Pi-filter

Filter används ofta i kraft- och ljudelektronik för att avvisa oönskade frekvenser. Det finns många olika typer av filter som används i elektroniska kretskonstruktioner baserat på applikationen, men det underliggande konceptet för dem alla är detsamma, det vill säga att ta bort oönskade signaler. Alla dessa filter kan delas in i två typer - aktiva filter och passiva filter. Det aktiva filtret använder en eller flera aktiva komponenter med andra passiva komponenter medan passiva filter enbart tillverkas med passiva komponenter. Vi har redan diskuterat i detaljer om dessa filter:

• Aktivt högpassfilter
• Aktivt lågpassfilter
• Passivt högpassfilter
• Passivt lågpassfilter
• Bandpassfilter
• Harmoniskt filter

I den här handledningen lär vi oss en annan ny typ av filter som heter Pi Filter, som mycket ofta används i strömförsörjningskretsdesign. Vi har redan använt Pi-filter i några av våra tidigare strömförsörjningsdesigner som denna 5V 2A SMPS-krets och 12V 1A SMPS-krets. Så, låt oss ta del av vad dessa filter är och hur man utformar dem.

Pi-filter

Pi Filter är en typ av passivt filter som består av huvudsakligen tre andra komponenter än de traditionella tvåelementets passiva filter. Konstruktionsarrangemanget för alla komponenter skapar formen på den grekiska bokstaven Pi (π), därmed namnet Pi-sektionen Filter.

I huvudsak används Pi-filter för lågpassfilterapplikation, men en annan konfiguration är också möjlig. Huvudkomponenten i ett Pi-filter är kondensatorn och induktorn som gör det till ett LC-filter. I lågpassfilterapplikation kallade Pi-filter även kondensatorinmatningsfiltret eftersom kondensatorn stannar över ingångssidan i lågpasskonfiguration.

Pi-filter som ett lågpassfilter

Pi-filtret är ett utmärkt lågpassfilter som är mycket mer annorlunda än det traditionella LC Pi-filtret. När ett Pi-filter är konstruerat för lågpass, förblir utgången stabil med en konstant-k-faktor.

Den utformningen av ett lågpassfilter med hjälp av Pi konfigurationen är ganska enkelt. Den Pi Filterkretsen består av två kondensatorer anslutna parallellt följt av en induktor i serie bildar en Pi form, såsom visas i bilden nedan

Som framgår av bilden ovan består den av två kondensatorer som är anslutna till jord med en serie-induktor. Eftersom detta är ett lågpassfilter producerar det hög impedans vid hög frekvens och låg impedans vid låg frekvens. Således används det ofta i en överföringsledning för att blockera oönskade höga frekvenser.

Konstruktionen och komponentvärdena för Pi-filterberäkningen kan härledas från nedanstående ekvation för att designa ett Pi-filter för din applikation.

Avskärningsfrekvens (fc) = 1 / ᴫ (LC) ^1/2 Kapacitansvärde är (C) = 1 / Z _0ᴫfc Induktansvärde (L1) = Z ₀ / ᴫfc där Z ₀ är impedanskarakteristiken i ohm och fc är skärfrekvensen.

Pi-filter som ett högpassfilter

Samma som lågpassfiltret, pi-filter kan också konfigureras som ett högpassfilter. I ett sådant fall blockerar filtret lågfrekvensen och låter högfrekvensen passera. Den är också tillverkad med två typer av passiva komponenter, två induktorer och en kondensator.

I lågpasskonfiguration är filtret utformat som två kondensatorer parallellt med en induktor däremellan, men i högpasskonfiguration blir positionen och kvantiteten av de passiva komponenterna precis motsatt. Istället för en enda induktor används här två separata induktorer med en enda kondensator.

Ovanstående Pi Filter-kretsbild visar filtret i högpasskonfiguration, och för att inte tala om konstruktionen ser också ut som en symbol Pi. Konstruktionen och komponentvärdena för Pi-filtret kan härledas från nedanstående ekvation -

Cut off frekvens (fe) = 1 / 4ᴫ (LC) ^1/2 Värdet av kapacitansen är (C) = 1 / 4Z _0ᴫfc Värdet av impedansen (L1) = Z ₀ / 4ᴫfc Om Z ₀ är impedanskarakteristiken i ohm och fc är skärfrekvensen.

Fördelar med Pi-filtret

Hög utspänning

Utgångsspänningen över pi-filtret är ganska hög, vilket gör den lämplig för den mest strömrelaterade applikationen där högspännings DC-filter krävs.

Låg rippelfaktor

Konfigurerad som lågpassfilter I likströmsfiltreringssyfte är Pi-filter ett effektivt filter för att filtrera bort oönskad AC-rippel som kommer från en brygglikriktare. Kondensatorn ger låg impedans i växelström men högt motstånd i likström på grund av effekten av kapacitans och reaktans. På grund av denna låga impedans över växelström kringgår Pi-filterets första kondensator AC-krusningen som kommer från brygglikriktaren. Den förbikopplade AC-krusningen går in i induktorn. Induktorn motstår förändringar av strömflödet och blockerar AC-krusningen som han ytterligare filtreras av den andra kondensatorn. Dessa flera steg i filtreringen hjälper till att producera en mycket låg krusning jämn DC-uteffekt över Pi-filtret.

