Filtro Pi

I filtri sono comunemente usati nell'elettronica di potenza e audio per rifiutare le frequenze indesiderate. Esistono molti tipi diversi di filtri utilizzati nei progetti di circuiti elettronici basati sull'applicazione, ma il concetto alla base di tutti è lo stesso, ovvero rimuovere i segnali indesiderati. Tutti questi filtri possono essere classificati in due tipi: filtri attivi e filtri passivi. Il filtro attivo utilizza uno o più componenti attivi con altri componenti passivi mentre i filtri passivi sono realizzati esclusivamente utilizzando componenti passivi. Abbiamo già discusso in dettaglio di questi filtri:

• Filtro passa alto attivo
• Filtro passa basso attivo
• Filtro passa alto passivo
• Filtro passa basso passivo
• Filtro passa-banda
• Filtro armonico

In questo tutorial, impariamo un altro nuovo tipo di filtro chiamato Filtro Pi, che è molto comunemente utilizzato nei progetti di circuiti di alimentazione. Abbiamo già utilizzato Pi-Filter in alcuni dei nostri precedenti modelli di alimentatori come questo circuito SMPS 5V 2A e circuito SMPS 12V 1A. Quindi, entriamo nel dettaglio su cosa sono questi filtri e su come progettarli.

Filtro Pi

Pi Filter è un tipo di filtro passivo costituito principalmente da tre componenti diversi dai tradizionali filtri passivi a due elementi. La disposizione costruttiva di tutti i componenti crea la forma della lettera greca Pi (π), da cui il nome Pi sezione Filtro.

Nella maggior parte dei casi, i filtri Pi vengono utilizzati per l'applicazione del filtro passa basso, ma è anche possibile un'altra configurazione. Il componente principale di un filtro Pi è il condensatore e l'induttore che lo rendono un filtro LC. Nell'applicazione del filtro passa basso, il filtro Pi è anche chiamato filtro di ingresso del condensatore poiché il condensatore rimane sul lato di ingresso nella configurazione passa basso.

Filtro Pi come filtro passa basso

Il filtro Pi è un eccellente filtro passa basso che è molto più diverso dal tradizionale filtro LC Pi. Quando un filtro Pi è progettato per un passa-basso, l'uscita rimane stabile con un fattore k costante.

Il design di un filtro passa basso che utilizza la configurazione Pi è piuttosto semplice. Il circuito del filtro Pi è costituito da due condensatori collegati in parallelo seguiti da un induttore in serie che forma una forma Pi come mostrato nell'immagine sotto

Come si vede nell'immagine sopra, è costituito da due condensatori che sono collegati a terra con un induttore in serie intermedio. Poiché si tratta di un filtro passa basso, produce alta impedenza ad alta frequenza e bassa impedenza a bassa frequenza. Pertanto, è comunemente usato in una linea di trasmissione per bloccare le alte frequenze indesiderate.

La costruzione ei valori dei componenti del calcolo del filtro Pi possono essere derivati ​​dall'equazione seguente per progettare un filtro Pi per la propria applicazione.

Frequenza di taglio (fc) = 1 / ᴫ (LC) ^{1/2 Il} valore della capacità è (C) = 1 / Z _0ᴫfc Valore dell'induttanza (L1) = Z ₀ / ᴫfc Dove, Z ₀ è la caratteristica dell'impedenza in ohm e fc è la frequenza di taglio.

Filtro Pi come filtro passa alto

Come il filtro passa basso, i filtri Pi possono anche essere configurati come filtro passa alto. In tal caso, il filtro blocca la bassa frequenza e lascia passare l'alta frequenza. Inoltre è realizzato utilizzando due tipi di componenti passivi, due induttori e un condensatore.

Nella configurazione passa basso il filtro è progettato come due condensatori sono in parallelo con un induttore intermedio, ma nella configurazione passa alto, la posizione e la quantità dei componenti passivi sono esattamente l'opposto. Invece di un singolo induttore, qui vengono utilizzati due induttori separati con un singolo condensatore.

