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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Filterschaltung zum Filtern von Gleichtaktstörungen, einen Gleichstrommotor mit einer Filterschaltung zum Filtern von Gleichtaktstörungen und ein Verfahren zum Dimensionieren einer Filterschaltung zum Filtern von Gleichtaktstörungen.
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Stand der Technik
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Zur Steigerung der elektromagnetischen Verträglichkeit von elektrischen Geräten müssen unerwünschte Transiente unterdrückt werden. In entsprechenden Filterschaltungen dämpfen Entstördrosseln die Transiente und Entstörkondensatoren schließen diese kurz.
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Da derartige Entstördrosseln und Entstörkondensatoren teils sehr hohe Leistungen führen müssen, brauchen sie nicht nur eine entsprechende bauliche Größe und nehmen Platz ein, sie sind in der Regel auch sehr teuer.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, den Platzbedarf und die Kosten für Filterschaltungen zum Unterdrücken unerwünschter Transiente zu senken.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe wird durch die Filterschaltung zum Filtern von Gleichtaktstörungen gemäß Anspruch 1 sowie durch den Elektromotor und das Verfahren zum Dimensionieren einer Filterschaltung gemäß den nebengeordneten Ansprüche gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst eine Filterschaltung zum Filtern von Gleichtaktstörungen zwischen einem Eingang der Filterschaltung und einem Ausgang der Filterschaltung eine zum Eingang der Filterschaltung parallel geschaltete Reihenschaltung aus einer ersten Kapazität und einer zweiten Kapazität, wobei die Gesamtkapazität der beiden Kapazitäten derart dimensioniert ist, dass Gegentaktstörungen zum Eingang kurzgeschlossen sind und wobei die elektrische Verbindung zwischen der ersten und zweiten Kapazität geerdet ist.
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Der Erfindung geht davon aus, dass in herkömmlichen Filtern die Bauelemente zur Filterung von Gleichtaktstörungen und die Bauelemente zur Filterung von Gegentaktstörungen in unterschiedlichen Teilschaltungen angeordnet sind. Ferner erkennt die Erfindung, dass sich diese Teilschaltungen vereinen lassen, so dass sich mit einer einzigen Reihenschaltung aus zwei Kapazitäten beide Arten von Störungen filtern lassen, wenn eine herkömmliche Reihenschaltung aus zwei mittig geerdeten Kapazitäten, die zur Filterung von Gleichtaktstörungen vorgesehen sind, derart dimensioniert wird, dass sie Gegentaktstörungen filtert. Die Filterung der Gleichtaktstörungen durch diese Reihenschaltung ist damit quasi geschenkt. Dieser Lösung liegt der Gedanke zugrunde, dass Gegentaktstörungen an den beiden Polen beispielsweise des Eingangs der Filterschaltung um eine Halbwelle verschoben sind.
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Ferner erkennt die Erfindung, dass eine Erdung zwischen den beiden Kapazitäten auf die Filterung von Gegentaktstörungen keinerlei Einfluss hat, da ein positives Potential der Gegentaktstörungen auf einem Pol des Eingangs ein entsprechendes negatives Potential der Gegentaktstörungen auf dem anderen Pol des Eingangs bewirkt. Durch die Potentialdifferenz hervorgerufene Gegentaktstörungsströme müssen daher zwingend über die beiden Pole abfließen, ohne dass die Erdung diesen Stromfluss beeinflusst. Auf diese Weise kann die Erdung zwischen den beiden Kapazitäten zur Filterung von Gleichtaktstörungen herangezogen werden, deren Spannungsaugenblickswerte auf beiden Polen des Eingangs der Filterschaltung immer gleich ist. Die zwischen den Polen und der Erdung anliegende Potentialdifferenz ruft Gleichtaktstörungsströme hervor, die die Gleichtaktstörungen über die Erdung ableiten. Die Idee ist ebenso für Gleich- und Gegentaktstörungen gültig, die über den Ausgang der Filterschaltung eingespeist werden. Weitere Schaltelemente zur Filterung von Gleich- und Gegentaktstörungen sind nicht notwendig, so dass die angegebene Filterschaltung kostengünstig und platzsparend aufgebaut werden kann.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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In einer Ausführung der Erfindung kann der Wert der ersten Kapazität und der zweiten Kapazität gleich groß sein, so dass Gleichtaktstörungen und Gegentaktstörungen aus einem symmetrischen Netz vollständig ausgefiltert werden können.
