Pi กรอง

ตัวกรองมักใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังและเสียงเพื่อปฏิเสธความถี่ที่ไม่ต้องการ มีตัวกรองหลายประเภทที่ใช้ในการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ตามแอปพลิเคชัน แต่แนวคิดพื้นฐานของตัวกรองทั้งหมดนั้นเหมือนกันนั่นคือการลบสัญญาณที่ไม่ต้องการออกไป ตัวกรองทั้งหมดเหล่านี้สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท ได้แก่ตัวกรองที่ใช้งานและตัวกรองแบบพาสซีฟ ตัวกรองแบบแอคทีฟใช้ส่วนประกอบที่ใช้งานอย่างน้อยหนึ่งชิ้นร่วมกับส่วนประกอบแฝงอื่น ๆ ในขณะที่ตัวกรองแบบพาสซีฟทำขึ้นโดยใช้ส่วนประกอบแฝง เราได้พูดคุยในรายละเอียดเกี่ยวกับตัวกรองเหล่านี้แล้ว:

• ตัวกรองความถี่สูงที่ใช้งานอยู่
• ตัวกรองความถี่ต่ำที่ใช้งานอยู่
• Passive High Pass Filter
• Passive Low Pass Filter
• ตัวกรอง Bandpass
• ตัวกรองฮาร์มอนิก

ในบทช่วยสอนนี้เราได้เรียนรู้ตัวกรองชนิดใหม่ที่เรียกว่า Pi Filter ซึ่งมักใช้ในการออกแบบวงจรจ่ายไฟ เราได้ใช้ Pi-Filter ในการออกแบบแหล่งจ่ายไฟก่อนหน้านี้แล้วเช่นวงจร 5V 2A SMPS และวงจร 12V 1A SMPS ดังนั้นเรามาดูรายละเอียดกันว่าตัวกรองเหล่านี้คืออะไรและจะออกแบบอย่างไร

Pi-Filter

Pi Filter เป็นประเภทของตัวกรองแบบพาสซีฟที่ประกอบด้วยส่วนประกอบหลักสามส่วนนอกเหนือจากตัวกรองแบบพาสซีฟสององค์ประกอบ การจัดเรียงก่อสร้างของส่วนประกอบทั้งหมดจะสร้างรูปร่างของตัวอักษรกรีก Pi (π) จึงชื่อPi ส่วนกรอง

โดยส่วนใหญ่ตัวกรอง Pi จะใช้สำหรับแอปพลิเคชันตัวกรองความถี่ต่ำ แต่ก็สามารถกำหนดค่าอื่นได้เช่นกัน องค์ประกอบหลักของตัวกรอง Pi เป็นตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำทำให้LC กรอง ในแอปพลิเคชันตัวกรองความถี่ต่ำตัวกรอง Pi เรียกอีกอย่างว่าตัวกรองอินพุตของตัวเก็บประจุเนื่องจากตัวเก็บประจุจะอยู่ข้ามด้านอินพุตในการกำหนดค่าความถี่ต่ำ

Pi Filter เป็นตัวกรองความถี่ต่ำ

ฟิลเตอร์ Pi เป็นตัวกรองความถี่ต่ำที่ยอดเยี่ยมซึ่งแตกต่างจากฟิลเตอร์ LC Piแบบเดิมมาก เมื่อตัวกรอง Pi ได้รับการออกแบบมาสำหรับความถี่ต่ำเอาต์พุตจะคงที่โดยมีค่าคงที่ -K factor

การออกแบบตัวกรองความถี่ต่ำโดยใช้การกำหนดค่า Pi นั้นค่อนข้างตรงไปตรงมา วงจร Pi กรองประกอบด้วยสองตัวเก็บประจุต่อขนานตามมาด้วยการเหนี่ยวนำในซีรีส์กลายเป็นรูปร่าง Pi ดังแสดงในภาพด้านล่าง

ดังที่เห็นในภาพด้านบนประกอบด้วยตัวเก็บประจุสองตัวซึ่งเชื่อมต่อกับกราวด์โดยมีตัวเหนี่ยวนำแบบอนุกรม เนื่องจากเป็นตัวกรองความถี่ต่ำจึงสร้างอิมพีแดนซ์สูงที่ความถี่สูงและอิมพีแดนซ์ต่ำที่ความถี่ต่ำ ดังนั้นจึงมักใช้ในสายส่งเพื่อป้องกันความถี่สูงที่ไม่ต้องการ

โครงสร้างและค่าส่วนประกอบของการคำนวณตัวกรอง Piสามารถหาได้จากสมการด้านล่างเพื่อออกแบบ Pi Filterสำหรับแอปพลิเคชันของคุณ

