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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Erfindungsgebiet von Schaltungen, insbesondere auf aktive Leistungsfaktor-Korrekturschaltungen.
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In elektronischen Bauelementen werden zunehmend Leistungsfaktor-Korrektur(PFC, Power Factor Corrector)-Schaltungen verwendet, um den Leistungsfaktor (PF, Power Factor) von elektrischen AC-Energieversorgungssystemen zu erhöhen. In elektrischen Energieversorgungssystemen zieht eine Last mit einem niedrigen Leistungsfaktor für die gleiche Menge von übertragener Nutzleistung mehr Strom als eine Last mit einem hohen Leistungsfaktor. Wenn der Leistungsfaktor niedrig ist, verursacht der hohe Strom, dass Energie im Verteilungssystem verloren geht, was, im Vergleich zu einem System mit einem höheren Leistungsfaktor, dickere Leitungen und andere Betriebsausstattung erfordert, die in der Lage sind, mit dem höheren Strom umzugehen.
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Wegen der Kosten für umfangreichere Betriebsausstattung und verschwendete Energie werden Energieversorgungsunternehmen den industriellen und kommerziellen Kunden höhere Beträge in Rechnung stellen, die einen niedrigen Leistungsfaktor aufweisen, als denen, die einen höheren Leistungsfaktor aufweisen. Auch nimmt die Verbreitung von Leistungsfaktor-Regelungen weiter zu.
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Leistungsfaktor-Korrektur ist möglicherweise besonders wichtig für Hochleistungsanwendungen. Bei einer hohen Leistung können kleine Unterschiede im Leistungsfaktor zu erheblichen Kostenersparnissen führen. Hochleistungs-Energieversorgungselektronik wird in elektrischen AC-Energieversorgungssystemen zunehmend wichtig.
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Ein Leistungsfaktor-Korrektor kann unter Verwendung eines Schaltnetzteils umgesetzt werden. Leistungsfaktor-Korrekturschaltungen führen häufig Flankenkompensation (engl. slope compensation) durch, um Schwingungen zu verhindern und die Stabilität aufrechtzuerhalten. Allerdings kann Flankenkompensation den Leistungsfaktor von Leistungsfaktor-Korrekturschaltungen reduzieren.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines verbesserten Verfahrens, das die oben erörterten Nachteile überwindet, sowie eines verbesserten elektronischen Bauelements und einer verbesserten Leistungsfaktor-Steuerung.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1, durch ein elektronisches Bauelement nach Anspruch 6 und durch eine Leistungsfaktor-Steuerung nach Anspruch 15 gelöst.
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Gemäß einer Ausführungsform enthält ein elektronisches Bauelement eine Steuerung, die dazu ausgebildet ist, Flankenkompensation auf ein Referenzsignal in einem Leistungsfaktor-Korrektor anzuwenden. Das Bauelement ist auch dazu ausgebildet, die Flankenkompensation auf Basis einer Eingangsspannung des Leistungsfaktor-Korrektors einzustellen.
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Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile wird jetzt Bezug auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen genommen:
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1a–c veranschaulichen eine Ausführungsform einer aktiven PFC-Schaltung;
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2 veranschaulicht für eine Ausführungsform einer aktiven PFC-Schaltung ein Schwingungsverlaufsdiagramm des flankenkompensationskorrigierten Signals, des Flankenkompensations-Referenzsignals, des Stromsignals, des Oszillatorsignals und des Komparatorausgangssignals;
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3a–d veranschaulichen Simulationsergebnisse von Ausführungsformen einer aktiven PFC-Schaltung; und
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4 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines Ausführungsverfahrens zum Steuern einer aktiven PFC-Schaltung.
