Filtr pí

Filtry se běžně používají v výkonové a zvukové elektronice k odmítnutí nežádoucích frekvencí. Existuje mnoho různých typů filtrů používaných v konstrukcích elektronických obvodů založených na aplikaci, ale základní koncept všech z nich je stejný, to znamená odstranění nežádoucích signálů. Všechny tyto filtry lze rozdělit do dvou typů - aktivní filtry a pasivní filtry. Aktivní filtr používá jednu nebo více aktivních komponent s jinými pasivními komponentami, zatímco pasivní filtry jsou vyráběny pouze pomocí pasivních komponent. O těchto filtrech jsme již podrobně diskutovali:

• Aktivní horní propust
• Aktivní dolní propust
• Pasivní High Pass filtr
• Pasivní dolní propust
• Pásmový filtr
• Harmonický filtr

V tomto kurzu se naučíme další nový typ filtru s názvem Pi Filter, který se velmi často používá v konstrukcích obvodů napájecího zdroje. Již jsme použili Pi-Filter v několika našich předchozích provedeních napájecího zdroje, jako je tento 5V 2A SMPS obvod a 12V 1A SMPS obvod. Pojďme se tedy podrobně zabývat tím, co tyto filtry jsou a jak je navrhnout.

Pi-filtr

Pi Filter je typ pasivního filtru, který se skládá hlavně ze tří jiných komponent než tradičních dvouprvkových pasivních filtrů. Konstrukční uspořádání všech komponent vytváří tvar řeckého písmene Pi (π), tedy název sekce Pi Filtr.

Většinou se filtry Pi používají pro aplikaci nízkoprůchodového filtru, ale je možná i jiná konfigurace. Hlavní složkou Pi filtru je kondenzátor a induktor, což z něj dělá LC filtr. V aplikaci s nízkoprůchodovým filtrem se filtr Pi také nazývá vstupní filtr kondenzátoru, protože kondenzátor zůstává napříč vstupní stranou v konfiguraci s nízkým průchodem.

Filtr Pi jako dolní propust

Filtr Pi je vynikající nízkoprůchodový filtr, který je mnohem odlišnější než tradiční filtr LC Pi. Když je filtr Pi navržen pro dolní propust, výstup zůstane stabilní s faktorem konstantní k.

Konstrukce dolní propusti pomocí nastavení Pi je velice jednoduché. Obvod filtru Pi se skládá ze dvou paralelně zapojených kondenzátorů následovaných sériovým induktorem tvořícím tvar Pi, jak je znázorněno na obrázku níže

Jak je vidět na výše uvedeném obrázku, skládá se ze dvou kondenzátorů, které jsou připojeny k zemi pomocí sériového induktoru. Jelikož se jedná o dolní propust, produkuje vysokou impedanci při vysoké frekvenci a nízkou impedanci při nízké frekvenci. Proto se běžně používá v přenosovém vedení k blokování nežádoucích vysokých frekvencí.

Konstrukci a hodnoty komponent výpočtu výpočtu filtru Pi lze odvodit z níže uvedené rovnice a navrhnout filtr Pi pro vaši aplikaci.

Mezní frekvence (fc) = 1 / ᴫ (LC) ^1/2 Hodnota kapacity je (C) = 1 / Z _0ᴫfc Hodnota indukčnosti (L1) = Z ₀ / ᴫfc Kde, Z ₀ je impedanční charakteristika v ohmech a fc je mezní frekvence.

Filtr Pi jako filtr s vysokou propustí

Stejně jako dolní propust lze filtry pí konfigurovat také jako horní propust. V takovém případě filtr blokuje nízkou frekvenci a umožňuje průchod vysoké frekvenci. Vyrábí se také pomocí dvou typů pasivních komponent, dvou induktorů a jednoho kondenzátoru.

V konfiguraci s nízkým průchodem je filtr navržen, protože dva kondenzátory jsou paralelně s induktorem mezi nimi, ale v konfiguraci s vysokým průchodem je poloha a množství pasivních složek přesně opačné. Namísto jediného induktoru se zde používají dva samostatné induktory s jedním kondenzátorem.

