مرشح Pi

تُستخدم المرشحات بشكل شائع في إلكترونيات الطاقة والصوت لرفض الترددات غير المرغوب فيها. هناك العديد من الأنواع المختلفة من المرشحات المستخدمة في تصميمات الدوائر الإلكترونية بناءً على التطبيق ولكن المفهوم الأساسي لكل منهم هو نفسه ، وهو إزالة الإشارات غير المرغوب فيها. يمكن تصنيف كل هذه المرشحات إلى نوعين - المرشحات النشطة والمرشحات السلبية. يستخدم المرشح النشط واحدًا أو أكثر من المكونات النشطة مع المكونات السلبية الأخرى بينما يتم تصنيع المرشحات السلبية فقط باستخدام المكونات السلبية. لقد ناقشنا بالفعل بالتفصيل حول هذه المرشحات:

• مرشح الترددات العالية النشط
• مرشح الترددات المنخفضة النشط
• مرشح الترددات العالية السلبي
• مرشح الترددات المنخفضة السلبي
• مرشح ممر الموجة
• مرشح توافقي

في هذا البرنامج التعليمي ، نتعلم نوعًا جديدًا آخر من المرشحات يسمى Pi Filter ، والذي يشيع استخدامه في تصميمات دوائر إمداد الطاقة. لقد استخدمنا بالفعل Pi-Filter في عدد قليل من تصميمات إمدادات الطاقة السابقة مثل دائرة 5V 2A SMPS ودائرة 12V 1A SMPS. لذا ، دعنا ندخل في التفاصيل حول ماهية هذه المرشحات وكيفية تصميمها.

مرشح Pi

يعد Pi Filter نوعًا من المرشحات السلبية التي تتكون أساسًا من ثلاثة مكونات بخلاف المرشحات السلبية التقليدية المكونة من عنصرين. يُنشئ ترتيب البناء لجميع المكونات شكل الحرف اليوناني Pi (π) ، وبالتالي اسم Pi section Filter.

في الغالب ، يتم استخدام مرشحات Pi لتطبيق مرشح تمرير منخفض ، ولكن من الممكن أيضًا تكوين تكوين آخر. المكون الرئيسي لمرشح Pi هو المكثف والمحث مما يجعله مرشح LC. في تطبيق مرشح التمرير المنخفض ، يُطلق على مرشح Pi أيضًا مرشح إدخال مكثف حيث يظل المكثف عبر جانب الإدخال في تكوين تمرير منخفض.

مرشح Pi كمرشح تمرير منخفض

مرشح Pi هو مرشح تمرير منخفض ممتاز يختلف كثيرًا عن مرشح LC Pi التقليدي . عندما يتم تصميم مرشح Pi لتمرير منخفض ، يظل الناتج مستقرًا بعامل ثابت k.

و تصميم مرشح تمرير منخفض باستخدام التكوين بي واضحة جدا. في الدائرة بي تصفية يتكون من اثنين من المكثفات متصلة على التوازي تليها وسيط في سلسلة تشكيل شكل بي كما هو موضح في الصورة أدناه

كما هو موضح في الصورة أعلاه ، فهو يتكون من مكثفتين متصلتين بالأرض مع محث متسلسل. نظرًا لأن هذا مرشح تمرير منخفض ، فإنه ينتج مقاومة عالية عند التردد العالي ومقاومة منخفضة عند التردد المنخفض. وبالتالي ، يتم استخدامه بشكل شائع في خط النقل لمنع الترددات العالية غير المرغوب فيها.

يمكن اشتقاق قيم التكوين والمكونات لحساب مرشح Pi من المعادلة أدناه لتصميم عامل تصفية Pi لتطبيقك.

تردد القطع (fc) = 1 / ᴫ (LC) ^1/2 قيمة السعة (C) = 1 / Z _0ᴫfc قيمة المحاثة (L1) = Z ₀ / ᴫfc حيث ، Z ₀ هي خاصية المعاوقة بالأوم و fc هو التردد المقطوع.

مرشح Pi كمرشح تمرير عالي

مثل مرشح تمرير منخفض ، يمكن أيضًا تكوين مرشحات pi كمرشح تمرير عالي. في مثل هذه الحالة ، يحجب المرشح التردد المنخفض ويسمح بمرور التردد العالي. إنه مصنوع أيضًا باستخدام نوعين من المكونات السلبية ، ومحثين ، ومكثف واحد.

في تكوين التمرير المنخفض ، تم تصميم الفلتر كمكثفتين متوازيتين مع محث بينهما ، ولكن في تكوين التمرير العالي ، يكون موضع وكمية المكونات السلبية عكس ذلك تمامًا. بدلاً من محث واحد ، يتم هنا استخدام محاثين منفصلين مع مكثف واحد.

