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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuerschaltung zum Betreiben einer Last, und insbesondere eine Steuerschaltung zum Betreiben einer induktiven Last, wie eines Elektromotors.
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Bei bekannten Steuerschaltungen zum Betreiben einer elektrischen Last, und insbesondere zum Betreiben einer elektrischen Last mit induktiven Verbrauchern, wie beispielsweise Elektromotoren, wird im Allgemeinen eine Leistungszufuhr in Verbindung mit einer Pulsbreitenmodulation (PWM, Pulse Width Modulation) verwendet, wobei zur Erzeugung der geeigneten Pulsbreitenmodulationssignale (PWM-Signale) meist Schaltfrequenzen oberhalb des hörbaren Bereichs (beispielsweise um 20 kHz) verwendet werden. Durch steile Flanken entsprechender Rechteckimpulse (Rechteckspannungen, Spannungen mit zumindest annähernd rechteckförmigem Zeitverlauf) der PWM-Signale entstehen Oberwellen, die abgestrahlt werden und zu Störungen bei anderen Geräten führen können.
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Insbesondere können durch derartige Abstrahlungen Rundfunk- und Fernsehempfangsgeräte oder auch Datenverarbeitungseinrichtungen in ihrer Funktion beeinträchtigt werden. In vielen technischen Anwendungen mit dem Problem einer störenden Abstrahlung wird durch Abschirmungen versucht, die Abstrahlung der Störung zu vermindern oder das Entstehen der Störung weitgehend zu verhindern. Aus der bekannten Fourier-Reihen-Betrachtung ist erkennbar, dass umso mehr höherfrequente Anteile (Signalanteile mit höheren Frequenzen) entstehen je steiler die Signalflanken sind.
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Im Allgemeinen treten die rechteckförmigen Zeitverlaufe der Ströme und Spannungen an dem Ausgangsbereich (an den Ausgängen) der Steuerschaltungen auf, wobei durch Leitungen zu der Last, und insbesondere einem Elektromotor eine Antennenwirkung entsteht, so dass störende elektrische Felder ausgesendet werden.
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Neben einer verbesserten Abschirmung zur Begrenzung der Störungen werden in den zugehörigen elektronischen Schaltungen Filter eingesetzt, die die störenden Signale ausfiltern oder zumindest dämpfen. Hierbei sind Abstrahlungen in verschiedenen Frequenzbereichen zu berücksichtigen.
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Aus der Druckschrift
US 5 721 475 ist beispielsweise eine Steuerungseinrichtung zur Leistungszufuhr und Ansteuerung eines Servomotors in Verbindung mit einer Pulsbreitenmodulation bekannt, wobei der Servomotor dreiphasig ausgeführt ist. Die Steuerungseinrichtung führt jeder Phase über getrennte PWM-Einrichtungen entsprechende Ansteuerungssignale zu, wobei in jeder der Zuleitungen zu den Phasenwicklungen des Servomotors Filtereinrichtungen in Form eines Tiefpassfilters angeordnet sind.
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Die Druckschriften
US 4 243 921 A und
EP 0 096 162 A1 offenbaren Schaltungsanordnungen, bei denen Tiefpassfilter im Ausgangsbereich einer Ansteuerungsschaltung vor einem zu betreibenden Elektromotor angeordnet sind. Hierbei kann das Filter zur Entfernung eines Rauschens auf der Basis höherfrequenter Signale dienen. Eine ähnliche Ausgestaltung ist der Druckschrift
US 7 138 782 B2 zu entnehmen, wobei in einer Ansteuerungsschaltung für einen Elektromotor unmittelbar vor der Motoreinrichtung eine Filtereinrichtung in Form eines RC-Filters vorgesehen ist. Die Motoransteuerung erfolgt mittels eines PWM-Signals. Hierbei werden im Allgemeinen die Filtereinrichtungen eingesetzt, um Störsignale bzw. abgestrahlte Störfrequenzen im UKW-Rundfunkempfangsbereich (etwa 30 bis 300 MHz) zu vermindern.
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Im Einzelnen wird bei einer Pulsbreitenmodulation, d. h. durch die Anwendung eines in gesteuerter Weise getakteten Wandlers eine technische Größe, wie beispielsweise ein elektrischer Strom, zwischen zwei Werten umgeschaltet, wobei das Tastverhältnis bezüglich dieser beiden Stromwerte (Einschaltzeit und Ausschaltzeit) gesteuert (moduliert) wird. In der Praxis entstehen bei dem Einsatz einer Pulsbreitenmodulation (PWM) die vorstehend angegebenen Störsignale aus Oberschwingungen, wobei dies neben einer Geräuschentwicklung im betreffenden Gerät oder Verbraucher zu der Abstrahlung der Oberwellen und damit zu einer Störung benachbarter anderer Geräte führen kann (elektromagnetische Verträglichkeit, EMV). Es treten hierbei vielfach die einen Rundfunkempfang beeinträchtigenden Störungen im UKW-Bereich auf. Auch können Störungen der Langwellen LW und der Mittelwellen MW auftreten.
