Filtro Pi

Filtros são comumente usados ​​em eletrônica de potência e áudio para rejeitar frequências indesejadas. Existem muitos tipos diferentes de filtros usados ​​em projetos de circuitos eletrônicos com base na aplicação, mas o conceito subjacente de todos eles é o mesmo, ou seja, remover sinais indesejados. Todos esses filtros podem ser categorizados em dois tipos - filtros ativos e filtros passivos. O filtro ativo usa um ou mais componentes ativos com outros componentes passivos, enquanto os filtros passivos são feitos exclusivamente com componentes passivos. Já discutimos em detalhes sobre esses filtros:

• Filtro passa-altas ativo
• Filtro passa-baixo ativo
• Filtro Passivo Passivo
• Filtro Passivo Passivo
• Filtro Bandpass
• Filtro Harmônico

Neste tutorial, aprendemos outro tipo de filtro chamado Filtro Pi, que é muito usado em projetos de circuitos de fontes de alimentação. Já usamos o Pi-Filter em alguns de nossos designs de fonte de alimentação anteriores, como este circuito SMPS 5V 2A e o circuito SMPS 12V 1A. Então, vamos entrar em detalhes sobre o que são esses filtros e como projetá-los.

Filtro Pi

O Filtro Pi é um tipo de filtro passivo que consiste principalmente em três componentes além dos filtros passivos tradicionais de dois elementos. O arranjo de construção de todos os componentes cria a forma da letra grega Pi (π), daí o nome Filtro da seção Pi.

Na maioria, os filtros Pi são usados ​​para a aplicação de filtro passa-baixo, mas outra configuração também é possível. O principal componente de um filtro Pi é o capacitor e indutor, tornando-o um filtro LC. Na aplicação de filtro passa-baixa, o filtro Pi também é chamado de filtro de entrada do capacitor, pois o capacitor permanece na entrada na configuração passa-baixa.

Filtro Pi como um filtro passa-baixo

O filtro Pi é um excelente filtro passa-baixa muito mais diferente do que o filtro LC Pi tradicional . Quando um filtro Pi é projetado para uma passagem baixa, a saída permanece estável com um fator k constante.

O projeto de um filtro passa-baixo usando a configuração Pi é bastante simples. O circuito do Filtro Pi consiste em dois capacitores conectados em paralelo seguidos por um indutor em série formando um formato Pi, conforme mostrado na imagem abaixo

Como visto na imagem acima, ele consiste em dois capacitores que são conectados ao terra com um indutor em série intermediário. Por ser um filtro passa-baixo, ele produz alta impedância em alta frequência e baixa impedância em baixa frequência. Portanto, é comumente usado em uma linha de transmissão para bloquear altas frequências indesejadas.

A construção e os valores dos componentes do cálculo do filtro Pi podem ser derivados da equação abaixo para projetar um Filtro Pi para sua aplicação.

Freqüência de corte (fc) = 1 / ᴫ (LC) ^1/2 Valor da capacitância é (C) = 1 / Z _0ᴫfc Valor da indutância (L1) = Z ₀ / ᴫfc Onde, o Z ₀ é a característica de impedância em ohms e fc é a frequência de corte.

Filtro Pi como um filtro passa-altas

Da mesma forma que o filtro passa-baixa, os filtros pi também podem ser configurados como um filtro passa-alta. Nesse caso, o filtro bloqueia a frequência baixa e permite que a frequência alta passe. Também é feito com dois tipos de componentes passivos, dois indutores e um capacitor.

Na configuração passa-baixa, o filtro é projetado como dois capacitores em paralelo com um indutor no meio, mas na configuração passa-alta, a posição e a quantidade dos componentes passivos são exatamente opostas. Em vez de um único indutor, aqui dois indutores separados são usados ​​com um único capacitor.

A imagem do circuito do Filtro Pi acima está mostrando o filtro na configuração passa-altas, sem mencionar que a construção também se parece com um símbolo Pi. A construção e os valores dos componentes do filtro Pi podem ser derivados da equação abaixo -

Frequência de corte (fc) = 1 / 4ᴫ (LC) ^{1/2 O} valor da capacitância é (C) = 1 / 4Z _0ᴫfc Valor da impedância (L1) = Z ₀ / 4ᴫfc Onde, o Z ₀ é a característica de impedância em ohms e fc é a frequência de corte.

Vantagens do Filtro Pi

Alta tensão de saída

A tensão de saída através do filtro pi é bastante alta, tornando-o adequado para a maioria das aplicações relacionadas a energia, onde filtros CC de alta tensão são necessários.

Fator de ondulação baixo

Configurado como um filtro passa-baixo Para fins de filtragem DC, o filtro Pi é um filtro eficiente para filtrar a ondulação AC indesejada proveniente de um retificador em ponte. O capacitor fornece baixa impedância em CA, mas uma alta resistência em CC devido ao efeito da capacitância e reatância. Devido a esta baixa impedância em AC, o primeiro capacitor do filtro Pi contorna a ondulação AC proveniente da ponte retificadora. A ondulação CA ignorada vai para o indutor. O indutor resiste às mudanças do fluxo de corrente e bloqueia a ondulação AC, que é filtrada pelo segundo capacitor. Esses vários estágios de filtragem ajudam a produzir uma saída DC suave de ondulação muito baixa no filtro Pi.