تُظهر صورة دائرة Pi Filter أعلاه المرشح في تكوين تمرير عالي ، ناهيك عن أن البناء يبدو أيضًا كرمز Pi. يمكن اشتقاق قيم الإنشاء والمكونات لمرشح Pi من المعادلة أدناه -

تردد القطع (fc) = 1/4ᴫ (LC) ^1/2 قيمة السعة (C) = 1/4Z _0ᴫfc قيمة المعاوقة (L1) = Z ₀ / 4ᴫfc حيث ، Z ₀ هي خاصية المعاوقة بالأوم و fc هو التردد المقطوع.

مزايا مرشح Pi

جهد الخرج العالي الجهد

الناتج عبر مرشح pi مرتفع جدًا مما يجعله مناسبًا لمعظم التطبيقات ذات الصلة بالطاقة حيث تتطلب فلاتر التيار المستمر ذات الجهد العالي.

عامل تموج منخفض تم تكوينه

كمرشح تمرير منخفض في أغراض ترشيح التيار المستمر ، يعد مرشح Pi مرشحًا فعالاً لتصفية تموج التيار المتردد غير المرغوب فيه القادم من مقوم الجسر. يوفر المكثف مقاومة منخفضة في التيار المتردد ولكنه يوفر مقاومة عالية في التيار المستمر بسبب تأثير السعة والمفاعلة. بسبب هذه الممانعة المنخفضة عبر التيار المتردد ، فإن المكثف الأول لمرشح Pi يتجاوز تموج التيار المتردد القادم من مقوم الجسر. يذهب تموج التيار المتردد المتجاوز إلى المحرِّض. يقاوم المحث التغيرات في تدفق التيار ويمنع تموج التيار المتردد الذي يتم ترشيحه بواسطة المكثف الثاني. تساعد هذه المراحل المتعددة من التصفية على إنتاج إخراج تيار مستمر منخفض تموج سلس عبر مرشح Pi.

سهولة التصميم في تطبيقات الترددات اللاسلكية

في بيئة التردد الراديوي الخاضعة للرقابة ، حيث يلزم إرسال تردد أعلى ، على سبيل المثال في نطاق جيجاهرتز ، فإن مرشحات Pi عالية التردد سهلة ومرنة في صنعها في ثنائي الفينيل متعدد الكلور باستخدام آثار ثنائي الفينيل متعدد الكلور فقط. توفر مرشحات Pi عالية التردد أيضًا مناعة ضد زيادة التيار أكثر من المرشحات القائمة على السيليكون. على سبيل المثال ، تحتوي شريحة السيليكون على حد من قدرة تحمل الجهد ، بينما تتمتع مرشحات pi المصنوعة باستخدام المكونات السلبية بمناعة أكبر بكثير من حيث الاندفاعات والبيئات الصناعية القاسية.

عيوب مرشح Pi

قيم محث القوة الكهربائية العالية

بخلاف تصميم الترددات اللاسلكية ، لا يُنصح بسحب التيار العالي من خلال مرشح Pi نظرًا لأن التيار يجب أن يتدفق عبر المحث. إذا كان تيار الحمل هذا مرتفعًا نسبيًا ، فإن القوة الكهربائية للمحث تزيد أيضًا مما يجعلها ضخمة ومكلفة. أيضًا ، يزيد التيار المرتفع عبر المحرِّض من تبديد الطاقة عبر المحرِّض مما يؤدي إلى ضعف الكفاءة.

مكثف الإدخال عالي القيمة

مشكلة رئيسية أخرى لمرشح Pi هي قيمة سعة الإدخال الكبيرة. تتطلب مرشحات Pi سعة عالية عبر المدخلات التي أصبحت تحديًا في التطبيقات ذات المساحة المحدودة. كما أن المكثفات عالية القيمة تزيد من تكلفة التصميم.

لا تعد مرشحات Pi من تنظيم الجهد السيئ مناسبة حيث تكون تيارات الحمل غير مستقرة وتتغير باستمرار. توفر مرشحات Pi تنظيمًا سيئًا للجهد عندما ينجرف تيار الحمل كثيرًا. في مثل هذا التطبيق ، يوصى باستخدام المرشحات ذات القسم L.

تطبيق مرشحات Pi

محولات الطاقة

كما تمت مناقشته بالفعل ، تعد مرشحات Pi مرشحًا ممتازًا للتيار المستمر لقمع تموجات التيار المتردد. نظرًا لهذا السلوك ، تُستخدم فلاتر Pi على نطاق واسع في تصميمات Power Electronic مثل محول AC-DC ، ومحول التردد ، وما إلى ذلك ، ومع ذلك ، في Power Electronics ، يتم استخدام مرشحات Pi كمرشح تمرير منخفض وقد صممنا بالفعل دائرة إمداد طاقة Pi Filter ، من أجل لدينا تصميم 12V 1A SMPS كما هو موضح أدناه.