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In einer besonderen Ausführung der Erfindung kann zwischen Eingang und Ausgang eine in Reihe geschaltete erste Drossel angeordnet sein, wobei die Reihenschaltung vom Eingang aus gesehen nach der ersten Drossel angeordnet ist. Die erste Drossel dämpft in der angegebenen Filterschaltung die Gleichtakt- und Gegentaktstörungen und schützt damit die Kapazitäten vor einem Überstrom. Im Zusammenspiel mit einer Kapazität zur Unterdrückung der Gegentaktstörungen bildet die erste Drossel jedoch einen Reihenschwingkreis mit einer Resonanzfrequenz im Bereich der zu filternden Gleichtaktstörungen. In einer herkömmlichen Filterschaltung wird diese Resonanzfrequenz durch extra Kapazitäten zur Unterdrückung der Gleichtaktstörungen beseitigt, da diese Kapazitäten die Resonanzfrequenz in tiefere Frequenzbereiche verlegen.
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Jedoch lässt sich die Resonanz durch die Verschiebung in tiefere Frequenzbereiche in einer herkömmlichen Filterschaltung niemals vollständig aus dem Betriebsfrequenzbereich beseitigen. Sie stört daher immer die Breitbandigkeit des herkömmlichen Filters. In der angegebenen Filterschaltung kann durch eine geeignete Dimensionierung der ersten Drossel und der Kapazitäten die Resonanz aus dem Betriebsfrequenzbereich des Filters in höhere Frequenzbereiche geschoben werden, so dass die angegebene Filterschaltung nicht nur breitbandiger ist, sie lässt sich auch optimal an andere durch den Einsatzzweck der Filterschaltung vorgegebene Randbedingungen anpassen.
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In einer besonderen Weiterbildung der Ausführung kann die Filterschaltung eine an die Reihenschaltung angeschlossene zweite Drossel umfassen, die von der Erdung aus gesehen symmetrisch zur ersten Drossel geschaltet ist, wobei die Reihenschaltung vom Eingang aus gesehen nach der ersten und zweiten Drossel angeordnet ist. Die erste und zweite Drossel nicht nur Gegentaktstörungen sondern auch Gleichtaktstörungen dämpfen, die nicht durch die Kapazitäten kurz geschlossen und damit an den Ausgang weitergeleitet werden und steigern damit die Filterwirkung weiter.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Ausführung kann der Wert der ersten und zweiten Drossel gleich groß sein. Auf diese Weise dämpfen die erste und zweite Drossel Gleich- und Gegentaktstörungen aus einem symmetrischen Energieversorgungsnetz und steigern die Filterwirkung der angegebenen Filterschaltung weiter.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann eine Leitung zwischen der ersten Drossel und der ersten Kapazität derart kurz gewählt sein, dass eine Admittanz aus der Kapazität und der Leitungsinduktivität zwischen Kapazität und Drossel über alle zu filternden Frequenzen kleiner ist, als eine Admittanz der Drossel. Auf diese Weise ist über die Leitungslänge einstellbar, bis zu welcher Grenzfrequenz die angegebene Filterschaltung deren Kapazitäten auf die Filterung von Gleichtaktstörungen dimensioniert sind, auch mit einer angeschlossenen Drossel noch wirkungsvoll Gegentaktstörungen filtern können.