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Bekannte Filtereinrichtungen zur Beseitigung oder Dämpfung höherer Frequenzanteile in den Signalen enthalten im allgemeinen Ferritkerne in den Induktivitäten, die in dem betreffenden Frequenzberiech resistiv wirken und somit eine gute Dämpfung der unerwünschten Signalanteile ergeben.
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Es besteht die Möglichkeit, entsprechende Störabstrahlungen zu minimieren, indem die Schaltflanken jeweiliger Signale elektronisch gesteuert und damit in vorbestimmter Weise gestaltet werden, so dass weniger hohe Störfrequenzen entstehen können. Dem stehen jedoch bei hohen Strömen die durch die längeren Schaltzeiten zusätzlich bedingten Verlustleistungen in den Leistungsbauelementen entgegen, die die Wirtschaftlichkeit vermindern und zu Problemen bei der Kühlung der beteiligten Bauelemente führen können. Es ist daher für den sicheren Betrieb einer Steuerschaltung und eines zugehörigen Elektromotors nicht sinnvoll und auch nicht wirtschaftlich, die Schaltflanken der Ansteuerungssignale derart langsam auszubilden, dass diese Maßnahme Auswirkungen auf den Langwellenbereich im Sinne geringerer Störungen hat Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler (DC-DC-Wandler) einzusetzen. Dies bedeutet jedoch einen erheblichen Aufwand an elektrischen und elektronischen Bauelementen und teilweise beachtliche Verlustleistungen, wobei auch die Kosten ansteigen.
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5 zeigt in diesem Zusammenhang eine schematische Schaltungsanordnung einer Steuerschaltung S, bei der einer Last L eine elektrische Leistung zugeführt wird. Die Last L kann eine beliebige elektrische Last sein. Vorzugsweise ist sie eine induktive Last und kann dabei ein Elektromotor sein. Mit einer Induktivität L2 und einem Wirkwiderstand R3 ist die Last L in Form eines Motors M als Ersatzschaltbild dargestellt. Eine Spannungs- oder Leistungsquelle V2 stellt die zum Betreiben der Steuerschaltung und des Elektromotors M erforderliche Leistung bereit. Zur Steuerung der elektrischen Leistung ist eine Schalteinrichtung S1 vorgesehen, die ausgebildet ist zur Bereitstellung einer getakteten Leistung. In der in 5 gezeigten Steuerschaltung ist die Schalteinrichtung als eine mechanische Schalteinrichtung S1 vorgesehen. Die Schalteinrichtung S1 kann beispielsweise als ein Schalttransistor ausgebildet sein. Der Schalteinrichtung S1 werden entsprechende Taktsignale zugeführt, so dass das getaktete Ausgangssignal, d. h. die getaktete Zuführungsleistung für den Elektromotor M in Form von PWM-Signalen gebildet wird.
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Die Steuerschaltung S umfasst ferner ein Freilaufelement D2 in Form einer Diode zum Schutz der Schafteinrichtung S1, in Verbindung mit einem weiteren Wirkwiderstand R1. Die Diode D2 dient als Freilaufelement für die in dem Elektromotor enthaltene Induktivität L2. Die Diode ist über den Widerstand R1 mit ihrer Anode mit dem Massepotential verbunden. Der Widerstand R1 dient im Wesentlichen zu einer möglichen Spannungserfassung in diesem Schaltungszweig und ist für die Funktion der Steuerschaltung S gemäß 5 nicht erforderlich
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Wird der Last L bzw. dem Elektromotor M eine entsprechende für seinen aktuellen Betrieb geeignete elektrische Leistung in getakteter Weise (PWM-Signale) zugeführt, so werden im Allgemeinen steile Schaltflanken verwendet, um die Verlustleistung insbesondere in der Schalteinrichtung S1 zu vermindern und einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Dies führt ebenfalls zu einer Spannungssteilheit am Elektromotor, so dass es zu der vorstehend angegebenen Störabstrahlung kommt. Mittels einer entsprechenden Abschirmung kann die Störabstrahlung vermindert werden. Geeignete Maßnahmen stellen jedoch Filtereinrichtungen dar, indem die Filtereinrichtung den Störsignalen einen entsprechenden Weg bietet und die Störsignale nicht oder zumindest nicht in vollem Umfang dem Elektromotor zugeführt werden. Eine Filtereinrichtung ist in 5 nicht vorgesehen.
