- Pi-filter
- Pi filter kot nizkoprepustni filter
- Pi filter kot visokofrekvenčni filter
- Prednosti Pi filtra
- Slabosti Pi filtra
- Uporaba filtrov Pi
- Nasveti za oblikovanje Pi-filtra
Filtri se pogosto uporabljajo v napajalni in zvočni elektroniki za zavračanje neželenih frekvenc. Obstaja veliko različnih vrst filtrov, ki se uporabljajo v zasnovah elektronskih vezij, ki temeljijo na aplikaciji, vendar je osnovni koncept vseh enak, torej odstranjevanje neželenih signalov. Vse te filtre lahko razvrstimo v dve vrsti - aktivni filtri in pasivni filtri. Aktivni filter uporablja eno ali več aktivnih komponent z drugimi pasivnimi komponentami, medtem ko so pasivni filtri narejeni izključno iz pasivnih komponent. O teh filtrih smo že podrobno razpravljali:
- Aktivni visokofrekvenčni filter
- Aktivni nizkoprepustni filter
- Pasivni visokofrekvenčni filter
- Pasivni nizkofrekvenčni filter
- Pasovni filter
- Harmonski filter
V tej vadnici izvemo še eno novo vrsto filtra, imenovano Pi filter, ki se zelo pogosto uporablja pri načrtovanju napajalnih vezij. Pi-filter smo že uporabljali v nekaterih prejšnjih izvedbah napajalnikov, kot je to 5V 2A SMPS vezje in 12V 1A SMPS vezje. Poglejmo torej podrobno, kaj so ti filtri in kako jih oblikovati.
Pi-filter
Pi filter je vrsta pasivnega filtra, ki je sestavljen iz večinoma treh komponent, razen tradicionalnih dvoelementnih pasivnih filtrov. Konstrukcijska razporeditev vseh komponent ustvarja obliko grške črke Pi (π), torej ime Pi odsek Filter.
V glavnem se filtri Pi uporabljajo za uporabo filtra nizkih frekvenc, možna pa je tudi druga konfiguracija. Glavna komponenta Pi filtra sta kondenzator in induktor, zaradi česar je LC filter. V aplikaciji filtra nizkih frekvenc Pi filter imenuje tudi vhodni filter kondenzatorja, saj kondenzator ostane na vhodni strani v konfiguraciji nizkih frekvenc.
Pi filter kot nizkoprepustni filter
Pi filter je odličen nizkoprepustni filter, ki se veliko bolj razlikuje od tradicionalnega LC Pi filtra. Ko je Pi filter zasnovan za nizko pasovno frekvenco, ostane izhod stabilen s faktorjem konstantne k.
Zasnova sito nizko uporabo konfiguracijo Pi je zelo enostavna. Pi filtra vezje sestoji iz dveh kondenzatorjev vzporedno priključenih sledi Induktor v seriji tvorijo obliko Pi, kot je prikazano na spodnji sliki
Kot je razvidno iz zgornje slike, je sestavljen iz dveh kondenzatorjev, ki sta povezana z maso z vmesnim serijskim induktorjem. Ker je to nizkoprepustni filter, proizvaja visoko impedanco pri visoki frekvenci in nizko impedanco pri nizki frekvenci. Tako se v daljnovodu pogosto uporablja za blokiranje neželenih visokih frekvenc.
Konstrukcijske vrednosti in vrednosti komponent izračuna filtra Pi lahko izpeljemo iz spodnje enačbe za oblikovanje filtra Pi za vašo aplikacijo.
Mejna frekvenca (fc) = 1 / ᴫ (LC) 1/2 Vrednost kapacitivnosti je (C) = 1 / Z 0ᴫfc Vrednost induktivnosti (L1) = Z 0 / ᴫfc Kjer je Z 0 značilnost impedance v ohmih in fc je mejna frekvenca.
Pi filter kot visokofrekvenčni filter
Enako kot nizkoprepustni filter je tudi filtre pi mogoče konfigurirati kot visokofrekvenčni filter. V takem primeru filter blokira nizko frekvenco in omogoča prehod visoke frekvence. Izdelan je tudi z uporabo dveh vrst pasivnih komponent, dveh induktorjev in enega kondenzatorja.
