DE102007021978B4 - Aktives Kompensationsfilter - Google Patents

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    • H03H1/0007Constructional details of impedance networks whose electrical mode of operation is not specified or applicable to more than one type of network of radio frequency interference filters

Abstract

Aktives Kompensationsfilter (10) zum Einsatz in der elektrischen Stromversorgung in einem Landfahrzeug, wobei das Kompensationsfilter (10)
• ein Hochpassfilter (HP) aufweist, das mit einer Versorgungsspannungsleitung zu koppeln ist, die eine Versorgungsspannung führt, um Frequenz und Amplitude von Störspannungsanteilen der Versorgungsspannung zu erfassen,
• einen dem Hochpassfilter (HP) nachgeschalteten Signalverstärker (SV) aufweist, der erfasste Störspannungsanteile verstärkt und als Ausgangssignale
• einem Koppelelement (L1, L2) zuführt, das dem Signalverstärker (SV) nachgeschaltet ist und eine primäre Windung (L1) und eine sekundäre Windung (L2) aufweist, wobei die primäre Windung (L1) mit den Ausgangssignalen des Signalverstärkers (SV) gespeist wird und die sekundäre Windung (L2) in die Versorgungsspannungsleitung eingeschleift ist, dadurch gekennzeichnet, dass
• das Koppelelement (L1, L2) einen Koppeltransformator mit der primären, der sekundären und einer tertiären Windung (L1, L2, und L3) aufweist, die galvanisch getrennt und magnetisch gekoppelt sind, wobei
• die tertiäre Windung (L3) in einem Gegenkopplungspfad des...

Description

  • Einleitung
  • Nachstehend wird ein aktives Kompensationsfilter beschrieben, das zum Beispiel für einen Einsatz in der elektrischen Stromversorgung in einem Landfahrzeug geeignet ist. Dabei kann es sich um eine Stromversorgung (Akkumulator in einem Bordnetz) für Fahrzeuge handeln, der ein oder mehrere zentrale oder verteilte Gleichspannung/Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) als Spannungsstabilisator nachgeschaltet sind.
  • Hintergrund
  • Mit der zunehmenden Elektrifizierung von Kraftfahrzeugen steigt die benötigte elektrische Energie in den Kraftfahrzeugen erheblich. Dazu kommt, dass die elektrischen Verbraucher in Kraftfahrzeugen steigende Anforderungen an die Qualität der Spannungsversorgung (Spannungsstabilität und Störsignalarmut) stellen. Dies gilt neben den „Komfort-Verbrauchern" (Audioanlage, Navigationssystem, Klimaanlage, etc.) nicht zuletzt auch für funktions- oder sicherheitsrelevante Verbraucher (Bordcomputer, Bremssteuerung, Brennstoffeinspritzsteuerung, etc.) des Kraftfahrzeuges. Zum Beispiel bei auftretenden Lastspitzen, insbesondere beim Anlass- oder Startvorgang des Kraftfahrzeuges, kann dies zur Folge haben, dass bereits eingeschaltete Verbraucher aufgrund der Belastung durch den Anlasser/Starter nicht mehr ordnungsgemäß funktionieren oder über die Stromversorgung Störsignalen ausgesetzt sind. Während dies bei der Audioanlage „nur" störend empfunden werden mag, kann es bei anderen funktions- oder sicherheitsrelevanten Verbrauchern (Bordcomputer oder dergl.) zu kritischen Funktionsabnormalitäten führen. Im aus Brennstoffersparnisgründen zunehmend favorisierten Start-/Stoppbetrieb von Kraftfahrzeugen treten derartige Störeffekte besonders merklich zutage.
  • Ein weiterer Aspekt ist die steigende Anforderung an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) der Kraftfahrzeuge. Herkömmliche passive Filter benötigen verhältnismäßig viel Bauraum. Außerdem ist deren Effizienz begrenzt.
