Filtre Pi

Els filtres s’utilitzen habitualment en electrònica de potència i àudio per rebutjar freqüències no desitjades. Hi ha molts tipus diferents de filtres utilitzats en dissenys de circuits electrònics basats en l'aplicació, però el concepte subjacent de tots ells és el mateix, és a dir, eliminar els senyals no desitjats. Tots aquests filtres es poden classificar en dos tipus: filtres actius i filtres passius. El filtre actiu utilitza un o més components actius amb altres components passius, mentre que els filtres passius només es fan mitjançant components passius. Ja hem comentat en detalls sobre aquests filtres:

• Filtre de pas alt actiu
• Filtre de pas baix actiu
• Filtre passiu d'alta passiva
• Filtre passiu baix passiu
• Filtre de pas de banda
• Filtre harmònic

En aquest tutorial, aprenem un altre tipus de filtre anomenat Filtre Pi, que s’utilitza molt habitualment en dissenys de circuits de subministrament elèctric. Ja hem utilitzat Pi-Filter en alguns dels nostres dissenys anteriors de font d'alimentació, com aquest circuit SMPS de 5V 2A i el circuit SMPS de 12V 1A. Per tant, anem a detallar què són aquests filtres i com dissenyar-los.

Filtre Pi

El filtre Pi és un tipus de filtre passiu que consisteix principalment en tres components diferents dels tradicionals filtres passius de dos elements. La disposició constructiva de tots els components crea la forma de la lletra grega Pi (π), per tant el nom Filtre de la secció Pi.

En la majoria, els filtres Pi s’utilitzen per a aplicacions de filtres de pas baix, però també és possible una altra configuració. El component principal d’un filtre Pi és el condensador i l’inductor que el converteixen en un filtre LC. En l’aplicació de filtre de pas baix, el filtre Pi també s’anomena filtre d’entrada del condensador, ja que el condensador es manté a través del costat d’entrada en configuració de pas baix.

Filtre Pi com a filtre de pas baix

El filtre Pi és un excel·lent filtre de pas baix que és molt més diferent que el filtre LC Pi tradicional . Quan un filtre Pi està dissenyat per a un pas baix, la sortida es manté estable amb un factor k constant.

El disseny d’un filtre de pas baix que utilitza la configuració Pi és força senzill. El circuit de filtre Pi consta de dos condensadors connectats en paral·lel seguits d’un inductor en sèrie que forma una forma Pi com es mostra a la imatge següent

Com es veu a la imatge anterior, consta de dos condensadors connectats a terra amb un inductor de sèrie intermedi. Com que és un filtre de pas baix, produeix una alta impedància a alta freqüència i baixa impedància a baixa freqüència. Per tant, s'utilitza habitualment en una línia de transmissió per bloquejar altes freqüències no desitjades.

La construcció i els valors de components del càlcul del filtre Pi es poden derivar de l'equació següent per dissenyar un filtre Pi per a la vostra aplicació.

Freqüència de tall (fc) = 1 / ᴫ (LC) ^{1/2 El} valor de la capacitat és (C) = 1 / Z _0ᴫfc Valor de la inductància (L1) = Z ₀ / ᴫfc On, Z ₀ és la característica de la impedància en ohms i fc és la freqüència de tall.

Filtre Pi com a filtre de pas alt

Igual que el filtre de pas baix, els filtres pi també es poden configurar com a filtre de pas alt. En aquest cas, el filtre bloqueja la freqüència baixa i permet passar la freqüència alta. També es fa amb dos tipus de components passius, dos inductors i un condensador.

En la configuració de pas baix, el filtre està dissenyat perquè dos condensadors estan en paral·lel amb un inductor intermedi, però en configuració de pas alt, la posició i la quantitat dels components passius són exactament el contrari. En lloc d’un sol inductor, aquí s’utilitzen dos inductors separats amb un únic condensador.

La imatge del circuit del filtre Pi anterior mostra el filtre en configuració de pas alt i, per no parlar de la construcció, també sembla un símbol Pi. La construcció i els valors de components del filtre Pi es poden derivar de l’equació següent:

Freqüència de tall (fc) = 1 / 4ᴫ (LC) ^{1/2 El} valor de la capacitat és (C) = 1 / 4Z _0ᴫfc Valor de la impedància (L1) = Z ₀ / 4ᴫfc On, Z ₀ és la característica de la impedància en ohms i fc és la freqüència de tall.

Avantatges del filtre Pi

Alt voltatge de sortida

El voltatge de sortida a través del filtre pi és bastant elevat, cosa que el fa adequat per a l'aplicació més relacionada amb l'energia on es requereixen filtres de corrent continu d'alta tensió.

Factor d'ondulació baix

Configurat com a filtre de pas baix A efectes de filtratge de CC, el filtre Pi és un filtre eficient per filtrar l'ondulació de CA no desitjada procedent d'un rectificador de pont. El condensador proporciona una baixa impedància en corrent altern però una alta resistència en corrent continu a causa de l’efecte de la capacitat i la reactància. A causa d’aquesta baixa impedància a la corrent altern, el primer condensador del filtre Pi ignora l’ondulació de corrent altern provinent del rectificador de pont. L’ondulació de CA saltada entra a l’inductor. L'inductor resisteix els canvis de flux de corrent i bloqueja l'ondulació de corrent altern que el seu segon condensador filtrarà. Aquestes múltiples etapes de filtratge ajuden a produir una sortida de corrent continu fluida molt baixa a través del filtre Pi.