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In einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann die erste Drossel einen Wert zwischen 1µH und 10µH, insbesondere einen Wert zwischen 2µH und 4µH aufweisen. Mit diesen Werten lassen sich gewöhnliche Gleich- und Gegentaktstörungen aus einem Haushaltsstromnetz optimal dämpfen.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann die erste Kapazität einen Wert zwischen 0,5µF und 2µF, insbesondere einen Wert zwischen 1µF und 1,36µF aufweisen, so dass sich insbesondere im Zusammenspiel mit einer Induktivität die gemäß den obigen Angaben dimensioniert ist, breitbandig Gleichund Gegentaktstörungen aus einem Haushaltsstromnetz filtern lassen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Elektromotor einen Kommutator zum Umrichten eines über einen Schleifkontakt empfangenen Stroms aus einer elektrischen Energiequelle, wobei im Schleifkontakt Gleichtaktstörungen entstehen, die an die Energiequelle ausgegeben werden und eine Filterschaltung zum Filtern der Gegentaktstörungen. Durch die angegebene Filterschaltung können Bürstenträger im Elektromotor kompakter ausgeführt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Dimensionieren einer Filterschaltung zum Filtern von Gleich- und Gegentaktstörungen, die zwei Drosseln und eine zwischen den beiden Drosseln verschalteten Reihenschaltung aus zwei Kapazitäten aufweist, wobei der Schaltungspunkt zwischen den beiden Kapazitäten geerdet ist und die Kapazitäten mit den Drosseln über jeweils eine Leitung miteinander verbunden sind, die Schritte:
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- – Festlegen eines Wertes für Drosseln;
- – Festlegen eines Wertes für die Kapazitäten, derart dass die Gegentaktstörungen zu einem Eingang des Filters kurzgeschlossen sind; und
- – Wählen einer Länge der Leitungen derart, dass eine Resonanzfrequenz der Filterschaltung größer ist, als die Frequenz der Gleichtaktstörungen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild einer herkömmlichen Filterschaltung;
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2 ein Diagramm mit Messergebnissen zu der herkömmlichen Filterschaltung aus den 1;
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3 ein Blockschaltbild einer Filterschaltung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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4 ein Diagramm mit Messergebnissen zu der Filterschaltung aus den 3; und
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5 ein Blockschaltbild einer Filterschaltung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Es wird auf 1 Bezug genommen. Darin ist eine herkömmliche Filterschaltung 2 gezeigt, die zum Filtern von störenden Transienten 4 von oder zu einem Gleichstrommotor 6 vorgesehen ist. Nachstehend sollen die Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von vom Gleichstrommotor 6 abgegebenen störenden Transienten 4 erklärt werden.
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Wird der Motor 6 aus einem symmetrischen Energieversorgungsnetz gespeist, ist es schaltungstechnisch vorteilhaft, die störenden Transiente 4 in Gleichtaktstörungen 8 und Gegentaktstörungen 10 linear zu zerlegen. Da die Gleichtaktstörungen 8 und Gegentaktstörungen 10 linear unabhängig voneinander sind, lassen sich für sich alle erdenklichen störenden Transiente 4 mit zwei unterschiedlichen Schaltungen – eine für die Gleichtaktströme 8 und eine für die Gegentaktströme 10 – filtern.
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Gleichtaktstörungen 8 sind störende Transiente 4 aus dem Gleichstrommotor 6, die mit gleicher Phase an den beiden Polen 12, 14 des Eingangs der Filterschaltung 2 anliegen. Da Gleichtaktstörungen 8 von der Erdung 16 aus gesehen immer das gleiche Potential aufweisen, können sie nur über die Erdung 16 abfließen. Im Gegensatz dazu sind Gegentaktstörungen 10 Transiente aus dem Motor 4, die gegenphasig an den beiden Polen 12, 14 des Eingangs der Filterschaltung 2 anliegen. Sie erzeugen daher von der Erdung 16 aus gesehen zwischen den Polen 12, 14 eine Potentialdifferenz und damit eine Spannung, weshalb Gegentaktstörungen über die beiden Pole 12, 14 abfließen.
