Φίλτρο Pi

Τα φίλτρα χρησιμοποιούνται συνήθως στα ηλεκτρονικά ισχύος και ήχου για την απόρριψη ανεπιθύμητων συχνοτήτων. Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τύποι φίλτρων που χρησιμοποιούνται σε σχέδια ηλεκτρονικών κυκλωμάτων με βάση την εφαρμογή, αλλά η βασική ιδέα όλων αυτών είναι η ίδια, δηλαδή η αφαίρεση ανεπιθύμητων σημάτων. Όλα αυτά τα φίλτρα μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε δύο τύπους : Ενεργά φίλτρα και παθητικά φίλτρα. Το ενεργό φίλτρο χρησιμοποιεί ένα ή περισσότερα ενεργά συστατικά με άλλα παθητικά συστατικά, ενώ τα παθητικά φίλτρα κατασκευάζονται αποκλειστικά με χρήση παθητικών στοιχείων. Έχουμε ήδη συζητήσει λεπτομερώς σχετικά με αυτά τα φίλτρα:

• Ενεργό φίλτρο High Pass
• Ενεργό φίλτρο χαμηλής διέλευσης
• Παθητικό φίλτρο High Pass
• Παθητικό φίλτρο χαμηλής διέλευσης
• Φίλτρο ζώνης διέλευσης
• Αρμονικό φίλτρο

Σε αυτό το σεμινάριο, μαθαίνουμε έναν νέο τύπο φίλτρου που ονομάζεται Pi Filter, το οποίο χρησιμοποιείται πολύ συχνά σε σχέδια κυκλωμάτων τροφοδοσίας. Έχουμε ήδη χρησιμοποιήσει το Φίλτρο Pi σε μερικά από τα προηγούμενα σχέδια τροφοδοσίας, όπως αυτό το κύκλωμα 5V 2A SMPS και 12V 1A SMPS Circuit. Ας δούμε λοιπόν λεπτομερώς τι είναι αυτά τα φίλτρα και πώς να τα σχεδιάσουμε.

Φίλτρο Pi

Το Pi Filter είναι ένας τύπος παθητικού φίλτρου που αποτελείται κυρίως από τρία συστατικά εκτός από τα παραδοσιακά παθητικά φίλτρα δύο στοιχείων. Η δομή κατασκευής όλων των εξαρτημάτων δημιουργεί το σχήμα του ελληνικού γράμματος Pi (π), έτσι το όνομα Pi ενότητα Φίλτρο.

Στην πλειοψηφία, τα φίλτρα Pi χρησιμοποιούνται για εφαρμογή φίλτρου χαμηλής διέλευσης, αλλά είναι επίσης δυνατή μια άλλη διαμόρφωση. Το κύριο συστατικό ενός φίλτρου Pi είναι ο πυκνωτής και ο επαγωγέας που το καθιστούν ένα φίλτρο LC. Στην εφαρμογή φίλτρου χαμηλής διέλευσης, το φίλτρο Pi ονομάζεται επίσης το φίλτρο εισόδου Capacitor καθώς ο πυκνωτής παραμένει απέναντι από την πλευρά εισόδου σε διαμόρφωση χαμηλής διέλευσης.

Φίλτρο Pi ως φίλτρο χαμηλής διέλευσης

Το φίλτρο Pi είναι ένα εξαιρετικό φίλτρο χαμηλής διέλευσης που είναι πολύ πιο διαφορετικό από το παραδοσιακό φίλτρο LC Pi. Όταν ένα φίλτρο Pi έχει σχεδιαστεί για χαμηλή διέλευση, η έξοδος παραμένει σταθερή με συντελεστή σταθερού k.

Ο σχεδιασμός ενός φίλτρου χαμηλής διέλευσης που χρησιμοποιεί τη διαμόρφωση Pi είναι αρκετά απλός. Το κύκλωμα Pi Filter αποτελείται από δύο πυκνωτές συνδεδεμένους παράλληλα και ακολουθεί ένας επαγωγέας σε σειρά που σχηματίζει σχήμα Pi όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα

Όπως φαίνεται στην παραπάνω εικόνα, αποτελείται από δύο πυκνωτές που συνδέονται στη γείωση με έναν ενδιάμεσο επαγωγέα σειράς. Καθώς πρόκειται για φίλτρο χαμηλής διέλευσης, παράγει υψηλή αντίσταση σε υψηλή συχνότητα και χαμηλή αντίσταση σε χαμηλή συχνότητα. Έτσι, χρησιμοποιείται συνήθως σε μια γραμμή μετάδοσης για τον αποκλεισμό ανεπιθύμητων υψηλών συχνοτήτων.