Fàcil de dissenyar en aplicacions de RF

En un entorn de RF controlat, on es requereix una transmissió de freqüència més alta, per exemple a la banda de GHz, els filtres Pi d'alta freqüència són fàcils i flexibles de fabricar al PCB utilitzant només traces de PCB. Els filtres Pi d'alta freqüència també proporcionen immunitats contra sobretensions més que els filtres basats en silici. Per exemple, un xip de silici té un límit de resistència a la tensió, mentre que els filtres pi fabricats amb components passius tenen molta més immunitat en termes de sobretensions i entorns industrials durs.

Desavantatges del filtre Pi

Valors d’inductor de potència més alta

A part del disseny de RF, no es recomana treure corrent elevat a través d’un filtre Pi, ja que el corrent ha de fluir a través de l’inductor. Si aquest corrent de càrrega és relativament alt, la potència de l’inductor també augmenta, cosa que fa que sigui voluminós i car. A més, l’alt corrent a través de l’inductor augmenta la dissipació de potència a través de l’inductor, resultant en una eficiència deficient.

Condensador d'entrada d'alt valor

Un altre problema important del filtre Pi és el gran valor de la capacitat d'entrada. Els filtres Pi requereixen una alta capacitat entre l'entrada, cosa que es va convertir en un repte en aplicacions restringides per espai. A més, els condensadors d’alt valor augmenten el cost del disseny.

Els

filtres Pi de regulació de la baixa tensió no són adequats quan els corrents de càrrega no són estables i canvien constantment. Els filtres Pi proporcionen una mala regulació del voltatge quan el corrent de càrrega es deriva molt. En aquesta aplicació es recomanen els filtres amb una secció L.

Aplicació de filtres Pi

Convertidors de potència

Com ja s’ha comentat, els filtres Pi són un excel·lent filtre de corrent continu per suprimir les ondulacions de corrent altern. A causa d'aquest comportament, filtres Pi s'utilitzen àmpliament en electrònica de potència dissenys com convertidor AC-DC, convertidor de freqüència, etc. No obstant això, en Electrònica de Potència Pi filtres s'utilitzen com a filtre de pas baix i ja va dissenyar un filtre Pi Font d'alimentació de l'circuit, per el nostre disseny SMPS de 12V 1A com es mostra a continuació.

Generalment, els filtres Pi es connecten directament amb el rectificador de pont i la sortida dels filtres Pi es coneix com a CC d’alta tensió. La sortida d’alta tensió de CC s’utilitza per al circuit del controlador de la font d’alimentació per a un funcionament posterior.

Aquesta construcció, des del díode rectificador Bridge fins al conductor, té un funcionament diferent amb el funcionament de Pi-Filter. En primer lloc, aquest filtre Pi proporciona una corrent continu per al funcionament lliure d’inundacions del circuit general del controlador, resultant en una baixa ondulació de la sortida final de la font d’alimentació, i l’altre és per aïllar les línies principals de l’alta freqüència de commutació circuit de controladors.

Un filtre de línia adequadament construït pot proporcionar filtratge en mode comú (Un filtre que rebutja el senyal de soroll com si fos un conductor independent independent) i filtrat en mode diferencial (diferenciant dos sorolls de freqüència de commutació, especialment el soroll d’alta freqüència que es pot afegir a la línia de xarxa) en una font d'alimentació on el filtre Pi és un component important. Un filtre pi també es coneix com a filtre de línia d’alimentació si s’utilitza en aplicacions d’electrònica de potència.

Aplicació RF

A l'aplicació RF, els filtres Pi s'utilitzen en diferents operacions i configuracions diferents. Per exemple, a les aplicacions de RF, la impedància de coincidència és un factor enorme i els filtres Pi s’utilitzen per fer coincidir la impedància entre les antenes de RF i abans dels amplificadors de RF. Tanmateix, en els casos màxims en què s'utilitza una freqüència molt alta, com per exemple en la banda de GHz, els filtres Pi s'utilitzen a la línia de transmissió de senyals i es dissenyen utilitzant només traces de PCB.

La imatge anterior mostra filtres basats en el traçat de PCB on el traçat crea inductància i capacitat en aplicacions de molt alta freqüència. A part de la línia de transmissió, els filtres Pi també s’utilitzen en dispositius de comunicació RF, on es produeixen la modulació i la demodulació. Els filtres Pi estan dissenyats per a una freqüència específica per demodular el senyal després de rebre-la al receptor. Els filtres Pi de pas alt també s’utilitzen per passar per alta freqüència dirigida a les etapes d’amplificació o transmissió.

Consells per al disseny del filtre Pi

Per dissenyar un filtre Pi adequat, cal compensar les tàctiques adequades de disseny de PCB per a un funcionament sense problemes, a continuació es detallen aquests consells.

A Electrònica de Potència

• Es requereixen traces gruixudes al disseny del filtre Pi.
• És essencial aïllar el filtre Pi de la font d'alimentació.
• Cal tancar la distància entre el condensador d’entrada, l’inductor i el condensador de sortida.
• Cal que el pla de terra del condensador de sortida estigui connectat directament al circuit conductor mitjançant un pla de terra adequat.
• Si el disseny consisteix en línies sorolloses (com ara la línia de detecció d’alta tensió per al controlador) que cal connectar a través de CC d’alta tensió, cal connectar la traça abans del condensador de sortida final dels filtres Pi. Això millora la immunitat contra el soroll i la injecció de soroll no desitjada als circuits del conductor.

Al circuit de RF

• La selecció de components és un criteri important per a l'aplicació de RF. La tolerància dels components té un paper important.
• Un petit augment de la traça del PCB podria induir la inductància al circuit. S’ha de tenir la precaució adequada en la selecció d’inductors tenint en compte la inductància de traça de PCB. El disseny s’ha de fer mitjançant tàctiques adequades per reduir la inductància perduda.
• Cal minimitzar la capacitat perduda.
• Es requereix una ubicació tancada.
• El cable coaxial és adequat per a l'entrada i sortida de l'aplicació de RF.