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Zur Filterung von Gleichtaktstörungen 8 weißt die herkömmliche Filterschaltung 2 eine Gleichtaktkapazität 18 und eine dazu symmetrische Gleichtaktkapazität 20 auf. Jede der Kapazitäten 18, 20 schließt jeweils einen von den Eingangspolen 12, 14 kommenden Zweig der Filterschaltung 2 mit der Erdung 16 für die Gleichtaktstörungen 8 kurz. Für die Erfindung heißt symmetrisch dass beide Gleichtaktkapazitäten 18, 20 im Wesentlichen einen gleichen Leitungsabstand von der Erdung 16 aufweisen. Für die Ausführungsbeispiele heißt symmetrisch ferner, dass die Werte beider Gleichtaktkapazitäten 18, 20 gleich groß sind.
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Zur Filterung von Gegentaktstörungen 10 weist die herkömmliche Filterschaltung 2 eine Gegentaktkapazität 22 auf, die die Gegentaktstörungen zwischen den von den Eingangspolen 12, 14 kommenden Zweigen der Filterschaltung 2 kurz schließt.
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Durch die drei Kapazitäten 18, 20, 22 ist sichergestellt, dass an den Ausgangspolen 24, 26 der Filterschaltung 2 keine vom Gleichstrommotor 6 störenden Transiente 4 ankommen.
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Zur weiteren Verbesserung der herkömmlichen Schaltung 2 sind in den von den Eingangspolen 12, 14 kommenden Zweigen der Filterschaltung 2 eine Drossel 28 und eine dazu symmetrische Drossel 30 vorgesehen, die die transienten Störungen 4 dämpfen.
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Die Kapazitäten 18, 20, 22 und die Drosseln 28, 30 können in der Filterschaltung 2 verdrahtet sein.
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2 zeigt ein Diagramm 31 in dem über die Frequenz 32 der transienten Störungen 4 ihre Dämpfung 34 durch die herkömmliche Filterschaltung 2 aufgetragen ist. Im Diagramm 28 ist der Frequenzgang 36 aus der Reihenschaltung der Gegentaktkapazität 22 und der beiden Drosseln 28, 30 sowie der Frequenzgang 38 der herkömmlichen Filterschaltung 2 qualitativ aufgetragen.
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Durch den Antrieb des Gleichstrommotors 6 sollten die Frequenzgänge 36, 38 möglichst ein Tiefpassverhalten zeigen. Daher steigen diese auch an, wenn die Frequenz 32 gegen Null geht. Bei steigenden Frequenzen 32 führt die Gegentaktkapazität 22 bei einer bestimmten Frequenz 40 im Zusammenspiel mit den Drosseln zu Resonanz 42, die die Filterwirkung des Tiefpasses in diesem Bereich einschränken. Zur Verbesserung der Tiefpassfilterwirkung sind daher in der herkömmlichen Filterschaltung 2 die Gleichtaktfilterkondensatoren 18, 20 vorgesehen, die die hervorgerufene Resonanz 42 um einen Betrag 46 zu tieferen Frequenzen hin verschieben und bei der bestimmten Frequenz 40 um eine Höhe 44 kompensieren. Wie in 2 gezeigt, lässt sich die Resonanz 42 aber nie ganz vermeiden, wodurch die Breitbandigkeit der herkömmlichen Filterschaltung 2 stets eingeschränkt ist.
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Für ein Beispielfilter kann die Gegentaktkapazität in einer herkömmlichen Filterschaltung auf 0,68µF, die Drosseln auf 2,3µH und die Gleichtaktkapazitäten auf 2,2nF dimensioniert sein.
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In 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Filterschaltung 48 gemäß der Erfindung gezeigt. In 3 sind zu 1 gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht noch einmal beschrieben.
