Filtro pi

Los filtros se utilizan comúnmente en la electrónica de potencia y audio para rechazar frecuencias no deseadas. Hay muchos tipos diferentes de filtros utilizados en diseños de circuitos electrónicos basados en la aplicación, pero el concepto subyacente de todos ellos es el mismo, es decir, eliminar señales no deseadas. Todos estos filtros se pueden clasificar en dos tipos: filtros activos y filtros pasivos. El filtro activo utiliza uno o más componentes activos con otros componentes pasivos, mientras que los filtros pasivos se fabrican únicamente con componentes pasivos. Ya hemos discutido en detalle sobre estos filtros:

Filtro de paso alto activo
Filtro de paso bajo activo
Filtro pasivo de paso alto
Filtro de paso bajo pasivo
Filtro de paso de banda
Filtro de armónicos

En este tutorial, aprendemos otro tipo nuevo de filtro llamado Filtro Pi, que se usa con mucha frecuencia en los diseños de circuitos de suministro de energía. Ya hemos utilizado Pi-Filter en algunos de nuestros diseños anteriores de fuentes de alimentación, como este circuito SMPS de 5V 2A y el circuito SMPS de 12V 1A. Entonces, veamos en detalle qué son estos filtros y cómo diseñarlos.

Pi Filter es un tipo de filtro pasivo que consta principalmente de tres componentes distintos de los filtros pasivos tradicionales de dos elementos. La disposición constructiva de todos los componentes crea la forma de la letra griega Pi (π), de ahí el nombre de la sección Pi Filtro.

En la mayoría de los casos, los filtros Pi se utilizan para la aplicación de filtros de paso bajo, pero también es posible otra configuración. El componente principal de un filtro Pi es el condensador y el inductor, lo que lo convierte en un filtro LC. En la aplicación de filtro de paso bajo, el filtro Pi también se denomina filtro de entrada de condensador, ya que el condensador permanece en el lado de entrada en configuración de paso bajo.

Filtro Pi como filtro de paso bajo

El filtro Pi es un excelente filtro de paso bajo que es mucho más diferente al filtro LC Pi tradicional . Cuando un filtro Pi está diseñado para un paso bajo, la salida permanece estable con un factor k constante.

El diseño de un filtro de paso bajo con la configuración Pi es bastante sencillo. El circuito de filtro Pi consta de dos condensadores conectados en paralelo seguidos de un inductor en serie formando una forma de Pi como se muestra en la imagen de abajo

Como se ve en la imagen de arriba, consta de dos condensadores que están conectados a tierra con un inductor en serie intermedio. Como se trata de un filtro de paso bajo, produce alta impedancia a alta frecuencia y baja impedancia a baja frecuencia. Por lo tanto, se usa comúnmente en una línea de transmisión para bloquear altas frecuencias no deseadas.

La construcción y los valores de los componentes del cálculo del filtro Pi se pueden derivar de la siguiente ecuación para diseñar un filtro Pi para su aplicación.

Frecuencia de corte (fc) = 1 / ᴫ (LC) ^{1/2 El} valor de la capacitancia es (C) = 1 / Z _0ᴫfc Valor de la inductancia (L1) = Z ₀ / ᴫfc Donde, Z ₀ es la característica de impedancia en ohmios y fc es la frecuencia de corte.

Filtro Pi como filtro de paso alto

Al igual que el filtro de paso bajo, los filtros pi también se pueden configurar como un filtro de paso alto. En tal caso, el filtro bloquea la baja frecuencia y permite que pase la alta frecuencia. También se fabrica utilizando dos tipos de componentes pasivos, dos inductores y un condensador.

En la configuración de paso bajo, el filtro está diseñado como dos condensadores están en paralelo con un inductor en el medio, pero en la configuración de paso alto, la posición y la cantidad de los componentes pasivos obtienen exactamente lo contrario. En lugar de un solo inductor, aquí se utilizan dos inductores separados con un solo condensador.

