Filtre Pi

Les filtres sont couramment utilisés dans l'électronique de puissance et audio pour rejeter les fréquences indésirables. Il existe de nombreux types de filtres différents utilisés dans les conceptions de circuits électroniques en fonction de l'application, mais le concept sous-jacent de tous est le même, c'est-à-dire d'éliminer les signaux indésirables. Tous ces filtres peuvent être classés en deux types: les filtres actifs et les filtres passifs. Le filtre actif utilise un ou plusieurs composants actifs avec d'autres composants passifs tandis que les filtres passifs sont uniquement fabriqués à l'aide de composants passifs. Nous avons déjà discuté en détail de ces filtres:

• Filtre passe-haut actif
• Filtre passe-bas actif
• Filtre passe-haut passif
• Filtre passe-bas passif
• Filtre passe-bande
• Filtre harmonique

Dans ce didacticiel, nous apprenons un autre nouveau type de filtre appelé Filtre Pi, qui est très couramment utilisé dans les conceptions de circuits d'alimentation. Nous avons déjà utilisé Pi-Filter dans quelques-unes de nos précédentes conceptions d'alimentation électrique comme ce circuit SMPS 5V 2A et circuit SMPS 12V 1A. Alors, allons dans le détail sur ce que sont ces filtres et comment les concevoir.

Filtre Pi

Le filtre Pi est un type de filtre passif qui se compose principalement de trois composants autres que les filtres passifs traditionnels à deux éléments. La disposition de construction de tous les composants crée la forme de la lettre grecque Pi (π), d'où le nom de section Pi Filter.

En majorité, les filtres Pi sont utilisés pour l'application de filtre passe-bas, mais une autre configuration est également possible. Le composant principal d'un filtre Pi est le condensateur et l'inductance qui en font un filtre LC. Dans une application de filtre passe-bas, le filtre Pi a également appelé le filtre d'entrée du condensateur car le condensateur reste du côté de l'entrée en configuration passe-bas.

Filtre Pi comme filtre passe-bas

Le filtre Pi est un excellent filtre passe-bas qui est beaucoup plus différent du filtre LC Pi traditionnel . Lorsqu'un filtre Pi est conçu pour un passe-bas, la sortie reste stable avec un facteur k constant.

La conception d'un filtre passe-bas utilisant la configuration Pi est assez simple. Le circuit de filtre Pi se compose de deux condensateurs connectés en parallèle suivis d'une inductance en série formant une forme Pi comme le montre l'image ci-dessous

Comme le montre l'image ci-dessus, il se compose de deux condensateurs qui sont connectés à la terre avec une inductance série intermédiaire. Comme il s'agit d'un filtre passe-bas, il produit une impédance élevée à haute fréquence et une faible impédance à basse fréquence. Ainsi, il est couramment utilisé dans une ligne de transmission pour bloquer les hautes fréquences indésirables.

La construction et les valeurs des composants du calcul du filtre Pi peuvent être dérivées de l'équation ci-dessous pour concevoir un filtre Pi pour votre application.

Fréquence de coupure (fc) = 1 / ᴫ (LC) ^{1/2 La} valeur de la capacité est (C) = 1 / Z _0ᴫfc Valeur de l'inductance (L1) = Z ₀ / ᴫfc Où, le Z ₀ est la caractéristique d'impédance en ohms et fc est la fréquence de coupure.

Filtre Pi comme filtre passe-haut

Comme le filtre passe-bas, les filtres pi peuvent également être configurés comme filtre passe-haut. Dans un tel cas, le filtre bloque la basse fréquence et laisse passer la haute fréquence. Il est également fabriqué à l'aide de deux types de composants passifs, deux inducteurs et un condensateur.

En configuration passe-bas, le filtre est conçu comme deux condensateurs sont en parallèle avec un inducteur entre les deux, mais en configuration passe-haut, la position et la quantité des composants passifs obtiennent exactement le contraire. Au lieu d'un seul inducteur, ici deux inducteurs distincts sont utilisés avec un seul condensateur.

