Pi-suodatin

Suodattimia käytetään yleisesti teho- ja äänielektroniikassa ei-toivottujen taajuuksien hylkäämiseksi. Elektronisten piirien suunnittelussa käytetään monia erityyppisiä suodattimia sovelluksen perusteella, mutta niiden kaikkien peruskäsite on sama, toisin sanoen poistaa ei-toivotut signaalit. Kaikki nämä suodattimet voidaan luokitella kahteen tyyppiin - aktiiviset suodattimet ja passiiviset suodattimet. Aktiivinen suodatin käyttää yhtä tai useampaa aktiivista komponenttia muiden passiivisten komponenttien kanssa, kun taas passiiviset suodattimet valmistetaan yksinomaan passiivisten komponenttien avulla. Olemme jo keskustelleet näistä suodattimista yksityiskohtaisesti:

• Aktiivinen ylipäästösuodatin
• Aktiivinen alipäästösuodatin
• Passiivinen ylipäästösuodatin
• Passiivinen alipäästösuodatin
• Kaistanpäästösuodatin
• Harmoninen suodatin

Tässä opetusohjelmassa opimme toisen tyyppisen suodattimen nimeltä Pi-suodatin, jota käytetään hyvin yleisesti virtalähdepiirien suunnittelussa. Olemme jo käyttäneet Pi-suodatinta joissakin aikaisemmissa virtalähdesuunnitelmissamme, kuten tässä 5V 2A SMPS -piirissä ja 12V 1A SMPS -piirissä. Joten, tutustutaan yksityiskohtaisesti, mitä nämä suodattimet ovat ja miten ne suunnitellaan.

Pi-suodatin

Pi-suodatin on eräänlainen passiivinen suodatin, joka koostuu pääasiassa kolmesta muusta komponentista kuin perinteisistä kaksielementtisistä passiivisuodattimista. Kaikkien komponenttien rakennejärjestely luo kreikkalaisen Pi (π) -kirjaimen muodon, jolloin nimi Pi-osa Filter.

Suurimmaksi osaksi Pi-suodattimia käytetään alipäästösuodattimien sovelluksiin, mutta myös toinen kokoonpano on mahdollinen. Pi-suodattimen pääkomponentti on kondensaattori ja induktori, joka tekee siitä LC-suodattimen. Alipäästösuodatinsovelluksessa Pi-suodatinta kutsutaan myös kondensaattorin sisääntulosuodattimeksi, kun kondensaattori pysyy tulopuolen poikki alipäästökokoonpanossa.

Pi-suodatin alipäästösuodattimena

Pi-suodatin on erinomainen alipäästösuodatin, joka on paljon erilainen kuin perinteinen LC Pi -suodatin. Kun Pi-suodatin on suunniteltu alipäästölle, lähtö pysyy vakaana vakio-k-kertoimella.

Suunnittelu alipäästösuodattimen avulla Pi kokoonpano on melko yksinkertainen. Pi Suodatin piiri koostuu kahdesta kondensaattoreita kytketty rinnakkain, minkä jälkeen IC sarjaan muodostaen Pi muoto, kuten on esitetty alla olevassa kuvassa

Kuten yllä olevasta kuvasta nähdään, se koostuu kahdesta kondensaattorista, jotka on kytketty maahan maadoitetulla sarjainduktorilla. Koska tämä on alipäästösuodatin, se tuottaa korkean impedanssin suurella taajuudella ja matalan impedanssin matalalla taajuudella. Siten sitä käytetään yleisesti siirtolinjassa ei-toivottujen korkeiden taajuuksien estämiseen.

Pi-suodattimen laskennan rakenne ja komponenttiarvot voidaan johtaa alla olevasta yhtälöstä pi-suodattimen suunnittelemiseksi sovelluksellesi.

Katkaisutaajuus (fc) = 1 / ᴫ (LC) ^1/2 Kapasitanssin arvo on (C) = 1 / Z _{0ᴫfc Induktanssin} arvo (L1) = Z ₀ / ᴫfc Missä, Z ₀ on impedanssiominaisuus ohmina ja fc on katkaisutaajuus.

Pi-suodatin ylipäästösuodattimena

Kuten alipäästösuodatin, pi-suodattimet voidaan myös määrittää ylipäästösuodattimiksi. Tällöin suodatin estää matalan taajuuden ja antaa korkean taajuuden kulkea. Se valmistetaan myös kahden tyyppisillä passiivikomponenteilla, kahdella induktorilla ja yhdellä kondensaattorilla.

