- Pi Filtresi
- Düşük Geçişli Filtre Olarak Pi Filtresi
- Yüksek Geçiş Filtresi olarak Pi Filtresi
- Pi Filtresinin Avantajları
- Pi Filtresinin dezavantajları
- Pi Filtrelerinin Uygulanması
- Pi Filtresi Tasarım İpuçları
Filtreler genellikle güç ve ses elektroniklerinde istenmeyen frekansları reddetmek için kullanılır. Uygulamaya bağlı olarak elektronik devre tasarımlarında kullanılan birçok farklı filtre türü vardır ancak hepsinin altında yatan konsept aynıdır, yani istenmeyen sinyalleri ortadan kaldırmaktır. Tüm bu filtreler iki tipte kategorize edilebilir - Aktif filtreler ve pasif filtreler. Aktif filtre, diğer pasif bileşenlerle birlikte bir veya daha fazla aktif bileşen kullanır, pasif filtreler ise yalnızca pasif bileşenler kullanılarak yapılır. Bu filtreler hakkında daha önce ayrıntılı olarak tartıştık:
- Aktif Yüksek Geçiş Filtresi
- Aktif Düşük Geçiş Filtresi
- Pasif Yüksek Geçiş Filtresi
- Pasif Düşük Geçişli Filtre
- Bant geçiren filtre
- Harmonik Filtre
Bu eğitimde, güç kaynağı devresi tasarımlarında çok yaygın olarak kullanılan Pi Filtresi adlı başka bir yeni filtre türünü öğreniyoruz. Bu 5V 2A SMPS devresi ve 12V 1A SMPS Devresi gibi daha önceki Güç kaynağı tasarımlarımızdan birkaçında Pi Filtresini zaten kullandık. Öyleyse, bu filtrelerin ne olduğu ve nasıl tasarlanacağı konusunda ayrıntıya girelim.
Pi Filtresi
Pi Filtresi, geleneksel iki elemanlı pasif filtreler dışında başlıca üç bileşenden oluşan bir tür pasif filtredir. Tüm bileşenlerin yapı düzeni Yunanca Pi (π) harfinin şeklini, dolayısıyla Pi bölümü Filtresi adını oluşturur.
Düşük geçişli filtre uygulaması için çoğunlukla Pi filtreleri kullanılır, ancak başka bir yapılandırma da mümkündür. Pi filtresinin ana bileşeni, onu bir LC filtresi yapan kapasitör ve indüktördür. Düşük geçişli filtre uygulamasında, Pi filtresi, kapasitör, düşük geçiş konfigürasyonunda giriş tarafında kaldığı için Kapasitör giriş filtresi olarak da adlandırılır.
Düşük Geçişli Filtre Olarak Pi Filtresi
Pi filtresi, geleneksel LC Pi filtresinden çok daha farklı olan mükemmel bir düşük geçiş filtresidir. Pi filtresi düşük geçiş için tasarlandığında, çıktı sabit k faktörü ile sabit kalır.
Bir alçak geçirgen filtre tasarımı Pi yapılandırmayı kullanarak oldukça basittir. Pi Filtre devresi resmin altında gösterildiği gibi, bir Pl şekli oluşturan seri halde bir indüktör ve ardından paralel bağlanmış iki kondansatörden oluşmaktadır
Yukarıdaki görüntüde görüldüğü gibi, bir seri indüktör ile toprağa bağlanan iki kapasitörden oluşur. Bu düşük geçişli bir filtre olduğundan, yüksek frekansta yüksek empedans ve düşük frekansta düşük empedans üretir. Bu nedenle, genellikle bir iletim hattında istenmeyen yüksek frekansları engellemek için kullanılır.
Pi filtresi hesaplamasının yapısı ve bileşen değerleri, uygulamanız için bir Pi Filtresi tasarlamak için aşağıdaki denklemden türetilebilir.
Kesme frekansı (fc) = 1 / ᴫ (LC) 1/2 Kapasitansın değeri (C) = 1 / Z 0ᴫfc'dir Endüktansın değeri (L1) = Z 0 / ᴫfc Burada, Z 0 empedans karakteristiğidir ohm cinsinden ve fc kesme frekansıdır.
Yüksek Geçiş Filtresi olarak Pi Filtresi
Alçak geçiren filtre ile aynı şekilde pi filtreleri de yüksek geçiren filtre olarak yapılandırılabilir. Böyle bir durumda filtre , düşük frekansı bloke eder ve yüksek frekansın geçmesine izin verir. Ayrıca iki tip pasif bileşen, iki indüktör ve bir kapasitör kullanılarak yapılır.