L' image du circuit de filtre Pi ci-dessus montre le filtre en configuration passe-haut, et sans oublier que la construction ressemble également à un symbole Pi. La construction et les valeurs des composants du filtre Pi peuvent être dérivées de l'équation ci-dessous -

Fréquence de coupure (fc) = 1 / 4ᴫ (LC) ^{1/2 La} valeur de la capacité est (C) = 1 / 4Z _0ᴫfc Valeur de l'impédance (L1) = Z ₀ / 4ᴫfc Où, le Z ₀ est la caractéristique d'impédance en ohms et fc est la fréquence de coupure.

Avantages du filtre Pi

Tension de sortie élevée

La tension de sortie aux bornes du filtre pi est assez élevée, ce qui le rend adapté à l'application la plus liée à l'alimentation où des filtres CC haute tension sont nécessaires.

Faible facteur d'ondulation

Configuré comme filtre passe-bas À des fins de filtration CC, le filtre Pi est un filtre efficace, pour filtrer les ondulations CA indésirables provenant d'un redresseur en pont. Le condensateur fournit une faible impédance en courant alternatif mais une résistance élevée en courant continu en raison de l'effet de la capacité et de la réactance. En raison de cette faible impédance à travers le CA, le premier condensateur du filtre Pi contourne l'ondulation CA provenant du redresseur en pont. L'ondulation CA contournée entre dans l'inducteur. L'inducteur résiste aux changements de flux de courant et bloque l'ondulation CA qui est filtrée par le deuxième condensateur. Ces multiples étapes de filtrage aident à produire une sortie CC lisse à très faible ondulation à travers le filtre Pi.

Facile à concevoir dans les applications RF

Dans un environnement RF contrôlé, où une transmission de fréquence plus élevée est requise, par exemple dans la bande GHz, les filtres Pi haute fréquence sont faciles et flexibles à fabriquer dans le PCB en utilisant uniquement des traces de PCB. Les filtres Pi haute fréquence fournissent également des immunités aux surtensions plus que les filtres à base de silicium. Par exemple, une puce de silicium a une limite de capacité de tenue en tension, tandis que les filtres pi fabriqués à l'aide des composants passifs ont une immunité beaucoup plus élevée en termes de surtensions et d'environnements industriels difficiles.

Inconvénients du filtre Pi

Valeurs d'inductance de puissance plus élevées

Outre la conception RF, une consommation de courant élevée à travers un filtre Pi n'est pas recommandée car le courant doit traverser l'inductance. Si ce courant de charge est relativement élevé, la puissance de l'inducteur augmente également, ce qui le rend volumineux et coûteux. En outre, le courant élevé traversant l'inducteur augmente la dissipation de puissance à travers l'inducteur, ce qui entraîne un rendement médiocre.

Condensateur d'entrée de haute valeur

Un autre problème majeur du filtre Pi est la grande valeur de la capacité d'entrée. Les filtres Pi nécessitent une capacité élevée sur l'entrée, ce qui est devenu un défi dans les applications à espace limité. En outre, les condensateurs de grande valeur augmentent le coût de la conception.

Les

filtres Pi de mauvaise régulation de tension ne conviennent pas lorsque les courants de charge ne sont pas stables et changent constamment. Les filtres Pi fournissent une mauvaise régulation de tension lorsque le courant de charge dérive beaucoup. Dans une telle application, les filtres avec une section en L sont recommandés.

Application des filtres Pi

Convertisseurs de puissance

Comme déjà discuté, les filtres Pi sont un excellent filtre DC pour supprimer les ondulations AC. En raison de ce comportement, les filtres Pi sont largement utilisés dans les conceptions d'électronique de puissance comme le convertisseur AC-DC, le convertisseur de fréquence, etc. Cependant, dans l'électronique de puissance, les filtres Pi sont utilisés comme filtre passe-bas et nous avons déjà conçu un circuit d' alimentation pour notre conception SMPS 12V 1A comme indiqué ci-dessous.