ความถี่ในการตัด (fc) = 1 / ᴫ (LC) ^1/2 ค่าของความจุคือ (C) = 1 / Z _0ᴫfc ค่าของการเหนี่ยวนำ (L1) = Z ₀ / ᴫfc โดยที่ Z ₀คือลักษณะอิมพีแดนซ์ ในโอห์มและ fc คือความถี่ที่ถูกตัดออก

Pi Filter เป็น High Pass Filter

เช่นเดียวกับตัวกรองความถี่ต่ำตัวกรอง pi ยังสามารถกำหนดค่าเป็นตัวกรองความถี่สูงได้ ในกรณีเช่นนี้ตัวกรองจะบล็อกความถี่ต่ำและปล่อยให้ความถี่สูงผ่านไป นอกจากนี้ยังทำโดยใช้ส่วนประกอบแบบพาสซีฟสองประเภทตัวเหนี่ยวนำสองตัวและตัวเก็บประจุหนึ่งตัว

ในการกำหนดค่าความถี่ต่ำตัวกรองได้รับการออกแบบให้ตัวเก็บประจุสองตัวขนานกับตัวเหนี่ยวนำอยู่ระหว่างกัน แต่ในการกำหนดค่าความถี่สูงตำแหน่งและปริมาณของส่วนประกอบแบบพาสซีฟจะตรงกันข้ามกันทุกประการ แทนที่จะใช้ตัวเหนี่ยวนำเดี่ยวที่นี่จะใช้ตัวเหนี่ยวนำสองตัวแยกกันกับตัวเก็บประจุตัวเดียว

ภาพวงจร Pi Filterด้านบนแสดงตัวกรองในการกำหนดค่าความถี่สูงและไม่ต้องพูดถึงการก่อสร้างก็ดูเหมือนสัญลักษณ์ Pi โครงสร้างและค่าส่วนประกอบของตัวกรอง Pi สามารถหาได้จากสมการด้านล่าง -

ความถี่ในการตัด (fc) = 1 / 4ᴫ (LC) ^1/2ค่าของความจุคือ (C) = 1 / 4Z _{0 Valuefc}ค่าของอิมพีแดนซ์ (L1) = Z ₀ / 4ᴫfcโดยที่ Z ₀คือลักษณะอิมพีแดนซ์ ในโอห์มและ fc คือความถี่ที่ถูกตัดออก

ข้อดีของ Pi Filter

แรงดันไฟฟ้าขาออกสูงแรงดัน

ขาออกของตัวกรอง pi ค่อนข้างสูงทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับพลังงานส่วนใหญ่ซึ่งต้องใช้ตัวกรองกระแสตรงแรงดันสูง

ปัจจัยการกระเพื่อมต่ำได้รับการ

กำหนดค่าให้เป็นตัวกรองความถี่ต่ำในวัตถุประสงค์การกรอง DC ฟิลเตอร์ Pi เป็นตัวกรองที่มีประสิทธิภาพเพื่อกรองกระแสไฟ AC ที่ไม่ต้องการที่มาจากวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ ตัวเก็บประจุให้อิมพีแดนซ์ต่ำใน AC แต่มีความต้านทานสูงใน DC เนื่องจากผลของความจุและรีแอกแตนซ์ เนื่องจากความต้านทานต่ำใน AC นี้ตัวเก็บประจุตัวแรกของตัวกรอง Pi จะข้ามการกระเพื่อม AC ที่มาจากวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ คลื่นกระแสสลับที่ถูกบายพาสจะเข้าสู่ตัวเหนี่ยวนำ ตัวเหนี่ยวนำต่อต้านการเปลี่ยนแปลงของการไหลของกระแสและปิดกั้นการกระเพื่อมของ AC ซึ่งถูกกรองเพิ่มเติมโดยตัวเก็บประจุตัวที่สอง การกรองหลายขั้นตอนเหล่านี้ช่วยในการสร้างเอาต์พุต DC ที่มีระลอกคลื่นต่ำมากในตัวกรอง Pi

ง่ายต่อการออกแบบในแอปพลิเคชัน RF

ในสภาพแวดล้อม RF ที่มีการควบคุมซึ่งจำเป็นต้องมีการส่งผ่านความถี่ที่สูงขึ้นตัวอย่างเช่นในย่านความถี่ GHz ตัวกรอง High-Frequency Piนั้นง่ายและยืดหยุ่นในการสร้างใน PCB โดยใช้เพียงการติดตาม PCB ตัวกรอง Pi ความถี่สูงยังให้ภูมิคุ้มกันไฟกระชากมากกว่าตัวกรองที่ใช้ซิลิกอน ตัวอย่างเช่นชิปซิลิกอนมีขีด จำกัด ของความสามารถในการทนต่อแรงดันไฟฟ้าในขณะที่ฟิลเตอร์ pi ที่ผลิตโดยใช้ส่วนประกอบแบบพาสซีฟจะมีภูมิคุ้มกันมากกว่าในแง่ของไฟกระชากและสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมที่รุนแรง