Lätt att designa i RF-applikationer

I en kontrollerad RF-miljö, där högre frekvensöverföring krävs, till exempel i GHz-bandet, är högfrekventa Pi-filter enkla och flexibla att göra i PCB med bara PCB-spår. Högfrekventa Pi-filter ger också ökade immuniteter mer än kiselbaserade filter. Till exempel har ett kiselchip en gräns för spänningstålighetskapacitet, medan pi-filter tillverkade med passiva komponenter har mycket mer immunitet när det gäller vågor och hårda industriella miljöer.

Nackdelar med Pi-filtret

Högre Wattage induktansvärden

Förutom RF-design, är högströmsdragning genom ett Pi-filter inte tillrådligt eftersom strömmen måste strömma genom induktorn. Om denna belastningsström är relativt hög ökar också induktansens effekt, vilket gör den skrymmande och dyr. Dessutom ökar den höga strömmen genom induktorn effektförlusten över induktorn vilket resulterar i dålig effektivitet.

Högvärdig ingångskondensator

Ett annat stort problem med Pi-filtret är det stora ingångskapacitansvärdet. Pi-filter kräver hög kapacitet över ingången vilket blev en utmaning i rymdbegränsade applikationer. Högkvalitativa kondensatorer ökar också kostnaden för designen.

Dålig spänningsreglering

Pi-filter är inte lämpliga när belastningsströmmarna inte är stabila och ständigt förändras. Pi-filter ger dålig spänningsreglering när belastningsströmmen drivs mycket. I en sådan applikation rekommenderas filtren med en L-sektion.

Tillämpning av Pi-filter

Kraftomvandlare

Som redan diskuterats är Pi-filter ett utmärkt DC-filter för att undertrycka AC-krusningar. På grund av detta beteende används Pi-filter i stor utsträckning i Power Electronic-konstruktioner som AC-DC-omvandlare, Frekvensomvandlare etc. I Power Electronics används dock Pi-filter som lågpassfilter och vi har redan konstruerat en strömkrets för Pi-filter, för vår 12V 1A SMPS-design som visas nedan.

Generellt är Pi-filter direkt anslutna till brygglikriktaren och utgången från Pi-filter kallas högspännings DC. Utgången DC högspänning används för strömförsörjningsdrivkretsarna för vidare drift.

Denna konstruktion, från Bridge-likriktardiod till föraren, har en annan funktion med Pi-Filter. För det första ger detta Pi-filter jämn likström för krusningsfri drift av den totala drivkretsen, vilket resulterar i en låg krusning från den slutliga utgången från strömförsörjningen, och den andra är för att isolera huvudledningar från den höga omkopplingsfrekvensen över förarkrets.

Ett korrekt konstruerat linjefilter kan tillhandahålla Common-mode-filtrering (Ett filter som avvisar brussignal som om en oberoende enledare) och differentieringsfiltrering (differentierar två omkopplingsfrekvensbrus, särskilt högfrekvent brus som kan läggas till huvudledningen) i en strömförsörjning där Pi-filter är en viktig komponent. Ett pi-filter kallas också ett Power Line-filter om det används i Power Electronics Application.

RF-applikation

I RF-applikationen används Pi-filter i olika operationer och olika konfigurationer. Till exempel, i RF-applikationer är matchande impedans en enorm faktor och Pi-filter används för att matcha impedans över RF-antenner och före RF-förstärkare. I maximala fall där mycket hög frekvens, t.ex. i GHz-bandet används, används emellertid Pi-filter i signalöverföringsledningen och utformas med endast PCB-spår.

Ovanstående bild visar PCB-spårbaserade filter där spårningen skapar induktans och kapacitans i mycket högfrekventa applikationer. Förutom överföringsledningen används Pi-filter också i RF-kommunikationsenheter, där modulering och demodulering äger rum. Pi-filter är utformade för en riktad frekvens för att demodulera signalen efter mottagning på mottagarsidan. Högpass Pi-filter används också för att kringgå riktad högfrekvens till förstärknings- eller överföringsstegen.

Tips för Pi-filterdesign

För att designa ett ordentligt Pi-filter krävs det att kompensera rätt PCB-designtaktik för problemfri drift. Dessa tips listas nedan.

I kraftelektronik

• Tjocka spår krävs i Pi-filterlayouten.
• Det är viktigt att isolera Pi-filtret från strömförsörjningsenheten.
• Avståndet mellan ingångskondensatorn, induktorn och utgångskondensatorn behövs för att stängas.
• Utgångskondensatorns jordplan behövs för att anslutas direkt till förarkretsen via ett korrekt jordplan.
• Om konstruktionen består av bullriga linjer (såsom högspänningsavkänningsledning för drivrutinen) som måste anslutas över högspännings DC, krävs det att ansluta spåret innan den slutliga utgångskondensatorn för Pi-filtren. Detta förbättrar bullerimmuniteten och oönskad ljudinjektion över förarkretsarna.

I RF-krets

• Komponentvalet är ett viktigt kriterium för RF-applikationen. Komponenternas tolerans spelar en viktig roll.
• En liten ökning av PCB-spårningen kan inducera induktans i kretsen. Korrekt försiktighet bör tas vid val av induktorer genom att överväga PCB-spårinduktans. Designen bör göras med rätt taktik för att minska avvikande induktans.
• Avvikande kapacitans behövs för att minimeras.
• Stängd placering krävs.
• Koaxialkabel är lämplig för in- och utgång i RF-applikationen.