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Entsprechende Nummerierungen und Symbole in unterschiedlichen Figuren beziehen sich im Allgemeinen auf entsprechende Teile, es sei denn, es ist anders angegeben. Die Figuren werden gezeichnet, um die maßgeblichen Aspekte der bevorzugten Ausführungsformen klar zu veranschaulichen, und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet. Um bestimmte Ausführungsformen klarer zu veranschaulichen, folgt möglicherweise ein Buchstabe auf eine Figurennummer, der Variationen der gleichen Struktur, des Materials oder des Prozessschrittes veranschaulicht.
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Die Herstellung und die Verwendung von gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen werden unten ausführlich erörtert. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung viele anwendbare erfindungsgemäße Konzepte bereitstellt, welche in sehr vielen verschiedenen spezifischen Zusammenhängen umgesetzt werden können. Die erörterten spezifischen Ausführungsformen dienen lediglich der Veranschaulichung spezifischer Wege, die Erfindung herzustellen und zu verwenden, und schränken nicht den Schutzbereich der Erfindung ein. Unter Bezugnahme auf eine Ausführungsform erklärte Merkmale werden möglicherweise mit Merkmalen anderer Ausführungsformen kombiniert, es sei denn, es ist etwas anderes angegeben.
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Die vorliegende Erfindung wird in Hinsicht auf bevorzugte Ausführungsformen in einem spezifischen Zusammenhang erörtert, nämlich einer aktiven PFC-Schaltung. Die Erfindung wird allerdings möglicherweise auch auf andere Arten von Schaltungen und Systemen angewandt, wie zum Beispiel bei Energieversorgungsschaltungen und -systemen.
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Der Leistungsfaktor, eine dimensionslose Größe zwischen null und eins, wird als das Verhältnis der zur Last fließenden Wirkleistung zur Scheinleistung in der Schaltung definiert. Wirkleistung ist die Fähigkeit der Schaltung, Arbeit zu einer gewissen Zeit auszuführen, während Scheinleistung das Produkt des Stroms und der Spannung der Schaltung ist. Wegen in der Last gespeicherter und zur Quelle zurückgeführter Leistung und wegen einer nichtlinearen Last, die die Kurvenform des von der Quelle gezogenen Stroms verzerrt, neigt die Scheinleistung dazu, größer als die Wirkleistung zu sein.
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Eine Leistungsfaktor-Korrektur(PFC)-Schaltung kann aktiv oder passiv sein. Eine passive PFC-Schaltung enthält Induktivitäten und/oder Kondensatoren. Eine aktive PFC-Schaltung ist auf der anderen Seite eine Energieversorgungselektronik, die die Kurvenform des von einer Last gezogenen Stroms ändert, um den Leistungsfaktor zu verbessern. In einer leistungsfaktorkorrigierten Schaltung liegen Spannung und Strom mehr in Phase, und die Blindleistungsmenge ist reduziert.
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Aktive PFC-Schaltungen werden möglicherweise unter Verwendung von Aufwärtswandlern, Abwärtswandlern, Abwärts-Aufwärts-Wandlern oder anderen Topologien umgesetzt. Aktive PFC-Schaltungen können in verschiedenen Modi betrieben werden, einschließlich CCM (Continuous Conduction Mode), DCM (Discontinuous Conduction Mode), CRM (Critical Conduction Mode) und anderer Betriebsmodi.
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In einer Ausführungsform wird zum Beispiel Flankenkompensation eingestellt, indem ein Signalpegel der Flankenkompensation in Abhängigkeit von einem momentanen Spannungspegel des AC-Eingangssignals erhöht wird. Bei niedrigen momentanen Spannungspegeln wird der Stromeingang des Leistungsfaktors verzerrt, weil die Flankenkompensation verursacht, dass der Strom weiter vom AC-Eingangsspannungs-Schwingungsverlauf abweicht. Eine derartige Verzerrung führt zu einem Leistungsfaktorverlust. Indem der Pegel der Flankenkompensation bei diesen niedrigen Eingangspegeln erhöht wird, folgt das Stromsignal enger dem AC-Eingangsspannungs-Schwingungsverlauf. Folglich wird auch der Leistungsfaktor verbessert.