Alipäästökokoonpanossa suodatin on suunniteltu siten, että kaksi kondensaattoria on rinnakkain induktorin kanssa, mutta ylipäästökokoonpanossa passiivisten komponenttien sijainti ja määrä ovat täsmälleen päinvastaiset. Yhden induktorin sijasta tässä käytetään kahta erillistä induktoria yhden kondensaattorin kanssa.

Yllä oleva Pi-suodattimen piirikuva näyttää suodattimen ylipäästökokoonpanossa, ja puhumattakaan siitä, että rakenne näyttää myös symbolilta Pi. Pi-suodattimen rakenne ja komponenttiarvot voidaan johtaa alla olevasta yhtälöstä -

Katkaisutaajuus (fc) = 1 / 4ᴫ (LC) ^1/2 Kapasitanssin arvo on (C) = 1 / 4Z _{0ᴫfc Impedanssin} arvo (L1) = Z ₀ / 4ᴫfc Missä, Z ₀ on impedanssiominaisuus ohmina ja fc on katkaisutaajuus.

Pi-suodattimen edut

Korkea lähtöjännite Lähtöjännite

pi-suodattimen yli on melko korkea, joten se soveltuu eniten tehoon liittyviin sovelluksiin, joissa vaaditaan suurjännitteisiä DC-suodattimia.

Pieni aaltoilukerroin

Määritetty alipäästösuodattimeksi DC-suodatustarkoituksissa Pi-suodatin on tehokas suodatin, joka suodattaa sillan tasasuuntaajasta tulevan ei-toivotun vaihtovirran. Kondensaattori tarjoaa matalan impedanssin vaihtovirrassa, mutta suuren vastuksen tasavirrassa kapasitanssin ja reaktanssin vaikutuksesta. Tämän pienen impedanssin takia vaihtovirran yli Pi-suodattimen ensimmäinen kondensaattori ohittaa sillan tasasuuntaajasta tulevan vaihtovirtapiirin. Ohitettu vaihtovirtapiiri menee induktoriin. Induktori vastustaa nykyisen virtauksen muutoksia ja estää AC-aaltoilun, jonka toinen kondensaattori suodattaa edelleen. Nämä useat suodatusvaiheet auttavat tuottamaan erittäin matalan aaltoilevan tasaisen DC-lähdön Pi-suodattimen yli.

Helppo suunnitella radiotaajuussovelluksissa

Ohjatussa radiotaajuusympäristössä, jossa vaaditaan korkeamman taajuuden lähetystä, esimerkiksi GHz-taajuudella, korkeataajuiset Pi-suodattimet on helppo ja joustava tehdä piirilevyssä vain piirilevyjälkien avulla. Suurtaajuiset Pi-suodattimet tarjoavat myös ylijännitesuojaa enemmän kuin piipohjaiset suodattimet. Esimerkiksi piisirulla on rajoitettu jännitteen kestokyky, kun taas passiivisilla komponenteilla valmistetuilla pi-suodattimilla on paljon enemmän immuniteettia ylijännitteiden ja ankarien teollisuusympäristöjen suhteen.

Pi-suodattimen haitat

Suuremman tehon induktoriarvot

Muut kuin radiotaajuusrakenne, suurta virtaa ei tarvita Pi-suodattimen läpi, koska virran on kuljettava kelan läpi. Jos tämä kuormitusvirta on suhteellisen korkea, niin induktorin teho kasvaa myös tehden siitä iso ja kallis. Myös induktorin läpi kulkeva suuri virta lisää induktorin tehohäviötä, mikä johtaa huonoon hyötysuhteeseen.

Suuriarvoinen tulokondensaattori

Toinen suuri Pi-suodattimen ongelma on suuri tulokapasitanssiarvo. Pi-suodattimet vaativat suuren kapasitanssin tulon yli, josta tuli haaste avaruudessa rajoitetuissa sovelluksissa. Myös arvokkaat kondensaattorit lisäävät suunnittelun kustannuksia.

Huono jännitteen

säätö Pi-suodattimet eivät sovellu, jos kuormitusvirrat eivät ole vakaita ja muuttuvat jatkuvasti. Pi-suodattimet tarjoavat huonon jännitesäädön, kun kuormavirta kulkeutuu paljon. Tällaisessa sovelluksessa suositellaan suodattimia, joissa on L-osa.

Pi-suodattimien käyttö

Tehomuuntajat

Kuten jo keskusteltiin, Pi-suodattimet ovat erinomainen DC-suodatin tukahduttamaan AC-aaltoilut. Tämän käyttäytymisen vuoksi Pi-suodattimia käytetään laajasti Power Electronic -malleissa, kuten AC-DC-muunnin, taajuusmuuttaja jne. Power Power -elektroniikassa Pi-suodattimia kuitenkin käytetään alipäästösuodattimina, ja olemme jo suunnitelleet Pi-suodattimen virtapiirin 12V 1A SMPS -mallimme alla olevan kuvan mukaisesti.