La imagen del circuito de filtro Pi anterior muestra el filtro en configuración de paso alto, y sin mencionar que la construcción también se ve como un símbolo Pi. La construcción y los valores de los componentes del filtro Pi se pueden derivar de la siguiente ecuación:

Frecuencia de corte (fc) = 1 / 4ᴫ (LC) ^{1/2 El} valor de la capacitancia es (C) = 1 / 4Z _0ᴫfc Valor de la impedancia (L1) = Z ₀ / 4ᴫfc Donde, Z ₀ es la característica de impedancia en ohmios y fc es la frecuencia de corte.

Ventajas del filtro Pi

Voltaje de salida alto

El voltaje de salida a través del filtro pi es bastante alto, lo que lo hace adecuado para la mayoría de las aplicaciones relacionadas con la energía donde se requieren filtros de CC de alto voltaje.

Factor de ondulación bajo

Configurado como un filtro de paso bajo En el caso de la filtración de CC, el filtro Pi es un filtro eficiente para filtrar las ondulaciones de CA no deseadas procedentes de un puente rectificador. El capacitor proporciona baja impedancia en CA pero alta resistencia en CC debido al efecto de la capacitancia y la reactancia. Debido a esta baja impedancia a través de CA, el primer capacitor del filtro Pi pasa por alto la ondulación de CA que proviene del puente rectificador. La ondulación de CA omitida entra en el inductor. El inductor resiste los cambios de flujo de corriente y bloquea la ondulación de CA que se filtra aún más por el segundo condensador. Estas múltiples etapas de filtrado ayudan a producir una salida de CC suave de ondulación muy baja a través del filtro Pi.

Fácil de diseñar en aplicaciones de RF

En un entorno de RF controlado, donde se requiere una transmisión de frecuencia más alta, por ejemplo en la banda de GHz, los filtros Pi de alta frecuencia son fáciles y flexibles de fabricar en la PCB utilizando solo trazas de PCB. Los filtros Pi de alta frecuencia también proporcionan mayor inmunidad a sobretensiones que los filtros basados en silicio. Por ejemplo, un chip de silicio tiene un límite de capacidad de resistencia al voltaje, mientras que los filtros pi fabricados con componentes pasivos tienen mucha más inmunidad en términos de sobretensiones y entornos industriales hostiles.

Desventajas del filtro Pi

Valores de inductor de vataje más altos

Aparte del diseño de RF, no es aconsejable un alto consumo de corriente a través de un filtro Pi ya que la corriente tiene que fluir a través del inductor. Si esta corriente de carga es relativamente alta, entonces la potencia del inductor también aumenta, haciéndolo voluminoso y costoso. Además, la alta corriente a través del inductor aumenta la disipación de potencia a través del inductor, lo que resulta en una baja eficiencia.

Condensador de entrada de alto valor

Otro problema importante del filtro Pi es el gran valor de capacitancia de entrada. Los filtros Pi requieren alta capacitancia en la entrada, lo que se convirtió en un desafío en aplicaciones con limitaciones de espacio. Además, los condensadores de alto valor aumentan el costo del diseño.

Los

filtros Pi de mala regulación de voltaje no son adecuados donde las corrientes de carga no son estables y cambian constantemente. Los filtros Pi proporcionan una mala regulación de voltaje cuando la corriente de carga se desvía mucho. En tal aplicación, se recomiendan los filtros con sección L.

Aplicación de filtros Pi

Convertidores de potencia

Como ya se mencionó, los filtros Pi son un excelente filtro de CC para suprimir las ondas de CA. Debido a este comportamiento, los filtros Pi se utilizan ampliamente en diseños de electrónica de potencia como convertidor AC-DC, convertidor de frecuencia, etc. Sin embargo, en Power Electronics los filtros Pi se utilizan como filtro de paso bajo y ya diseñamos un circuito de alimentación de filtro Pi nuestro diseño SMPS de 12V 1A como se muestra a continuación.