  • Das aktive Kompensationsfilter gemäß Anspruch 1 löst die Aufgabe, eine geringe Bauraumanforderung zu haben, einen minimalen Längswiderstand zu haben, und gegen herkömmliche passive Filter austauschbar zu sein. Damit eignet es sich sehr gut zum Beispiel für elektrische Ausrüstungen im Automotivebereich.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Das US Patent 4,667,279 beschreibt eine mit Gleichspannung gespeiste Schaltungsanordnung zur Unterdrückung von Rauschen ohne signifikanten Energieverlust. Das Rauschen, das durch eine Gleichstromquelle erzeugt wird, wird durch die Kopplung eines Hochpassfilters an die Ausgangsleitung der Stromquelle reduziert. Es wird ein Signal erzeugt, das dem Rauschen entspricht. Dieses Signal wird über einen Verstärker in die erste Wicklung eines Transformators geleitet. Die zweite Wicklung ist mit der Ausgangsleitung der Stromquelle verbunden und dient dazu, jegliches Rauschen darin aufzuheben. Der Eingang des Hochpassfilters ist mit der Ausgangsleitung der Stromquelle verbunden und die zweite Wicklung des Transformators ist mit diesem in Reihe geschalten. Der Eingang des Hochpassfilters ist mit einem Widerstand, durch den der Laststrom fließt, verbunden und die zweite Wicklung ist mit der Ausgangsleitung der Stromquelle verbunden, so dass sie einen Nebenwiderstand zur Last bildet. Die Schaltungsanordnung umfasst zudem einen Verstärker, der als Spannungsverstärker ausgestaltet ist. Die Phasenregelung ist derart, dass die Spannung, die an der zweiten Wicklung anliegt, und die Rauschspannung so gegeneinander phasenverschoben sind, dass Auslöschung auftreten kann. Der Verstärker dient dazu, den Strom in der zweiten Leitung hinsichtlich des Rauschens dieses Stroms, der in Richtung der Last fließt, so in der Phase zu verändern, dass das Rauschen vermindert wird. Die Verstärkung des Verstärkers wird auf einen passenden Wert festgesetzt, so dass die Änderungen in der Spannung oder dem Strom zur Auslöschung des Rauschens die richtige Amplitude haben. Für den Fall, dass die Auslöschungsspannung oder der Auslöschungsstrom nicht die richtige Phase haben, ist an den Verstärker ein Schaltkreis zum Phasenabgleich angeschlossen.
  • In dem Dokument US 3,628,057 wird eine Korrekturschaltung zur Verwendung in einem aktiven Bandpassfilter beschrieben. Mittels der Korrekturschaltung wird eine verbesserte Auslöschung der Signale der Stromquelle, die einen Sperrfilter passieren, erreicht. Detektoren für Referenzphase und orthogonale Phase werden kombiniert und erzeugen ein Fehlersignal, das den Wert und die Polarität der gleichphasigen Komponenten und der um 90° phasenversetzten Komponenten des Signals der Stromquelle angibt, das das Sperrfilter passiert. Ein Signalgenerator, der mit der Stromleitung verbunden ist, erzeugt Plus- und Minus-Referenzsignale und orthogonale Plus- und Minus-Signale. Ein Referenzmodulator und ein orthogonaler Modulator sind so in die Schaltung eingebunden, dass sie die jeweiligen Referenz-Fehlersignale und orthogonalen Fehlersignale empfangen und diese verwenden, um die Signale des Signalerzeugers in ihrer Amplitude zu modulieren und ein Feedback-Signal zu erzeugen, das dem Signal der Stromquelle, welches das Sperrfilter passiert, entspricht und gegenüber diesem um 180° phasenverschoben ist.
