Pi szűrő

A szűrőket általában az erő- és audioelektronikában használják a nem kívánt frekvenciák elutasítására. Az elektronikus áramkörök tervezésénél az alkalmazás alapján sokféle típusú szűrő létezik, de mindegyikük alapjául szolgáló koncepció ugyanaz, vagyis a nem kívánt jelek eltávolítása. Mindezek a szűrők két típusba sorolhatók - aktív szűrők és passzív szűrők. Az aktív szűrő egy vagy több aktív komponenst használ más passzív alkatrészekkel, míg a passzív szűrőket kizárólag passzív komponensek felhasználásával készítik. A szűrőkről már részletesen megbeszéltük:

• Aktív felüláteresztő szűrő
• Aktív aluláteresztő szűrő
• Passzív felüláteresztő szűrő
• Passzív aluláteresztő szűrő
• Sávszűrő
• Harmonikus szűrő

Ebben az oktatóanyagban megtanulunk egy másik új típusú szűrőt, a Pi Filter nevet, amelyet nagyon gyakran használnak az áramellátási áramkörök tervezésénél. Korábbi tápegység-kialakításunkban már használtunk Pi-Filtert, mint például az 5V 2A SMPS áramkör és a 12V 1A SMPS áramkör. Tehát nézzük meg részletesen, hogy mik ezek a szűrők, és hogyan kell megtervezni őket.

Pi-szűrő

A Pi szűrő egy olyan passzív szűrő, amely főleg három összetevőből áll, a hagyományos kételemes passzív szűrők kivételével. Az összes alkotóelem konstrukciós elrendezése létrehozza a görög Pi (π) betű alakját, ezáltal a Pi szakasz neve Filter.

Többnyire Pi szűrőket használnak aluláteresztő szűrő alkalmazáshoz, de lehetséges egy másik konfiguráció is. A Pi-szűrő fő alkotóeleme a kondenzátor és az induktor, így LC-szűrő. Aluláteresztő szűrő alkalmazásban a Pi szűrőt Capacitor bemeneti szűrőnek is hívják, mivel a kondenzátor aluláteresztő konfigurációban marad a bemeneti oldalon.

Pi szűrő aluláteresztő szűrőként

A Pi szűrő kiváló aluláteresztő szűrő, amely sokkal különbözik a hagyományos LC Pi szűrőtől. Amikor a Pi szűrőt aluláteresztésre tervezték, a kimenet állandó marad, állandó k tényező mellett.

Az aluláteresztő szűrő kialakítása a Pi konfiguráció segítségével meglehetősen egyszerű. A Pi szűrő áramkör két párhuzamosan összekapcsolt kondenzátorból áll, amelyet egy sor induktor követ, amely Pi alakot képez, amint az az alábbi képen látható

Amint az a fenti képen látható, két kondenzátorból áll, amelyek a földre vannak kapcsolva egy sorozatos induktivitással. Mivel ez egy aluláteresztő szűrő, nagy impedanciát produkál nagy frekvencián és alacsony impedanciát alacsony frekvencián. Így általában egy távvezetékben használják a nem kívánt magas frekvenciák blokkolására.

A Pi szűrő számításának felépítése és komponensértékei az alábbi egyenletből származtathatók Pi-szűrő megtervezéséhez az alkalmazásához.

Vágási frekvencia (fc) = 1 / ᴫ (LC) ^1/2 A kapacitás értéke: (C) = 1 / Z _0ᴫfc Az induktivitás értéke (L1) = Z ₀ / ᴫfc Hol, a Z ₀ az impedancia karakterisztika ohmban és fc a vágási frekvencia.

Pi szűrő felüláteresztő szűrőként

Az aluláteresztő szűrővel megegyezően a pi szűrők szintén felüláteresztő szűrőként konfigurálhatók. Ilyen esetben a szűrő blokkolja az alacsony frekvenciát és átengedi a magas frekvenciát. Kétféle passzív alkatrészből, két induktivitásból és egy kondenzátorból is készül.

Aluláteresztő konfigurációban a szűrő úgy van kialakítva, hogy két kondenzátor párhuzamosan van egy induktorral a kettő között, de magas áteresztésű konfigurációban a passzív alkatrészek helyzete és mennyisége pont ellentétes. Egyetlen induktivitás helyett itt két külön induktivitást használnak egyetlen kondenzátorral.