Generalmente, los filtros Pi se conectan directamente con el puente rectificador y la salida de los filtros Pi se conoce como CC de alto voltaje. La salida de alto voltaje de CC se utiliza para el circuito del controlador de la fuente de alimentación para operaciones posteriores.

Esta construcción, desde el diodo rectificador de puente hasta el controlador, tiene una operación diferente con el funcionamiento de Pi-Filter. Primero, este filtro Pi proporciona CC suave para el funcionamiento sin rizado del circuito del controlador general, lo que resulta en un rizado de salida bajo de la salida final de la fuente de alimentación, y el otro es para aislar las líneas principales de la frecuencia de conmutación alta circuito de controlador.

Un filtro de línea correctamente construido puede proporcionar filtración de modo común (un filtro que rechaza la señal de ruido como si fuera un solo conductor independiente) y filtración de modo diferencial (diferenciando el ruido de dos frecuencias de conmutación, especialmente el ruido de alta frecuencia que se puede agregar a la línea principal) en una fuente de alimentación donde el filtro Pi es un componente importante. Un filtro pi también se conoce como filtro de línea de potencia si se usa en aplicaciones de electrónica de potencia.

Aplicación RF

En la aplicación de RF, los filtros Pi se utilizan en diferentes operaciones y diferentes configuraciones. Por ejemplo, en aplicaciones de RF, igualar la impedancia es un factor enorme y los filtros Pi se utilizan para igualar la impedancia en las antenas de RF y antes de los amplificadores de RF. Sin embargo, en los casos máximos en los que se utiliza una frecuencia muy alta, como en la banda de GHz, se utilizan filtros Pi en la línea de transmisión de señal y se diseñan utilizando solo trazas de PCB.

La imagen de arriba muestra filtros basados en trazas de PCB donde la traza crea inductancia y capacitancia en aplicaciones de muy alta frecuencia. Además de la línea de transmisión, los filtros Pi también se utilizan en dispositivos de comunicación de RF, donde tienen lugar la modulación y demodulación. Los filtros Pi están diseñados para una frecuencia específica para demodular la señal después de recibirla en el lado del receptor. Los filtros Pi de paso alto también se utilizan para desviar la alta frecuencia específica en las etapas de amplificación o transmisión.

Consejos de diseño de filtros Pi

Para diseñar un filtro Pi adecuado, es necesario compensar las tácticas de diseño de PCB adecuadas para un funcionamiento sin problemas; estos consejos se enumeran a continuación.

En Electrónica de potencia

Se requieren trazos gruesos en el diseño del filtro Pi.
Aislar el filtro Pi de la fuente de alimentación es fundamental.
Es necesario cerrar la distancia entre el capacitor de entrada, el inductor y el capacitor de salida.
El plano de tierra del condensador de salida debe conectarse directamente al circuito del controlador a través de un plano de tierra adecuado.
Si el diseño consta de líneas ruidosas (como una línea de detección de alto voltaje para el controlador) que se deben conectar a través de CC de alto voltaje, es necesario conectar la traza antes del condensador de salida final de los filtros Pi. Esto mejora la inmunidad al ruido y la inyección de ruido no deseado en los circuitos del controlador.

En circuito de RF

La selección de componentes es un criterio importante para la aplicación de RF. La tolerancia de los componentes juega un papel importante.
Un pequeño aumento en la traza de la PCB podría inducir inductancia en el circuito. Se debe tener el cuidado apropiado para la selección del inductor considerando la inductancia de trazas de PCB. El diseño debe realizarse utilizando las tácticas adecuadas para reducir la inductancia parásita.
Se necesita minimizar la capacitancia parásita.
Se requiere colocación cerrada.
El cable coaxial es adecuado para la entrada y salida en la aplicación RF.