  • Das Dokument EP 0 877 467 A1 beschreibt eine Anordnung, welche die Welligkeitskomponente des Signals reduziert, das einer Last von einem Stromtransformator durch eine Zuleitung zugeleitet wird. Diese Anordnung umfasst eine Induktivität und ein Bauteil zur Erfassung des Signals, das der Last zugeleitet wird. Zudem ist ein Filter umfasst, um die Welligkeitskomponente aus dem Signal zu extrahieren. Mit der Induktivität sind Einspeisungsbauteile verbunden, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das der Induktivität zugeleitet wird. Die Einspeisungsbauteile der Induktivität erzeugen das elektrische Signal, welches das der Last zuzuleitende Signal automatisch hinsichtlich des Werts der Welligkeitskomponente, die in der Zuleitung gemessen wird, verändert. Dadurch wird die Welligkeitskomponente in dem der Last zuzuleitenden Signal reduziert. Die Induktivität ist von gekoppelter Art. Ihr Primärschaltkreis ist mit der Last verbunden, ihr Sekundärschaltkreis ist mit einem Stromverstärker verbunden, der das elektrische Signal erzeugt, das dazu dient, die Welligkeitskomponente zu vermindern, und der gemeinsame Knoten ist mit dem Stromtransformator verbunden. Die Bauteile zur Erfassung des der Last zuzuleitenden Signals, zur Extrahierung der Welligkeitskomponente aus diesem Signal und zur Einspeisung sind in einer Rückkopplungsschleife angeordnet.
  • Kurzfassung
  • Ein aktives Kompensationsfilter hat ein Hochpassfilter, das mit einer Versorgungsspannungsleitung zu koppeln ist, die eine Versorgungsspannung führt, um Frequenz und Amplitude von Störspannungsanteilen der Versorgungsspannung zu erfassen. Weiterhin hat das aktive Kompensationsfilter einen dem Hochpassfilter nachgeschalteten Signalverstärker, der in der Versorgungsspannung erfasste Störspannungsanteile verstärkt und als Ausgangssignale einem Koppelelement zuführt. Das Koppelelement ist dem Signalverstärker nachgeschaltet und hat eine Primärseite und eine Sekundärseite. Die Primärseite wird mit den Ausgangssignalen des Signalverstärkers gespeist und die Sekundärseite ist in die Versorgungsspannungsleitung einzuschleifen. Das Koppelelement hat einen Koppeltransformator mit der primären, der sekundären und einer tertiären Windung, die galvanisch getrennt und magnetisch gekoppelt sind. Die tertiäre Windung ist in einem Gegenkopplungspfad des Signalverstärkers vorgesehen. Der Gegenkopplungspfad führt von einem Ausgang des Signalverstärkers zu einem Eingang des Signalverstärkers.
  • Mittels dieses Kompensationsfilters können Nicht-Linearitäten des Koppeltransformators oder des Signalverstärkers, zum Beispiel aufgrund von Temperaturdrift, Magnetisierungsverlusten, etc., einfach kompensiert werden.
  • Das beschriebene aktive Kompensationsfilter beruht auf dem Konzept, in der Versorgungsspannung vorhandene, in ihrer Frequenz und Amplitude auch wechselnde, Störspannungsanteile zu detektieren und diese gegenphasig der Versorgungsspannung möglichst vollständig wieder aufzuprägen/einzuspeisen, so dass die Störspannungsanteile zumindest annähernd annulliert sind. Die Detektion der Frequenz und der Amplitude der Störspannungsanteile ist hier als durch ein Hochpassfilter zu realisieren beschrieben. Dieses Hochpassfilter kann auch Teil eines Bandpassfilters sein.
