Bộ lọc Pi

Bộ lọc thường được sử dụng trong điện tử điện và âm thanh để loại bỏ các tần số không mong muốn. Có nhiều loại bộ lọc khác nhau được sử dụng trong các thiết kế mạch điện tử dựa trên ứng dụng nhưng khái niệm cơ bản của tất cả chúng đều giống nhau, đó là loại bỏ các tín hiệu không mong muốn. Tất cả các bộ lọc này có thể được phân loại thành hai loại - Bộ lọc chủ động và bộ lọc thụ động. Bộ lọc tích cực sử dụng một hoặc nhiều thành phần tích cực với các thành phần thụ động khác trong khi bộ lọc thụ động chỉ được chế tạo bằng cách sử dụng các thành phần thụ động. Chúng tôi đã thảo luận chi tiết về các bộ lọc này:

• Bộ lọc thông cao hoạt động
• Bộ lọc thông thấp hoạt động
• Bộ lọc thông cao thụ động
• Bộ lọc thông thấp thụ động
• Bộ lọc thông dải
• Bộ lọc sóng hài

Trong phần hướng dẫn này, chúng ta cùng tìm hiểu một loại bộ lọc mới khác được gọi là Bộ lọc Pi, được sử dụng rất phổ biến trong các thiết kế mạch cấp nguồn. Chúng tôi đã sử dụng Pi-Filter trong một số thiết kế cấp nguồn trước đây của chúng tôi như mạch SMPS 5V 2A này và Mạch SMPS 12V 1A. Vì vậy, chúng ta hãy tìm hiểu chi tiết về những bộ lọc này là gì và cách thiết kế chúng.

Bộ lọc Pi

Bộ lọc Pi là một loại bộ lọc thụ động bao gồm chủ yếu là ba thành phần khác với các bộ lọc thụ động hai phần tử truyền thống. Sự sắp xếp xây dựng của tất cả các thành phần tạo ra hình dạng của chữ cái Hy Lạp Pi (π), do đó có tên Pi section Filter.

Đa số, bộ lọc Pi được sử dụng cho ứng dụng bộ lọc Thông thấp, nhưng cũng có thể sử dụng một cấu hình khác. Thành phần chính của bộ lọc Pi là tụ điện và cuộn cảm làm cho nó trở thành bộ lọc LC. Trong ứng dụng bộ lọc thông thấp, bộ lọc Pi còn được gọi là bộ lọc đầu vào Tụ điện vì tụ điện nằm ngang phía đầu vào ở cấu hình thông thấp.

Bộ lọc Pi làm bộ lọc thông thấp

Bộ lọc Pi là một bộ lọc thông thấp tuyệt vời, khác biệt hơn nhiều so với bộ lọc LC Pi truyền thống . Khi bộ lọc Pi được thiết kế cho thông thấp, đầu ra vẫn ổn định với hệ số k không đổi.

Các thiết kế của một bộ lọc thông thấp bằng cách sử dụng cấu hình Pi là khá đơn giản. Các mạch Pi Lọc bao gồm hai tụ nối song song sau đó là một cuộn cảm trong loạt hình thành một hình dạng Pi như thể hiện trong hình dưới đây

Như đã thấy trong hình trên, nó bao gồm hai tụ điện được nối đất với một cuộn cảm nối tiếp ở giữa. Vì đây là bộ lọc thông thấp, nó tạo ra trở kháng cao ở tần số cao và trở kháng thấp ở tần số thấp. Do đó, nó thường được sử dụng trong đường truyền để chặn các tần số cao không mong muốn.

Cấu trúc và các giá trị thành phần của phép tính bộ lọc Pi có thể được suy ra từ phương trình dưới đây để thiết kế Bộ lọc Pi cho ứng dụng của bạn.

Tần số cắt (fc) = 1 / ᴫ (LC) ^1/2 Giá trị của điện dung là (C) = 1 / Z _0ᴫfc Giá trị của điện cảm (L1) = Z ₀ / ᴫfc Trong đó, Z ₀ là đặc tính trở kháng tính bằng ohms và fc là tần số cắt.

Bộ lọc Pi làm bộ lọc thông cao

Tương tự như bộ lọc thông thấp, bộ lọc pi cũng có thể được cấu hình như một bộ lọc thông cao. Trong trường hợp như vậy, bộ lọc chặn tần số thấp và cho phép tần số cao đi qua. Nó cũng được chế tạo bằng cách sử dụng hai loại linh kiện thụ động, hai cuộn cảm và một tụ điện.

Trong cấu hình thông thấp, bộ lọc được thiết kế như hai tụ điện mắc song song với một cuộn cảm ở giữa, nhưng ở cấu hình thông cao, vị trí và số lượng của các thành phần thụ động hoàn toàn ngược lại. Thay vì một cuộn cảm duy nhất, ở đây hai cuộn cảm riêng biệt được sử dụng với một tụ điện duy nhất.