L' immagine del circuito del filtro Pi sopra mostra il filtro in configurazione passa-alto, e per non parlare della costruzione sembra anche un simbolo Pi. La costruzione e i valori dei componenti del filtro Pi possono essere derivati ​​dall'equazione seguente:

Frequenza di taglio (fc) = 1 / 4ᴫ (LC) ^{1/2 Il} valore della capacità è (C) = 1 / 4Z _0ᴫfc Valore dell'impedenza (L1) = Z ₀ / 4ᴫfc Dove, Z ₀ è la caratteristica dell'impedenza in ohm e fc è la frequenza di taglio.

Vantaggi del filtro Pi

Alta tensione di uscita

La tensione di uscita attraverso il filtro pi è piuttosto alta, rendendolo adatto per la maggior parte delle applicazioni legate all'alimentazione in cui sono richiesti filtri CC ad alta tensione.

Fattore di ondulazione basso

Configurato come filtro passa-basso Ai fini della filtrazione CC, il filtro Pi è un filtro efficiente, per filtrare l'ondulazione CA indesiderata proveniente da un raddrizzatore a ponte. Il condensatore fornisce una bassa impedenza in CA ma un'elevata resistenza in CC a causa dell'effetto di capacità e reattanza. A causa di questa bassa impedenza attraverso AC, il primo condensatore del filtro Pi bypassa l'ondulazione AC proveniente dal raddrizzatore a ponte. L'ondulazione CA bypassata entra nell'induttore. L'induttore resiste alle variazioni del flusso di corrente e blocca l'ondulazione AC che viene ulteriormente filtrata dal secondo condensatore. Questi più stadi di filtraggio aiutano a produrre un'uscita CC uniforme con ondulazione molto bassa attraverso il filtro Pi.

Facile da progettare in applicazioni RF

In un ambiente RF controllato, dove è richiesta una trasmissione a frequenza più elevata, ad esempio nella banda GHz, i filtri Pi ad alta frequenza sono facili e flessibili da realizzare nel PCB utilizzando solo tracce PCB. I filtri Pi ad alta frequenza forniscono anche immunità alle sovratensioni più dei filtri a base di silicio. Ad esempio, un chip di silicio ha un limite di capacità di resistenza alla tensione, mentre i filtri pi realizzati utilizzando componenti passivi hanno molta più immunità in termini di sovratensioni e ambienti industriali difficili.

Svantaggi del filtro Pi

Valori dell'induttore di potenza

superiore A parte il design RF, non è consigliabile un assorbimento di corrente elevato attraverso un filtro Pi poiché la corrente deve fluire attraverso l'induttore. Se questa corrente di carico è relativamente alta, aumenta anche la potenza dell'induttore rendendolo ingombrante e costoso. Inoltre, l'elevata corrente attraverso l'induttore aumenta la dissipazione di potenza attraverso l'induttore con conseguente scarsa efficienza.

Condensatore di ingresso di alto valore

Un altro grosso problema del filtro Pi è il grande valore di capacità di ingresso. I filtri Pi richiedono un'elevata capacità attraverso l'ingresso che è diventata una sfida nelle applicazioni con vincoli di spazio. Inoltre, i condensatori di alto valore aumentano il costo del progetto.

I

filtri Pi con cattiva regolazione della tensione non sono adatti dove le correnti di carico non sono stabili e cambiano costantemente. I filtri Pi forniscono una cattiva regolazione della tensione quando la corrente di carico si sposta molto. In tale applicazione si consigliano i filtri con una sezione a L.

Applicazione di filtri Pi

Convertitori di potenza

Come già discusso, i filtri Pi sono un eccellente filtro CC per sopprimere le increspature CA. A causa di questo comportamento, i filtri Pi sono ampiamente utilizzati in progetti di elettronica di potenza come convertitori AC-DC, convertitori di frequenza, ecc. Tuttavia, in elettronica di potenza i filtri Pi sono usati come filtri passa basso e abbiamo già progettato un circuito di alimentazione con filtro Pi il nostro design SMPS 12V 1A come mostrato di seguito.