Οι τιμές κατασκευής και των συστατικών στοιχείων του υπολογισμού φίλτρου Pi μπορούν να προκύψουν από την παρακάτω εξίσωση για το σχεδιασμό ενός φίλτρου Pi για την εφαρμογή σας.

Συχνότητα αποκοπής (fc) = 1 / ᴫ (LC) ^{1/2 Η} τιμή της χωρητικότητας είναι (C) = 1 / Z _0ᴫfc Τιμή της επαγωγής (L1) = Z ₀ / ᴫfc Όπου, το Z ₀ είναι το χαρακτηριστικό σύνθετης αντίστασης σε ohms και fc είναι η συχνότητα αποκοπής.

Φίλτρο Pi ως φίλτρο High Pass

Όπως και το φίλτρο χαμηλής διέλευσης, τα φίλτρα pi μπορούν επίσης να διαμορφωθούν ως φίλτρο υψηλής διέλευσης. Σε μια τέτοια περίπτωση, το φίλτρο αποκλείει τη χαμηλή συχνότητα και επιτρέπει τη διέλευση της υψηλής συχνότητας. Κατασκευάζεται επίσης με δύο τύπους παθητικών εξαρτημάτων, δύο επαγωγείς και έναν πυκνωτή.

Σε διαμόρφωση χαμηλής διέλευσης το φίλτρο έχει σχεδιαστεί καθώς δύο πυκνωτές είναι παράλληλα με έναν επαγωγέα στο ενδιάμεσο, αλλά σε διαμόρφωση υψηλής διέλευσης, η θέση και η ποσότητα των παθητικών εξαρτημάτων έχουν ακριβώς το αντίθετο. Αντί για έναν μόνο επαγωγέα, εδώ χρησιμοποιούνται δύο ξεχωριστοί επαγωγείς με έναν μόνο πυκνωτή.

Η παραπάνω εικόνα του κυκλώματος φίλτρου Pi δείχνει το φίλτρο σε διαμόρφωση υψηλής διέλευσης, και για να μην αναφέρουμε ότι η κατασκευή μοιάζει επίσης με σύμβολο Pi Η κατασκευή και οι τιμές των συστατικών του φίλτρου Pi μπορούν να προκύψουν από την παρακάτω εξίσωση -

Συχνότητα αποκοπής (fc) = 1 / 4ᴫ (LC) ^{1/2 Η} τιμή της χωρητικότητας είναι (C) = 1 / 4Z _0ᴫfc Τιμή της σύνθετης αντίστασης (L1) = Z ₀ / 4ᴫfc Όπου, το Z ₀ είναι το χαρακτηριστικό σύνθετης αντίστασης σε ohms και fc είναι η συχνότητα αποκοπής.

Πλεονεκτήματα του φίλτρου Pi

Υψηλή τάση εξόδου

Η τάση εξόδου στο φίλτρο pi είναι αρκετά υψηλή καθιστώντας την κατάλληλη για την πιο σχετική με την ισχύ εφαρμογή όπου απαιτούνται φίλτρα DC υψηλής τάσης.

Συντελεστής χαμηλού κυματισμού

Διαμορφωμένος ως φίλτρο χαμηλής διέλευσης Σε σκοπούς φιλτραρίσματος DC, το φίλτρο Pi είναι ένα αποτελεσματικό φίλτρο, για να φιλτράρει ανεπιθύμητους κυματισμούς AC που προέρχονται από ανορθωτή γέφυρας. Ο πυκνωτής παρέχει χαμηλή αντίσταση σε AC αλλά υψηλή αντίσταση σε DC λόγω της επίδρασης της χωρητικότητας και της αντίδρασης. Λόγω αυτής της χαμηλής σύνθετης αντίστασης στο AC, ο πρώτος πυκνωτής του φίλτρου Pi παρακάμπτει την εναλλαγή AC που προέρχεται από τον ανορθωτή γέφυρας. Η παράκαμψη κυματισμού AC πηγαίνει στον επαγωγέα Ο επαγωγέας αντιστέκεται στις αλλαγές της ροής ρεύματος και μπλοκάρει την εναλλαγή AC που φιλτράρεται περαιτέρω από τον δεύτερο πυκνωτή. Αυτά τα πολλαπλά στάδια του φιλτραρίσματος βοηθούν στην παραγωγή μιας πολύ χαμηλής κυματικής εξόδου DC στο φίλτρο Pi.