Hình ảnh mạch lọc Pi ở trên đang hiển thị bộ lọc ở cấu hình thông cao, và chưa kể cấu tạo cũng giống ký hiệu Pi. Cấu trúc và các giá trị thành phần của bộ lọc Pi có thể được suy ra từ phương trình dưới đây:

Tần số cắt (fc) = 1 / 4ᴫ (LC) ^1/2 Giá trị của điện dung là (C) = 1 / 4Z _0ᴫfc Giá trị của trở kháng (L1) = Z ₀ / 4ᴫfc Trong đó, Z ₀ là đặc tính trở kháng tính bằng ohms và fc là tần số cắt.

Ưu điểm của Bộ lọc Pi

Điện áp đầu ra cao Điện áp

đầu ra trên bộ lọc pi khá cao nên nó phù hợp cho các ứng dụng liên quan đến điện năng nhất là nơi yêu cầu bộ lọc DC điện áp cao.

Hệ số gợn sóng thấp Được

cấu hình như một bộ lọc thông thấp Trong mục đích lọc DC, bộ lọc Pi là một bộ lọc hiệu quả, để lọc ra các gợn AC không mong muốn đến từ bộ chỉnh lưu cầu. Tụ điện cung cấp trở kháng thấp trong AC nhưng điện trở cao trong DC do ảnh hưởng của điện dung và điện kháng. Do trở kháng thấp này qua AC, tụ điện đầu tiên của bộ lọc Pi bỏ qua gợn sóng AC đến từ bộ chỉnh lưu cầu. Ripple AC bỏ qua đi vào cuộn cảm. Cuộn cảm chống lại sự thay đổi của dòng điện và chặn dòng điện xoay chiều được lọc thêm bởi tụ điện thứ hai. Nhiều giai đoạn lọc này giúp tạo ra đầu ra DC mượt mà gợn sóng rất thấp trên bộ lọc Pi.

Dễ dàng thiết kế trong các ứng dụng RF

Trong môi trường RF được kiểm soát, nơi yêu cầu truyền tần số cao hơn, ví dụ như trong băng tần GHz, các bộ lọc Pi Tần số Cao dễ dàng và linh hoạt được tạo ra trong PCB chỉ bằng cách sử dụng các vết PCB. Bộ lọc Pi tần số cao cũng cung cấp khả năng miễn dịch đột biến hơn các bộ lọc dựa trên silicon. Ví dụ, một chip silicon có giới hạn về khả năng chịu điện áp, trong khi các bộ lọc pi được tạo ra bằng cách sử dụng các thành phần thụ động có khả năng miễn nhiễm tốt hơn nhiều trong điều kiện xung đột và môi trường công nghiệp khắc nghiệt.

Nhược điểm của Bộ lọc Pi

Giá trị cuộn cảm công suất cao hơn

Khác với thiết kế RF, không khuyến khích sử dụng dòng điện cao qua bộ lọc Pi vì dòng điện phải chạy qua cuộn cảm. Nếu dòng tải này tương đối cao, thì công suất của cuộn cảm cũng tăng làm cho nó cồng kềnh và đắt tiền. Ngoài ra, dòng điện cao qua cuộn cảm làm tăng sự tiêu tán công suất trên cuộn cảm dẫn đến hiệu suất kém.

Tụ điện đầu vào giá trị cao

Một vấn đề lớn khác của bộ lọc Pi là giá trị điện dung đầu vào lớn. Bộ lọc Pi yêu cầu điện dung cao trên đầu vào, điều này đã trở thành một thách thức trong các ứng dụng hạn chế về không gian. Ngoài ra, các tụ điện giá trị cao làm tăng chi phí thiết kế.

Bộ lọc Pi điều chỉnh điện áp không phù hợp khi dòng tải không ổn định và thay đổi liên tục. Bộ lọc Pi cung cấp khả năng điều chỉnh điện áp không tốt khi dòng tải trôi đi nhiều. Trong một ứng dụng như vậy, các bộ lọc có phần L được khuyến nghị.

Ứng dụng của bộ lọc Pi

Bộ chuyển đổi nguồn

Như đã thảo luận, bộ lọc Pi là một bộ lọc DC tuyệt vời để ngăn chặn các gợn sóng AC. Do hành vi này, bộ lọc Pi được sử dụng rộng rãi trong các thiết kế Điện tử Công suất như bộ chuyển đổi AC-DC, Bộ chuyển đổi tần số, v.v. Tuy nhiên, trong Điện tử Công suất, Bộ lọc Pi được sử dụng làm Bộ lọc thông thấp và chúng tôi đã thiết kế Mạch cung cấp năng lượng cho Bộ lọc Pi, cho Thiết kế SMPS 12V 1A của chúng tôi như hình dưới đây.