Düşük geçiş konfigürasyonunda filtre, iki kapasitör, arada bir indüktör ile paralel olacak şekilde tasarlanmıştır, ancak yüksek geçiş konfigürasyonunda, pasif bileşenlerin konumu ve miktarı tam tersi olur. Tek bir indüktör yerine, burada tek bir kondansatör ile iki ayrı indüktör kullanılır.
Yukarıdaki Pi Filtresi devre görüntüsü, filtreyi yüksek geçiş konfigürasyonunda gösteriyor ve yapının da bir Pi sembolü gibi göründüğünden bahsetmeye gerek yok. Pi filtresinin yapısı ve bileşen değerleri aşağıdaki denklemden elde edilebilir -
Kesme frekansı (fc) = 1 / 4ᴫ (LC) 1/2 Kapasitans değeri (C) = 1 / 4Z 0ᴫfc'dir Empedans değeri (L1) = Z 0 / 4ᴫfc Burada, Z 0 empedans karakteristiğidir ohm cinsinden ve fc kesme frekansıdır.
Pi Filtresinin Avantajları
Yüksek çıkış voltajı
Pi filtresindeki çıkış voltajı oldukça yüksektir, bu da onu yüksek voltajlı DC filtrelerin gerekli olduğu çoğu güçle ilgili uygulama için uygun hale getirir.
Düşük dalgalanma faktörü
Düşük geçiş filtresi olarak yapılandırılmıştır DC filtreleme amacıyla Pi filtresi, bir köprü doğrultucusundan gelen istenmeyen AC dalgalanmasını filtrelemek için etkili bir filtredir. Kondansatör, AC'de düşük empedans sağlar, ancak kapasitans ve reaktans etkisiyle DC'de yüksek direnç sağlar. AC üzerindeki bu düşük empedans nedeniyle, Pi filtresinin ilk kondansatörü, köprü doğrultucusundan gelen AC dalgalanmasını atlar. Baypas edilen AC dalgalanması indüktöre gider. İndüktör, akım akışındaki değişikliklere direnir ve ikinci kapasitör tarafından daha da filtrelenen AC dalgalanmasını engeller. Filtrelemenin bu çoklu aşamaları, Pi filtresinde çok düşük dalgalı düzgün DC çıkışı üretmeye yardımcı olur.
RF uygulamalarında tasarımı kolay
Daha yüksek frekans iletiminin gerekli olduğu kontrollü bir RF ortamında, örneğin GHz bandında, Yüksek Frekanslı Pi filtreleri PCB'de sadece PCB izlerini kullanarak yapmak kolay ve esnektir. Yüksek frekanslı Pi filtreleri ayrıca silikon bazlı filtrelerden daha fazla aşırı gerilim koruması sağlar. Örneğin, bir silikon çipin voltaj dayanım kapasitesi sınırı vardır, oysa pasif bileşenler kullanılarak yapılan pi filtreler, dalgalanmalar ve zorlu endüstriyel ortamlar açısından çok daha fazla bağışıklığa sahiptir.
Pi Filtresinin dezavantajları
Daha Yüksek Watt İndüktör Değerleri
RF tasarımı dışında, akımın İndüktörden geçmesi gerektiğinden Pi filtresinden yüksek akım çekilmesi önerilmez. Bu yük akımı nispeten yüksekse, İndüktörün gücü de artar ve bu da onu hacimli ve pahalı hale getirir. Ayrıca, indüktörden geçen yüksek akım, indüktör boyunca güç dağılımını arttırır ve bu da zayıf verimlilikle sonuçlanır.
Yüksek Değerli Giriş Kapasitör
Pi filtresinin bir diğer önemli sorunu, büyük giriş kapasitans değeridir. Pi filtreleri, alan kısıtlı uygulamalarda bir zorluk haline gelen giriş boyunca yüksek kapasitans gerektirir. Ayrıca, yüksek değerli kapasitörler tasarım maliyetini artırır.
Kötü Voltaj Regülasyonu
Pi filtreleri, yük akımlarının sabit olmadığı ve sürekli değiştiği yerlerde uygun değildir. Pi filtreleri, yük akımı çok fazla sürüklendiğinde kötü voltaj regülasyonu sağlar. Böyle bir uygulamada L kesitli filtreler tavsiye edilir.
Pi Filtrelerinin Uygulanması
Güç Dönüştürücüler
Daha önce tartışıldığı gibi Pi filtreleri, AC dalgalanmalarını bastırmak için mükemmel bir DC filtresidir. Bu davranış nedeniyle Pi filtreleri, AC-DC dönüştürücü, Frekans dönüştürücü, vb. Gibi Güç Elektroniği tasarımlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, Güç Elektroniği'nde Pi Filtreleri, Düşük Geçiş Filtresi olarak kullanılmaktadır ve zaten bir Pi Filtresi Güç kaynağı Devresi tasarladık. 12V 1A SMPS Tasarımımız aşağıda gösterildiği gibidir.