V nizkopasovni konfiguraciji je filter zasnovan tako, da sta dva kondenzatorja vzporedno z induktorjem, v konfiguraciji pasov pa položaj in količina pasivnih komponent postaneta ravno nasprotni. Namesto ene induktorje se tukaj uporabljata dve ločeni induktorji z enim samim kondenzatorjem.
Zgornja slika vezja Pi filtra prikazuje filter v visokoprepustni konfiguraciji, da ne omenjamo, da je konstrukcija videti tudi kot simbol Pi. Konstrukcijske in komponentne vrednosti filtra Pi lahko izpeljemo iz spodnje enačbe -
Mejna frekvenca (fc) = 1 / 4ᴫ (LC) 1/2 Vrednost kapacitivnosti je (C) = 1 / 4Z 0ᴫfc Vrednost impedance (L1) = Z 0 / 4ᴫfc Kjer je Z 0 značilnost impedance v ohmih in fc je mejna frekvenca.
Prednosti Pi filtra
Visoka izhodna napetost
Izhodna napetost na pi filtru je precej visoka, zato je primerna za aplikacije, ki najbolj ustrezajo moči, kjer so potrebni visokonapetostni enosmerni filtri.
Nizek faktor valovanja
Konfiguriran kot nizkoprepustni filter Pri filtriranju z enosmernim tokom je Pi filter učinkovit filter za filtriranje neželenega valovanja izmeničnega toka, ki prihaja iz mostičnega usmernika. Kondenzator zagotavlja nizko impedanco v izmeničnem toku, vendar visok upor v enosmernem toku zaradi učinka kapacitivnosti in reaktancije. Zaradi te nizke impedance med izmeničnim tokom prvi kondenzator Pi filtra zaobide valovanje AC, ki prihaja iz mostičnega usmernika. Prevoženo izmenično valovanje gre v induktor. Induktor se upira spremembam tokovnega toka in blokira valovanje AC, ki ga nato filtrira drugi kondenzator. Te več stopenj filtriranja pomagajo ustvariti zelo nizko valovanje gladkega enosmernega izhoda skozi Pi filter.
Enostavno oblikovanje v RF-aplikacijah
V nadzorovanem RF-okolju, kjer je potreben prenos višjih frekvenc, na primer v pasu GHz, je visokofrekvenčne filtre Pi enostavno in prilagodljivo izdelati v PCB z uporabo samo sledov PCB. Visokofrekvenčni filtri Pi zagotavljajo tudi prenapetostno imunost bolj kot filtri na osnovi silicija. Na primer, silicijev čip ima mejno vrednost napetosti, medtem ko imajo filtri pi, izdelani z uporabo pasivnih komponent, veliko večjo odpornost na prenapetost in težka industrijska okolja.
Slabosti Pi filtra
Višje vrednosti moči induktorja
Razen RF zasnove, odvzem močnega toka skozi filter Pi ni priporočljiv, saj mora tok teči skozi induktor. Če je ta obremenitveni tok razmeroma visok, se poveča tudi moč induktorja, zaradi česar je zajetna in draga. Tudi visok tok skozi induktor povečuje odvajanje moči skozi induktor, kar ima za posledico slabo učinkovitost.
Vhodni kondenzator visoke vrednosti
Druga velika težava filtra Pi je velika vrednost vhodne kapacitivnosti. Pi filtri zahtevajo visoko kapacitivnost skozi vhod, kar je postalo izziv v prostorsko omejenih aplikacijah. Tudi kondenzatorji visoke vrednosti povečajo stroške zasnove.
Filtri slabe napetosti Pi niso primerni, kadar tokovi obremenitve niso stabilni in se nenehno spreminjajo. Pi filtri zagotavljajo slabo regulacijo napetosti, ko obremenitveni tok zelo odstopa. V takšni aplikaciji se priporočajo filtri z odsekom L.
Uporaba filtrov Pi
Pretvorniki moči
Kot smo že omenili, so filtri Pi odličen enosmerni filter za zatiranje valovanja izmeničnega toka. Zaradi tega vedenja se Pi filtri pogosto uporabljajo v izvedbah Power Electronic, kot so pretvornik AC-DC, frekvenčni pretvornik itd. Vendar pa se v Power Electronics Pi filtri uporabljajo kot nizkoprepustni filter, mi pa smo že zasnovali napajalno vezje Pi Filter za naš 12V 1A SMPS dizajn, kot je prikazano spodaj.