ข้อเสียของ Pi Filter

ค่าตัวเหนี่ยวนำกำลังวัตต์ที่สูงขึ้น

นอกเหนือจากการออกแบบ RF แล้วไม่แนะนำให้ดึงกระแสไฟฟ้าสูงผ่านตัวกรอง Piเนื่องจากกระแสต้องไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำ หากกระแสโหลดนี้ค่อนข้างสูงวัตต์ของตัวเหนี่ยวนำก็จะเพิ่มขึ้นด้วยทำให้มีขนาดใหญ่และมีราคาแพง นอกจากนี้กระแสไฟฟ้าที่สูงผ่านตัวเหนี่ยวนำจะเพิ่มการกระจายพลังงานทั่วทั้งตัวเหนี่ยวนำซึ่งส่งผลให้ประสิทธิภาพไม่ดี

ตัวเก็บประจุอินพุตค่าสูง

ปัญหาหลักอีกประการหนึ่งของฟิลเตอร์ Pi คือค่าความจุอินพุตที่มีขนาดใหญ่ ตัวกรอง Pi ต้องการความจุสูงในอินพุตซึ่งกลายเป็นความท้าทายในการใช้งานที่ จำกัด พื้นที่ นอกจากนี้ตัวเก็บประจุที่มีมูลค่าสูงยังเพิ่มต้นทุนในการออกแบบ

ตัวกรอง Pi ที่ควบคุมแรงดันไฟฟ้าไม่เหมาะสมไม่เหมาะสมในกรณีที่กระแสโหลดไม่คงที่และมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ตัวกรอง Pi ให้การควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่ไม่ดีเมื่อกระแสโหลดลอยไปมาก ในแอปพลิเคชันดังกล่าวแนะนำให้ใช้ตัวกรองที่มีส่วน L

การใช้ตัวกรอง Pi

ตัวแปลงไฟ

ตามที่ได้กล่าวไปแล้วฟิลเตอร์ Pi เป็นฟิลเตอร์ DC ที่ยอดเยี่ยมในการยับยั้งการกระเพื่อมของ AC เนื่องจากลักษณะการทำงานนี้ตัวกรอง Pi จึงถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในการออกแบบ Power Electronic เช่นตัวแปลง AC-DC ตัวแปลงความถี่เป็นต้นอย่างไรก็ตามใน Power Electronics Pi Filters ใช้เป็นตัวกรองความถี่ต่ำและเราได้ออกแบบวงจรจ่ายไฟของตัวกรอง Piไว้แล้วสำหรับ การออกแบบ SMPS 12V 1A ของเราดังที่แสดงด้านล่าง

โดยทั่วไปตัวกรอง Pi จะเชื่อมต่อโดยตรงกับวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์และเอาต์พุตของตัวกรอง Pi เรียกว่า High Voltage DC เอาท์พุท DC High Voltage ใช้สำหรับวงจรไดรเวอร์พาวเวอร์ซัพพลายเพื่อการทำงานต่อไป

การก่อสร้างนี้จากสะพาน rectifier ไดโอดให้คนขับรถมีการดำเนินงานที่แตกต่างกันกับการทำงานของ Pi-กรอง ประการแรกตัวกรอง Pi นี้ให้DC ที่ราบรื่นสำหรับการทำงานที่ปราศจากการกระเพื่อมของวงจรขับโดยรวมซึ่งส่งผลให้มีการกระเพื่อมของเอาต์พุตต่ำจากเอาต์พุตสุดท้ายของแหล่งจ่ายไฟและอีกตัวหนึ่งใช้สำหรับการแยกสายหลักออกจากความถี่การสลับที่สูงข้าม วงจรขับ

ตัวกรองสายที่สร้างขึ้นอย่างถูกต้องสามารถให้การกรองโหมดทั่วไป (ตัวกรองที่ปฏิเสธสัญญาณรบกวนราวกับว่าเป็นตัวนำเดี่ยวอิสระ) และการกรองโหมดดิฟเฟอเรนเชียล (แยกความแตกต่างของสัญญาณรบกวนความถี่การสลับสองความถี่โดยเฉพาะเสียงความถี่สูงที่สามารถเพิ่มเข้าไปในสายไฟหลัก) ในแหล่งจ่ายไฟที่มีตัวกรอง Pi เป็นส่วนประกอบที่สำคัญ ตัวกรอง pi เรียกอีกอย่างว่า ตัวกรอง Power Lineหากใช้ในแอปพลิเคชัน Power Electronics

