Pi-Filter

Filter werden üblicherweise in der Leistungs- und Audioelektronik verwendet, um unerwünschte Frequenzen zurückzuweisen. Es gibt viele verschiedene Arten von Filtern, die je nach Anwendung in elektronischen Schaltungsentwürfen verwendet werden, aber das zugrunde liegende Konzept von allen ist das gleiche, dh das Entfernen unerwünschter Signale. Alle diese Filter können in zwei Typen eingeteilt werden: Aktive Filter und passive Filter. Der aktive Filter verwendet eine oder mehrere aktive Komponenten mit anderen passiven Komponenten, während passive Filter ausschließlich mit passiven Komponenten hergestellt werden. Wir haben bereits ausführlich über diese Filter gesprochen:

• Aktiver Hochpassfilter
• Aktiver Tiefpassfilter
• Passiver Hochpassfilter
• Passiver Tiefpassfilter
• Bandpassfilter
• Oberschwingungsfilter

In diesem Tutorial lernen wir einen anderen neuen Filtertyp kennen, den Pi-Filter, der sehr häufig in Stromversorgungsschaltungsentwürfen verwendet wird. Wir haben Pi-Filter bereits in einigen unserer früheren Netzteilkonstruktionen wie dieser 5V 2A SMPS-Schaltung und der 12V 1A SMPS-Schaltung verwendet. Lassen Sie uns also detailliert beschreiben, was diese Filter sind und wie sie entworfen werden.

Pi-Filter

Pi-Filter ist eine Art passiver Filter, der hauptsächlich aus drei Komponenten besteht, die sich von den herkömmlichen passiven Filtern mit zwei Elementen unterscheiden. Die Konstruktionsanordnung aller Komponenten erzeugt die Form des griechischen Buchstabens Pi (π), daher der Name Pi Abschnitt Filter.

In den meisten Fällen werden Pi-Filter für Tiefpassfilteranwendungen verwendet, es ist jedoch auch eine andere Konfiguration möglich. Die Hauptkomponente eines Pi-Filters ist der Kondensator und die Induktivität, die es zu einem LC-Filter machen. In der Tiefpassfilteranwendung wird das Pi-Filter auch als Kondensatoreingangsfilter bezeichnet, da der Kondensator in der Tiefpasskonfiguration auf der Eingangsseite bleibt.

Pi-Filter als Tiefpassfilter

Das Pi-Filter ist ein ausgezeichnetes Tiefpassfilter, das sich wesentlich vom herkömmlichen LC-Pi-Filter unterscheidet. Wenn ein Pi-Filter für einen Tiefpass ausgelegt ist, bleibt der Ausgang mit einem konstanten k-Faktor stabil.

Das Design eines Tiefpassfilters unter Verwendung der Pi-Konfiguration ist ziemlich einfach. Die Pi-Filterschaltung besteht aus zwei parallel geschalteten Kondensatoren, gefolgt von einem Induktor in Reihe, der eine Pi-Form bildet, wie in der folgenden Abbildung gezeigt

Wie im obigen Bild zu sehen ist, besteht es aus zwei Kondensatoren, die mit einem dazwischen liegenden Serieninduktor mit Masse verbunden sind. Da dies ein Tiefpassfilter ist, erzeugt es eine hohe Impedanz bei hoher Frequenz und eine niedrige Impedanz bei niedriger Frequenz. Daher wird es üblicherweise in einer Übertragungsleitung verwendet, um unerwünschte hohe Frequenzen zu blockieren.

Die Konstruktion und die Komponentenwerte der Pi-Filterberechnung können aus der folgenden Gleichung abgeleitet werden, um einen Pi-Filter für Ihre Anwendung zu entwerfen.

Grenzfrequenz (fc) = 1 / ᴫ (LC) ^1/2 Wert der Kapazität ist (C) = 1 / Z _0ᴫfc Wert der Induktivität (L1) = Z ₀ / ᴫfc Wobei Z ₀ die Impedanzkennlinie ist in Ohm und fc ist die Grenzfrequenz.

Pi-Filter als Hochpassfilter

Wie das Tiefpassfilter können auch Pi-Filter als Hochpassfilter konfiguriert werden. In einem solchen Fall blockiert der Filter die Niederfrequenz und lässt die Hochfrequenz durch. Es werden auch zwei Arten passiver Komponenten, zwei Induktivitäten und ein Kondensator verwendet.

In der Tiefpasskonfiguration ist das Filter so ausgelegt, dass zwei Kondensatoren parallel zu einer Induktivität dazwischen liegen. In der Hochpasskonfiguration sind Position und Menge der passiven Komponenten genau umgekehrt. Anstelle einer einzelnen Induktivität werden hier zwei separate Induktoren mit einem einzigen Kondensator verwendet.