En général, les filtres Pi sont directement connectés au pont redresseur et la sortie des filtres Pi est appelée DC haute tension. La haute tension CC de sortie est utilisée pour les circuits de commande d'alimentation électrique pour un fonctionnement ultérieur.

Cette construction, de la diode de redressement de pont au conducteur, a un fonctionnement différent avec le fonctionnement du filtre Pi. Premièrement, ce filtre Pi fournit un courant continu régulier pour le fonctionnement sans ondulation du circuit de pilotage global, ce qui entraîne une faible ondulation de sortie de la sortie finale de l'alimentation, et l'autre sert à isoler les lignes principales de la fréquence de commutation élevée à travers le circuit de pilote.

Un filtre de ligne correctement construit peut fournir une filtration en mode commun (un filtre qui rejette le signal de bruit comme s'il s'agissait d' un seul conducteur indépendant) et une filtration en mode différentiel (différenciant deux bruits de fréquence de commutation, en particulier le bruit haute fréquence qui peut être ajouté à la ligne secteur) dans une alimentation où le filtre Pi est un composant important. Un filtre pi est également appelé filtre de ligne d'alimentation s'il est utilisé dans une application d'électronique de puissance.

Application RF

Dans l'application RF, les filtres Pi sont utilisés dans différentes opérations et différentes configurations. Par exemple, dans les applications RF, l'impédance d'adaptation est un facteur énorme et les filtres Pi sont utilisés pour faire correspondre l'impédance entre les antennes RF et avant les amplificateurs RF. Cependant, dans les cas maximum où une très haute fréquence, comme dans la bande GHz est utilisée, des filtres Pi sont utilisés dans la ligne de transmission du signal et conçus en utilisant uniquement des traces de PCB.

L'image ci-dessus montre des filtres à base de traces de PCB où la trace crée une inductance et une capacité dans des applications à très haute fréquence. Outre la ligne de transmission, les filtres Pi sont également utilisés dans les appareils de communication RF, où la modulation et la démodulation ont lieu. Les filtres Pi sont conçus pour une fréquence ciblée afin de démoduler le signal après réception du côté récepteur. Les filtres Pi passe-haut sont également utilisés pour contourner la haute fréquence ciblée dans les étages d'amplification ou de transmission.

Conseils de conception Pi-Filter

Pour concevoir un filtre Pi approprié, il est nécessaire de compenser les tactiques de conception de PCB appropriées pour un fonctionnement sans problème, ces conseils sont énumérés ci-dessous.

Dans l'électronique de puissance

• Des traces épaisses sont requises dans la disposition du filtre Pi.
• Il est essentiel d'isoler le filtre Pi du bloc d'alimentation.
• La distance entre le condensateur d'entrée, l'inductance et le condensateur de sortie doit être fermée.
• Le plan de masse du condensateur de sortie doit être directement connecté au circuit d'attaque via un plan de masse approprié.
• Si la conception se compose de lignes bruyantes (telles qu'une ligne de détection haute tension pour le pilote) qui doivent être connectées à travers le courant continu haute tension, il est nécessaire de connecter la trace avant le condensateur de sortie final des filtres Pi. Cela améliore l'immunité au bruit et l'injection de bruit indésirable à travers les circuits de commande.

Dans le circuit RF

• La sélection des composants est un critère majeur pour l'application RF. La tolérance des composants joue un rôle majeur.
• Une petite augmentation de la trace de PCB pourrait induire une inductance dans le circuit. Une attention particulière doit être portée à la sélection de l'inducteur en tenant compte de l'inductance de trace PCB. La conception doit être faite en utilisant des tactiques appropriées pour réduire l'inductance parasite.
• La capacité parasite doit être minimisée.
• Un placement fermé est requis.
• Le câble coaxial convient à l'entrée et à la sortie dans l'application RF.