แอปพลิเคชัน RF

ในแอปพลิเคชัน RF ตัวกรอง Pi จะใช้ในการดำเนินการต่างๆและการกำหนดค่าต่างๆ ตัวอย่างเช่นในแอปพลิเคชัน RF ความต้านทานที่ตรงกันเป็นปัจจัยสำคัญและตัวกรอง Pi ใช้เพื่อจับคู่อิมพีแดนซ์ข้ามเสาอากาศ RFและก่อนแอมพลิฟายเออร์ RF อย่างไรก็ตามในกรณีสูงสุดที่ใช้ความถี่สูงมากเช่นในย่านความถี่ GHz ตัวกรอง Pi จะถูกใช้ในสายส่งสัญญาณและออกแบบโดยใช้การติดตาม PCB เท่านั้น

ภาพด้านบนแสดงตัวกรองตามการติดตาม PCB ซึ่งการติดตามสร้างความเหนี่ยวนำและความจุในการใช้งานที่มีความถี่สูงมาก นอกเหนือจากสายส่งแล้วตัวกรอง Pi ยังใช้ในอุปกรณ์สื่อสาร RF ซึ่งเกิดการมอดูเลตและการดีมอดูเลต Pi ฟิลเตอร์ได้รับการออกแบบมาสำหรับความถี่ที่กำหนดเป้าหมายเพื่อ demodulate สัญญาณหลังจากได้รับในด้านเครื่องรับ นอกจากนี้ยังใช้ฟิลเตอร์ High pass Pi เพื่อข้ามความถี่สูงที่กำหนดเป้าหมายไปยังขั้นตอนการขยายหรือการส่งสัญญาณ

เคล็ดลับการออกแบบ Pi-Filter

ในการออกแบบฟิลเตอร์ Pi ที่เหมาะสมจำเป็นต้องชดเชยกลวิธีการออกแบบ PCB ที่เหมาะสมเพื่อการใช้งานที่ปราศจากปัญหาคำแนะนำเหล่านี้แสดงไว้ด้านล่าง

ใน Power Electronics

• จำเป็นต้องมีร่องรอยหนาในเค้าโครงตัวกรอง Pi
• การแยกตัวกรอง Pi ออกจากชุดจ่ายไฟเป็นสิ่งสำคัญ
• ระยะห่างระหว่างตัวเก็บประจุอินพุตตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุเอาท์พุทจำเป็นต้องปิด
• จำเป็นต้องใช้ระนาบกราวด์ของตัวเก็บประจุเอาต์พุตเพื่อเชื่อมต่อโดยตรงกับวงจรขับผ่านระนาบกราวด์ที่เหมาะสม
• หากการออกแบบประกอบด้วยเส้นที่มีเสียงดัง (เช่นสายตรวจวัดแรงดันไฟฟ้าสูงสำหรับไดรเวอร์) ที่จำเป็นต้องเชื่อมต่อกับ DC แรงดันสูงจำเป็นต้องเชื่อมต่อร่องรอยก่อนตัวเก็บประจุเอาต์พุตสุดท้ายของตัวกรอง Pi สิ่งนี้ช่วยเพิ่มภูมิคุ้มกันเสียงและการฉีดสัญญาณรบกวนที่ไม่ต้องการในวงจรไดรเวอร์

ในวงจร RF

• การเลือกส่วนประกอบเป็นเกณฑ์หลักสำหรับแอปพลิเคชัน RF ความทนทานของส่วนประกอบมีบทบาทสำคัญ
• การติดตาม PCB ที่เพิ่มขึ้นเล็กน้อยอาจทำให้เกิดการเหนี่ยวนำในวงจร ควรใช้ความระมัดระวังอย่างเหมาะสมสำหรับการเลือกตัวเหนี่ยวนำโดยพิจารณาจากการเหนี่ยวนำการติดตาม PCB ควรออกแบบโดยใช้กลวิธีที่เหมาะสมเพื่อลดการเหนี่ยวนำที่หลงทาง
• จำเป็นต้องลดความจุแบบจรจัด
• ต้องมีตำแหน่งปิด
• สายโคแอกเชียลเหมาะสำหรับอินพุตและเอาต์พุตในแอปพลิเคชัน RF