  • Alternativen und Ausgestaltungen
  • In dem aktiven Kompensationsfilter kann das Hochpassfilter ein ein- oder mehrstufiges Hochpassfilter erster oder höherer Ordnung sein, das eine Eckfrequenz von etwa der halben Grundfrequenz der Störspannungsanteile hat. In einer einfachen Ausgestaltung ist das Hochpassfilter ein Kondensator-Widerstands-Vierpol, der in der Versorgungsspannung vorhandene, störende Wechselanteile in dieser detektiert und dem Signalverstärker zuführt. Typischerweise kann zum Beispiel ein DC/DC-Wandler, der eine Eingangsspannung von etwa 8 Volt bis etwa 14 Volt in eine konstante Ausgangsspannung von etwa 12 Volt wandelt, eine Betriebsfrequenz von ca. 175 kHz haben. Hieraus ergibt sich, dass der von dem DC/DC-Wandler gelieferten Versorgungsspannung Störsignale/Störspannungsanteile mit ca. 175 kHz und Harmonischen davon überlagert sind. In diesem Fall hat das Hochpassfilter eine Eckfrequenz von etwa einem Viertel bis etwa der Hälfte der Taktfrequenz des DC/DC-Wandler. Das aktive Kompensationsfilter kann – wie vorstehend beschrieben – an der Ausgangsseite des DC/DC-Wandlers die von diesem gelieferte Versorgungsspannung „glätten". Es ist jedoch auch vorgesehen, das aktive Kompensationsfilter an anderen Stellen einer DC-Bordspannungsversorgung (zum Beispiel auf der Eingangsseite des DC/DC-Wandlers) einzusetzen, um die geregelte oder ungeregelte Versorgungsspannung von Störsignalen/Störspannungsanteilen soweit als möglich zu bereinigen.
  • Um in der Versorgungsspannung vorhandene Störspannungsanteile zu detektieren und diese gegenphasig (also invertiert) der Versorgungsspannung wieder aufzuprägen, gibt es mehrere Möglichkeiten. Eine Variante sieht vor, die Ausgangssignale des Signalverstärkers gegenüber den erfassten Störspannungsanteilen in ihrer Amplitude zu invertieren. In diesem Fall haben die Primär- und die Sekundärseite des Koppeltransformators eine gleichsinnige Windungsrichtung.
  • Alternativ dazu werden die Ausgangssignale des Signalverstärkers gegenüber den in der Versorgungsspannung erfassten Störspannungsanteilen in ihrer Amplitude nicht invertiert. In diesem Fall hat die von dem Signalverstärker gespeiste Primärseite des Koppeltransformators zu der Sekundärseite eine gegensinnige Windungsrichtung.
  • Die Sekundärwindung des Koppeltransformators hat eine niedrige, unter 50 liegende Windungszahl. Damit ist ein minimaler Spannungsabfall/Längswiderstand der Versorgungsspannung in dem aktiven Filter realisiert. Die Sekundärseite des Koppeltransformators kann eine einzige Windung haben. In einer Variante ist die Versorgungsspannungsleitung nur durch einen Transformatorkern des Koppeltransformators hindurchgeführt oder an der Primärseite des Koppeltransformators den magnetischen Fluss umschließend vorbeigeführt. Dabei findet eine gegenphasige Aufprägung der Störspannungsanteile auf die Versorgungsspannung statt.
  • Weiterhin kann das aktive Kompensationsfilter ein Tiefpassfilter haben, das der Sekundärseite des Koppeltransformators in der Versorgungsspannungsleitung nachgeschaltet ist und eine Eckfrequenz von etwa der fünf- bis fünfzigfachen Grundfrequenz der Störspannungsanteile hat. Im oben erwähnten Fall, bei dem das aktive Filter einem DC/DC-Wandler nachgeschaltet ist, der eine Betriebsfrequenz von ca. 175 kHz hat, ergibt sich für das Tiefpassfilter eine Eckfrequenz von etwa 1 MHz oder mehr.
  • Der Signalverstärker des aktiven Kompensationsfilters kann ein ein- oder mehrstufiger invertierender oder nicht-invertierender Wechselspannungssignalverstärker sein. Dabei ist die gesamte Verstärkung des Signalverstärkers so zu dimensionieren, dass sie betragsmäßig mit dem Verhältnis der Zahl der Windungen der Primärseite zu der Zahl der Windungen der Sekundärseite des Koppeltransformators übereinstimmt. Gleichzeitig ist eine hinreichende Übertragungsbandbreite des Signalverstärkers sicherzustellen, damit die Störspannungsanteile durch den Koppeltransformator möglichst vollständig (aber gegenphasig) der Versorgungsspannung aufgeprägt werden.
