvences filtrs
• Joslas filtrs
• Harmoniskais filtrs

Šajā apmācībā mēs iemācāmies vēl vienu jauna veida filtru, ko sauc par Pi filtru, ko ļoti bieži izmanto barošanas ķēžu projektēšanā. Mēs jau esam izmantojuši Pi-filtru dažos iepriekšējos barošanas avotu projektos, piemēram, šajā 5V 2A SMPS ķēdē un 12V 1A SMPS ķēdē. Tātad, sīki izpētīsim, kādi ir šie filtri un kā tos noformēt.

Pi-filtrs

Pi filtrs ir pasīvā filtra veids, kas sastāv galvenokārt no trim komponentiem, izņemot tradicionālos divu elementu pasīvos filtrus. Visu komponentu konstrukcijas izvietojums rada grieķu burta Pi (π) formu, līdz ar to nosaukums Pi sadaļa Filter.

Vairākumā Pi filtrus izmanto zemfrekvences filtru lietošanai, taču ir iespējama arī cita konfigurācija. Pi filtra galvenā sastāvdaļa ir kondensators un induktors, padarot to par LC filtru. Zemfrekvences filtru pielietojumā Pi filtru sauc arī par kondensatora ievades filtru, jo kondensators atrodas pāri ieejas pusei zemas caurlaides konfigurācijā.

Pi filtrs kā zemas caurlaidības filtrs

Pi filtrs ir lielisks zemas caurlaidības filtrs, kas daudz atšķiras no tradicionālā LC Pi filtra. Ja Pi filtrs ir paredzēts zemai caurlaidei, izeja paliek stabila ar nemainīgu k koeficientu.

No zemas caurlaides filtru dizains izmantojot Pi konfigurācija ir diezgan vienkārši. Pi Filter ķēde sastāv no diviem kondensatoriem, kuri savienoti paralēli seko induktors virknē veido Pi formu, kā parādīts attēlā zemāk

Kā redzams iepriekšējā attēlā, tas sastāv no diviem kondensatoriem, kas ir savienoti ar zemi ar starpposma sērijas induktoru. Tā kā tas ir zemfrekvences filtrs, tas rada augstu pretestību augstā frekvencē un zemu pretestību zemā frekvencē. Tādējādi to parasti izmanto pārvades līnijā, lai bloķētu nevēlamas augstas frekvences.

Pi filtra aprēķina konstrukciju un komponentu vērtības var iegūt no zemāk esošā vienādojuma, lai izveidotu Pi filtru jūsu lietojumprogrammai.

Griezuma frekvence (fc) = 1 / ᴫ (LC) ^1/2 Kapacitātes vērtība ir (C) = 1 / Z _{0ᴫfc Induktivitātes} vērtība (L1) = Z ₀ / ᴫfc Kur, Z ₀ ir impedances raksturojums omos un fc ir izslēgtā frekvence.

Pi filtrs kā augstfrekvences filtrs

Tāpat kā zemfrekvences filtru, pi filtrus var konfigurēt arī kā augstfrekvences filtrus. Šādā gadījumā filtrs bloķē zemo frekvenci un ļauj iziet augstajai frekvencei. Tas tiek izgatavots arī, izmantojot divu veidu pasīvos komponentus, divus induktorus un vienu kondensatoru.

Zemfrekvences konfigurācijā filtrs ir konstruēts tā, ka divi kondensatori atrodas paralēli induktoram starp tiem, bet augstfrekvences konfigurācijā pasīvo komponentu stāvoklis un daudzums kļūst tieši pretēji. Viena induktora vietā šeit tiek izmantoti divi atsevišķi induktori ar vienu kondensatoru.

Iepriekš minētais Pi filtra ķēdes attēls parāda filtru augstfrekvences konfigurācijā, nemaz nerunājot par to, ka konstrukcija izskatās arī kā simbols Pi. Pi filtra konstrukciju un komponentu vērtības var atvasināt no šī vienādojuma -

Griezuma frekvence (fc) = 1 / 4ᴫ (LC) ^1/2 kapacitātes vērtība ir (C) = 1 / 4Z _{0ᴫfc Impedīcijas} vērtība (L1) = Z ₀ / 4ᴫfc Kur, Z ₀ ir pretestības raksturlielums omos un fc ir izslēgtā frekvence.