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Die 1a–c veranschaulichen eine Ausführungsform einer aktiven Leistungsfaktor-Korrektor(PFC)-Schaltung 100, die eine einstellbare Flankenkompensation aufweist. Die aktive PFC-Schaltung 100 ist möglicherweise eine aktive Continuous Conduction Mode(CCM)-PFC, obwohl sie möglicherweise auch in anderen Modi betrieben wird.
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1a veranschaulicht eine Überblicksansicht der aktiven PFC-Schaltung. Die aktive PFC-Schaltung 100 funktioniert als ein Aufwärtswandler durch Steuern des Schalters 126, um Leistung zur Induktivität 122 und zum Kondensator 134 zu übertragen. Die Rückkopplung vom Stromabtastsignal 172 ermöglicht es einer Rückkopplungsschleife, den Stromfluss so zu steuern, dass er der Eingangsspannung folgt. Der AC-Eingang der aktiven PFC-Schaltung 100 weist die Eingänge 150 und 152 auf, die mit dem Gleichrichter 142 verschaltet sind. Der Gleichrichter 142 richtet die Signale 150 und 152 gleich, um die gleichgerichtete Eingangsspannung 154 herzustellen. In alternativen Ausführungsformen wird möglicherweise ein einphasiger AC-Eingang, ein zweiphasiger AC-Eingang oder ein dreiphasiger AC-Eingang verwendet.
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Der Kondensator 140 verschaltet die gleichgerichtete Eingangsspannung 154 mit Masse 156. Die Widerstände 136 und 138 erzeugen einen Spannungsteiler, der die gleichgerichtete Eingangsspannung 154 und Masse 156 mit der Ausgangsspannung 158 des Eingangs verschaltet. Die Widerstände 130 und 132 erzeugen einen Spannungsteiler, der die Ausgangsspannung 160 und Masse 156 mit der Ausgangsspannung 162 des Ausgangs verschaltet. Der Oszillator 108 gibt das Oszillatorsignal 164 aus.
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Das Referenzsignal 170 und die Ausgangsspannung 162 sind die Eingänge des Operationsverstärkers (OPV) 114. Der OPV 114 gibt das OPV-Ausgangssignal 192 aus. Der Kondensator 116 verschaltet das OPV-Ausgangsignal 192 mit Masse 156. Der Multiplizierer 118 multipliziert das OPV-Ausgangssignal 192 mit der Eingangsspannung 158, um den Multipliziererausgang 176 zu ermitteln.
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Der Addierer 120 addiert das Flankenkompensations-Korrektursignal 166 zum Multipliziererausgang 176, um das flankenkompensationskorrigierte Signal 168 zu ermitteln. Das Flankenkompensation-Korrektursignal 166 ist ein Ausgang des Flankenkompensations-Korrektors 102. Auf Basis der Eingänge Ausgangsspannung 162 und Eingangsspannung 158 bestimmt der Flankenkompensations-Korrektor 102 das flankenkompensationskorrigierte Signal 168. Der Flankenkompensations-Korrektor 102 wird möglicherweise als analoge oder als digitale Schaltungsanordnung umgesetzt. Auf Basis der Eingangsspannung 158, der Ausgangsspannung 162, des flankenkompensationskorrigierten Signals 168 und des Oszillatorsignals 164 bestimmt der Flankenkompensations-Block 104 das flankenkompensierte Signal 174. Der Flankenkompensations-Block 104 wird möglicherweise als analoge oder als digitale Schaltungsanordnung umgesetzt. Das flankenkompensierte Signal 174 und das Stromabtastsignal 172 sind die Eingänge des Komparators 106, der das Komparatorausgangssignal 178 ausgibt. Das RS-Latch 110 speichert das Komparatorausgangssignal 178 als den Reset-Eingang und das Oszillatorsignal 164 als den Set-Eingang, mit dem Latch-Ausgangssignal 190 als dem Q-Ausgang. Das Latch-Ausgangssignal 190 ist der Eingang des Treibers 112, der das Schaltsteuersignal 188 ausgibt.
