Pi фильтр

Фильтры обычно используются в силовой и звуковой электронике для подавления нежелательных частот. Существует множество различных типов фильтров, используемых в конструкциях электронных схем в зависимости от области применения, но основная концепция всех них одинакова, то есть для удаления нежелательных сигналов. Все эти фильтры можно разделить на два типа - активные фильтры и пассивные фильтры. Активный фильтр использует один или несколько активных компонентов с другими пассивными компонентами, в то время как пассивные фильтры изготавливаются исключительно из пассивных компонентов. Мы уже подробно обсуждали эти фильтры:

• Активный фильтр высоких частот
• Активный фильтр низких частот
• Пассивный фильтр высоких частот
• Пассивный фильтр нижних частот
• Полосовой фильтр
• Гармонический фильтр

В этом руководстве мы изучаем еще один новый тип фильтра, называемый Pi Filter, который очень часто используется в схемах источников питания. Мы уже использовали Pi-Filter в некоторых из наших предыдущих конструкций источников питания, таких как эта схема SMPS 5 В 2 А и схема SMPS 12 В 1 А. Итак, давайте подробно рассмотрим, что это за фильтры и как их создавать.

Pi-фильтр

Pi Filter - это тип пассивного фильтра, который состоит в основном из трех компонентов, кроме традиционных двухэлементных пассивных фильтров. Строительное расположение всех компонентов создает форму греческой буквы Пи (π), отсюда и название раздела Фильтр Пи.

В большинстве случаев фильтры Pi используются для применения фильтра нижних частот, но возможна и другая конфигурация. Основными компонентами Pi-фильтра являются конденсатор и катушка индуктивности, что делает его LC-фильтром. В приложении фильтра нижних частот фильтр Pi также называется входным фильтром конденсатора, поскольку конденсатор остается поперек входной стороны в конфигурации нижних частот.

Pi-фильтр как фильтр низких частот

Фильтр Pi - отличный фильтр нижних частот, который намного больше отличается от традиционного фильтра LC Pi. Когда фильтр Pi предназначен для низких частот, выходной сигнал остается стабильным с постоянным коэффициентом k.

Конструкция фильтра нижних частот с использованием конфигурации Pi довольно проста. Схема фильтра Pi состоит из двух конденсаторов, соединенных параллельно, за которыми следует катушка индуктивности, образующая форму Pi, как показано на изображении ниже.

Как видно на изображении выше, он состоит из двух конденсаторов, которые подключены к земле с помощью промежуточной катушки индуктивности. Поскольку это фильтр нижних частот, он обеспечивает высокий импеданс на высокой частоте и низкий импеданс на низкой частоте. Таким образом, он обычно используется в линии передачи для блокировки нежелательных высоких частот.

Конструкция и значения компонентов расчета фильтра Pi могут быть получены из приведенного ниже уравнения для разработки фильтра Pi для вашего приложения.

Частота среза (fc) = 1 / (LC) ^1/2 Значение емкости составляет (C) = 1 / Z _0ᴫfc Значение индуктивности (L1) = Z ₀ / fc Где Z ₀ - характеристика полного сопротивления в омах, а fc - частота среза.

Pi-фильтр как фильтр высоких частот

Как и фильтр нижних частот, пи-фильтры также могут быть настроены как фильтр верхних частот. В таком случае фильтр блокирует низкую частоту и пропускает высокую частоту. Он также выполнен с использованием двух типов пассивных компонентов, двух катушек индуктивности и одного конденсатора.

В конфигурации нижних частот фильтр спроектирован так, что два конденсатора включены параллельно с катушкой индуктивности между ними, но в конфигурации верхних частот положение и количество пассивных компонентов становятся прямо противоположными. Вместо одной катушки индуктивности здесь используются две отдельные катушки с одним конденсатором.

На приведенном выше изображении схемы фильтра Pi показан фильтр в конфигурации фильтра верхних частот, не говоря уже о конструкции, которая также выглядит как символ Pi. Конструкция и значения компонентов фильтра Pi могут быть получены из следующего уравнения:

Частота среза (fc) = 1 / 4ᴫ (LC) ^1/2 Значение емкости (C) = 1 / 4Z _0ᴫfc Значение импеданса (L1) = Z ₀ / 4ᴫfc Где Z ₀ - характеристика полного сопротивления в омах, а fc - частота среза.

Преимущества фильтра Pi

Высокое выходное напряжение

Выходное напряжение на пи-фильтре достаточно высокое, что делает его подходящим для большинства приложений, связанных с мощностью, где требуются высоковольтные фильтры постоянного тока.

Низкий коэффициент пульсаций.

Сконфигурирован как фильтр нижних частот. В целях фильтрации постоянного тока Pi-фильтр является эффективным фильтром для фильтрации нежелательных пульсаций переменного тока, исходящих от мостового выпрямителя. Конденсатор обеспечивает низкое сопротивление по переменному току, но высокое сопротивление по постоянному току из-за влияния емкости и реактивного сопротивления. Из-за этого низкого импеданса на переменном токе первый конденсатор фильтра Pi обходит пульсации переменного тока, исходящие от мостового выпрямителя. Обойденная пульсация переменного тока переходит в индуктивность. Катушка индуктивности противостоит изменениям тока и блокирует пульсации переменного тока, которые затем фильтруются вторым конденсатором. Эти несколько этапов фильтрации помогают обеспечить плавный выход постоянного тока с очень низкой пульсацией на фильтре Pi.