  • Schließlich kann zusätzlich oder anstelle des Abgreifens der Störspannungsanteile vor der Sekundärwindung des Koppeltransformators auch ein Abgriff für Störspannungsanteile nach der Sekundärwindung des Koppeltransformators in einem Gegenkopplungspfad zu einem Eingang des Signalverstärkers führen. Damit kann die invertierte Einprägung der Störspannungsanteile nicht nur in gesteuerter Weise, sondern im Rahmen einer Regelung erfolgen. Dabei kann der von der Sekundärwindung des Koppeltransformators abgegriffene Störspannungsanteil auch im Rahmen einer adaptiven Regelung ausgewertet werden. So werden die Störspannungsanteile besonders präzise aus der Versorgungsspannung eliminiert.
  • Neben dem Aufprägen der gegenphasigen/invertierten, in Frequenz und Amplitude auch wechselnden, Störspannungsanteile auf die Versorgungsspannung in dem Koppeltransformator, kann auch ein Aufprägen einer in ihrer Polarität gegen die Versorgungsspannung gerichteten Gleichstromkomponente erfolgen. Damit kann verhindert oder zumindest abgeschwächt werden, dass der Koppeltransformator in eine magnetische Sättigung gerät.
  • Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und mögliche Abwandlungen dieses aktiven Kompensationsfilters werden anhand der nachstehenden Beschreibung verdeutlicht, in der auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen ist.
  • Kurzbeschreibung der Figuren
  • 1 zeigt schematisch einen Übersichtsschaltplan einer Stromversorgung eines Kraftfahrzeuges mit mehreren Verbrauchern, in die ein aktives Kompensationsfilter integriert ist.
  • 2 zeigt schematisch einen DC/DC-Wandler, dem ein als Blockschaltbild veranschaulichtes aktives Kompensationsfilter nachgeschaltet ist.
  • 3 zeigt schematisch einen Schaltplan eines aktiven Kompensationsfilters aus den 1 bzw. 2.
  • In den Fig. sind gleiche oder gleich wirkende Komponenten oder Baugruppen mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen.
  • Detailbeschreibung der Figuren
  • In 1 ist ein Ausschnitt aus der elektrischen Anlage eines Kraftfahrzeuges gezeigt. Eine Batterie B, genauer gesagt ein Akkumulator, kann bei Betätigen eines Schlüsselschalters S, dem Zündschlüssel, über einen Anlasser A eine (nicht gezeigte) Brennkraftmaschine in Betrieb setzen. Weiterhin speist die Batterie B einen DC/DC-Wandler W, der aus der ungeregelten Spannung der Batterie B von 8 Volt bis 14 Volt konstant geregelte 12 Volt für eine Mehrzahl von elektrischen Verbrauchern V1 ... Vn (Audioanlage, Navigationssystem, Klimaanlage, etc., oder Bordcomputer, Bremssteuerung, Brennstoffeinspritzsteuerung, etc.) bereitstellt. Anstelle eines einzigen zentralen DC/DC-Wandlers W für mehrere elektrische Verbraucher des Kraftfahrzeuges können auch eine Mehrzahl dezentraler DC/DC-Wandler W für jeden oder einige der Mehrzahl von Verbrauchern V1 ... Vn vorgesehen sein. Zwischen den/jeden DC/DC-Wandler W und die Verbraucher V1 ... Vn ist ein aktives Kompensationsfilter 10 geschaltet. Das aktive Kompensationsfilter 10 kann zusätzlich auch in die Versor gungsleitung zwischen die Batterie B und den/jeden DC/DC-Wandler W geschaltet sein.