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Das Schaltsteuersignal 188 schaltet den Schalter 126 an und aus. Der Schalter 126 ist möglicherweise ein DMOS-Transistor oder ein anderer Transistortyp, wie zum Beispiel ein IGBT oder ein JFET. Der Widerstand 128 verschaltet den Schalter 126 mit Masse 156. Wenn der Schalter 126 eingeschaltet wird, fließt Strom durch die Induktivität 122, und Energie wird in der Induktivität 122 gespeichert, was das Stromabtastsignal 172 ergibt. Wenn der Schalter 126 ausgeschaltet wird, fließt die in der Induktivität 122 gespeicherte Energie über die Diode 124, den Kondensator 134 und über die Ausgangsspannung 160 über eine Last (nicht dargestellt). Die Diode 124 verhindert das Entladen der Lastkapazität durch den Schalter 126. Wenn der Schalter 126 ausgeschaltet ist, fließt Energie von der Induktivität 122 zum Kondensator 134.
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1b veranschaulicht eine Ausführungsform des Flankenkompensations-Blocks 104. Der Flankenkompensations-Block 104 wird möglicherweise in der aktiven PFC-Schaltung 100 verwendet, oder er ist möglicherweise ein Teil einer anderen Art von PFC-System. Der Flankenkompensations-Block 104 wird möglicherweise als analoge oder als digitale Schaltungsanordnung umgesetzt. Die Eingänge für den Flankenkompensations-Block 104 sind die Eingangsspannung 158, die Ausgangsspannung 162, das flankenkompensationskorrigierte Signal 168 und das Oszillatorsignal 164. Der Ausgang des Flankenkompensations-Blocks 104 ist das Flankenkompensations-Signal 174. Der Schalter 180 verschaltet das flankenkompensationskorrigierte Signal 168 und die Stromquelle 184. Das Oszillatorsignal 164 steuert den Schalter 180. Der Kondensator 182 verschaltet auch das flankenkompensationskorrigierte Signal 168 mit der Stromquelle 184 parallel zum Schalter 180. Wenn der Schalter 180 geschlossen ist, fließt Strom vom flankenkompensationskorrigierten Signal 168 und der Stromquelle 184 zum flankenkompensierten Signal 174. Wenn der Schalter 180 geöffnet ist, lädt Strom vom flankenkompensationskorrigierten Signal 168 den Kondensator 182 auf, was den im flankenkompensierten Signal 174 fließenden Strom verringert. In alternativen Ausführungsformen wird die Flankenkompensation möglicherweise unter Verwendung anderer Schaltungen und Verfahren durchgeführt.
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1c veranschaulicht eine Ausführungsform des Flankenkompensations-Korrektors 102. Der Flankenkompensations-Korrektor 102 wird möglicherweise als ein Teil einer aktiven PFC-Schaltung 100 verwendet, oder er ist möglicherweise ein Teil eines anderen PFC-Systems. Analoge oder digitale Schaltungsanordnung setzt möglicherweise den Flankenkompensations-Korrektor 102 um. Um einen hohen Leistungsfaktor aufrechtzuerhalten, stellt der Flankenkompensations-Korrektor 102 die Flankenkompensation ein.