Výše uvedený obrázek obvodu filtru Pi ukazuje filtr ve vysokoprůchodové konfiguraci a nemluvě o tom, že konstrukce také vypadá jako symbol Pi. Konstrukce a hodnoty složek filtru Pi lze odvodit z níže uvedené rovnice -

Mezní frekvence (fc) = 1 / 4ᴫ (LC) ^1/2 Hodnota kapacity je (C) = 1 / 4Z _0ᴫfc Hodnota impedance (L1) = Z ₀ / 4ᴫfc Kde, Z ₀ je impedanční charakteristika v ohmech a fc je mezní frekvence.

Výhody filtru Pi

Vysoké výstupní napětí

Výstupní napětí na filtru pi je poměrně vysoké, takže je vhodné pro aplikace související s napájením, kde jsou vyžadovány vysokonapěťové stejnosměrné filtry.

Faktor nízkého zvlnění

Konfigurován jako nízkofrekvenční filtr Pro účely stejnosměrné filtrace je filtr Pi efektivní filtr, který odfiltruje nežádoucí zvlnění střídavého proudu vycházející z můstkového usměrňovače. Kondenzátor poskytuje nízkou impedanci v AC, ale vysoký odpor v DC v důsledku účinku kapacity a reaktance. Kvůli této nízké impedanci napříč střídavým proudem obchází první kondenzátor filtru Pi střídavé zvlnění přicházející z můstkového usměrňovače. Bypassované zvlnění střídavého proudu jde do induktoru. Induktor odolává změnám toku proudu a blokuje zvlnění střídavého proudu, které je dále filtrováno druhým kondenzátorem. Tyto vícenásobné stupně filtrování pomáhají produkovat velmi nízký zvlněný hladký stejnosměrný výstup přes filtr Pi.

Snadné navrhování v RF aplikacích

V kontrolovaném RF prostředí, kde je vyžadován vysokofrekvenční přenos, například v pásmu GHz, lze vysokofrekvenční Pi filtry snadno a flexibilně vyrobit na desce plošných spojů pouze pomocí stop PCB. Vysokofrekvenční filtry Pi také poskytují odolnost proti přepětí více než filtry na bázi křemíku. Například křemíkový čip má omezenou kapacitu odolnosti vůči napětí, zatímco filtry pí vyrobené pomocí pasivních komponent mají mnohem větší imunitu, pokud jde o přepětí a drsné průmyslové prostředí.

Nevýhody filtru Pi

Hodnoty induktoru s vyšším příkonem

Jiné než RF návrh se nedoporučuje vysoký odběr proudu přes filtr Pi, protože proud musí protékat induktorem. Pokud je tento zatěžovací proud relativně vysoký, zvyšuje se také výkon induktoru, což je objemné a drahé. Vysoký proud induktorem také zvyšuje rozptyl energie přes induktor, což vede ke špatné účinnosti.

Vysoce hodnotný vstupní kondenzátor

Dalším velkým problémem Pi filtru je velká hodnota vstupní kapacity. Filtry Pi vyžadují vysokou kapacitu napříč vstupem, což se stalo výzvou v aplikacích s omezeným prostorem. Kondenzátory s vysokou hodnotou také zvyšují náklady na design.

Filtry špatné regulace napětí Pi nejsou vhodné tam, kde zatěžovací proudy nejsou stabilní a neustále se mění. Pi filtry poskytují špatnou regulaci napětí, když se proud zátěže hodně pohybuje. V takové aplikaci se doporučují filtry s částí L.

Aplikace Pi filtrů

Měniče výkonu

Jak již bylo uvedeno, filtry Pi jsou vynikajícím stejnosměrným filtrem k potlačení vlnění střídavého proudu. Kvůli tomuto chování se filtry Pi široce používají v konstrukcích Power Electronic, jako je převodník AC-DC, frekvenční převodník atd. V Power Electronics se však filtry Pi používají jako dolní propust a již jsme navrhli napájecí obvod Pi Filter pro náš 12V 1A SMPS design, jak je uvedeno níže.