  • In 2 ist das aktive Kompensationsfilter 10 als gegenüber 1 detailliertes Blockschaltbild gezeigt, wobei das Filter 10 dem DC/DC-Wandler W aus 1 nachgeschaltet ist. Das aktive Kompensationsfilter 10 hat ein Hochpassfilter HP, das mit einer aus dem DC/DC-Wandler W kommenden Versorgungsspannungsleitung zu koppeln ist. Diese Versorgungsspannungsleitung führt/liefert eine im Wesentlichen konstante Versorgungsspannung, ihr sind jedoch Störspannungsanteile überlagert. Das Hochpassfilter HP dient dazu, Frequenz und Amplitude von Störspannungsanteilen der Versorgungsspannung – gleichspannungsfrei – zu erfassen. Das Hochpassfilter HP kann auch Teil eines Bandpassfilters sein, sofern die Frequenzanteile der Störspannungsanteile lediglich in einem bestimmbaren Frequenzband liegen. Das aktive Kompensationsfilter 10 hat einen dem Hochpassfilter HP nachgeschalteten Signalverstärker SV, der erfasste Störspannungsanteile verstärkt und als Ausgangssignale einem Koppeltransformator L1/L2 zuführt. Der Koppeltransformator L1/L2 ist dem Signalverstärker SV nachgeschaltet. Dabei wird eine Primärseite L1 von einem Ausgang des Signalverstärkers SV gespeist. Eine Sekundärseite L2 des Koppeltransformator ist in die von dem DC/DC-Wandler W kommende Versorgungsspannungsleitung eingeschleift.
  • In 3 ist eine Ausführungsform des aktiven Kompensationsfilters 10 im Detail veranschaulicht. An einem Anschlusspunkt X1 ist das aktive Kompensationsfilter 10 mit der von dem DC/DC-Wandler W kommenden Versorgungsspannungsleitung verbunden. Von dem Anschlusspunkt X1 führt eine CR-Serienschaltung mit einem mit der Versorgungsspannungsleitung verbundenen Kondensator C1 und einem Widerstand R0 nach Masse. Am Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator C1 und dem Widerstand R0 ist ein Eingangswiderstand R1 eines ersten Operationsverstärkers OA1 angeschlossen. Der Eingangswiderstand R1 führt zum invertierenden Eingang (–) des ersten Operationsverstärkers OA1. Eine Reihenschaltung aus zwei gleichen Widerständen R2, R3 zwischen Masse und der positiven Versorgungsspannung dient dazu, einen virtuellen Nullpunkt herzustellen, indem die halbe positive Versorgungsspannung am nicht invertierenden Eingang (+) des ersten Operationsverstärkers OA1 angelegt wird. Zwischen dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers OA1 und seinem invertierenden Eingang (–) liegt ein Gegenkopplungswiderstand R4, der zusammen mit dem Eingangswiderstand R1 das Verstärkungsverhältnis des ersten Operationsverstärkers OA1 festlegt.
  • Der Ausgang des ersten Operationsverstärkers OA1 ist mit dem invertierenden Eingang (–) eines zweiten Operationsverstärkers OA2 über eine CR-Serienschaltung aus einem Kondensator C2 zur Trennung des Gleichspannungsanteils des Ausgangssignals und einem Ein gangswiderstand R5 verbunden. Eine Reihenschaltung aus zwei gleichen Widerständen R6, R8 zwischen Masse und der positiven Versorgungsspannung dient dazu, einen virtuellen Nullpunkt herzustellen, indem die halbe positive Versorgungsspannung am nicht invertierenden Eingang (+) des zweiten Operationsverstärkers OA2 angelegt wird. Zwischen dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers OA2 und seinem invertierenden Eingang (–) liegt ein einstellbarer Gegenkopplungswiderstand R7, der zusammen mit dem Eingangswiderstand R5 das Verstärkungsverhältnis des zweiten Operationsverstärkers OA2 festlegt. Zwischen Masse und der positiven Versorgungsspannung ist bei dem zweiten Operationsverstärker OA2 ein Entstörkondensator C3 vorgesehen.