Na splošno so filtri Pi neposredno povezani z mostovnim usmernikom, izhod filtrov Pi pa se imenuje visokonapetostni enosmerni tok. Izhodna enosmerna napetost se uporablja za vezje gonilnika napajalnika za nadaljnje delovanje.
Ta konstrukcija, od mostne usmerniške diode do gonilnika, ima drugačno delovanje z delovanjem Pi-filtra. Prvič, ta filter Pi zagotavlja nemoten enosmerni tok za delovanje brez valovanja celotnega vezja gonilnika, kar ima za posledico majhno izhodno valovanje končnega izhoda napajanja, drugi pa za izolacijo glavnih vodov od visoke preklopne frekvence po vezje gonilnika.
Pravilno zgrajen linijski filter lahko zagotavlja skupnostni način filtriranja (filter, ki zavrača signal hrupa kot neodvisen enojni vodnik) in diferencialni način filtriranja (ločevanje dveh preklopnih frekvenc hrupa, zlasti visokofrekvenčnega šuma, ki ga lahko dodamo v omrežni vod) v napajalniku, kjer je Pi filter pomemben sestavni del. Pi filter se imenuje tudi filter Power Line, če se uporablja v aplikaciji Power Electronics.
RF aplikacija
V RF aplikaciji se filtri Pi uporabljajo pri različnih operacijah in različnih konfiguracijah. Na primer, v RF-aplikacijah je ujemajoča impedanca velik dejavnik in Pi filtri se uporabljajo za ujemanje impedance v RF-antenah in pred RF-ojačevalci. Vendar se v največjih primerih, ko se uporabljajo zelo visoke frekvence, na primer v pasu GHz, uporabljajo filtri Pi v prenosnem vodu signala in so zasnovani samo s sledmi PCB.
Zgornja slika prikazuje filtre na osnovi sledov PCB, kjer sled ustvarja induktivnost in kapacitivnost v zelo visokofrekvenčnih aplikacijah. Poleg prenosnega voda se Pi filtri uporabljajo tudi v RF komunikacijskih napravah, kjer se izvajata modulacija in demodulacija. Pi filtri so zasnovani za ciljno frekvenco za demodulacijo signala po sprejemu na strani sprejemnika. Visokoprepustni Pi filtri se uporabljajo tudi za izogibanje usmerjeni visoki frekvenci v stopnje ojačanja ali prenosa.
Nasveti za oblikovanje Pi-filtra
Za oblikovanje ustreznega filtra Pi je treba nadomestiti pravilno taktiko oblikovanja tiskanih vezij za brezhibno delovanje, ti nasveti so navedeni spodaj.
V Power Electronics
- V postavitvi filtra Pi so potrebne debele sledi.
- Bistvena je izolacija filtra Pi od napajalne enote.
- Razdalja med vhodnim kondenzatorjem, induktorjem in izhodnim kondenzatorjem mora biti zaprta.
- Ozemljitev izhodnega kondenzatorja je potrebna za neposredno povezavo z gonilnim vezjem prek ustrezne ozemljitvene plošče.
- Če je zasnova sestavljena iz hrupnih vodov (kot je visokonapetostna zaznavna črta za voznika), ki jih je treba povezati prek visokonapetostnega enosmernega toka, je treba sled priključiti pred končnim izhodnim kondenzatorjem filtrov Pi. To izboljša odpornost proti hrupu in neželeno vbrizgavanje hrupa v vezje gonilnika.
V RF vezju
- Izbira komponent je glavno merilo za RF uporabo. Toleranca komponent igra glavno vlogo.
- Majhno povečanje sledi PCB lahko povzroči induktivnost v vezju. Pri izbiri induktorja je treba ustrezno paziti, če upoštevamo induktivnost sledov PCB. Zasnova mora biti narejena z uporabo ustrezne taktike za zmanjšanje blodne induktivnosti.
- Potrebna kapacitivnost je potrebna za zmanjšanje.
- Zahtevana je zaprta postavitev.
- Koaksialni kabel je primeren za vhod in izhod v RF aplikaciji.