بشكل عام ، ترتبط مرشحات Pi مباشرة بمقوم الجسر ويشار إلى إخراج مرشحات Pi باسم High Voltage DC. يتم استخدام الناتج DC عالي الجهد لدائرة محرك مزود الطاقة لمزيد من التشغيل.

هذا البناء ، من الصمام الثنائي لمعدل الجسر إلى السائق لديه عملية مختلفة مع عمل Pi-Filter. أولاً ، يوفر مرشح Pi هذا تيارًا مستمرًا سلسًا للتشغيل الخالي من التموجات لدائرة السائق الكلية مما يؤدي إلى تموج منخفض للإخراج من الناتج النهائي لمصدر الطاقة ، والآخر لعزل الخطوط الرئيسية عن تردد التحويل العالي عبر دارة السائق.

يمكن أن يوفر مرشح الخط المصمم بشكل صحيح ترشيح الوضع المشترك (مرشح يرفض إشارة الضوضاء كما لو كان موصلًا فرديًا مستقلًا) وترشيح الوضع التفاضلي (يفرق بين ضوضاء تردد التبديل ، وخاصة الضوضاء عالية التردد التي يمكن إضافتها إلى خط التيار الكهربائي) في مزود الطاقة حيث يعد عامل التصفية Pi مكونًا مهمًا. يُشار أيضًا إلى مرشح pi باسم مرشح Power Line إذا تم استخدامه في تطبيق Power Electronics.

تطبيق RF

في تطبيق RF ، تُستخدم مرشحات Pi في عمليات مختلفة وتكوينات مختلفة. على سبيل المثال ، في تطبيقات الترددات الراديوية ، تعتبر المعاوقة المطابقة عاملاً هائلاً ويتم استخدام مرشحات Pi لمطابقة المعاوقة عبر هوائيات التردد اللاسلكي وقبل مضخمات التردد اللاسلكي. ومع ذلك ، في الحالات القصوى التي يتم فيها استخدام تردد عالٍ جدًا ، كما هو الحال في النطاق GHz ، تُستخدم مرشحات Pi في خط نقل الإشارة ويتم تصميمها باستخدام آثار PCB فقط.

تُظهر الصورة أعلاه المرشحات القائمة على تتبع ثنائي الفينيل متعدد الكلور حيث ينشئ التتبع الحث والسعة في التطبيقات عالية التردد جدًا. بخلاف خط النقل ، تُستخدم مرشحات Pi أيضًا في أجهزة اتصالات RF ، حيث يتم إجراء التعديل وإزالة التشكيل. تم تصميم مرشحات Pi للتردد المستهدف لإزالة تشكيل الإشارة بعد استقبالها في جانب المستقبل. تُستخدم أيضًا مرشحات Pi عالية التمرير لتجاوز التردد العالي المستهدف في مراحل التضخيم أو الإرسال.

نصائح تصميم عامل التصفية Pi

لتصميم مرشح Pi مناسب ، يلزم تعويض تكتيكات تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور المناسبة للتشغيل الخالي من المتاعب ، وهذه النصائح مذكورة أدناه.

في إلكترونيات القوى

• مطلوب آثار سميكة في تخطيط مرشح Pi.
• يعد عزل مرشح Pi من وحدة تزويد الطاقة أمرًا ضروريًا.
• يجب إغلاق المسافة بين مكثف الإدخال والمحث ومكثف الإخراج.
• يجب توصيل المستوى الأرضي لمكثف الخرج مباشرة بدائرة السائق عبر مستوى أرضي مناسب.
• إذا كان التصميم يتكون من خطوط صاخبة (مثل خط استشعار الجهد العالي للسائق) التي يجب توصيلها عبر تيار مستمر عالي الجهد ، فمن الضروري توصيل التتبع قبل مكثف الإخراج النهائي لمرشحات Pi. هذا يحسن مناعة الضوضاء وحقن الضوضاء غير المرغوب فيه عبر دوائر السائق.

في دائرة الترددات اللاسلكية

• يعد اختيار المكون معيارًا رئيسيًا لتطبيق RF. يلعب تحمل المكونات دورًا رئيسيًا.
• يمكن أن تؤدي الزيادة الصغيرة في تتبع ثنائي الفينيل متعدد الكلور إلى تحريض في الدائرة. يجب توخي الحذر المناسب لاختيار الحث من خلال النظر في محاثة تتبع ثنائي الفينيل متعدد الكلور. يجب أن يتم التصميم باستخدام التكتيكات المناسبة لتقليل المحاثة الشاردة.
• يجب تصغير السعة الشاردة.
• التنسيب مغلق مطلوب.
• الكبل المحوري مناسب للإدخال والإخراج في تطبيق RF.