פילטר פי

מסננים משמשים בדרך כלל באלקטרוניקת חשמל ושמע לדחיית תדרים לא רצויים. ישנם סוגים רבים ושונים של פילטרים המשמשים בתכנון מעגלים אלקטרוניים על בסיס היישום, אך הרעיון הבסיסי של כולם הוא זהה, כלומר להסיר אותות לא רצויים. ניתן לסווג את כל המסננים הללו לשני סוגים - פילטרים פעילים ומסננים פסיביים. המסנן הפעיל משתמש ברכיב פעיל אחד או יותר עם רכיבים פסיביים אחרים ואילו פילטרים פסיביים מיוצרים אך ורק באמצעות רכיבים פסיביים. כבר דנו בפירוט אודות מסננים אלה:

• מסנן High Pass High פעיל
• מסנן נמוך לעבור פעיל
• פילטר פסיבי High Passive
• מסנן פסיבי נמוך לעבור
• מסנן מעבר פס
• פילטר הרמוני

במדריך זה אנו לומדים סוג חדש נוסף של פילטר בשם Pi Filter, אשר נפוץ מאוד בתכנון מעגלי אספקת חשמל. השתמשנו כבר ב- Pi-Filter בכמה מתכנוני אספקת החשמל הקודמים שלנו כמו מעגל SMPS 5V 2A ומעגל SMPS 12V 1A. אז בואו נפרט על מה הם המסננים הללו וכיצד לעצב אותם.

פי פילטר

פילטר פי הוא סוג של פילטר פסיבי המורכב בעיקר משלושה רכיבים פרט למסננים הפסיביים המסורתיים דו-אלמנטיים. סידור הבנייה של כל הרכיבים יוצר את צורת האות היוונית Pi (π), ובכך השם Pi קטע Filter.

ברובם, מסנני Pi משמשים ליישום מסנני Low Pass, אך תצורה אחרת אפשרית גם כן. המרכיב העיקרי של פילטר Pi הוא הקבל והמשרן שהופך אותו למסנן LC. ביישום מסנן נמוך לעבור, פילטר Pi נקרא גם מסנן קלט קבלים, שכן הקבל נשאר על צד הקלט בתצורת מעבר נמוך.

פילטר פי כמסנן נמוך לעבור

פילטר ה- Pi הוא מסנן מעברים נמוך מעולה השונה בהרבה ממסנן LC Pi המסורתי . כאשר מסנן Pi מיועד למעבר נמוך, הפלט נשאר יציב עם גורם קבוע k.

העיצוב של מסנן נמוך לעבור באמצעות תצורת Pi הוא די פשוט. מעגל מסנן Pi מורכב משני קבלים המחוברים במקביל ואחריו משרן בסדרה והופכת לצורת Pi כמוצג בתמונה שלהלן

כפי שנראה בתמונה לעיל, הוא מורכב משני קבלים המחוברים לקרקע באמצעות משרן סדרתי שביניהם. מכיוון שמדובר במסנן נמוך לעבור, הוא מייצר עכבה גבוהה בתדירות גבוהה ועכבה נמוכה בתדר נמוך. לפיכך, הוא משמש בדרך כלל בקו שידור לחסימת תדרים גבוהים לא רצויים.

את הבנייה ואת ערכי הרכיב של חישוב המסנן Pi ניתן לגזור מהמשוואה הבאה כדי לעצב פילטר Pi ליישום שלך.

תדר הניתוק (fc) = 1 / ᴫ (LC) ^1/2 ערך הקיבול הוא (C) = 1 / Z _0ᴫfc ערך ההשראה (L1) = Z ₀ / ᴫfc איפה, Z ₀ הוא מאפיין העכבה באוהם ו- fc הוא תדר הניתוק.

פילטר פי כמסנן מעבר גבוה

זהה למסנן המעבר הנמוך, ניתן להגדיר מסנני pi גם כמסנן מעבר גבוה. במקרה כזה, המסנן חוסם את התדר הנמוך ומאפשר לעבור את התדר הגבוה. הוא מיוצר גם באמצעות שני סוגים של רכיבים פסיביים, שני משרנים וקבל אחד.

