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Die
Erfindung betrifft ein π-Filter
mit Begrenzung des Eingangsstroms, insbesondere für einen elektronisch
kommutierten Gleichstrommotor (ECM).
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Ein
ECM hat in seiner Elektronik Kondensatoren, die in den ersten Mikrosekunden
nach dem Einschalten einen hohen Einschaltstrom verursachen. Auch
kann die fehlende Gegen-EMK in der Statorwicklung dann, wenn der
Motor noch steht oder sich nur langsam dreht, einen hohen Strom
in die Statorwicklung verursachen, der mit zunehmender Drehzahl
abnimmt. Diese Ströme
können
zu Schäden
in der Stromversorgungseinheit des Motors führen. Auch können solche
hohen Ströme
die Folge haben, dass von den Zuleitungen des Motors kurzzeitig hochfrequente
Störsignale
abgestrahlt werden, was gegen gesetzliche Vorschriften verstoßen kann.
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Man
kann solche Einschaltströme
begrenzen, indem man in den Zuleitungen mindestens einen steuerbaren
Leistungs-Halbleiter anordnet, dessen Eingangswiderstand bei zu
hohen Strömen
aktiv erhöht
oder erniedrigt wird, d. h. dieser Leistungs-Halbleiter wird alternierend
ein- und ausgeschaltet, um den Strom zu begrenzen, was man in der
Fachsprache auch als „Pulsen" bezeichnet, aber
eine solche Lösung
ist teuer, denn für
die auftretenden Ströme werden
teure Leistungs-Halbleiter
benötigt,
während aus
Kostengründen
preiswerte Bauelemente wünschenswert
wären.
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Andererseits
ist es nicht möglich,
nach dem Einschalten längere
Zeit einen hohen Strom fließen zu
lassen, weil das eine Überdimensionierung
der Stromversorgung erfordern würde,
bzw. weil das durch Überlastung
Schäden
in der Stromversorgung bewirken könnte.
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Besonders
bei mobilen Anwendungen wird auch verlangt, dass die Verlustleistung
im Motor und seiner Stromversorgung klein gehalten wird, um eine zu
starke Entladung einer Batterie zu vermeiden, welche den Motor mit
Strom versorgt.
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Es
ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein neues EMV-Filter der
eingangs genannten Art bereit zu stellen.
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Nach
der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch den Gegenstand des
Patentanspruchs 1.
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Weitere
Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten,
in keiner Weise als Einschränkung
der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen. Es zeigt:
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1 eine
Darstellung von wesentlichen Elementen eines π-Filters gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2 eine
Darstellung eines Filters analog 1, gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform,
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3 eine
Variante des π-Filters
der 1 ohne die Löschdiode 38 der 1,
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4 eine
Darstellung des π-Filters
der 1 mit der Löschdiode 38,
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5 ein
Oszillogramm des Einschaltstroms bei der Variante gemäß 3,
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6 ein
Oszillogramm des Einschaltstroms bei der Variante gemäß 4,
wobei sich ein günstigeres
Resultat ergibt,
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7 eine
vereinfachte Darstellung der in 2 dargestellten
Variante des π-Filters,
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8 eine
Variante zu 2, wobei der Strom zu einem
Kondensator 42 mittels eines Messwiderstands 50 gemessen
wird; wenn beim Einschalten dieser Strom zu hoch wird, wird der
dargestellte MOSFET gesperrt, um den Strom zu begrenzen, und
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9 eine
Variante, bei welcher der Messwiderstand 50 gemäß 8 entfällt und
statt dessen der Innenwiderstand RDS des eingeschalteten MOSFET 98 zur
Messung des Stromes dient, der zum Kondensator 42 fließt und der
nicht zu hoch werden darf.
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Die
Messungen in 5 und 6 wurden mit
derselben Schaltung gemacht, jedoch wurde bei 4 eine
Diode 38 verwendet, die bei 3 nicht verwendet
wurde. Die Gegenüberstellung
der beiden Figuren zeigt also die Wirkung der Diode 38 gemäß 3 und 4.