A fenti Pi szűrő áramkör képe a szűrőt felüláteresztő konfigurációban mutatja, és nem is beszélve arról, hogy a konstrukció is Pi szimbólumnak tűnik. A Pi szűrő felépítése és komponensértékei az alábbi egyenletből származtathatók -

Vágási frekvencia (fc) = 1 / 4ᴫ (LC) ^1/2 A kapacitás értéke: (C) = 1 / 4Z _0ᴫfc Az impedancia értéke (L1) = Z ₀ / 4ᴫfc Hol, a Z ₀ az impedancia jellemző ohmban és fc a levágási frekvencia.

A Pi szűrő előnyei

Nagy kimeneti feszültség

A kimeneti feszültség a pi szűrőn meglehetősen magas, így alkalmas a legtöbb energiával kapcsolatos alkalmazásra, ahol nagyfeszültségű egyenáramú szűrőkre van szükség.

Alacsony hullámtényező

Aluláteresztő szűrőként konfigurálva DC-szűrés céljából a Pi szűrő hatékony szűrő a híd egyenirányítóból származó nem kívánt AC hullámosság kiszűrésére. A kondenzátor alacsony impedanciát biztosít AC-ban, de nagy ellenállást biztosít DC-ben a kapacitás és a reaktancia hatásának köszönhetően. Ennek az alacsony váltakozó áramú impedanciának köszönhetően a Pi szűrő első kondenzátora megkerüli a hídirányítóból érkező váltakozó áramú hullámot. A megkerült AC hullámzás az induktorba megy. Az induktor ellenáll az áramlás változásainak és blokkolja az AC hullámzást, amelyet a második kondenzátor tovább szűr. A szűrés ezen több lépcsője elősegíti a nagyon alacsony hullámosságú, egyenletes DC kimenetet a Pi szűrőn.

Könnyen megtervezhető rádiófrekvenciás alkalmazásokban

Vezérelt rádiófrekvenciás környezetben, ahol nagyobb frekvenciájú átvitelre van szükség, például a GHz-es sávban, a nagyfrekvenciás Pi-szűrőket egyszerűen és rugalmasan lehet a PCB-ben elkészíteni, csak a NYÁK nyomainak felhasználásával. A nagyfrekvenciás Pi szűrők a túlfeszültség-mentességet is jobban biztosítják, mint a szilícium-alapú szűrők. Például egy szilícium chipnek van egy korlátja a feszültségállóságra, míg a passzív alkatrészek felhasználásával készült pi szűrők sokkal nagyobb immunitással rendelkeznek a túlfeszültségek és a zord ipari környezetek szempontjából.

A Pi szűrő hátrányai

Magasabb teljesítményű induktivitási értékek, az RF kialakításon kívül, a nagy áram felvétele a Pi szűrőn nem ajánlatos, mivel az áramnak át kell áramolnia az induktoron. Ha ez a terhelési áram viszonylag nagy, akkor az induktor teljesítménye is növekszik, így terjedelmes és drága. Ezenkívül az induktoron átáramló nagy áram növeli az induktivitás teljes elvezetését, ami gyenge hatékonyságot eredményez.

Nagy értékű bemeneti kondenzátor

A Pi szűrő másik fő problémája a nagy bemeneti kapacitásérték. A Pi szűrők nagy kapacitást igényelnek a bemeneten keresztül, ami kihívássá vált a helyigényes alkalmazásokban. Ezenkívül a nagy értékű kondenzátorok megnövelik a tervezés költségeit.

A rossz feszültségszabályozású

Pi szűrők nem megfelelőek, ha a terhelési áram nem stabil és folyamatosan változik. A Pi szűrők rossz feszültségszabályozást biztosítanak, ha a terhelési áram sokat sodródik. Ilyen alkalmazásban az L szakaszú szűrők ajánlottak.

A Pi szűrők alkalmazása

Átalakítók

Mint már említettük, a Pi szűrők kiváló DC-szűrők az AC hullámzásának elnyomására. Köszönhetően ez a viselkedés, Pi szűrők széles körben használják a teljesítmény Elektronikus tervez mint az AC-DC átalakító, Frekvenciaváltó, stb Azonban a Power Electronics Pi szűrők használunk aluláteresztő szűrő és már tervezték a Pi szűrő tápegység áramkör a 12V 1A SMPS tervezésünk az alábbiak szerint.