  • Der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers OA2 ist mit dem invertierenden Eingang (–) eines dritten Operationsverstärkers OA3 über eine CR-Serienschaltung aus einem Kondensator C4 zur Trennung des Gleichspannungsanteils des Ausgangssignals und einem Eingangswiderstand R10 verbunden.
  • Parallel zu dem Eingangswiderstand R10 ist ein Widerstand R11 vorgesehen, der zusammen mit einem zu Masse führenden Kondensator C5 einen Tiefpass bildet. Eine Reihenschaltung aus zwei gleichen Widerständen R12, R13 zwischen Masse und der positiven Versorgungsspannung dient dazu, einen virtuellen Nullpunkt herzustellen, indem die halbe positive Versorgungsspannung über einen Widerstand R14 am nicht invertierenden Eingang (+) des dritten Operationsverstärkers OA3 angelegt wird.
  • Zwischen dem Ausgang des dritten Operationsverstärkers OA3 und seinem invertierenden Eingang (–) liegt ein Gegenkopplungswiderstand R15. Vom Ausgang des dritten Operationsverstärkers OA3 führt weiterhin ein Paar parallel geschalteter Kondensatoren C8, C9 zur Trennung des Gleichanteils im Ausgangssignal auf die Primärseite L1 des Koppeltransformators. Diese primäre Windung L1 liegt mit ihrem anderen Anschluss auf Masse.
  • Vom Ausgang des dritten Operationsverstärkers OA3 führt schließlich ein hochohmiger Widerstand R17 auf eine tertiäre Windung L3 des Koppeltransformators. Der andere Anschluss der tertiären Windung L3 ist über einen weiteren Gegenkopplungswiderstand R16 mit dem invertierenden Eingang (–) des dritten Operationsverstärkers OA3 verbunden. Zusammen mit dem Eingangswiderstand R10 legt der Gegenkopplungswiderstand R16 das Verstärkungsverhältnis des dritten Operationsverstärkers OA3 fest.
  • Zur Stabilisierung des zur Vorspannung der tertiären Windung L3 des Koppeltransformators dienenden Gleichanteils des Ausgangssignals, ist ein Kondensator C7 zwischen Masse und dem Einspeisepunkt in die tertiäre Windung L3 des Koppeltransformators vorgesehen. Unlinearitäten des Koppeltransformators werden so kompensiert. Die sekundäre Windung L2 liegt mit ihren beiden Anschlüssen X2, X3 in der Versorgungsspannungsleitung und prägt der darin anliegenden Spannung ein Signal ein, das dem am Eingang X1 anliegenden Störspannungssignalverlauf entspricht, aber invertiert ist. Zwischen Masse und der positiven Versorgungsspannung ist bei dem dritten Operationsverstärker OA3 ein Entstörkondensator C6 vorgesehen.
  • Sofern die gewünschte Kompensationswirkung nicht für alle Frequenzbereiche der Störsignale erreicht wird, kann zusätzlich noch am Anschluss X3 der sekundären Windung L2 ein Kondensator C10 vorgesehen sein, der dort auftretende Störspannungssignale kapazitiv auskoppelt und in den nicht invertierenden Eingang (+) des zweiten Operationsverstärkers OA2 zurückführt. Der Kondensator C10 bildet dabei zusammen mit einem gegen Masse gelegten Widerstand R17 einen Hochpass. Dieser Hochpass kann auch Teil eines Bandpassfilters sein.
  • In der vorliegenden Ausführungsform des aktiven Kompensationsfilters 10 ist das Produkt der Verstärkungsfaktoren aller drei Operationsverstärker OA1, OA2 und OA3 – durch den einstellbaren Widerstand R7 am zweiten Operationsverstärker OA2 – auf das Übersetzungsverhältnis der sekundären Windung L2 zur primären Windung L1 eingestellt.