Das obige Bild der Pi- Filterschaltung zeigt das Filter in Hochpasskonfiguration, und ganz zu schweigen davon, dass die Konstruktion auch wie ein Symbol Pi aussieht. Die Konstruktion und die Komponentenwerte des Pi-Filters können aus der folgenden Gleichung abgeleitet werden:

Grenzfrequenz (fc) = 1 / 4ᴫ (LC) ^1/2 Wert der Kapazität ist (C) = 1 / 4Z _0ᴫfc Wert der Impedanz (L1) = Z ₀ / 4ᴫfc Wobei Z ₀ die Impedanzkennlinie ist in Ohm und fc ist die Grenzfrequenz.

Vorteile des Pi-Filters

Hohe Ausgangsspannung

Die Ausgangsspannung über dem Pi-Filter ist ziemlich hoch, was es für die leistungsabhängigste Anwendung geeignet macht, bei der Hochspannungs-Gleichstromfilter erforderlich sind.

Niedriger Welligkeitsfaktor

Als Tiefpassfilter konfiguriert Bei der Gleichstromfiltration ist der Pi-Filter ein effizienter Filter, um unerwünschte Wechselstromwelligkeiten aus einem Brückengleichrichter herauszufiltern. Der Kondensator liefert eine niedrige Impedanz bei Wechselstrom, aber einen hohen Widerstand bei Gleichstrom aufgrund des Effekts von Kapazität und Reaktanz. Aufgrund dieser niedrigen Impedanz über Wechselstrom umgeht der erste Kondensator des Pi-Filters die Wechselstromwelligkeit, die vom Brückengleichrichter kommt. Die umgangene Wechselstromwelligkeit geht in den Induktor. Der Induktor widersteht den Änderungen des Stromflusses und blockiert die Wechselstromwelligkeit, die durch den zweiten Kondensator weiter gefiltert wird. Diese mehreren Filterstufen tragen dazu bei, einen glatten Gleichstromausgang mit sehr geringer Welligkeit über das Pi-Filter zu erzeugen.

Einfaches Design in HF-Anwendungen

In einer kontrollierten HF-Umgebung, in der eine Übertragung mit höherer Frequenz erforderlich ist, beispielsweise im GHz-Band, lassen sich Hochfrequenz-Pi-Filter einfach und flexibel auf der Leiterplatte mit nur Leiterplattenspuren herstellen. Hochfrequenz-Pi-Filter bieten außerdem mehr Stoßfestigkeiten als Filter auf Siliziumbasis. Zum Beispiel hat ein Siliziumchip eine Grenze der Spannungsfestigkeitskapazität, während Pi-Filter, die unter Verwendung der passiven Komponenten hergestellt werden, eine viel größere Immunität gegenüber Überspannungen und rauen industriellen Umgebungen aufweisen.

Nachteile des Pi-Filters

Höhere Leistungsinduktivitätswerte Abgesehen

vom HF-Design ist eine hohe Stromaufnahme durch ein Pi-Filter nicht ratsam, da der Strom durch den Induktor fließen muss. Wenn dieser Laststrom relativ hoch ist, erhöht sich auch die Leistung des Induktors, wodurch er sperrig und teuer wird. Der hohe Strom durch den Induktor erhöht auch die Verlustleistung über den Induktor, was zu einem schlechten Wirkungsgrad führt.

Hochwertiger Eingangskondensator

Ein weiteres Hauptproblem des Pi-Filters ist der große Eingangskapazitätswert. Pi-Filter erfordern eine hohe Kapazität am Eingang, was bei Anwendungen mit beengten Platzverhältnissen zu einer Herausforderung wurde. Hochwertige Kondensatoren erhöhen auch die Konstruktionskosten.

Schlechte Spannungsregelung

Pi-Filter sind nicht geeignet, wenn die Lastströme nicht stabil sind und sich ständig ändern. Pi-Filter sorgen für eine schlechte Spannungsregelung, wenn der Laststrom stark driftet. In einer solchen Anwendung werden Filter mit einem L-Abschnitt empfohlen.

Anwendung von Pi-Filtern

Stromrichter

Wie bereits erwähnt, sind Pi-Filter ein ausgezeichnetes DC-Filter, um die AC-Welligkeiten zu unterdrücken. Aufgrund dieses Verhaltens werden Pi-Filter häufig in leistungselektronischen Designs wie AC / DC-Wandlern, Frequenzumrichtern usw. verwendet. In der Leistungselektronik werden Pi-Filter jedoch als Tiefpassfilter verwendet, und wir haben bereits einen Pi-Filter-Stromversorgungskreis für entwickelt unser 12V 1A SMPS Design wie unten gezeigt.