Εύκολος σχεδιασμός σε εφαρμογές RF

Σε ελεγχόμενο περιβάλλον RF, όπου απαιτείται μετάδοση υψηλότερης συχνότητας, για παράδειγμα στη ζώνη GHz, τα φίλτρα υψηλής συχνότητας Pi είναι εύκολα και ευέλικτα στο PCB χρησιμοποιώντας μόνο ίχνη PCB. Τα φίλτρα Pi υψηλής συχνότητας παρέχουν επίσης ανοχές κύματος περισσότερο από τα φίλτρα με βάση το πυρίτιο. Για παράδειγμα, ένα τσιπ σιλικόνης έχει ένα όριο ικανότητας αντοχής τάσης, ενώ τα φίλτρα pi που κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας τα παθητικά εξαρτήματα έχουν πολύ μεγαλύτερη ανοσία όσον αφορά τις υπερτάσεις και τα σκληρά βιομηχανικά περιβάλλοντα.

Μειονεκτήματα του φίλτρου Pi

Υψηλότερες τιμές επαγωγέα Wattage

Εκτός από τη σχεδίαση RF, δεν συνιστάται η λήψη ρεύματος μέσω φίλτρου Pi, καθώς το ρεύμα πρέπει να ρέει μέσω του επαγωγέα. Εάν αυτό το ρεύμα φορτίου είναι σχετικά υψηλό, τότε η ισχύς του επαγωγέα αυξάνεται επίσης καθιστώντας το ογκώδες και ακριβό. Επίσης, το υψηλό ρεύμα μέσω του πηνίου αυξάνει την απορρόφηση ισχύος κατά μήκος του πηνίου με αποτέλεσμα χαμηλή απόδοση.

Πυκνωτής εισόδου υψηλής αξίας

Ένα άλλο σημαντικό πρόβλημα του φίλτρου Pi είναι η τιμή χωρητικότητας εισόδου. Τα φίλτρα Pi απαιτούν υψηλή χωρητικότητα σε όλη την είσοδο, η οποία έγινε μια πρόκληση σε εφαρμογές με περιορισμένο χώρο. Επίσης, οι πυκνωτές υψηλής αξίας αυξάνουν το κόστος του σχεδιασμού.

Τα

φίλτρα Bad Bad Voltage Regulation Pi δεν είναι κατάλληλα όταν τα ρεύματα φορτίου δεν είναι σταθερά και αλλάζουν συνεχώς. Τα φίλτρα Pi παρέχουν κακή ρύθμιση τάσης όταν το ρεύμα φορτίου παρασύρεται πολύ. Σε μια τέτοια εφαρμογή συνιστώνται τα φίλτρα με μια ενότητα L.

Εφαρμογή φίλτρων Pi

Μετατροπείς ισχύος

Όπως ήδη συζητήθηκε, τα φίλτρα Pi είναι ένα εξαιρετικό φίλτρο DC για την καταστολή των κυματισμών AC. Λόγω αυτής της συμπεριφοράς, τα φίλτρα Pi χρησιμοποιούνται εκτενώς σε Power Ηλεκτρονικά σχέδια όπως μετατροπέας AC-DC, μετατροπέας συχνότητας κ.λπ. Ωστόσο, στο Power Electronics Pi Filters χρησιμοποιούνται ως φίλτρο χαμηλής διέλευσης και έχουμε ήδη σχεδιάσει ένα κύκλωμα τροφοδοσίας φίλτρου Pi, για το 12V 1A SMPS Design μας όπως φαίνεται παρακάτω.

Γενικά, τα φίλτρα Pi συνδέονται απευθείας με τον ανορθωτή γέφυρας και η έξοδος των φίλτρων Pi αναφέρεται ως DC υψηλής τάσης. Η έξοδος DC υψηλής τάσης χρησιμοποιείται για το κύκλωμα του οδηγού τροφοδοσίας για περαιτέρω λειτουργία.

Αυτή η κατασκευή, από τη διόρθωση Bridge έως τον οδηγό έχει διαφορετική λειτουργία με τη λειτουργία του Pi-Filter. Πρώτον, αυτό το φίλτρο Pi παρέχει ομαλή DC για τη λειτουργία χωρίς κυματισμό του συνολικού κυκλώματος οδηγού με αποτέλεσμα χαμηλό κυματισμό εξόδου από την τελική έξοδο του τροφοδοτικού και το άλλο είναι για την απομόνωση κύριων γραμμών από την υψηλή συχνότητα μεταγωγής κατά μήκος του κύκλωμα οδηγού.

Ένα σωστά κατασκευασμένο φίλτρο γραμμής μπορεί να παρέχει φιλτράρισμα Common-mode (Ένα φίλτρο που απορρίπτει σήμα θορύβου σαν να είναι ένας ανεξάρτητος αγωγός) και διήθηση διαφορικής λειτουργίας (διαφοροποίηση δύο θορύβων συχνότητας μεταγωγής, ειδικά θορύβου υψηλής συχνότητας που μπορούν να προστεθούν στη γραμμή δικτύου) σε τροφοδοτικό όπου το φίλτρο Pi είναι ένα σημαντικό συστατικό. Ένα φίλτρο pi αναφέρεται επίσης ως φίλτρο Power Line εάν χρησιμοποιείται στην εφαρμογή Power Electronics.