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Demgegenüber zeigt 6 in Form eines Blockschaltbilds die Ausgestaltung einer Steuerschaltung mit einer Filtereinrichtung, die als Tiefpassfilter gegen Störsignale mit hohen Frequenzen ausgebildet ist.
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Gemäß 6 umfasst die Steuerschaltung S einen Verarbeitungsteil V, in welchem Steuersignale ST zur Beeinflussung des Betriebs eines Elektromotors M verarbeitet und ausgewertet werden. In Abhängigkeit davon wird ein Leistungsteil L angesteuert, der seinerseits dem Elektromotor M entsprechend aufbereitete Leistungssignale zuführt. Die Steuerschaltung S steht in Verbindung mit einer Leistungsversorgungseinrichtung LV.
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Der Leistungsteil L umfasst dabei eine PWM-Einrichtung, die in Abhängigkeit von den Steuersignalen ST die Verhältnisse der Pulsbreitenmodulation einstellt und damit die Leistungsabgabe des Elektromotors M beeinflusst. Des Weiteren kann der Leistungsteil L eine Filtereinrichtung F in Form eines Tiefpassfilters aufweisen, mittels dessen die entsprechenden Leistungssignale gefiltert werden, die dem Elektromotor M zugeführt werden. Auf diese Weise kann grundsätzlich die Abstrahlung einer hochfrequenten Störung vermindert werden, wobei jedoch noch keine wirksame und einfache Verhinderung der Störung in weiteren relevanten Frequenzbereichen vorgesehen ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Steuerschaltung der eingangs genannten Art derart auszugestalten, dass auf einfache Weise eine wirksame Störabstrahlung in vorbestimmten Frequenzbereichen verhindert wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den in den beigefügten Patentansprüchen angegebenen Merkmalen gelöst.
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Hierbei umfasst die erfindungsgemäße Steuerschaltung zur Steuerung der Leistungszufuhr einer an die Steuerschaltung anschließbaren induktiven Last eine PWM-Einrichtung zur Bereitstellung eines PWM-Signals zur Ansteuerung einer Schalteinrichtung zur Taktung der der Last zugeführten Leistung und Erzeugen eines getakteten Leistungssignals, und eine Filtereinrichtung zum Filtern von Störsignalen aus dem getakteten Leistungssignal, wobei die Filtereinrichtung eine Induktivität und einen Kondensator aufweist, die Induktivität und der Kondensator der Filtereinrichtung ausgebildet sind zum Filtern von Frequenzen im Mittel- und Langwellenbereich, und die Filtereinrichtung im Ausgangsbereich der Steuerschaltung angeordnet ist.
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Mit der erfindungsgemäßen Steuerschaltung kann auf einfache Weise und mit einem geringeren Aufwand eine Ansteuerung der Last, und insbesondere eines Elektromotors, in Verbindung mit PWM-Signalen durchgeführt werden, bei der eine deutlich geringere Störabstrahlung auftritt und der Aufwand für die Steuerschaltung insgesamt erheblich vermindert ist. Mit der Berücksichtigung einer Filtereinrichtung im Ausgangsbereich der Steuerschaltung ergeben sich die Vorteile, dass im Bereich der Langwellen-Frequenzen und auch der Mittelwellen-Frequenzen (LW-Bereich und MW-Bereich) eine erheblich geringere Störabstrahlung auftritt. Die Schaltflanken können bei der erfindungsgemäßen Steuerschaltung mit angemessener Steifheit weiterhin für ausreichend schnelle Änderungen ausgelegt werden. Gegenüber einem bekannten DC-DC-Wandler oder auch gegenüber Filtereinrichtungen für hohe Frequenzen auf Grund sehr steiler Signalflanken sind erfindungsgemäß wesentlich kleinere Bauteile erforderlich, und es ist ebenfalls keine Gleichrichterdiode am Ausgang erforderlich. Des Weiteren kann die Induktivität der Filtereinrichtung geringer sein, so dass diese kostengünstiger ist und die Verluste erheblich kleiner sind. Insgesamt ergeben sich durch die geringeren Verluste ein besserer Wirkungsgrad und durch die einfachere Ausgestaltung und kleineren Bauelemente geringere Kosten sowie eine geringere Baugröße. Gleichzeitig wird die Schnelligkeit der Schaltflanken nicht unnötig eingeschränkt und es wird die Störabstrahlung wirksam vermindert, insbesondere in den Frequenzbereichen der Langwellen (LW) und der Mittelwellen (MW). Auch gegenüber einem sogenannten Sinus-Filter werden durch erheblich einfachere Bauelemente und geringere Verluste Vorteile erzielt.