בתצורת מעבר נמוך המסנן מתוכנן כשני קבלים הם במקביל למשרן שביניהם, אך בתצורת מעבר גבוה, המיקום וכמות הרכיבים הפסיביים מקבלים בדיוק את ההפך. במקום משרן יחיד, כאן משתמשים בשני משרנים נפרדים עם קבל יחיד.

תמונת המעגל של פילטר פילטר לעיל מציגה את המסנן בתצורת מעבר גבוה, שלא לדבר על הבנייה נראית כמו סמל Pi. את הבנייה ואת ערכי הרכיב של המסנן Pi ניתן לגזור מהמשוואה הבאה -

תדר הניתוק (fc) = 1/4 "(LC) ^1/2 ערך הקיבול הוא (C) = 1 / 4Z _0ᴫfc ערך העכבה (L1) = Z ₀ / 4ᴫfc איפה, Z ₀ הוא מאפיין העכבה באוהם ו- fc הוא תדר הניתוק.

היתרונות של פילטר פי

מתח יציאה גבוה מתח

היציאה על פני מסנן ה- pi הוא די גבוה מה שהופך אותו למתאים ליישום הקשור ביותר לחשמל בו נדרשים מסנני DC מתח גבוה.

גורם אדווה נמוך

מוגדר כמסנן נמוך לעבור במטרות סינון DC, פילטר פי הוא פילטר יעיל, לסינון אדוות זרם חילופין לא רצויות שמגיע ממיישר גשר. הקבל מספק עכבה נמוכה ב- AC אך התנגדות גבוהה ב- DC עקב השפעת הקיבול והתגובה. בגלל עכבה נמוכה זו על פני זרם חילופין, הקבל הראשון של פילטר ה- Pi עוקף את אדווה ה- AC המגיעה ממיישר הגשר. אדווה ה- AC העוקפת נכנסת למשרן. המשרן מתנגד לשינויים בזרימת הזרם וחוסם את אדוות ה- AC אשר סיננו עוד יותר על ידי הקבל השני. שלבים מרובים אלה של סינון עוזרים לייצר פלט DC נמוך מאוד של אדווה חלקה על פני פילטר ה- Pi.

קל לעיצוב ביישומי

RF בסביבת RF מבוקרת, בה נדרשת העברת תדרים גבוהים יותר, למשל ברצועת GHz, מסנני Pi בתדירות גבוהה הם קלים וגמישים לייצור ב- PCB באמצעות עקבות PCB בלבד. מסנני Pi בתדירות גבוהה מספקים גם חסינות בפני נחשולים יותר מאשר המסננים מבוססי הסיליקון. לדוגמא, לשבב סיליקון יש מגבלה של יכולת עמידה במתח, ואילו למסנני pi המיוצרים באמצעות הרכיבים הפסיביים יש הרבה יותר חסינות מבחינת נחשולים וסביבות תעשייתיות קשות.

חסרונות פילטר פי

ערכי משרן מתח גבוה

יותר מלבד תכנון ה- RF, לא מומלץ לצייר זרם גבוה דרך פילטר Pi מכיוון שהזרם צריך לזרום דרך המשרן. אם זרם העומס הזה גבוה יחסית, אז גם הספק המשרן גדל והופך אותו למגושם ויקר. כמו כן, הזרם הגבוה דרך המשרן מגביר את פיזור הכוח על פני המשרן וכתוצאה מכך יעילות ירודה.

קבל קלט בעל ערך גבוה

בעיה מרכזית נוספת של פילטר ה- Pi הוא ערך קיבולת הקלט הגדול. מסנני Pi דורשים קיבול גבוה על פני הקלט שהפך לאתגר ביישומים מוגבלים בחלל. כמו כן, קבלים בעלי ערך גבוה מעלים את עלות התכנון.

ויסות מתח רע

מסנני Pi אינם מתאימים כאשר זרמי העומס אינם יציבים ומשתנים ללא הרף. מסנני Pi מספקים ויסות מתח רע כאשר זרם העומס נסחף הרבה. ביישום כזה מומלץ להשתמש בפילטרים עם קטע L.

יישום מסנני פי

ממירי כוח

כפי שכבר דובר, מסנני Pi הם מסנן DC מעולה לדיכוי אדוות ה- AC. בשל התנהגות זו, נעשה שימוש נרחב במסנני Pi בתכנונים אלקטרוניים חשמליים כמו ממיר AC-DC, ממיר תדרים וכו '. עם זאת, ב- Power Electronics נעשה שימוש במסנני פי כמסנן נמוך לעבור וכבר תכננו מעגל אספקת חשמל של פילטר Pi, עבור עיצוב ה- SMPS 12V 1A שלנו כמוצג להלן.

