Pi-filter

Filters worden vaak gebruikt in vermogens- en audio-elektronica om ongewenste frequenties te negeren. Er worden veel verschillende soorten filters gebruikt in ontwerpen van elektronische schakelingen op basis van de toepassing, maar het onderliggende concept van alle filters is hetzelfde, namelijk het verwijderen van ongewenste signalen. Al deze filters kunnen worden onderverdeeld in twee typen: actieve filters en passieve filters. Het actieve filter gebruikt een of meer actieve componenten met andere passieve componenten, terwijl passieve filters uitsluitend worden gemaakt met passieve componenten. We hebben al in details gesproken over deze filters:

• Actief hoogdoorlaatfilter
• Actief laagdoorlaatfilter
• Passief hoogdoorlaatfilter
• Passief laagdoorlaatfilter
• Banddoorlaatfilter
• Harmonisch filter

In deze tutorial leren we een ander nieuw type filter genaamd Pi Filter, dat heel vaak wordt gebruikt in het ontwerpen van voedingscircuits. We hebben Pi-Filter al gebruikt in een paar van onze eerdere voedingsontwerpen, zoals dit 5V 2A SMPS-circuit en 12V 1A SMPS-circuit. Laten we dus in detail ingaan op wat deze filters zijn en hoe u ze kunt ontwerpen.

Pi-filter

Pi-filter is een type passief filter dat voornamelijk uit drie componenten bestaat, behalve de traditionele passieve filters met twee elementen. De constructie van alle componenten creëert de vorm van de Griekse letter Pi (π), vandaar de naam Pi-sectie Filter.

In de meeste gevallen worden Pi-filters gebruikt voor laagdoorlaatfiltertoepassingen, maar een andere configuratie is ook mogelijk. Het belangrijkste onderdeel van een Pi-filter is de condensator en inductor, waardoor het een LC-filter is. In laagdoorlaatfiltertoepassing wordt het Pi-filter ook wel het condensator-ingangsfilter genoemd, omdat de condensator aan de ingangszijde blijft in een laagdoorlaatconfiguratie.

Pi-filter als een laagdoorlaatfilter

Het Pi-filter is een uitstekend laagdoorlaatfilter dat veel meer verschilt van het traditionele LC Pi-filter. Wanneer een Pi-filter is ontworpen voor een laagdoorlaat, blijft de uitvoer stabiel met een constante k-factor.

Het ontwerp van een laagdoorlaatfilter met behulp van de Pi-configuratie is vrij eenvoudig. Het Pi-filtercircuit bestaat uit twee parallel geschakelde condensatoren, gevolgd door een inductor in serie die een Pi-vorm vormt zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding

Zoals te zien is in de bovenstaande afbeelding, bestaat het uit twee condensatoren die zijn verbonden met aarde met een tussenliggende serie-inductor. Omdat dit een laagdoorlaatfilter is, produceert het een hoge impedantie bij een hoge frequentie en een lage impedantie bij een lage frequentie. Het wordt dus vaak gebruikt in een transmissielijn om ongewenste hoge frequenties te blokkeren.

De constructie en de componentwaarden van de Pi-filterberekening kunnen worden afgeleid uit de onderstaande vergelijking om een Pi-filter voor uw toepassing te ontwerpen.

Afsnijfrequentie (fc) = 1 / ᴫ (LC) ^1/2 Waarde van de capaciteit is (C) = 1 / Z _0ᴫfc Waarde van de inductantie (L1) = Z ₀ / ᴫfc Waarbij, de Z ₀ is de impedantiekarakteristiek in ohm en fc is de afsnijfrequentie.

Pi-filter als een hoogdoorlaatfilter

Net als het laagdoorlaatfilter, kunnen pi-filters ook worden geconfigureerd als een hoogdoorlaatfilter. In dat geval blokkeert het filter de lage frequentie en laat de hoge frequentie door. Het is ook gemaakt met behulp van twee soorten passieve componenten, twee inductoren en één condensator.

In een laagdoorlaatconfiguratie is het filter ontworpen als twee condensatoren parallel zijn met een inductor ertussen, maar in een hoogdoorlaatconfiguratie krijgen de positie en het aantal passieve componenten precies het tegenovergestelde. In plaats van een enkele inductor, worden hier twee afzonderlijke inductoren gebruikt met een enkele condensator.