Claims (13)

  1. Aktives Kompensationsfilter (10) zum Einsatz in der elektrischen Stromversorgung in einem Landfahrzeug, wobei das Kompensationsfilter (10) • ein Hochpassfilter (HP) aufweist, das mit einer Versorgungsspannungsleitung zu koppeln ist, die eine Versorgungsspannung führt, um Frequenz und Amplitude von Störspannungsanteilen der Versorgungsspannung zu erfassen, • einen dem Hochpassfilter (HP) nachgeschalteten Signalverstärker (SV) aufweist, der erfasste Störspannungsanteile verstärkt und als Ausgangssignale • einem Koppelelement (L1, L2) zuführt, das dem Signalverstärker (SV) nachgeschaltet ist und eine primäre Windung (L1) und eine sekundäre Windung (L2) aufweist, wobei die primäre Windung (L1) mit den Ausgangssignalen des Signalverstärkers (SV) gespeist wird und die sekundäre Windung (L2) in die Versorgungsspannungsleitung eingeschleift ist, dadurch gekennzeichnet, dass • das Koppelelement (L1, L2) einen Koppeltransformator mit der primären, der sekundären und einer tertiären Windung (L1, L2, und L3) aufweist, die galvanisch getrennt und magnetisch gekoppelt sind, wobei • die tertiäre Windung (L3) in einem Gegenkopplungspfad des Signalverstärkers (SV) vorgesehen ist, und wobei • der Gegenkopplungspfad von einem Ausgang des Signalverstärkers (SV) zu einem Eingang des Signalverstärkers (SV) führt.
  2. Aktives Kompensationsfilter (10) nach Anspruch 1, bei dem das Hochpassfilter (HP) ein ein- oder mehrstufiges Hochpassfilter erster oder höherer Ordnung ist.
  3. Aktives Kompensationsfilter (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem das Hochpassfilter (HP) eine Eckfrequenz von etwa der halben Grundfrequenz der Störspannungsanteile hat.
  4. Aktives Kompensationsfilter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Hochpassfilter (HP) eine Eckfrequenz von etwa einem Viertel bis zu etwa der Hälfte der Taktfrequenz eines DC-DC-Wandlers hat.
  5. Aktives Kompensationsfilter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Ausgangssignale des Signalverstärkers (SV) gegenüber den erfassten Störspannungsanteilen in ihrer Amplitude invertiert sind und die primäre Windung (L1) und die sekundäre Windung (L2) des Koppeltransformators eine gleichsinnige Windungsrichtung haben.
  6. Aktives Kompensationsfilter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Ausgangssignale des Signalverstärkers (SV) gegenüber den erfassten Störspannungsanteilen in ihrer Amplitude nicht invertiert sind und die primäre Windung (L1) des Koppeltransformators zu der sekundären Windung (L2) eine gegensinnige Windungsrichtung hat.
  7. Aktives Kompensationsfilter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die sekundäre Windung (L2) des Koppeltransformators eine unter 50 liegende Windungszahl hat.
  8. Aktives Kompensationsfilter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die sekundäre Windung (L2) des Koppeltransformators eine einzige Windung hat.
  9. Aktives Kompensationsfilter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem dem Koppeltransformator ein Tiefpassfilter (TP) in der Versorgungsspannungsleitung nachgeschaltet ist.
  10. Aktives Kompensationsfilter (10) nach Anspruch 9, bei dem das Tiefpassfilter (TP) eine Eckfrequenz von etwa der fünf- bis fünfzigfachen Grundfrequenz der Störspannungsanteile hat.
  11. Aktives Kompensationsfilter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der Signalverstärker (SV) ein ein- oder mehrstufiger invertierender oder nicht-invertierender Wechselspannungssignalverstärker ist.
  12. Aktives Kompensationsfilter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem ein Abgriff für Störspannungsanteile nach der sekundären Windung (L2) des Koppeltransformators in einem Gegenkopplungspfad zu einem Eingang des Signalverstärkers (SV) führt.
  13. Aktives Kompensationsfilter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem der Versorgungsspannung eine in ihrer Polarität gegen die Versorgungsspannung gerichtete Gleichstromkomponente aufgeprägt wird.
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