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Weitere Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen beschrieben.
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Parallel zur PWM-Einrichtung kann ein Freilaufzweig geschaltet sein, der ein erstes Freilaufelement aufweisen kann.
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Parallel zu dem Kondensator kann ein zweites Freilaufelement geschaltet sein zur Verminderung von Überspannungen durch die Induktivität.
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Parallel zu der Induktivität der Filtereinrichtung kann ein drittes Freilaufelement geschaltet sein zur Verminderung von Überspannungen durch die Induktivität.
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Es kann ferner die Filtereinrichtung unmittelbar mit der angeschlossenen induktiven Last verbunden sein, und es kann das zweite Freilaufelement auch als Freilaufelement für die induktive Last dienen.
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Es kann die Steuerschaltung ein erstes, zweites und drittes Freilaufelement aufweisen, wobei die Freilaufelemente in Form von Dioden, Bipolartransistoren, MOS-Feldeffekttransistoren oder IGBT gebildet sein können.
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Die Schalteinrichtung kann in Form eines Bipolartransistors, eines MOS-Feldeffekttransistors oder eines IGBT ausgebildet sein.
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Es kann des Weiteren die Durchlass-Spannung des ersten Freilaufelements höher als die Durchlass-Spannung des zweiten Freilaufelements vorgesehen sein, so dass das zweite Freilaufelement gleichzeitig den Freilauf der angeschlossenen induktiven Last unterstützen kann.
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Bei der Steuerschaltung kann die Grenzfrequenz der Filtereinrichtung im Bereich der Schaltfrequenz der PWM-Einrichtung liegen. Hierbei kann die Grenzfrequenz der Filtereinrichtung in einem Frequenzbereich von 20 kHz bis 40 kHz liegen.
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Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematisch dargestellte Schaltungsanordnung der Steuerschaltung mit der Filtereinrichtung,
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2 einen Signalzeitverlauf eines Ausgangssignals der Steuerschaltung einschließlich der Filtereinrichtung gemäß 1, jedoch ohne entsprechende Freilaufelemente,
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3 einen Signalzeitverlauf eines Ausgangssignals der Steuerschaltung gemäß 1, wobei die Freilaufelemente vorgesehen sind,
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4 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Verminderung der Störabstrahlung durch die Steuerschaltung mit und ohne Filtereinrichtung,
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5 ein Schaltbild einer bekannten Steuerschaltung ohne Filtereinrichtung, und
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6 ein schematisches Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer Steuerschaltung zum Betreiben einer Last gemäß dem Stand der Technik.
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Die vorliegende Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit 1 beschrieben.
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1 zeigt eine Schaltungsanordnung der erfindungsgemäßen Steuerschaltung 1, bei der eine Filtereinrichtung 2 vorgesehen ist. Die Steuerschaltung 1 ist ausgebildet zur Bereitstellung einer elektrischen Leistung für eine angeschlossene Last, wie beispielsweise einen Elektromotor 3, der eine induktive Last darstellt. In ähnlicher Weise wie in der Darstellung gemäß 5 kann die Last auch eine allgemeine Last sein. Im Falle des Elektromotors 3 kann die Last gemäß dem dargestellten Ersatzschaltbild veranschaulicht werden. Das Ersatzschaltbild besteht gemäß 1 aus der Lastinduktivität L2. die die Magnetspulen des Elektromotors 3 repräsentiert, sowie dem Lastwiderstand R3, der den Wirkwiderstandsanteil repräsentiert. Die Lastinduktivität L2 und der Lastwiderstand R3 sind vereinfacht in Form einer Reihenschaltung angeordnet und liegen zwischen einer von der Steuerschaltung 1 bereitgestellten Spannung UA (Ausgangsspannung) und dem Null-Potential oder Massepotential. Der Elektromotor 3 umfasst somit das vereinfachte Ersatzschaltbild aus der Lastinduktivität L2 und dem Lastwiderstand R3 und ist in Form eines Kastens mit gestrichelten Linien dargestellt.
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Des Weiteren ist die Filtereinrichtung 2 mit ihren Komponenten mittels einer strichpunktierten Linie veranschaulicht.