De bovenstaande afbeelding van het Pi- filtercircuit toont het filter in een hoogdoorlaatconfiguratie, en niet te vergeten de constructie ziet er ook uit als een symbool Pi. De constructie en de componentwaarden van het Pi-filter kunnen worden afgeleid uit de onderstaande vergelijking -

Afsnijfrequentie (fc) = 1 / 4ᴫ (LC) ^1/2 Waarde van de capaciteit is (C) = 1 / 4Z _0ᴫfc Waarde van de impedantie (L1) = Z ₀ / 4ᴫfc Waarbij, de Z ₀ is de impedantiekarakteristiek in ohm en fc is de afsnijfrequentie.

Voordelen van het Pi-filter

Hoge uitgangsspanning

De uitgangsspanning over het pi-filter is vrij hoog, waardoor het geschikt is voor de meest stroomgerelateerde toepassingen waar DC-hoogspanningsfilters vereist zijn.

Lage rimpelfactor

Geconfigureerd als een laagdoorlaatfilter Bij gelijkstroomfiltratiedoeleinden is het Pi-filter een efficiënt filter om ongewenste AC-rimpel uit een bruggelijkrichter te filteren. De condensator biedt een lage impedantie in AC maar een hoge weerstand in DC vanwege het effect van capaciteit en reactantie. Vanwege deze lage impedantie over AC, omzeilt de eerste condensator van het Pi-filter de AC-rimpel die van de bruggelijkrichter komt. De omzeilde AC-rimpel gaat in de inductor. De inductor weerstaat de veranderingen van de stroomstroom en blokkeert de AC-rimpel die verder wordt gefilterd door de tweede condensator. Deze meerdere filterfasen helpen om een ​​zeer lage rimpelgladde DC-output over het Pi-filter te produceren.

Eenvoudig te ontwerpen in RF-toepassingen

In een gecontroleerde RF-omgeving, waar transmissie met een hogere frequentie vereist is, bijvoorbeeld in de GHz-band, zijn hoogfrequente Pi-filters eenvoudig en flexibel te maken in de PCB met alleen PCB-sporen. Hoogfrequente Pi-filters bieden ook meer immuniteit tegen overspanning dan de op silicium gebaseerde filters. Een siliciumchip heeft bijvoorbeeld een limiet van spanningsbestendigheid, terwijl pi-filters gemaakt met behulp van de passieve componenten veel meer immuniteit hebben in termen van pieken en zware industriële omgevingen.

Nadelen van het Pi-filter

Inductorwaarden met een hoger wattage

Anders dan het RF-ontwerp, is een hoge stroomopname door een Pi-filter niet aan te raden omdat de stroom door de inductor moet stromen. Als deze belastingsstroom relatief hoog is, neemt het wattage van de inductor ook toe, waardoor deze omvangrijk en duur wordt. Ook verhoogt de hoge stroom door de inductor de vermogensdissipatie over de inductor, wat resulteert in een slecht rendement.

Hoogwaardige

ingangscondensator Een ander groot probleem van het Pi-filter is de grote ingangscapaciteitswaarde. Pi-filters vereisen een hoge capaciteit over de ingang, wat een uitdaging werd in toepassingen met beperkte ruimte. Bovendien verhogen hoogwaardige condensatoren de kosten van het ontwerp.

Slechte spanningsregeling

Pi-filters zijn niet geschikt waar belastingsstromen niet stabiel zijn en constant veranderen. Pi-filters zorgen voor een slechte spanningsregeling wanneer de belastingsstroom veel afwijkt. Bij een dergelijke toepassing worden de filters met een L-sectie aanbevolen.

Toepassing van Pi-filters

Stroomomzetters

Zoals eerder besproken, zijn Pi-filters een uitstekend DC-filter om de AC-rimpelingen te onderdrukken. Vanwege dit gedrag worden Pi-filters op grote schaal gebruikt in vermogenselektronische ontwerpen zoals AC-DC-omzetter, frequentieomvormer, enz. In Power Electronics worden Pi-filters echter gebruikt als laagdoorlaatfilter en hebben we al een Pi-filtervoedingscircuit ontworpen, voor ons 12V 1A SMPS-ontwerp zoals hieronder weergegeven.