Generalmente, i filtri Pi sono collegati direttamente al raddrizzatore a ponte e l'uscita dei filtri Pi è indicata come CC ad alta tensione. L'alta tensione CC in uscita viene utilizzata per i circuiti del driver di alimentazione per ulteriori operazioni.

Questa costruzione, dal diodo raddrizzatore a ponte al driver, ha un funzionamento diverso con il funzionamento del Pi-Filter. Innanzitutto, questo filtro Pi fornisce una continua continua per il funzionamento senza ondulazioni del circuito di pilotaggio complessivo con conseguente bassa ondulazione di uscita dall'uscita finale dell'alimentatore, e l'altro serve per isolare le linee principali dall'alta frequenza di commutazione attraverso il circuito del driver.

Un filtro di linea correttamente costruito può fornire un filtraggio di modo comune (un filtro che rifiuta il segnale di rumore come se fosse un conduttore singolo indipendente) e un filtraggio di modo differenziale (differenziando il rumore a due frequenze di commutazione, in particolare il rumore ad alta frequenza che può essere aggiunto alla linea di rete) in un alimentatore in cui il filtro Pi è un componente importante. Un filtro pi è anche indicato come un filtro della linea di alimentazione se utilizzato nell'applicazione di elettronica di potenza.

Applicazione RF

Nell'applicazione RF, i filtri Pi vengono utilizzati in diverse operazioni e diverse configurazioni. Ad esempio, nelle applicazioni RF, l'impedenza di adattamento è un fattore enorme ei filtri Pi vengono utilizzati per abbinare l'impedenza tra le antenne RF e prima degli amplificatori RF. Tuttavia, nei casi massimi in cui viene utilizzata una frequenza molto elevata, come nella banda GHz, i filtri Pi vengono utilizzati nella linea di trasmissione del segnale e progettati utilizzando solo tracce PCB.

L'immagine sopra mostra filtri basati su traccia PCB in cui la traccia crea induttanza e capacità in applicazioni ad altissima frequenza. Oltre alla linea di trasmissione, i filtri Pi vengono utilizzati anche nei dispositivi di comunicazione RF, dove avvengono la modulazione e la demodulazione. I filtri Pi sono progettati per una frequenza mirata per demodulare il segnale dopo averlo ricevuto sul lato del ricevitore. I filtri Pi passa alto vengono utilizzati anche per bypassare l'alta frequenza mirata negli stadi di amplificazione o trasmissione.

Suggerimenti per la progettazione di Pi-Filter

Per progettare un filtro Pi adeguato è necessario compensare le tattiche di progettazione PCB appropriate per un funzionamento senza problemi, questi suggerimenti sono elencati di seguito.

In elettronica di potenza

• Le tracce spesse sono richieste nel layout del filtro Pi.
• È essenziale isolare il filtro Pi dall'alimentatore.
• La distanza tra il condensatore di ingresso, l'induttore e il condensatore di uscita deve essere chiusa.
• Il piano di massa del condensatore di uscita deve essere collegato direttamente al circuito di pilotaggio tramite un piano di massa appropriato.
• Se il progetto è costituito da linee rumorose (come la linea di rilevamento dell'alta tensione per il driver) che deve essere collegata attraverso l'alta tensione CC, è necessario collegare la traccia prima del condensatore di uscita finale dei filtri Pi. Ciò migliora l'immunità al rumore e l'iniezione di rumore indesiderato attraverso i circuiti del driver.

Nel circuito RF

• La selezione dei componenti è un criterio importante per l'applicazione RF. La tolleranza dei componenti gioca un ruolo fondamentale.
• Un piccolo aumento della traccia PCB potrebbe indurre induttanza nel circuito. È necessario prestare la dovuta attenzione alla selezione dell'induttore considerando l'induttanza della traccia PCB. Il progetto dovrebbe essere realizzato utilizzando tattiche adeguate per ridurre l'induttanza parassita.
• La capacità dispersa è necessaria per essere ridotta al minimo.
• È richiesto un posizionamento chiuso.
• Il cavo coassiale è adatto per l'ingresso e l'uscita nell'applicazione RF.