Pi filtra priekšrocības

Augsts izejas spriegums

Izejas spriegums visā pi filtrā ir diezgan augsts, tāpēc tas ir piemērots visvairāk ar enerģiju saistītajam lietojumam, kur nepieciešami augstsprieguma līdzstrāvas filtri.

Zems pulsācijas koeficients

Konfigurēts kā zemfrekvences filtrs Līdzstrāvas filtrēšanas nolūkos Pi filtrs ir efektīvs filtrs, lai filtrētu nevēlamu maiņstrāvas pulsāciju, kas nāk no tilta taisngrieža. Kondensators nodrošina zemu pretestību maiņstrāvā, bet lielu pretestību līdzstrāvā kapacitātes un reaktivitātes ietekmes dēļ. Šīs zemās pretestības dēļ visā maiņstrāvā Pi filtra pirmais kondensators apiet maiņstrāvas pulsāciju, kas nāk no tilta taisngrieža. Apietais maiņstrāvas pulsācija nonāk induktorā. Induktors pretojas strāvas plūsmas izmaiņām un bloķē maiņstrāvas viļņus, kurus viņu tālāk filtrē otrais kondensators. Šie vairākie filtrēšanas posmi palīdz radīt ļoti zemu viļņotu vienmērīgu līdzstrāvas izvadi visā Pi filtrā.

Viegli projektējams RF lietojumprogrammās

Kontrolētā RF vidē, kur nepieciešama augstākas frekvences pārraide, piemēram, GHz joslā, augstas frekvences Pi filtrus ir viegli un elastīgi izgatavot PCB, izmantojot tikai PCB pēdas. Augstas frekvences Pi filtri arī nodrošina pārsprieguma imunitāti vairāk nekā silīcija filtri. Piemēram, silīcija mikroshēmai ir ierobežota sprieguma izturība, turpretī pi filtriem, kas izgatavoti, izmantojot pasīvos komponentus, ir daudz lielāka imunitāte pārsprieguma un skarbās rūpnieciskās vides ziņā.

Pi filtra trūkumi

Augstākas jaudas induktora vērtības, izņemot RF konstrukciju, nav ieteicams izmantot lielu strāvu caur Pi filtru, jo strāvai ir jāplūst caur induktoru. Ja šī slodzes strāva ir salīdzinoši liela, tad palielinās arī induktora jauda, ​​kas padara to apjomīgu un dārgu. Arī lielā strāva caur induktoru palielina enerģijas izkliedi visā induktorā, kā rezultātā slikta efektivitāte.

Augstas vērtības ieejas kondensators

Vēl viena būtiska Pi filtra problēma ir lielā ieejas kapacitātes vērtība. Pi filtriem ir nepieciešama liela kapacitāte visā ieejā, kas kļuva par izaicinājumu kosmosa ierobežotajās lietojumprogrammās. Arī augstas vērtības kondensatori palielina dizaina izmaksas.

Sliktā sprieguma regulēšanas

Pi filtri nav piemēroti, ja slodzes strāvas nav stabilas un pastāvīgi mainās. Pi filtri nodrošina sliktu sprieguma regulēšanu, ja slodzes strāva daudz novirzās. Šādā lietojumā ieteicams izmantot filtrus ar L sekciju.

Pi filtru lietošana

Jaudas pārveidotāji

Kā jau tika apspriests, Pi filtri ir lielisks līdzstrāvas filtrs, kas nomāc maiņstrāvas viļņus. Sakarā ar šo uzvedību, Pi filtri tiek plaši izmantoti enerģijas elektroniskajos projektos, piemēram, maiņstrāvas-līdzstrāvas pārveidotājs, frekvences pārveidotājs utt. Tomēr Power Electronics Pi filtri tiek izmantoti kā zemas caurlaidības filtrs, un mēs jau esam izstrādājuši Pi filtra barošanas ķēdi, mūsu 12V 1A SMPS dizains, kā parādīts zemāk.