Over het algemeen zijn Pi-filters rechtstreeks verbonden met de bruggelijkrichter en wordt de uitgang van de Pi-filters de hoogspannings-gelijkstroom genoemd. De DC-hoogspanning op de uitgang wordt gebruikt voor het stuurcircuit van de voeding voor verdere bediening.

Deze constructie, van bruggelijkrichterdiode tot de driver, heeft een andere werking met de werking van Pi-Filter. Ten eerste levert dit Pi-filter een soepele DC voor de rimpelvrije werking van het algehele stuurcircuit, wat resulteert in een lage outputrimpel van de laatste output van de voeding, en de andere is voor het isoleren van de hoofdlijnen van de hoge schakelfrequentie over de stuurprogramma.

Een goed geconstrueerd lijnfilter kan Common-Mode-filtratie bieden (een filter dat ruissignalen verwerpt alsof het een onafhankelijke enkele geleider is) en differentiële-modusfiltratie (onderscheid maken tussen twee schakelfrequentieruis, met name hoogfrequente ruis die kan worden toegevoegd aan het lichtnet) in een voeding waar Pi-filter een belangrijk onderdeel is. Een pi-filter wordt ook wel een Power Line-filter genoemd als het wordt gebruikt in Power Electronics Application.

RF-toepassing

In de RF-applicatie worden Pi-filters gebruikt in verschillende bewerkingen en verschillende configuraties. In RF-toepassingen is het aanpassen van de impedantie bijvoorbeeld een enorme factor en worden Pi-filters gebruikt om de impedantie tussen de RF-antennes en vóór RF-versterkers af te stemmen. In maximale gevallen waarin echter zeer hoge frequenties, zoals in de GHz-band, worden gebruikt, worden Pi-filters gebruikt in de signaaltransmissielijn en ontworpen met alleen PCB-sporen.

De bovenstaande afbeelding toont op PCB-sporen gebaseerde filters waarbij het spoor inductantie en capaciteit creëert in toepassingen met zeer hoge frequentie. Afgezien van de transmissielijn, worden Pi-filters ook gebruikt in RF-communicatieapparaten, waar modulatie en demodulatie plaatsvinden. Pi-filters zijn ontworpen voor een gerichte frequentie om het signaal te demoduleren na ontvangst in de ontvangerzijde. Hoogdoorlaat Pi-filters worden ook gebruikt om gerichte hoge frequenties te omzeilen in de versterkings- of transmissiefasen.

Pi-Filter ontwerptips

Om een ​​goed Pi-filter te ontwerpen, is het vereist om de juiste PCB-ontwerptactieken te compenseren voor een probleemloze werking, deze tips worden hieronder vermeld.

In vermogenselektronica

• Dikke sporen zijn vereist in de Pi-filterlay-out.
• Het isoleren van het Pi-filter van de voedingseenheid is essentieel.
• De afstand tussen de ingangscondensator, inductor en de uitgangscondensator moet worden gesloten.
• Het aardingsvlak van de uitgangscondensator is nodig om rechtstreeks met het stuurcircuit te worden verbonden via een goed aardingsvlak.
• Als het ontwerp bestaat uit luidruchtige lijnen (zoals een hoogspanningsdetectielijn voor de driver) die over hoogspanningsgelijkstroom moeten worden aangesloten, is het vereist om de trace aan te sluiten vóór de uiteindelijke uitgangscondensator van de Pi-filters. Dit verbetert de ruisimmuniteit en ongewenste ruisinjectie over het stuurcircuit.

In RF-circuit

• De componentkeuze is een belangrijk criterium voor de RF-toepassing. De tolerantie van de componenten speelt een grote rol.
• Een kleine toename van het PCB-spoor zou inductie in het circuit kunnen veroorzaken. De juiste zorg moet worden besteed aan de keuze van de inductor door rekening te houden met de inductantie van de PCB-sporen. Het ontwerp moet worden gemaakt met behulp van de juiste tactieken om zwerfinductie te verminderen.
• Verdwaalde capaciteit is nodig om te worden geminimaliseerd.
• Gesloten plaatsing is vereist.
• Coaxkabel is geschikt voor de in- en uitgang in de RF-toepassing.