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Die Steuerschaltung 1 ist mit einer Leistungsquelle 4 verbunden, die eine Spannung UE (Eingangsspannung) und entsprechende Ströme und somit die erforderliche Leistung bereitstellt. Die Eingangsspannung, die vorzugsweise in Form einer Gleichspannung vorliegt, wird der Steuerschaltung 1 zugeführt, die des Weiteren eine PWM-Einrichtung 5 aufweist. Die PWM-Einrichtung (mit einer Rechteck-Steuerspannung V1) ist mit einer Schalteinrichtung 6 verbunden, die entsprechend einem in der PWM-Einrichtung aufbereiteten Steuersignal ein getaktetes Ausgangssignal bereitstellt. Im Einzelnen wird die von der Leistungsquelle 4 bereitgestellte Leistung in getakteter Form mit variablen Taktbedingungen (variable Einschaltzeitdauer und Ausschaltzeitdauer) weitergeleitet. Die Schalteinrichtung 6 ist als mechanischer Schalter angedeutet, und ist in der tatsächlichen Ausführung beispielsweise in Form eines entsprechend getakteten Leistungstransistors S1 vorgesehen, wobei ein getaktetes Ausgangssignal oder Leistungssignal UG erzeugt wird. Mit einem Ausgang der Schalteinrichtung 6 bzw. des Leistungstransistors S1 ist ein Schaltungszweig der Steuerschaltung 1 verbunden, der eine erste Diode D1 (erstes Freilaufelement, nichtlineares Bauelement) zum Schutz der Schalteinrichtung 6 aufweist, und wobei die Freilaufdiode bzw. Diode D1 mit ihrer Anode mit dem Massepotential verbunden ist. Auf diese Weise werden unerwünschte Spannungsspitzen weitgehend von der entsprechenden Schalteinrichtung 6 bzw. dem Leistungstransistor S1 ferngehalten. Der Schaltungszweig stellt somit einen Freilaufzweig dar.
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Mit dem Knotenpunkt zwischen der ersten Diode D1 und der Schalteinrichtung 6 ist die Filtereinrichtung 2 verbunden. Die Filtereinrichtung 2 ist zwischen der Schalteinrichtung 6 und der Last bzw. dem Elektromotor 3 angeordnet.
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Die Filtereinrichtung 2 umfasst eine Induktivität L1, die mit ihrem einen Anschluss mit dem gemeinsamen Knoten der ersten Diode D1 und der Schalteinrichtung 6 und mit ihren anderen Anschluss mit dem Elektromotor 3 verbunden ist. Die Induktivität L1 der Filtereinrichtung 2 liegt daher in Reihe zu dem Elektromotor 3 und den Bauelementen des Elektromotors 3 (Lastinduktivität L2 und Lastwiderstand R3). Zwischen dem anderen Anschluss der Induktivität L1 und parallel zu dem Elektromotor 3 ist ein Kondensator C1 angeordnet und ferner mit dem Massepotential verbunden.
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Die Filtereinrichtung 2 wird im Wesentlichen durch die Induktivität L1 und den Kondensator C1 gebildet und erhält als Eingangssignal das getaktete Leistungssignal UG. An mit R1 und R2 bezeichneten Stellen in 1 kann bei Bedarf jeweils ein Widerstand eingesetzt werden, der lediglich zu einer Spannungs- oder Stromerfassung in dem betreffenden Schaltungszweig dient und für die Funktion der Steuerschaltung 1 in beiden Schaltungszweigen nicht erforderlich ist. Eine Spannungs- oder Stromerfassung kann zur Überprüfung der Schaltungsfunktion und zur Schaltungsanalyse erforderlich sein.
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Parallel zu dem Kondensator C1 ist eine zweite Diode D2 (zweites Freilaufelement, nichtlineares Bauelement) angeordnet, deren Anode mit dem Massepotential und deren Kathode mit dem gemeinsamen Knotenpunkt zwischen dem Kondensator C1 und der Induktivität L1 verbunden ist. Des Weiteren ist parallel zu der Induktivität L1 eine dritte Diode (drittes Freilaufelement) D3 angeordnet, deren Anode mit dem gemeinsamen Knotenpunkt zwischen der Induktivität L1 und dem Kondensator C1 verbunden ist, und deren Kathode mit dem gemeinsamen Knotenpunkt zwischen der Induktivität L1 und der Schafteinrichtung 6 verbunden ist.
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Die zweite und dritte Diode D2 und D3 stellen jeweils Freilaufelemente für die Induktivität L1 der Filtereinrichtung 2 dar.
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An dem gemeinsamen Knotenpunkt zwischen der Induktivität L1 und dem Kondensator C1 liegt die Versorgungsspannung oder Ausgangsspannung UA an, die dem Elektromotor 3 zugeführt wird und die in Form pulsbreiten-modulierter Signal vorliegt.