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1 zeigt
die bevorzugte Grundstruktur eines EMV-Filters nach der vorliegenden
Erfindung. Links befindet sich eine Einheit 20 zur Stromversorgung,
die als Batterie 22 (mit einer Spannung von z. B. 16 V)
dargestellt ist, wobei es sich oft um ein Netzgerät handelt,
das in der Lage sein muss, entsprechend hohe Ströme zu liefern, z. B. als ECU
(Electronic Control Unit).
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In 1 befindet
sich rechts ein elektronisch kommutierter Motor, der hier als dreiphasiger
Motor 24 mit integrierter Elektronik 26 dargestellt
ist und der zum Antrieb eines (nicht dargestellten) Geräts dient. Die
Kommutierungselektronik 26 enthält verschiedene Kondensatoren,
was beim Einschalten einen hohen Einschaltstrom zur Folge hat.
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Zwischen
der Einheit 20 und der Kommutierungselektronik 26 befindet
sich ein EMV-Filter 30, das als π-Filter ausgebildet ist und
dessen Funktion es ist, den Einschaltstrom I sowohl der Höhe wie der Zeitdauer
nach in vorgegebenen Grenzen zu halten.
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Das π-Filter 30 enthält eine
Drossel 32. Der Motor 24 kann z. B. einen Betriebsstrom
I in Höhe von
etwa 3 A haben. Die Richtung dieses Stromes I ist bei 36 angegeben.
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Parallel
zur Drossel 32 ist eine Diode 38 geschaltet, durch
die beim Einschalten ein Teil des Stromes I von der Einheit 20 zum
Motor 24 und seiner Elektronik 26 fließt. Diese
Diode 38 kann auch als Löschdiode bezeichnet werden,
und dient zum Eliminieren der Gegenspannung, die durch Selbstinduktion
entsteht, wenn man von außen
eine Spannung anlegt.
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Der
Motor 24 und seine Elektronik 26 erzeugen im Betrieb
einen sog. Rippelstrom ir, der in 2 dargestellt
ist, und der alternierend den Kondensator 42 auflädt und direkt
anschließend
wieder entlädt,
so dass man ihn auch als Blindstrom bezeichnen kann. Zur Lieferung
dieses Rippelstroms, der seiner Natur nach ein Wechselstrom ist,
dient der Kondensator 42, der hier als Elektrolytkondensator
mit einem Wert von z. B. 47 μF
ausgebildet ist. Er ist mit seinem positiven Anschluss 44 an
die positive Seite 46 des dargestellten Gleichstrom-Zwischenkreises 46, 52 angeschlossen,
und sein negativer Anschluss 48 ist über einen Widerstand 50 (z.
B. 2,2 Ohm) an den negativen Anschluss 52 des Zwischenkreises
angeschlossen. Seine Anschlüsse
an die Stromquelle 20 sind mit 56 (positiv) und 52 (negativ
bzw. Masse) bezeichnet. Zusätzlich
zum Widerstand 50 kann gemäß 2 auch ein
MOSFET 98 verwendet werden, der abhängig vom Eingangsstrom des
Filters den Strom zum Kondensator 42 aus- und einschaltet,
meist mit einer Frequenz von mehreren 1.000 Hz.
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Das
in 1 und 2 dargestellte EMV-Filter 30 dient
u. a. dazu, die Abstrahlung von Störungen vom Motor 24, 26 zu
verhindern, ebenso auch das Eindringen von Störungen von der Stromversorgung 20.
Letztere ist meistens eine ECU, d. h. dieses Teil schaltet den Motor 24, 26 ein
und aus und wird in vielen Fällen
von einem sog. Bus 60 zentral gesteuert, wobei Störspannungen
zum Motor 24, 26 gelangen könnten, was aus verschiedenen
Gründen unerwünscht ist.
Außerdem
ist es wichtig, die Ströme zum
Motor 24, 26 so niedrig zu halten, dass die Stromversorgung 20 nicht
durch Überströme beschädigt oder
zerstört
werden kann.
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Zwischen
dem Eingang 56 und dem Ausgang 46 des Zwischenkreises
ist zur Dämpfung
von Störungen,
besonders beim Einschaltvorgang, die Drossel 32 vorgesehen,
und parallel zu ihr die Diode 38. Die Drossel 32 dient
also zur Unterdrückung
von leitungsgebundenen Störemissionen
in beiden Richtungen, also einmal vom Netzteil 20 zum Motor 24, 26,
und – in
umgekehrter Richtung – vom
Motor 24, 26 zum Netzteil 20.