Im Allgemeinen sind Pi-Filter direkt mit dem Brückengleichrichter verbunden, und der Ausgang der Pi-Filter wird als Hochspannungs-Gleichstrom bezeichnet. Die Ausgangs-Hochspannung wird für den weiteren Betrieb für die Stromversorgungstreiberschaltung verwendet.

Diese Konstruktion, von der Brückengleichrichterdiode bis zum Treiber, funktioniert anders als bei Pi-Filter. Erstens liefert dieses Pi-Filter einen gleichmäßigen Gleichstrom für den welligkeitsfreien Betrieb der gesamten Treiberschaltung, was zu einer geringen Ausgangswelligkeit vom endgültigen Ausgang der Stromversorgung führt, und das andere dient zum Isolieren von Hauptleitungen von der hohen Schaltfrequenz über die Treiberschaltung.

Ein ordnungsgemäß aufgebautes Netzfilter kann eine Gleichtaktfilterung (ein Filter, das das Rauschsignal wie einen unabhängigen Einleiter zurückweist) und eine Differenzmodusfiltration (Unterscheidung von zwei Schaltfrequenzrauschen, insbesondere Hochfrequenzrauschen, das in die Netzleitung eingefügt werden kann) bereitstellen. in einem Netzteil, in dem der Pi-Filter eine wichtige Komponente ist. Ein Pi-Filter wird auch als Power Line-Filter bezeichnet, wenn er in einer Leistungselektronikanwendung verwendet wird.

RF-Anwendung

In der HF-Anwendung werden Pi-Filter in unterschiedlichen Operationen und Konfigurationen verwendet. Beispielsweise ist in HF-Anwendungen die Anpassungsimpedanz ein großer Faktor, und Pi-Filter werden verwendet, um die Impedanz über die HF-Antennen und vor HF-Verstärkern anzupassen. In Maximalfällen, in denen sehr hohe Frequenzen verwendet werden, wie beispielsweise im GHz-Band, werden Pi-Filter in der Signalübertragungsleitung verwendet und nur unter Verwendung von Leiterplattenspuren entworfen.

Das obige Bild zeigt Filter auf der Basis von Leiterplattenspuren, bei denen die Spur in sehr hochfrequenten Anwendungen Induktivität und Kapazität erzeugt. Neben der Übertragungsleitung werden Pi-Filter auch in HF-Kommunikationsgeräten verwendet, in denen Modulation und Demodulation stattfinden. Pi-Filter sind für eine Zielfrequenz ausgelegt, um das Signal nach dem Empfang auf der Empfängerseite zu demodulieren. Hochpass-Pi-Filter werden auch verwendet, um die gezielte Hochfrequenz in die Verstärkungs- oder Übertragungsstufen zu umgehen.

Pi-Filter Design-Tipps

Um einen geeigneten Pi-Filter zu entwerfen, ist es erforderlich, die richtigen PCB-Designtaktiken für einen störungsfreien Betrieb zu kompensieren. Diese Tipps sind unten aufgeführt.

In der Leistungselektronik

• Im Pi-Filter-Layout sind dicke Spuren erforderlich.
• Das Trennen des Pi-Filters vom Netzteil ist unbedingt erforderlich.
• Der Abstand zwischen dem Eingangskondensator, der Induktivität und dem Ausgangskondensator muss geschlossen werden.
• Die Masseebene des Ausgangskondensators muss über eine geeignete Masseebene direkt mit der Treiberschaltung verbunden werden.
• Wenn das Design aus verrauschten Leitungen besteht (z. B. einer Hochspannungserfassungsleitung für den Treiber), die über Hochspannungs-Gleichstrom angeschlossen werden müssen, muss die Leiterbahn vor dem endgültigen Ausgangskondensator der Pi-Filter angeschlossen werden. Dies verbessert die Störfestigkeit und die unerwünschte Rauschinjektion über die Treiberschaltung.

In HF-Schaltung

• Die Komponentenauswahl ist ein Hauptkriterium für die HF-Anwendung. Die Toleranz der Komponenten spielt eine große Rolle.
• Eine geringfügige Erhöhung der Leiterplattenspur kann eine Induktivität in der Schaltung induzieren. Bei der Auswahl des Induktors sollte unter Berücksichtigung der Leiterplattenspurinduktivität sorgfältig vorgegangen werden. Das Design sollte unter Verwendung der richtigen Taktik erstellt werden, um die Streuinduktivität zu reduzieren.
• Streukapazität muss minimiert werden.
• Eine geschlossene Platzierung ist erforderlich.
• Das Koaxialkabel ist für den Ein- und Ausgang in der HF-Anwendung geeignet.