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Der PWM-Einrichtung 5 wird ein Steuersignal ST zugeführt, wobei dies vereinfacht mittels eines Pfeils in 1 angedeutet ist Das Steuersignal ST stellt eine Leistungs- oder Betriebsinformation zum Betreiben des Elektromotors 3 dar, und in Abhängigkeit von dem Steuersignal ST werden die Taktverhältnisse der Pulsbreitenmodulation (PWM) in der PWM-Einrichtung eingestellt. Auf diese Weise kann eine variable Leistung dem Elektromotor 3 zur Bereitstellung eines variablen Betriebs zugeführt werden, so dass eine Leistungssteuerung und damit eine Drehzahlsteuerung des Elektromotors 3 möglich ist.
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Die Filtereinrichtung 2 mit der Induktivität L1 und dem Kondensator C1 ist derart aufgebaut, dass die Filterwirkung im Bereich der Langwellen-Frequenzen (LW-Frequenzen, etwa zwischen 30 und 300 kHz), und ebenfalls im Mittelwellenbereich (MW-Frequenzen, etwa zwischen 0.3 und 3 MHz) vorliegt. Es ist in diesem Fall nicht erforderlich, die jeweiligen Schaltzeiten der Flanken erheblich langsamer auszugestalten (geringere Steilheit der Flanken), da insbesondere im LW- und MW-Frequenzbereich eine wirksame Ausfilterung von Störsignalen erreicht wird. Die Bereiche der Mittelwellen und der Langwellen stellen Bereiche mit Amplitudenmodulation (AM) dar.
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Bei der Filtereinrichtung 2 sind die Induktivität L1 und der Kondensator C1 ausgelegt für eine Grenzfrequenz unterhalb des LW-Bereichs. Die Grenzfrequenz kann dabei in einem Bereich von etwa 20 kHz bis 40 kHz oder in einem Bereich von 25 kHz bis 35 kHz liegen. Die Grenzfrequenz kann beispielsweise bei 25 kHz, 30 kHz oder auch 35 kHz liegen. Liegt die Grenzfrequenz der Filtereinrichtung 2 beispielsweise bei 30 kHz, dann bedeutet dies die Bereitstellung eine Dämpfung bei etwa 150 kHz Störsignalfrequenz von etwa einem Faktor 5. Die Resonanzfrequenz der Filtereinrichtung 2 liegt in einer Größenordnung der Schaltfrequenz (PWM). Auf Ferritkerne in der Induktivität kann verzichtet werden.
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Mit dem Bestreben, die Verluste in der Steuerschaltung klein zu halten, ist die Dämpfung der Filtereinrichtung (L-C-Filter) geringer ausgelegt. Dies kann zu Schwingungen unterschiedlicher Stärke führen, so dass dadurch ein ungünstiger Einfluss auf die Störabstrahlung (EMV-Eigenschaften) ausgeübt wird. Ferner können entsprechende unerwünschte Überspannungen auftreten. Zur Verminderung der Schwingungen und zur weitgehenden Vermeidung unerwünschter Überspannungen (zur Dämpfung) sind zusätzliche nichtlineare Bauelemente vorgesehen. Hierbei sind die nichtlinearen Bauelemente (Dämpfungselemente) als die vorstehend angegebenen Freilaufelemente in Form der Dioden D2 und D3 vorgesehen, deren Wirkung in Verbindung mit den 2 und 3 nachstehend beschrieben wird. Die Dioden D2 und D3 zur Bereitstellung eines Freilaufs für die Induktivität L1 sind ausgelegt auf die durch den Betrieb der Induktivität L1 entstehenden kurzen Überspannungen, so dass hier relativ kleine und damit auch kostengünstige Bauelemente eingesetzt werden können.
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Des Weiteren ist die Filtereinrichtung 2 im Ausgangsbereich der Steuerschaltung 1 angeordnet, so dass dem Elektromotor 3 in entsprechender Weise bereits gefilterte Leistung in Form der Ausgangsspannung UA zugeführt wird und somit Zuleitungen zu dem Elektromotor 3 und/oder der Elektromotor 3 selbst eine erheblich verminderte Abstrahlung aufweisen.
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Das Verhalten der Steuerschaltung 1 gemäß 1 wird nachstehend in Verbindung mit den 2 bis 4 beschrieben. Die 2 und 3 zeigen Signalzeitverläufe der Ausgangssignale der Steuerschaltung 1 gemäß 1 mit unterschiedlichen Grundbedingungen. In beiden Fällen wurde in einem Versuchsaufbau als ein Beispiel eine PWM-Frequenz von etwa 17,7 kHz verwendet.