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Beim
Einschalten fließt
durch die Drossel 32 ein hoher Motorstrom I, der in der
Drossel 32 durch Gegeninduktion eine hohe induzierte Spannung
verursachen würde.
Die Diode 38 dient dazu, beim Einschalten die Drossel 32 zu überbrücken und
dadurch diese hohe induzierte Gegenspannung zu unterdrücken. Durch
die Diode 38 wird das π-Filter
nicht negativ beeinflusst, d. h. die Diode 38 erfüllt eine
Doppelfunktion:
Im Einschalt-Augenblick schließt sie die
Drossel 32 kurz, was eine Dämpfung des Schwingkreises bewirkt,
der von der Drossel 32 und einem Kondensator 82 auf
der Eingangsseite 32 und den Kondensatoren 90 und 42 auf
der Ausgangsseite der Drossel 32 gebildet wird.
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Dagegen
hat die Diode 38 in der Gegenrichtung keine Wirkung, da
sie hierbei sperrt. Störsignale vom
Motor 24 werden deshalb durch die Diode 38 blockiert
und folglich gezwungen, durch die Drossel 32 zu fließen. Es
handelt sich also um eine spezielle Form eines π-Filters 30.
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Ohne
die Diode 38 könnte
der erforderliche Strom I, der beim Einschalten sehr hoch werden kann,
nicht im erforderlichen Zeitraum auf einen zulässigen Wert abgesenkt werden.
Dieser Zeitraum kann z. B. 0,04 ms betragen, und dieser Strom würde direkt
nach dem Einschalten eine unzulässig
hohe Störabstrahlung
bewirken und könnte
einen μC
beschädigen,
der in der Kommutierungselektronik 26 verwendet wird.
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Hierzu
wird verwiesen auf die 5 und 6.
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5 zeigt
den Einschaltvorgang des Motors 24, 26 in einem
Fall gemäß 3,
bei dem die Diode 32 nicht verwendet wird. Gewünscht ist
hier, dass der Einschaltstrom I innerhalb von 0,03 ms nach dem Einschalten
unter 5 A abklingt. Diese Forderung ist aber hier nicht sicher erfüllt.
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6 zeigt
den Einschaltvorgang bei den Anordnungen nach den 1, 2 und 4,
also mit Diode 38.
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Direkt
nach dem Einschalten erhält
man eine Stromspitze 70 mit etwa 10 A, die nach etwa 10 μs unter 5
A und dann in Richtung auf den Dauerstrom des Motors 24, 26 weiter
abfällt.
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Mit 72 ist
ein Gebiet bezeichnet, das bei dieser Applikation eine Art verbotener
Zone darstellt. Ein Vergleich der 5 und 6 zeigt,
dass dies mit der Löschdiode 38 diesem π-Filter 30 wesentlich besser
und weitgehend ohne Mehrkosten gelingt, da eine solche Diode nur
sehr wenig kostet.
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2 zeigt
am Eingang (links) des Filters 30 eine Transil-Diode 78,
welche dazu dient, Störspannungen
auf der Zuleitung 56 kurz zu schließen. Parallel zu ihr ist ein Varistor 80 vorgesehen,
und parallel dazu drei Kondensatoren 82, 84, 86,
die dazu dienen, leitungsgebundene Störungen auf der Zuleitung zum Filter 30 zu
unterdrücken.
Bevorzugte Werte: Kondensator 82: 160 nF; Kondensatoren 84, 86:
je 220 nF.
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An
ihrem Ausgang ist die Drossel 32 an einen Knotenpunkt 84 angeschlossen,
der über
den Kondensator 90 (z. B. 100 nF) mit Masse 52 verbunden
ist. Der Kondensator 90 unterdrückt leitungsgebundene Störungen,
die vom Motor 24, 26 kommen. Bei einem Motor mit
Kollektor, wo ein solches Filter ebenfalls verwendet werden kann,
können
solche Störungen
z. B. vom Kollektor kommen. Der Knotenpunkt 84 ist über eine
Diode 92 mit der Leitung 46 verbunden. Die Diode 92 verhindert
Schäden
für den Fall,
dass das π Filter 30 mit
der falschen Polarität
an die Gleichspannungsquelle 20 (1) angeschlossen
wird.