Parasti Pi filtri ir tieši savienoti ar tilta taisngriezi, un Pi filtru izvadi sauc par augstsprieguma līdzstrāvu. Izejas līdzstrāvas augstspriegums tiek izmantots strāvas padeves draivera shēmai turpmākai darbībai.

Šai konstrukcijai, sākot no tilta taisngrieža diode līdz vadītājam, ir atšķirīga darbība ar Pi-filtra darbību. Pirmkārt, šis Pi filtrs nodrošina vienmērīgu līdzstrāvu, lai darbinātu kopējo draivera ķēdi bez pulsācijas, kā rezultātā barošanas avota gala izejas pulsācija ir zema, un otrs ir paredzēts galveno līniju izolēšanai no augstas komutācijas frekvences visā vadītāja ķēde.

Pareizi uzbūvēts līnijas filtrs var nodrošināt kopēja režīma filtrēšanu (filtru, kas noraida trokšņa signālu it kā neatkarīgu atsevišķu vadītāju) un diferenciālā režīma filtrēšanu (diferencējot divus komutācijas frekvences trokšņus, īpaši augstas frekvences troksni, ko var pievienot elektrotīklam) barošanas blokā, kur Pi filtrs ir svarīgs komponents. Pi filtru sauc arī par elektrolīnijas filtru, ja to izmanto Power Electronics lietojumprogrammā.

RF lietojums

RF lietojumprogrammā Pi filtri tiek izmantoti dažādās operācijās un dažādās konfigurācijās. Piemēram, RF lietojumprogrammās impedances saskaņošana ir milzīgs faktors, un Pi filtrus izmanto, lai saskaņotu pretestību visā RF antenās un pirms RF pastiprinātājiem. Tomēr maksimālajos gadījumos, kad tiek izmantota ļoti augsta frekvence, piemēram, GHz joslā, signāla pārvades līnijā tiek izmantoti Pi filtri, kas projektēti, izmantojot tikai PCB pēdas.

Iepriekš redzamajā attēlā ir parādīti uz PCB izsekojamības balstīti filtri, kur pēdas rada induktivitāti un kapacitāti ļoti augstas frekvences lietojumos. Izņemot pārvades līniju, Pi filtrus izmanto arī RF sakaru ierīcēs, kur notiek modulācija un demodulācija. Pi filtri ir paredzēti mērķētai frekvencei, lai demodulētu signālu pēc uztveršanas uztvērēja pusē. Augstas caurlaidības Pi filtrus izmanto arī, lai apietu mērķtiecīgu augstfrekvenci pastiprināšanas vai pārraides posmos.

Pi-Filter dizaina padomi

Lai izveidotu pareizu Pi filtru, ir nepieciešams kompensēt pareizu PCB dizaina taktiku bez traucējumiem. Šie padomi ir uzskaitīti zemāk.

Darbā Power Electronics

• Pi filtra izkārtojumā ir nepieciešamas biezas pēdas.
• Ir būtiski izolēt Pi filtru no barošanas bloka.
• Attālums starp ieejas kondensatoru, induktoru un izejas kondensatoru ir jāaizver.
• Izvades kondensatora iezemētā plakne ir nepieciešama, lai to tieši savienotu ar vadītāja ķēdi, izmantojot pareizu iezemēto plakni.
• Ja dizains sastāv no trokšņainām līnijām (piemēram, augstsprieguma sensora vadītājam), kas jāpievieno augstsprieguma līdzstrāvai, trase jāpievieno pirms Pi filtru gala izejas kondensatora. Tas uzlabo trokšņa imunitāti un nevēlamu trokšņa iesmidzināšanu visā vadītāja ķēdē.

RF ķēdē

• Komponentu izvēle ir galvenais RF lietojuma kritērijs. Komponentu tolerancei ir galvenā loma.
• Neliels PCB pēdas pieaugums var izraisīt induktivitāti ķēdē. Pienācīgi jārūpējas par induktora izvēli, ņemot vērā PCB izsekošanas induktivitāti. Dizains jāveido, izmantojot pareizu taktiku, lai samazinātu klaiņojošo induktivitāti.
• Ir jāsamazina klaiņojošā kapacitāte.
• Nepieciešama slēgta izvietošana.
• Koaksiālais kabelis ir piemērots ieejai un izejai RF lietojumprogrammā.