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Hierbei zeigt 2 einen Signalzeitverlauf bzw. einen Spannungs-Zeit-Verlauf der (getakteten) Ausgangsspannung UA der Steuerschaltung 1, wobei die zweite und dritte Diode D2 und D3, die Freilaufelemente für die Induktivität L1 bilden, nicht vorgesehen sind. Es ergibt sich der Verlauf der Ausgangsspannung UA zum Zuführen zu dem Elektromotor 3 gemäß 2. In der Darstellung ergibt sich ein Spannungsverlauf von etwa +16 V bis –11 V. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 und der Steuerschaltung 1 ohne die zweite und dritte Diode D2 und D3 wurde in dem dargestellten Beispiel eine Versorgungsspannung von etwa 13,5 V bereitgestellt. Mit der Möglichkeit, dass bei einem reinen Filter Resonanzen (Schwingungen) entstehen, können gemäß der Darstellung in 2 auch Spannungen oberhalb der Versorgungsspannung von beispielsweise 13,5 V auftreten (Überspannungen), und es können auch Spannungen unterhalb von 0 V entstehen, so dass der in 2 gezeigte Spannungsbereich daher etwa zwischen +16 V und –11 V schwanken kann. Die entsprechenden Werte sind in 2 eingezeichnet.
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3 zeigt einen ähnlichen Signalzeitverlauf bzw. einen Spannungs-Zeit-Verlauf der (getakteten) Ausgangsspannung UA der Steuerschaltung 1, wobei jedoch die Steuerschaltung 1 die Anordnung gemäß der Darstellung in 1 einschließlich der zweiten und dritten Dioden D2 und D3 aufweist. Im Einzelnen verhindern die beiden Dioden D2 und D3 als Freilaufdioden in Verbindung mit der Induktivität L1 das Auftreten von Spannungen außerhalb der Versorgungsspannung, die im vorliegenden Fall ebenfalls beispielsweise 13,5 V beträgt, so dass ein Vergleich mit der Darstellung des Spannungszeit-Verlaufs der Ausgangsspannung UA in 2 möglich ist. Die zweite und dritte Diode D2 und D3 dienen somit als Elemente zum Verhindern oder zumindest Vermindern von Überspannungen infolge des Betriebs der Induktivität L1, wobei die möglichen auftretenden Schwingungen gedämpft werden.
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In einer Abwandlung der Schaltungsanordnung gemäß 1 der Steuerschaltung 1 kann die dritte Diode D3 auch alternativ an der Versorgungsspannung liegen. Gemäß 3 ist der gesamte in dem Spannungs-Zeit Verlauf angegebene Spannungsbereich von etwa 4 V bis etwa –15 V.
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Im Ergebnis wird seitens der erfindungsgemäßen Steuerschaltung 1 die in Verbindung mit der Pulsbreitenmodulation PWM getaktete Ausgangsspannung UA mit geeigneten Flanken ohne große Überspannungen und weitgehend ohne hohe Frequenzen bereitgestellt. Mittels der entsprechend angemessenen flacheren Flanken und in Verbindung mit der Filtereinrichtung 2 wird eine Abstrahlung van Störsignalen insbesondere in Langwellenbereich und Mittelwellenbereich wirksam verhindert.
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Die Wirkung einer Verminderung der Abstrahlung von Störsignalen ist in 4 gezeigt. In einem Frequenzbereich von etwa 150 kHz bis etwa 2 MHz (entspricht dem Darstellungsbereich in 4) ist die Intensität von Störsignalen angegeben. Ein oberer Signalverlauf 41 in 4 zeigt die entsprechenden Verhältnisse der Schaltungsanordnung gemäß 6, bei der keine Filtereinrichtung im LW- und MW-Bereich vorgesehen ist. Ein darunter gezeigter Signalverlauf 42 in 4 zeigt die entsprechenden Verhältnisse in Verbindung mit einer Schaltungsanordnung der Steuerschaltung 1 gemäß 1, bei der die vorstehend beschriebene Filtereinrichtung 2 vorgesehen ist. Im Ergebnis wird in Verbindung mit dem getakteten Leistungssignal UG mit angemessen steilen Flanken und der Filtereinrichtung 2 auf einfache Weise mit vergleichsweise kostengünstigen Bauelementen eine erhebliche Verminderung der Störabstrahlung festgestellt. Dies betrifft besonders den vorstehend beschriebenen Mittel- und Langwellenbereich.
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In den Fällen der 2 und 3 wurden Frequenzen in Verbindung mit der Pulsbreitenmodulation im Bereich zwischen 17 und 18 kHz verwendet. Im Allgemeinen werden Frequenzen der Pulsbreitenmodulation im Bereich von mehreren kHz berücksichtigt.
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Des Weiteren kann gemäß der Darstellung in 1 die zweite Diode D2 als Teil der Filtereinrichtung 2 derart ausgelegt werden, dass sie auch als Freilauf für den Betrieb des Elektromotors 3 und damit für die Induktivität L2 dienen kann. In diesem Fall kann die Dimensionierung der zweiten Diode D2 der Diode D2 in 6 entsprechen, die ein Freilaufelement zu der induktiven Last (Induktivität L2) bildet.