Nói chung, bộ lọc Pi được kết nối trực tiếp với bộ chỉnh lưu cầu và đầu ra của bộ lọc Pi được gọi là Điện áp cao DC. Điện áp cao DC đầu ra được sử dụng cho mạch điều khiển bộ nguồn để hoạt động thêm.

Cấu tạo này, từ Diode chỉnh lưu cầu đến trình điều khiển có hoạt động khác với hoạt động của Pi-Filter. Đầu tiên, bộ lọc Pi này cung cấp DC mượt mà cho hoạt động không gợn sóng của mạch trình điều khiển tổng thể dẫn đến gợn đầu ra thấp từ đầu ra cuối cùng của bộ nguồn và bộ lọc còn lại dùng để cách ly các đường dây chính khỏi tần số chuyển mạch cao trên mạch điều khiển.

Bộ lọc đường dây được cấu tạo phù hợp có thể cung cấp bộ lọc chế độ chung (Bộ lọc loại bỏ tín hiệu nhiễu như thể một dây dẫn đơn độc lập) và lọc chế độ vi sai (phân biệt hai nhiễu tần số chuyển mạch, đặc biệt là nhiễu tần số cao có thể được thêm vào đường dây điện lưới) trong nguồn điện mà bộ lọc Pi là một thành phần quan trọng. Bộ lọc pi còn được gọi là bộ lọc Dòng điện nếu được sử dụng trong Ứng dụng Điện tử Công suất.

Ứng dụng RF

Trong ứng dụng RF, bộ lọc Pi được sử dụng trong các hoạt động khác nhau và các cấu hình khác nhau. Ví dụ, trong các ứng dụng RF, trở kháng phù hợp là một yếu tố quan trọng và bộ lọc Pi được sử dụng để so khớp trở kháng trên Anten RF và trước bộ khuếch đại RF. Tuy nhiên, trong các trường hợp tối đa sử dụng tần số rất cao, chẳng hạn như trong băng tần GHz, bộ lọc Pi được sử dụng trong đường truyền tín hiệu và được thiết kế chỉ sử dụng các vết PCB.

Hình ảnh trên cho thấy các bộ lọc dựa trên dấu vết PCB nơi vết tạo ra điện cảm và điện dung trong các ứng dụng tần số rất cao. Ngoài đường truyền, bộ lọc Pi cũng được sử dụng trong các thiết bị truyền thông RF, nơi diễn ra quá trình điều chế và giải điều chế. Bộ lọc Pi được thiết kế cho một tần số được nhắm mục tiêu để giải điều chế tín hiệu sau khi nhận ở phía máy thu. Bộ lọc Pi thông cao cũng được sử dụng để bỏ qua tần số cao được nhắm mục tiêu vào các giai đoạn khuếch đại hoặc truyền dẫn.

Mẹo thiết kế bộ lọc Pi

Để thiết kế một bộ lọc Pi phù hợp, cần phải bù đắp các chiến thuật thiết kế PCB phù hợp để hoạt động không gặp sự cố, các mẹo này được liệt kê bên dưới.

Trong Điện tử Công suất

• Các vết dày được yêu cầu trong bố cục bộ lọc Pi.
• Cách ly bộ lọc Pi khỏi bộ cấp nguồn là điều cần thiết.
• Khoảng cách giữa tụ điện đầu vào, cuộn cảm và tụ điện đầu ra là cần thiết để đóng lại.
• Mặt đất của tụ điện đầu ra là cần thiết để được kết nối trực tiếp với mạch trình điều khiển thông qua một mặt đất thích hợp.
• Nếu thiết kế bao gồm các đường nhiễu (Chẳng hạn như đường cảm biến điện áp cao cho trình điều khiển) cần được kết nối qua Điện áp cao DC, thì cần kết nối dấu vết trước tụ điện đầu ra cuối cùng của bộ lọc Pi. Điều này cải thiện khả năng chống ồn và chống nhiễu không mong muốn trên mạch trình điều khiển.

Trong mạch RF

• Việc lựa chọn thành phần là một tiêu chí chính cho ứng dụng RF. Khả năng chịu đựng của các thành phần đóng một vai trò quan trọng.
• Một sự gia tăng nhỏ trong dấu vết PCB có thể tạo ra điện cảm trong mạch. Cần thận trọng khi lựa chọn cuộn cảm bằng cách xem xét điện cảm vết PCB. Thiết kế nên được thực hiện bằng các chiến thuật thích hợp để giảm điện cảm lạc.
• Điện dung lạc chỗ là cần thiết để được giảm thiểu.
• Vị trí đóng là bắt buộc.
• Cáp đồng trục phù hợp với đầu vào và đầu ra trong ứng dụng RF.