Filtry Pi jsou obecně přímo spojeny s můstkovým usměrňovačem a výstup filtrů Pi se označuje jako vysokonapěťový stejnosměrný proud. Výstupní DC vysoké napětí se používá pro obvody napájecího zdroje pro další provoz.

Tato konstrukce, od diody můstkového usměrňovače po budič, má jinou činnost s fungováním Pi-filtru. Nejprve tento Pi filtr poskytuje plynulý stejnosměrný proud pro provoz celého obvodu budiče bez zvlnění, což má za následek malé zvlnění výstupu z konečného výstupu napájecího zdroje, a druhý slouží k izolaci hlavních vedení od vysoké spínací frekvence napříč obvod řidiče.

Správně konstruovaný síťový filtr může zajistit filtraci v běžném režimu (filtr, který odmítá šumový signál, jako by to byl samostatný samostatný vodič) a filtraci v diferenciálním režimu (rozlišující dva šumy spínací frekvence, zejména vysokofrekvenční šum, který lze přidat do síťového vedení) v napájecím zdroji, kde je filtr Pi důležitou součástí. Filtr pí se také označuje jako filtr elektrického vedení, pokud se používá v aplikaci Power Electronics.

RF aplikace

V aplikaci RF se filtry Pi používají v různých operacích a různých konfiguracích. Například v RF aplikacích je přizpůsobení impedance velkým faktorem a Pi filtry se používají k přizpůsobení impedance přes RF antény a před RF zesilovače. V maximálních případech, kdy se používá velmi vysoká frekvence, například v pásmu GHz, se však v přenosovém vedení signálu používají filtry Pi a jsou navrženy pouze pomocí stop PCB.

Výše uvedený obrázek ukazuje filtry založené na trasování PCB, kde trasování vytváří indukčnost a kapacitu ve velmi vysokofrekvenčních aplikacích. Kromě přenosového vedení se filtry Pi používají také v RF komunikačních zařízeních, kde probíhá modulace a demodulace. Filtry Pi jsou navrženy pro cílenou frekvenci k demodulaci signálu po přijetí na straně přijímače. Filtry High Pass Pi se také používají k přemostění cílové vysoké frekvence do stupňů zesílení nebo přenosu.

Tipy pro návrh filtru Pi

Aby bylo možné navrhnout správný filtr Pi, je nutné kompenzovat správnou taktiku návrhu desky plošných spojů pro bezproblémový provoz, tyto tipy jsou uvedeny níže.

V silové elektronice

• V rozložení filtru Pi jsou vyžadovány silné stopy.
• Izolace filtru Pi od napájecí jednotky je zásadní.
• Je třeba uzavřít vzdálenost mezi vstupním kondenzátorem, induktorem a výstupním kondenzátorem.
• Uzemňovací rovina výstupního kondenzátoru musí být připojena přímo k obvodu budiče přes správnou zemnící rovinu.
• Pokud návrh sestává z hlučných vedení (například vedení snímání vysokého napětí pro ovladač), které je třeba připojit přes vysokonapěťové stejnosměrné napětí, je nutné připojit trasování před konečný výstupní kondenzátor filtrů Pi. To zlepšuje odolnost proti šumu a nežádoucí vstřikování hluku přes obvody řidiče.

V RF obvodu

• Výběr komponenty je hlavním kritériem pro RF aplikaci. Tolerance součástí hraje hlavní roli.
• Malé zvýšení stopy PCB by mohlo vyvolat indukčnost v obvodu. Při výběru induktorů je třeba věnovat náležitou pozornost zvážení stopové indukčnosti PCB. Návrh by měl být proveden pomocí správné taktiky ke snížení zbloudilé indukčnosti.
• Je třeba minimalizovat zbloudilou kapacitu.
• Je vyžadováno uzavřené umístění.
• Koaxiální kabel je vhodný pro vstup a výstup v RF aplikaci.