Genel olarak, Pi filtreleri doğrudan köprü doğrultucu ile bağlanır ve Pi filtrelerinin çıkışı Yüksek Gerilim DC olarak adlandırılır. DC Yüksek Voltaj çıkışı, daha fazla işlem için Güç kaynağı sürücü devresi için kullanılır.
Köprü doğrultucu diyottan sürücüye kadar olan bu yapı, Pi-Filtrenin çalışmasıyla farklı bir işleyişe sahiptir. Birincisi, bu Pi filtresi, genel sürücü devresinin dalgasız çalışması için güç kaynağının son çıkışından düşük bir çıkış dalgalanması ile sonuçlanan düzgün DC sağlar ve diğeri, ana hatları yüksek anahtarlama frekansından izole etmek içindir. sürücü devresi.
Düzgün bir şekilde yapılandırılmış bir hat filtresi, Ortak mod filtrasyonu (gürültü sinyalini bağımsız bir tek iletkenmiş gibi reddeden bir filtre) ve diferansiyel mod filtrasyonu (iki anahtarlama frekansı gürültüsünü, özellikle de şebeke hattına eklenebilecek yüksek frekanslı gürültüyü ayırt ederek) sağlayabilir. Pi filtresinin önemli bir bileşen olduğu bir Güç kaynağında. Bir pi filtresi, Güç Elektroniği Uygulamasında kullanılıyorsa, Güç Hattı filtresi olarak da adlandırılır.
RF Uygulaması
RF uygulamasında Pi filtreleri farklı işlemlerde ve farklı konfigürasyonlarda kullanılmaktadır. Örneğin, RF uygulamalarında, eşleşen empedans çok büyük bir faktördür ve RF Antenlerindeki ve RF amplifikatörlerinden önce empedansı eşleştirmek için Pi filtreleri kullanılır. Bununla birlikte, GHz bandında olduğu gibi çok yüksek frekansın kullanıldığı maksimum durumlarda, sinyal iletim hattında Pi filtreleri kullanılır ve yalnızca PCB izleri kullanılarak tasarlanır.
Yukarıdaki görüntü, izin çok yüksek frekanslı uygulamalarda endüktans ve kapasitans oluşturduğu PCB izleme tabanlı filtreleri göstermektedir. İletim hattı dışında, modülasyon ve demodülasyonun gerçekleştiği RF iletişim cihazlarında da Pi filtreleri kullanılmaktadır. Pi filtreleri, alıcı tarafında aldıktan sonra sinyali demodüle etmek için hedeflenen bir frekans için tasarlanmıştır. Yüksek geçişli Pi filtreleri, hedeflenen yüksek frekansı amplifikasyon veya iletim aşamalarına atlamak için de kullanılır.
Pi Filtresi Tasarım İpuçları
Uygun bir Pi filtresi tasarlamak için, sorunsuz çalışma için uygun PCB tasarım taktiklerini telafi etmek gerekir, bu ipuçları aşağıda listelenmiştir.
Güç Elektroniğinde
- Pi filtre düzeninde kalın izler gereklidir.
- Pi filtresini güç kaynağı ünitesinden izole etmek önemlidir.
- Giriş kondansatörü, indüktör ve çıkış kondansatörü arasındaki mesafenin kapatılması gerekir.
- Çıkış kapasitörünün Zemin düzleminin, sürücü devresine uygun bir toprak düzlemi aracılığıyla doğrudan bağlanması gerekir.
- Tasarım, Yüksek voltaj DC'ye bağlanması gereken gürültülü hatlardan (sürücü için yüksek voltaj algılama hattı gibi) oluşuyorsa, izi Pi filtrelerinin son çıkış kondansatöründen önce bağlamak gerekir. Bu, sürücü devresinde gürültü bağışıklığını ve istenmeyen gürültü enjeksiyonunu iyileştirir.
RF Devresinde
- Bileşen seçimi, RF uygulaması için önemli bir kriterdir. Bileşenlerin toleransı önemli bir rol oynar.
- PCB izindeki küçük bir artış devrede endüktansa neden olabilir. PCB iz endüktansı dikkate alınarak indüktör seçimi için uygun özen gösterilmelidir. Tasarım, başıboş endüktansı azaltmak için uygun taktikler kullanılarak yapılmalıdır.
- En aza indirilmesi için başıboş kapasitans gereklidir.
- Kapalı yerleştirme gereklidir.
- Koaksiyel kablo, RF uygulamasında giriş ve çıkış için uygundur.