Általában a Pi szűrők közvetlenül kapcsolódnak a híd egyenirányítóhoz, és a Pi szűrők kimenetét nagyfeszültségű egyenáramnak nevezik. A DC nagyfeszültségű kimenetet a tápegység meghajtó áramköréhez használják a további működéshez.

Ennek a felépítésnek a híd egyenirányító diódától a meghajtóig más működése van a Pi-Filter működésével. Először is, ez a Pi szűrő egyenletes egyenáramot biztosít a teljes meghajtó áramkör hullámzásmentes működéséhez, ami alacsony kimeneti hullámzást eredményez a tápegység végső kimenetétől, a másik pedig a fővezetékek leválasztására a magas kapcsolási frekvenciától a meghajtó áramkör.

A megfelelően felépített vezetékes szűrő biztosítja a közös módú szűrést (olyan szűrőt, amely elutasítja a zajjelet, mintha egy független vezető lenne) és a differenciál üzemmódú szűrést (megkülönböztetve két kapcsolási frekvencia zajt, különösen a hálózati vezetékhez hozzáadható nagyfrekvenciás zajt) egy tápegységben, ahol a Pi szűrő fontos elem. A pi szűrőt Power Line szűrőnek is nevezik, ha a Power Electronics alkalmazásban használják.

RF alkalmazás

Az RF alkalmazásban a Pi szűrőket különböző műveletekben és konfigurációkban használják. Például RF alkalmazásokban az impedancia egyeztetése óriási tényező, és a Pi szűrőket használják az impedancia egyeztetésére az RF antennákon és az RF erősítők előtt. Azonban azokban a maximális esetekben, amikor nagyon nagy frekvenciát használnak, például a GHz sávban, a Pi szűrőket a jelátviteli vonalon használják, és csak a NYÁK nyomvonalainak felhasználásával tervezik.

A fenti kép a NYÁK nyomkövetés-alapú szűrőket mutatja, ahol a nyom induktivitást és kapacitást hoz létre nagyon nagy frekvenciájú alkalmazásokban. A távvezetéken kívül a Pi szűrőket RF kommunikációs eszközökben is használják, ahol moduláció és demoduláció történik. A Pi szűrőket célzott frekvenciára tervezték, hogy a jelet a vevő oldalon történő vételt követően demodulálják. A magas áteresztésű Pi szűrőket arra is használják, hogy megkerüljék a megcélzott nagy frekvenciát az erősítési vagy átviteli szakaszokban.

Pi-Filter tervezési tippek

Megfelelő Pi szűrő megtervezéséhez kompenzálni kell a NYÁK tervezésének megfelelő taktikáját a problémamentes működés érdekében. Ezeket a tippeket az alábbiakban soroljuk fel.

In Power Electronics

• Vastag nyomokra van szükség a Pi szűrő elrendezésében.
• A Pi szűrő leválasztása a tápegységről elengedhetetlen.
• A bemeneti kondenzátor, az induktor és a kimeneti kondenzátor közötti távolságot le kell zárni.
• A kimeneti kondenzátor alapsíkjára egy megfelelő alapsíkon keresztül kell közvetlenül csatlakozni a meghajtó áramköréhez.
• Ha a tervezés zajos vonalakból áll (például nagyfeszültségű érzékelővezeték a meghajtó számára), amelyeket nagyfeszültségű egyenáramra kell csatlakoztatni, akkor a nyomot a Pi szűrők végső kimeneti kondenzátora előtt kell csatlakoztatni. Ez javítja a zajvédelmet és a nem kívánt zajbefecskendezést a meghajtó áramkörében.

RF áramkörben

• Az alkatrészválasztás az RF alkalmazás egyik fő kritériuma. A komponensek toleranciája nagy szerepet játszik.
• A NYÁK nyomának kis növekedése induktivitást indukálhat az áramkörben. Megfelelő gondossággal kell eljárni az induktor kiválasztásánál, figyelembe véve a NYÁK nyomkövetési induktivitását. A tervet megfelelő taktikával kell elkészíteni a kóbor induktivitás csökkentése érdekében.
• A kóbor kapacitás minimalizálása szükséges.
• Zárt elhelyezés szükséges.
• A koaxiális kábel alkalmas az RF alkalmazás bemenetére és kimenetére.