Fácil de projetar em aplicações de RF

Em um ambiente de RF controlado, onde a transmissão de frequência mais alta é necessária, por exemplo na banda GHz, os filtros Pi de alta frequência são fáceis e flexíveis de fazer no PCB usando apenas traços do PCB. Os filtros Pi de alta frequência também fornecem imunidades contra surtos mais do que os filtros à base de silício. Por exemplo, um chip de silício tem um limite de capacidade de suportar tensão, enquanto os filtros pi feitos com componentes passivos têm muito mais imunidade em termos de surtos e ambientes industriais hostis.

Desvantagens do Filtro Pi

Valores mais altos do indutor de watts

Além do projeto de RF, não é aconselhável obter alta corrente através de um filtro Pi, pois a corrente precisa fluir através do indutor. Se a corrente de carga for relativamente alta, a potência do indutor também aumenta, tornando-o volumoso e caro. Além disso, a alta corrente através do indutor aumenta a dissipação de potência através do indutor, resultando em baixa eficiência.

Capacitor de entrada de alto valor

Outro grande problema do filtro Pi é o grande valor de capacitância de entrada. Filtros Pi requerem alta capacitância na entrada, o que se tornou um desafio em aplicações com restrição de espaço. Além disso, os capacitores de alto valor aumentam o custo do projeto.

Filtros Pi de regulação de má tensão não são adequados onde as correntes de carga não são estáveis ​​e mudam constantemente. Filtros Pi fornecem regulação de tensão ruim quando a corrente de carga oscila muito. Em tal aplicação, os filtros com uma seção L são recomendados.

Aplicação de Filtros Pi

Conversores de energia

Como já discutido, os filtros Pi são um excelente filtro DC para suprimir as ondulações AC. Devido a este comportamento, os filtros Pi são amplamente utilizados em projetos de Power Electronic como conversor AC-DC, conversor de frequência, etc. No entanto, em Power Electronics Pi Filtros são usados ​​como filtro passa-baixo e já projetamos um circuito de alimentação de filtro Pi, para nosso projeto SMPS 12V 1A conforme mostrado abaixo.

Geralmente, os filtros Pi são conectados diretamente ao retificador de ponte e a saída dos filtros Pi é conhecida como CC de alta tensão. A saída DC High Voltage é usada para o circuito do driver da fonte de alimentação para operação posterior.

Esta construção, do diodo retificador da ponte ao driver tem uma operação diferente com o funcionamento do Filtro Pi. Primeiro, este filtro Pi fornece DC suave para a operação livre de ondulação do circuito do driver geral, resultando em uma ondulação de baixa saída da saída final da fonte de alimentação, e o outro é para isolar as linhas principais da alta frequência de comutação através circuito de driver.

Um filtro de linha adequadamente construído pode fornecer filtragem de modo comum (um filtro que rejeita sinal de ruído como se fosse um único condutor independente) e filtragem de modo diferencial (diferenciando dois ruídos de frequência de comutação, especialmente ruído de alta frequência que pode ser adicionado à linha de alimentação) em uma fonte de alimentação onde o filtro Pi é um componente importante. Um filtro pi também é conhecido como filtro Power Line se usado na aplicação Power Electronics.

Aplicação RF

Na aplicação RF, os filtros Pi são usados ​​em diferentes operações e diferentes configurações. Por exemplo, em aplicações de RF, a impedância correspondente é um fator enorme e os filtros Pi são usados ​​para combinar a impedância nas antenas de RF e antes dos amplificadores de RF. No entanto, em casos máximos em que uma frequência muito alta, como na banda GHz é usada, os filtros Pi são usados ​​na linha de transmissão de sinal e projetados usando apenas traços de PCB.

A imagem acima mostra filtros baseados em traços de PCB onde o traço cria indutância e capacitância em aplicações de frequência muito alta. Além da linha de transmissão, os filtros Pi também são usados ​​em dispositivos de comunicação RF, onde ocorre a modulação e a demodulação. Os filtros Pi são projetados para uma frequência alvo para demodular o sinal após o recebimento no lado do receptor. Os filtros passa-alto Pi também são usados ​​para desviar a alta frequência direcionada para os estágios de amplificação ou transmissão.

Dicas de design de filtro Pi

Para projetar um filtro Pi adequado, é necessário compensar as táticas de design de PCB adequadas para uma operação sem problemas. Essas dicas estão listadas abaixo.

Em Eletrônica de Potência

• Traços espessos são necessários no layout do filtro Pi.
• Isolar o filtro Pi da fonte de alimentação é essencial.
• A distância entre o capacitor de entrada, indutor e o capacitor de saída deve ser fechada.
• O plano de aterramento do capacitor de saída deve ser conectado diretamente ao circuito do driver por meio de um plano de aterramento adequado.
• Se o projeto consistir em linhas ruidosas (como linha de detecção de alta tensão para o driver) que precisam ser conectadas através de CC de alta tensão, é necessário conectar o traço antes do capacitor de saída final dos filtros Pi. Isso melhora a imunidade a ruídos e a injeção de ruído indesejado nos circuitos do driver.

Em Circuito RF

• A seleção do componente é o principal critério para a aplicação de RF. A tolerância dos componentes desempenha um papel importante.
• Um pequeno aumento no traço de PCB pode induzir indutância no circuito. O cuidado adequado deve ser tomado para a seleção do indutor, considerando a indutância do traço de PCB. O projeto deve ser feito usando táticas adequadas para reduzir a indutância parasita.
• A capacitância parasita deve ser minimizada.
• O posicionamento fechado é obrigatório.
• O cabo coaxial é adequado para entrada e saída na aplicação RF.