Diseños de filtros Pi para fuentes de alimentación

Los filtros Pi son un tipo de filtro pasivo que obtiene su nombre de la disposición de los tres componentes constituyentes en forma de la letra griega Pi (π). Los filtros Pi pueden diseñarse como filtros de paso bajo o de paso alto, dependiendo de los componentes utilizados.

El filtro de paso bajo utilizado para el suministro de energía se forma a partir de un inductor en serie entre la entrada y la salida con dos capacitores, uno a través de la entrada y el otro a través de la salida. La aplicación principal de los filtros Pi en los suministros de energía es suavizar la salida de un rectificador actuando como un filtro de paso bajo.

El equivalente del filtro de paso alto se forma utilizando un capacitor en serie entre la entrada y la salida con dos inductores, uno a través de la entrada y el otro a través de la salida.

Este artículo solo examinará la disposición del filtro de paso bajo.

Principios Básicos

Los tres componentes que forman el filtro Pi actúan cada uno para bloquear el flujo de corriente alterna y permitir el flujo de corriente directa. El capacitor de entrada realiza la primera y más importante etapa de filtrado de la componente de CA. A continuación, el inductor realiza la siguiente etapa de filtrado, eliminando efectivamente cualquier ondulación. Finalmente, el capacitor de salida filtra cualquier componente de CA que haya pasado a través del inductor.

Características

El filtro Pi producirá un alto voltaje de salida con un drenaje mínimo de corriente, generando solo una caída de voltaje muy pequeña en la salida. Su otra principal ventaja sobre diferentes tipos de filtros es la buena reducción del ripple. Sin embargo, cualquier flujo de corriente a través del filtro cuando se aplica una carga a la salida resultará en una caída de voltaje, por lo tanto, el filtro Pi no puede proporcionar regulación de voltaje. Esta corriente también fluirá a través del inductor, lo que significa que se requerirá un inductor con una alta calificación de potencia en aplicaciones con un alto voltaje de salida. Esta limitación también debe ser considerada junto con los requerimientos de alta capacitancia de entrada y alta calificación de voltaje. Además, tales componentes serán voluminosos y costosos, impactando el diseño del tablero.

Regulación de Voltaje

El filtro Pi requiere un voltaje de salida estable para ser efectivo. Una carga de salida constantemente cambiante o una alta deriva de corriente resultará en una pobre regulación de voltaje. Su aplicación en fuentes de alimentación AC es típicamente inmediatamente después del circuito rectificador de puente y antes del circuito de control de modo conmutado. Actúan para minimizar el ripple en la línea de alimentación rectificada en la entrada a la etapa convertidora del circuito de suministro de energía.

Aislamiento de Suministro

Reemplazar el inductor en el filtro Pi de paso bajo por un transformador proporcionará la misma función de filtrado de ondulaciones pero con el beneficio de proporcionar aislamiento entre la salida del rectificador y el convertidor de potencia conmutado. Un beneficio adicional es que el transformador también proporcionará filtrado de ruido de modo común bidireccional. En una dirección, reduce el ruido presente en la entrada de CA que aparecerá en la salida del rectificador. En la otra dirección, evita que el ruido de alta frecuencia generado por el circuito del convertidor de potencia conmutado sea conducido de vuelta a través de la fuente de alimentación y hacia la línea principal. En esta configuración, el filtro Pi también es conocido como un filtro de Línea de Potencia.

Emparejamiento de Impedancia

Un beneficio de los filtros Pi sobre los simples filtros L-C es la mayor flexibilidad que ofrecen al diseñador del circuito para el emparejamiento de impedancias. Un filtro L-C simple solo tendrá valores de componentes únicos donde el filtro produce la impedancia requerida para una frecuencia dada. En contraste, el filtro Pi tendrá múltiples combinaciones de valores de componentes que producen la impedancia necesaria para la frecuencia dada. Las diferentes opciones tendrán cada una un factor Q diferente, permitiendo al diseñador elegir un comportamiento de resonancia que mejor se adapte al circuito que están diseñando en un compromiso con la eficiencia.

Restricciones de Diseño

Para un filtro Pi estándar, el tamaño y peso típicos de los componentes requerirán la asignación de una área significativa de la placa. También requerirán un montaje cuidadoso para prevenir que cualquier vibración externa se traduzca en el desplazamiento físico de los componentes, lo que puede llevar a grietas en sus patas y en las soldaduras donde se conectan al PCB.

Los filtros Pi se utilizan típicamente en aplicaciones de alta potencia. Por lo tanto, las pistas entre los componentes del filtro deberán mantenerse lo más cortas posible y con la menor densidad de corriente posible en conexiones y pistas. Donde se involucren corrientes altas, el inductor/transformador requerirá gestión térmica para prevenir efectos de calentamiento excesivo.

Cuando se requiera aislamiento, entonces los filtros de línea de alimentación están disponibles como unidades independientes listas para usar incorporadas al diseño o tratadas como un elemento externo en el circuito de conexión a la red. Esta opción tendrá un costo unitario más alto, simplificando el diseño de la placa y potencialmente reduciendo los costos de fabricación en general.

Resumen

Los filtros Pi son buenos para reducir el rizado de la fuente de alimentación dentro de un circuito de suministro de energía, siempre y cuando las restricciones de tamaño y peso físico y los problemas de gestión térmica no impidan su uso. Sus limitaciones en la regulación de voltaje los hacen inadecuados para usar como filtro de salida, pero son ideales como una etapa de filtro intermedio dentro del circuito de suministro de energía. Un filtro Pi basado en transformador también proporciona aislamiento de energía en el diseño para aplicaciones relacionadas con la seguridad como un beneficio adicional.

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