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Zwischen
der Leitung 46 und Masse 52 ist die Serienschaltung
des Kondensators 42 und des Widerstands 50 angeschlossen.
Zwischen dem Knotenpunkt 48 und Masse 52 ist ein
MOSFET 98 geschaltet, der Teil eines Zeitglieds 100 ist.
Letzteres ist an eine Hilfsspannung UH angeschlossen.
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Nach
dem Einschalten der Gleichspannungsquelle 20 wird diese
geregelte Hilfsspannung uH erzeugt. Diese aktiviert das Zeitglied 100,
und nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne von z. B. 0,03 ms
aktiviert es den MOSFET 98, so dass dieser den Widerstand 50 überbrückt und
folglich der Kondensator 42 direkt zwischen den Leitungen 46 und 52 angeschlossen
ist. Jedoch kann das Zeitglied 100 ggf. entfallen, wenn
der Widerstand 50 so groß gemacht werden kann, dass
der Grenzwert für
den Einschaltstrom 70 (4) eingehalten
werden kann, wobei freilich der Wirkungsgrad etwas sinkt und die Störabstahlung
etwas zunehmen kann.
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Der
Widerstand 50 kann in manchen Fällen auch entfallen, um den
Wirkungsgrad zu verbessern, was in 2 durch
eine gestrichelte Linie angedeutet ist, wobei dann der MOSFET 98 z.
B. ständig
aus- und eingeschaltet wird. Der Wegfall des Widerstands 50 bewirkt
eine Verbesserung des Wirkungsgrades. Der MOSFET 98 wind
in diesem Fall nach dem Einschalten gesperrt und nach dem Ablauf
einer vorgegebenen Zeitspanne leitend gemacht.
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Naturgemäß sind im
Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfache Abwandlungen und Modifikationen
möglich.
Z. B. kann in 2 statt des Zeitglieds 100 auch
ein Schaltglied verwendet werden, dass abhängig vom Strom in der Leitung 46 ist
und den MOSFET 98 nichtleitend macht, wenn dieser Strom
zu hoch wird.
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Ebenso
kann anstelle der Diode 38 auch ein Transistor verwendet
werden, der abhängig
von geeigneten Betriebparametern aus- und eingeschaltet wird, um
den Einschaltstrom in der gewünschten Weise
zu beeinflussen.
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7 zeigt
eine einfache Variante zu 2. Parallel
zur Drossel 32 ist hier wieder die Löschdiode 38 geschaltet.
Zwischen den Eingängen 52 und 56 befindet
sich der Baustein 77, dessen Aufbau bei 2 dargestellt
und beschrieben ist.
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Zwischen
dem Ausgang 46 der Diode 92 und Masse 52 ist
ein Zeitglied 100 vorgesehen, das dann einen MOSFET 98 ausschaltet,
wenn in 7 die Spannung zwischen den
Anschlüssen 46 und 52 einen
bestimmten Grenzwert überschreitet,
so dass dann der Ladestrom (2: ir) unterbrochen
wird und folglich auch der Strom I reduziert wird.
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8 zeigt
eine Variante zu 7. Auch in 8 befindet
sich am Eingang der Baustein 77. Die Serienschaltung vom
Kondensator 42 und Widerstand 50 ist zwischen
die Leitungen 46 und 52 in der gleichen Weise
angeschlossen wie in 2. Die Spannung am Widerstand 50 wird
einem ASIC 102 zu geführt
und bewirkt, dass der MOSFET 98 eingeschaltet wird und
den Widerstand 50 überbrückt, wenn
der Einschaltstrom I kleiner geworden ist, so dass im Dauerbetrieb
der Kondensator 42 über
den leitenden MOSFET 98 direkt an die Leitung 52 angeschlossen
ist.
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9 zeigt
eine Variante zu 8, bei der der Widerstand 50 entfällt. Der
Innenwiderstand RDS des eingeschalteten
MOSFET 98 dient zur Erfassung des Ripplestromes ir. Damit
wird ein ASIC 104 gesteuert, der den MOSFET 98 voll
einschaltet, wenn der Einschaltstrom (vgl. 5 und 6)
abgeklungen ist.
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Naturgemäß sind im
Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfache Abwandlungen und Modifikationen
möglich.