בדרך כלל, מסנני Pi מחוברים ישירות למיישר הגשר ופלט מסנני ה- Pi מכונה DC מתח גבוה. הפלט DC מתח גבוה משמש למעגלים של נהג אספקת החשמל להמשך פעולה.

לבנייה זו, מ דיודת מיישר גשר ועד לנהג יש פעולה שונה עם העבודה של פי פילטר. ראשית, מסנן Pi זה מספק DC חלק להפעלה ללא אדוות של מעגל הנהג הכולל וכתוצאה מכך אדווה תפוקה נמוכה מהפלט הסופי של ספק הכוח, והשנייה נועדה לבידוד קווים ראשיים מתדר המיתוג הגבוה על פני מעגל נהג.

פילטר קו בנוי כראוי יכול לספק סינון במצב משותף (פילטר הדוחה אות רעש כאילו מוליך יחיד עצמאי) וסינון במצב דיפרנציאלי (מבדיל שני רעשי תדר מיתוג, במיוחד רעש בתדר גבוה שניתן להוסיף לקו החשמל) באספקת חשמל שבה פילטר פי הוא מרכיב חשוב. מסנן pi מכונה גם פילטר קו חשמל אם משתמשים בו ביישום אלקטרוניקה.

יישום RF

ביישום ה- RF משתמשים במסנני Pi בפעולות שונות ותצורות שונות. לדוגמא, ביישומי RF, עכבה תואמת היא גורם עצום ומסנני Pi משמשים להתאמת עכבה בין אנטנות ה- RF ולפני מגברי ה- RF. עם זאת, במקרים מקסימליים שבהם משתמשים בתדירות גבוהה מאוד, כמו למשל ברצועת ה- GHz, משתמשים במסנני Pi בקו העברת האות ותוכננו באמצעות עקבות PCB בלבד.

התמונה לעיל מציגה פילטרים מבוססי עקבות PCB כאשר העקיבה יוצרת השראות וקיבול ביישומים בתדירות גבוהה מאוד. מלבד קו ההולכה, מסנני Pi משמשים גם במכשירי תקשורת RF, בהם מתרחשים אפנון והפחתה. מסנני Pi מיועדים לתדר ממוקד להפחתת האות לאחר קבלתם בצד המקלט. מסנני Pi עם מעבר גבוה משמשים גם כדי לעקוף תדרים גבוהים ממוקדים לשלבי ההגברה או השידור.

טיפים לעיצוב פי פילטר

כדי לתכנן פילטר מתאים של פיי נדרש לפצות על טקטיקות תכנון PCB נכונות עבור פעולה ללא בעיות, טיפים אלה מפורטים להלן.

באלקטרוניקה כוח

• עקבות עבים נדרשים בפריסת המסנן Pi.
• בידוד מסנן ה- Pi מיחידת אספקת החשמל חיוני.
• יש לסגור את המרחק בין קבל הקלט, המשרן וקבל המוצא.
• יש צורך לחבר את מישור הקרקע של קבל המוצא ישירות למעגל הנהג באמצעות מישור קרקע תקין.
• אם התכנון מורכב מקווים רועשים (כגון קו חוש תחושה גבוה עבור הנהג) שיש צורך לחבר על פני מתח גבוה DC, נדרש לחבר את המעקב לפני קבל הפלט הסופי של מסנני ה- Pi. זה משפר את חסינות הרעש והזרקת הרעשים הלא רצויים במעגלי הנהג.

במעגל RF

• בחירת הרכיב היא קריטריון מרכזי ליישום ה- RF. סובלנות הרכיבים משחקת תפקיד מרכזי.
• עלייה קטנה במעקב PCB עלולה לגרום להשראות במעגל. יש לנקוט בזהירות מתאימה לבחירת המשרנים על ידי בחינת השראות עקבות PCB. העיצוב צריך להיעשות תוך שימוש בטקטיקות מתאימות להפחתת השראות תועה.
• יש צורך למזער קיבול תועה.
• יש צורך בהשמה סגורה.
• כבל קואקסיאלי מתאים לקלט ופלט ביישום ה- RF.