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Es kann in diesem Zusammenhang die erste Diode (erstes Freilaufelement) D1 auch eine höhere Durchlass-Spannung (Fluss-Spannung) aufweisen, damit im eingeschwungenen Zustand der Freilaufstrom der Last bzw. des Elektromotors 3 im Wesentlichen durch die zweite Diode D2 fließen kann und nicht auch die erste Diode D1 (erstes Freilaufelemente) durch den Freilaufbetrieb der Lastinduktivität L2 belastet. Es können damit wie vorstehend bereits angegeben die beiden Dioden D2 und D3 (zweite und dritte Diode der Filtereinrichtung 2) lediglich derart dimensioniert werden, dass sie für den Freilauf der kleineren Induktivität L1 (Induktivität der Filtereinrichtung 2) ausgelegt sind. Es kann somit in Verbindung mit der kleineren Induktivität L1 im Vergleich zu anderen Filtereinrichtungen, wie beispielsweise sogenannten Sinusfiltern, auf kleinere und damit kostengünstigere Bauelemente zurückgegriffen werden.
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Eine höhere Flussspannung der ersten Diode D1 gegenüber der zweiten Diode D2 kann auch erreicht werden durch eine andere Technologie, wie ein Material bei Schottky-Dioden, eine gesteuerte Schaltung (Synchrongleichrichter) oder auch durch zwei Dioden in Reihenschaltung oder durch einen Zusatzwiderstand an der Stelle R1 in 1.
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Der andere Freilauf kann durch die dritte Diode D3 erfolgen, d. h. über die Diode D3 vom Kondensator C1 zur Spannung UE oder kann durch eine Spannungsbegrenzung von D1 erfolgen (Einsatz einer Zener-Diode oder durch ein aktives Element, wie ein gesteuerter MOSFET).
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Die im Zusammenhang mit der Schaltungsanordnung gemäß 1 beschriebenen Dioden D1 bis D3 können auch durch andere Schaltmittel ersetzt werden, wobei sich entsprechende Leistungsbauteile wie MOSFET anbieten. Hierbei können diese Dioden sowie die Schalteinrichtung B (Hauptschalter S1) als MOSFET, Bipolartransistoren, IGBT und dergleichen ausgeführt sein.
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Gemäß der Darstellung in den beiden 2 und 3 ist erkennbar, dass auch allein mit der Filtereinrichtung 2 ohne die zweite und dritte Diode D2 und D3 eine Verbesserung der Leistungsversorgung des Elektromotors 3 bei gleichzeitiger Verminderung der Störabstrahlung erreicht werden kann. In diesem Falle müssen Resonanzschwingungen in der Filtereinrichtung 2 in Kauf genommen werden. 1 zeigt jedoch die Steuerschaltung mit den zur Dämpfung vorgesehenen nichtlinearen Bauelementen in Form der Dioden D2 und D3 (erstes und zweites Freilaufelement), wobei durch diese Bauelemente eine wirksame Dämpfung der möglichen Schwingungen und damit der unerwünschten Überspannungen erreicht werden kann.
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Davon ausgehend besteht die Möglichkeit, zu günstigen Zeitpunkten in einem verlustarmen Bereich zu schalten. Beispielsweise können die Täler der Schwingungen verwendet werden, um geringere Spannungen abzuschalten, wobei in gleichartiger Weise auch die Höhen (maximale Bereiche) verwendet werden können zum Einschalten, so dass sich im Ergebnis kleinere Spannungswerte (im Idealfall U = 0) ergeben können. Dies kann in alternativer und gleichartiger Weise mit dem Strom durchgeführt werden.
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Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den zugehörigen Figuren beschrieben.
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Für den auf diesem Gebiet tätigen Fachmann ist es jedoch selbstverständlich, dass die Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gemäß den beschriebenen Figuren und die für die jeweiligen Bauteile und Komponenten verwendeten Bezugszeichen in den Figuren und in der Beschreibung sowie die beispielhaften Angaben nicht einschränkend auszulegen sind.
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Auch sind die in den einzelnen Figuren angegebenen Formen und Proportionen für ein besseres Verständnis überwiegend vereinfacht und schematisch dargestellt. Die Erfindung ist somit auf die angegebenen Darstellungen und insbesondere auf die Dimensionen und Formen nicht beschränkt. Vielmehr werden als zur Erfindung gehörig sämtliche Ausführungsformen und Varianten angesehen, die unter die beigefügten Patentansprüche fallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5721475 [0006]
- US 4243921 A [0007]
- EP 0096162 A1 [0007]
- US 7138782 B2 [0007]