Yleensä Pi-suodattimet kytketään suoraan sillan tasasuuntaajaan ja Pi-suodattimien lähtöä kutsutaan suurjännite-DC: ksi. Lähtö DC-suurjännitettä käytetään virtalähteen ohjainpiiriin jatkokäyttöä varten.

Tällä rakenteella sillan tasasuuntausdiodista ohjaimeen on erilainen toiminta Pi-Suodattimen kanssa. Ensinnäkin tämä Pi-suodatin tarjoaa tasaisen DC: n koko ohjainpiirin aaltoilemattomalle toiminnalle, mikä johtaa pieneen lähtöjännitteeseen virtalähteen loppulähdöstä, ja toinen on tarkoitettu päälinjojen eristämiseksi suurelta kytkentätaajuudelta ohjainpiiri.

Oikein rakennettu linjasuodatin voi tarjota yhteismoodisuodatuksen (suodatin, joka hylkää melusignaalin ikään kuin itsenäinen yksittäinen johdin) ja differentiaalimoodisuodatuksen (erottamalla kaksi kytkentätaajuusmelua, erityisesti suurtaajuista kohinaa, joka voidaan lisätä verkkojohtoon) virtalähteessä, jossa Pi-suodatin on tärkeä komponentti. Pi-suodatinta kutsutaan myös Power Line -suodattimeksi, jos sitä käytetään Power Electronics -sovelluksessa.

RF-sovellus

RF-sovelluksessa Pi-suodattimia käytetään eri toiminnoissa ja eri kokoonpanoissa. Esimerkiksi RF-sovelluksissa impedanssin sovittaminen on valtava tekijä, ja Pi-suodattimia käytetään impedanssin sovittamiseen RF-antennien läpi ja ennen RF-vahvistimia. Kuitenkin maksimitapauksissa, joissa käytetään erittäin suurtaajuutta, kuten GHz-taajuudella, Pi-suodattimia käytetään signaalinsiirtolinjassa ja ne on suunniteltu vain piirilevyjä pitkin.

Yllä olevassa kuvassa on piirilevyn jäljityspohjaiset suodattimet, joissa jälki luo induktanssin ja kapasitanssin erittäin korkean taajuuden sovelluksissa. Siirtojohdon lisäksi Pi-suodattimia käytetään myös RF-viestintälaitteissa, joissa tapahtuu modulointia ja demodulaatiota. Pi-suodattimet on suunniteltu kohdennetulle taajuudelle signaalin demoduloimiseksi vastaanotettuaan vastaanottimen puolella. Yläpäästösuodattimia Pi käytetään myös ohittaa kohdennettu korkea taajuus monistus- tai lähetysvaiheisiin.

Pi-Filter Suunnitteluvihjeitä

Oikean Pi-suodattimen suunnittelemiseksi on kompensoitava oikea piirilevyn suunnittelutaktiikka häiriöttömälle toiminnalle, nämä vinkit on lueteltu alla.

Julkaisussa Power Electronics

• Pi-suodatinasettelussa vaaditaan paksuja jälkiä.
• Pi-suodattimen eristäminen virtalähteestä on välttämätöntä.
• Tulokondensaattorin, induktorin ja lähtökondensaattorin välinen etäisyys on suljettava.
• Lähtökondensaattorin maataso on liitettävä suoraan ohjainpiiriin oikean maatason kautta.
• Jos suunnittelu koostuu meluisista linjoista (kuten kuljettajan suurjännitetajuinen johto), jotka on kytkettävä suurjännitteisen DC: n yli, on liitettävä jälki ennen Pi-suodattimien lopullista lähtökondensaattoria. Tämä parantaa melun vastustuskykyä ja ei-toivottua melun ruiskutusta kuljettajan piirissä.

RF-piirissä

• Komponenttien valinta on tärkeä kriteeri RF-sovellukselle. Komponenttien sietokyvyllä on tärkeä rooli.
• Pieni piirilevyn lisääntyminen voi aiheuttaa induktanssin piirissä. Induktorin valinnassa on noudatettava asianmukaista huolellisuutta ottaen huomioon piirilevyn jäljitysinduktanssi. Suunnittelu tulisi tehdä käyttämällä oikeaa taktiikkaa harhautuvan induktanssin vähentämiseksi.
• Hajakapasitanssi on minimoitava.
• Suljettu sijoitus vaaditaan.
• Koaksiaalikaapeli soveltuu RF-sovelluksen tuloon ja lähtöön.