Простота проектирования в ВЧ-приложениях

В контролируемой ВЧ-среде, где требуется более высокочастотная передача, например, в диапазоне ГГц, высокочастотные Pi-фильтры легко и гибко устанавливать на печатной плате, используя только следы печатной платы. Высокочастотные фильтры Pi также обеспечивают большую устойчивость к скачкам напряжения, чем фильтры на основе кремния. Например, кремниевый чип имеет предел устойчивости к напряжению, тогда как пи-фильтры, изготовленные с использованием пассивных компонентов, имеют гораздо большую устойчивость к скачкам напряжения и суровым промышленным условиям.

Недостатки фильтра Pi

Более высокие значения мощности индуктора.

За исключением радиочастотной конструкции, высокое потребление тока через фильтр Pi не рекомендуется, поскольку ток должен проходить через индуктор. Если этот ток нагрузки относительно высок, то мощность индуктора также увеличивается, что делает его громоздким и дорогим. Кроме того, высокий ток через катушку индуктивности увеличивает рассеиваемую мощность на катушке индуктивности, что приводит к снижению эффективности.

Входной конденсатор

большой емкости Еще одна серьезная проблема фильтра Pi - это большая входная емкость. Для фильтров Pi требуется большая емкость на входе, что стало проблемой в приложениях с ограниченным пространством. Также дорогостоящие конденсаторы увеличивают стоимость конструкции.

Плохая стабилизация напряжения

Pi-фильтры не подходят там, где токи нагрузки нестабильны и постоянно меняются. Pi-фильтры обеспечивают плохую стабилизацию напряжения при сильном дрейфе тока нагрузки. В таком случае рекомендуется использовать фильтры с L-образным сечением.

Применение фильтров Pi

Преобразователи мощности

Как уже говорилось, Pi-фильтры являются отличным фильтром постоянного тока для подавления пульсаций переменного тока. Из-за такого поведения фильтры Pi широко используются в конструкциях силовой электроники, таких как преобразователь переменного тока в постоянный, преобразователь частоты и т. Д. Однако в силовой электронике Pi-фильтры используются в качестве фильтра нижних частот, и мы уже разработали схему питания фильтра Pi, для Наша конструкция ИИП на 12 В 1 А, как показано ниже.

Как правило, Pi-фильтры напрямую связаны с мостовым выпрямителем, а выход Pi-фильтров называется высоковольтным постоянным током. Выходное напряжение постоянного тока высокого напряжения используется для схемы драйвера блока питания для дальнейшей работы.

Эта конструкция, от диода мостового выпрямителя до драйвера, работает иначе с работой Pi-Filter. Во-первых, этот фильтр Pi обеспечивает плавный постоянный ток для бесперебойной работы всей схемы драйвера, что приводит к низким выходным пульсациям на конечном выходе источника питания, а другой фильтр предназначен для изоляции основных линий от высокой частоты переключения через схема драйвера.

Правильно сконструированный сетевой фильтр может обеспечить синфазную фильтрацию (фильтр, который отклоняет шумовой сигнал, как если бы это был независимый одиночный проводник) и дифференциальную модовую фильтрацию (дифференцируя шум с двумя частотами переключения, особенно высокочастотный шум, который может быть добавлен в сетевую линию) в источнике питания, где фильтр Pi является важным компонентом. Пи-фильтр также называется фильтром линии питания, если он используется в приложении силовой электроники.

RF приложение

В приложении RF фильтры Pi используются в разных операциях и в разных конфигурациях. Например, в ВЧ-приложениях согласование импеданса является огромным фактором, и фильтры Pi используются для согласования импеданса между ВЧ-антеннами и перед ВЧ-усилителями. Однако в максимальных случаях, когда используется очень высокая частота, например, в диапазоне ГГц, фильтры Pi используются в линии передачи сигнала и разработаны с использованием только дорожек печатной платы.

На изображении выше показаны фильтры на основе трассировки печатной платы, где трасса создает индуктивность и емкость в приложениях с очень высокой частотой. Помимо линии передачи, фильтры Pi также используются в устройствах радиосвязи, где имеют место модуляция и демодуляция. Pi-фильтры предназначены для целевой частоты для демодуляции сигнала после приема на стороне приемника. Pi фильтры верхних частот также используются для обхода целевых высоких частот в касках усиления или передачи.

Советы по проектированию Pi-фильтра

Чтобы спроектировать правильный фильтр Pi, необходимо компенсировать правильную тактику проектирования печатной платы для бесперебойной работы, эти советы перечислены ниже.

В силовой электронике

• В схеме фильтра Pi требуются толстые дорожки.
• Важно изолировать фильтр Pi от блока питания.
• Расстояние между входным конденсатором, катушкой индуктивности и выходным конденсатором должно быть закрыто.
• Заземляющая пластина выходного конденсатора должна быть напрямую подключена к схеме драйвера через соответствующую заземляющую пластину.
• Если конструкция состоит из зашумленных линий (таких как линия считывания высокого напряжения для драйвера), которые необходимо подключить к высоковольтному постоянному току, необходимо подключить трассу перед конечным выходным конденсатором фильтров Pi. Это улучшает помехоустойчивость и инжекцию нежелательного шума через схему драйвера.

В цепи RF

• Выбор компонентов является основным критерием для приложения RF. Переносимость компонентов играет важную роль.
• Небольшое увеличение дорожки на печатной плате может вызвать индуктивность в цепи. При выборе катушки индуктивности следует уделить должное внимание индуктивности следа печатной платы. При проектировании следует использовать правильную тактику для уменьшения паразитной индуктивности.
• Необходимо свести к минимуму паразитную емкость.
• Требуется закрытое размещение.
• Коаксиальный кабель подходит для ввода и вывода в радиочастотном приложении.