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Gegenüber der herkömmlichen Filterschaltung 2 gemäß 1 sind in der Filterschaltung 48 nur noch zwei Kapazitäten 50, 52 symmetrisch in Reihe zwischen den von den Eingangspolen 12, 14 kommenden Zweigen der Filterschaltung 48 angeordnet und mittig geerdet. Des Weiteren sollen nachfolgend die parasitären Kontakt- und Leitungsinduktivitäten 54, 56 zwischen den Drosseln 28, 30 und den Kapazitäten 50, 52 mit betrachtet werden, die durch die Verdrahtung der einzelnen Kapazitäten 50, 52 und der Drosseln 28, 30 der Filterschaltung 48 hervorgerufen werden.
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Um wirkungsvoll Gegentaktstörungen zu filtern, muss jede der beiden Kapazitäten 50, 52 in Reihe den doppelten Wert der Gegentaktkapazität 22 aus 1 aufweisen, da sich in der Reihenschaltung die Gesamtkapazität halbiert.
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Neben den Kapazitäten 50, 52 und den Drosseln 28, 30 haben noch die parasitären Induktivitäten 54, 56 auf die Lage der Resonanzfrequenz der Filterschaltung 48 einen Einfluss, da sie die Induktivität der Drossel 28, 30 und so die Resonanzfrequenz in niedrigere Frequenzbereiche verschieben. Aus diesem Grunde sollten die Leitungslängen zwischen den Drosseln 28, 30 und den Kapazitäten 50, 52 so kurz wie möglich bemessen sein, um die Resonanzfrequenz der Filterschaltung 48 so hoch wie möglich zu legen.
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4 zeigt ein Diagramm 58 in dem über die Frequenz 32 der transienten Störungen 4 ihre Dämpfung 34 durch die Filterschaltung 48 aufgetragen ist. In 4 werden zu 2 gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht noch einmal beschrieben.
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Im Diagramm 58 ist der Frequenzgang 60 der Filterschaltung 48 gemäß der Erfindung qualitativ aufgetragen. Zusätzlich ist die ursprüngliche bestimmte Frequenz 40, bei der in der Reihenschaltung aus der Gegentaktinduktivität 22 und den Drosseln 28, 30 Resonanz aufgetreten ist, sowie die Verschiebung 44 durch die Einführung der Gleichtaktinduktivitäten 18, 20 angedeutet.
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Aus dem Diagramm der 4 ist ersichtlich, dass eine Minimierung der parasitären Induktivitäten 54, 56 genau den umgekehrten Effekt auf die Resonanz bei der bestimmten Frequenz 40 hat, als in 2. Sie verschiebt diese nicht in niedrigere Frequenzbereiche sondern in höherer. Dies hat nicht nur den Vorteil, dass die Filterschaltung 48 gemäß der Erfindung breitbandiger ist, sondern sich auch beliebig an den Einsatzzweck anpassen lässt, da sich die bestimmte Frequenz 40 beispielsweise durch die Leitungslänge und damit durch die parasitären Induktivitäten 54, 56 beinahe beliebig positionieren lässt.
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In 5 sind zwei schematische Darstellungen eines zweiten Ausführungsbeispiels der Filterschaltung 64 gemäß der Erfindung gezeigt. In 5 sind zu den 1 und 3 gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht noch einmal beschrieben.
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Die beiden schematischen Darstellungen stellen jeweils ein Ersatzschaltbild für die andere schematische Darstellung der Filterschaltung 64 dar.
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In der zweiten Ausführung können die Drosseln 28, 30 jeweils geteilt und miteinander magnetisch gekoppelt werden. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Drosseln durch die Kapazitäten 50, 52 mittig angezapft werden. Im Ersatzschaltbild der magnetischen Kopplung kann diese durch eine negative Induktivität 66, 68 ersetzt werden, die bei geeigneter Dimensionierung die parasitären Induktivitäten aus 3 vollständig zumindest jedoch teilweise auslöscht.
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Die Erfindung schlägt vor, in einer Filterschaltung die Kapazität zur Filterung von Gegentaktstörungen aus zwei in Reihe geschalteten Kapazitäten aufzubauen und diese mittig zu erden.