Εφαρμογή RF

Στην εφαρμογή RF, τα φίλτρα Pi χρησιμοποιούνται σε διαφορετικές λειτουργίες και διαφορετικές διαμορφώσεις. Για παράδειγμα, σε εφαρμογές RF, η αντιστάθμιση αντιστάθμισης είναι ένας τεράστιος παράγοντας και τα φίλτρα Pi χρησιμοποιούνται για να ταιριάζουν με την αντίσταση μεταξύ των κεραιών RF και πριν από τους ενισχυτές RF. Ωστόσο, σε μέγιστες περιπτώσεις όπου χρησιμοποιείται πολύ υψηλή συχνότητα, όπως στη ζώνη GHz, τα φίλτρα Pi χρησιμοποιούνται στη γραμμή μετάδοσης σήματος και σχεδιάζονται χρησιμοποιώντας μόνο ίχνη PCB.

Η παραπάνω εικόνα δείχνει φίλτρα που βασίζονται σε ίχνη PCB, όπου το ίχνος δημιουργεί αυτεπαγωγή και χωρητικότητα σε εφαρμογές πολύ υψηλής συχνότητας. Εκτός από τη γραμμή μετάδοσης, τα φίλτρα Pi χρησιμοποιούνται επίσης σε συσκευές επικοινωνίας RF, όπου πραγματοποιούνται διαμόρφωση και αποδιαμόρφωση. Τα φίλτρα Pi έχουν σχεδιαστεί για μια στοχευμένη συχνότητα ώστε να αποδιαμορφώνουν το σήμα μετά τη λήψη στην πλευρά του δέκτη. Τα φίλτρα High Pass Pi χρησιμοποιούνται επίσης για την παράκαμψη της στοχευμένης υψηλής συχνότητας στα στάδια ενίσχυσης ή μετάδοσης.

Συμβουλές σχεδιασμού Pi-Filter

Για να σχεδιάσετε ένα κατάλληλο φίλτρο Pi απαιτείται η αντιστάθμιση κατάλληλων τακτικών σχεδιασμού PCB για απρόσκοπτη λειτουργία, αυτές οι συμβουλές παρατίθενται παρακάτω.

Στην Ηλεκτρονική Ισχύος

• Απαιτούνται παχιά ίχνη στη διάταξη του φίλτρου Pi.
• Η απομόνωση του φίλτρου Pi από τη μονάδα τροφοδοσίας είναι απαραίτητη.
• Πρέπει να κλείσετε την απόσταση μεταξύ του πυκνωτή εισόδου, του επαγωγέα και του πυκνωτή εξόδου.
• Το επίπεδο γείωσης του πυκνωτή εξόδου πρέπει να συνδεθεί απευθείας στο κύκλωμα οδήγησης μέσω ενός κατάλληλου επιπέδου γείωσης.
• Εάν ο σχεδιασμός αποτελείται από θορυβώδεις γραμμές (όπως γραμμή αίσθησης υψηλής τάσης για τον οδηγό) που πρέπει να συνδεθεί σε DC υψηλής τάσης, απαιτείται η σύνδεση του ίχνους πριν από τον τελικό πυκνωτή εξόδου των φίλτρων Pi. Αυτό βελτιώνει την ασυλία θορύβου και την ανεπιθύμητη έγχυση θορύβου στα κυκλώματα του οδηγού.

Στο κύκλωμα RF

• Η επιλογή εξαρτημάτων είναι ένα σημαντικό κριτήριο για την εφαρμογή RF. Η ανοχή των συστατικών παίζει σημαντικό ρόλο.
• Μια μικρή αύξηση στο ίχνος PCB θα μπορούσε να προκαλέσει αυτεπαγωγή στο κύκλωμα. Θα πρέπει να ληφθεί σωστή προσοχή για την επιλογή επαγωγέα, λαμβάνοντας υπόψη την επαγωγή ιχνών PCB. Ο σχεδιασμός πρέπει να γίνει χρησιμοποιώντας κατάλληλες τακτικές για τη μείωση της αδέσποτης αυτεπαγωγής.
• Η αδέσμευτη χωρητικότητα πρέπει να ελαχιστοποιηθεί.
• Απαιτείται κλειστή τοποθέτηση.
• Το ομοαξονικό καλώδιο είναι κατάλληλο για είσοδο και έξοδο στην εφαρμογή RF.