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Die Spannung über dem Kondensator
182 in
1b ist der zu kompensierende Flankenkompensations-Offset. Ein Mechanismus zur Korrektur dieser Spannung ist das Addieren eines Wertes, der gleich diesem Offset ist, zu einem Spannungs- oder Stromsignal. Die zu kompensierende Spannung ist gleich:
wobei I
sc den von der Stromquelle
184 gelieferten Strom darstellt, C die Kapazität des Kondensators
182 ist, T
on die Einschaltzeit ist, die gleich den Tastverhältniszeiten der Periode des Oszillatorsignals
164 ist. Das Tastverhältnis (engl. duty cycle) wird definiert als:
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Vorstellt möglicherweise die Ausgangsspannungsabtastung
162 dar. V
in stellt möglicherweise die Eingangsspannung
158 dar. Die Einschaltzeit ist somit gleich:
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Der Strom in der Stromquelle 184 ist gleich: Coeff_I × (Vout – Vin)
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Coeff_I ist ein Entwurfsparameter, der eine Stromflanke darstellt. Die zu kompensierende Spannung ist somit:
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Diese Gleichung wird möglicherweise unter Verwendung von digitaler oder analoger Schaltungsanordnung umgesetzt.
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Der Flankenkompensations-Korrektor
102 in
1c veranschaulicht ein Beispiel einer analogen Schaltungsumsetzungsform einer Flankenkompensations-Korrekturschaltung. Der OPV
202, der Transistor
214 und der Widerstand
206 wandeln die Ausgangsspannung
162 in den Ausgangsstrom
236, der gleich der Ausgangsspannung
162 geteilt durch den Widerstandswert des Widerstands
206 ist. Die Transistoren
216,
218 und
221 spiegeln den Ausgangsstrom
236. Der Stromspiegel
220 spiegelt den Ausgangsstrom. Der OPV
204, der Transistor
244 und der Widerstand
208 wandeln die Eingangsspannung
158 in den Eingangsstrom
238, der proportional zur Eingangsspannung
158 geteilt durch den Widerstandswert des Widerstands
208 ist. Gleichermaßen wandeln der OPV
205, der Transistor
245 und der Widerstand
209 die Eingangsspannung
158 in den Eingangsstrom
238. Der Strom
240 ist proportional zum Ausgangsstrom
236 minus dem Eingangsstrom
238. Die Transistoren
227,
229,
230,
232,
226,
228,
234 und
235 verursachen, dass der Strom
242 proportional ist zu:
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I
out wird möglicherweise durch den Ausgangsstrom
236 dargestellt, und I
in wird möglicherweise durch den Eingangsstrom
238 dargestellt. Der Stromspiegel
222 spiegelt den Strom. Der Transistor
224 und der Widerstand
210 wandeln den Strom
242 in die Spannung
246, die proportional ist zu:
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2 veranschaulicht für eine Ausführungsform einer aktiven PFC-Schaltung ein Schwingungsverlaufsdiagramm 250 von Folgenden: des flankenkompensationskorrigierten Signals 168, des Flankenkompensations-Referenzsignals 252, des Stromabtastsignals 172, des Oszillatorsignals 164 und des Komparatorausgangssignals 178. Das Flankenkompensations-Signal 252 beginnt genauso wie das flankenkompensationskorrigierte Signal 168. Wenn das Oszillatorsignal 164 pulsiert, verringert sich das Flankenkompensations-Signal 252, während sich das Stromabtastsignal 172 erhöht. Wenn das Stromabtastsignal 172 gleich dem Flankenkompensations-Signal 252 ist, pulsiert das Komparatorausgangssignal, und das Flankenkompensations-Signal 252 kehrt zum flankenkompensationskorrigierten Signal 168 zurück.
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Die 3a–d veranschaulichen Simulationsergebnisse einer Ausführungsform der aktiven PFC-Schaltung. Die 3a und 3b veranschaulichen Simulationsergebnisse einer PFC-Ausführungsform mit einem flankenkompensierten Signal ohne Flankenkompensations-Korrektur. Das Stromabtastsignal 172 schwankt in der Nähe des Multipliziererausgangs 176. Die durch den Flankenkompensationsfaktor 304 verursachte Leistungsfaktor-Reduktion ist groß für ein großes Tastverhältnis von mehr als etwa 1/2. 3b zeigt den Leistungsfaktor 302 einer Ausführungsform, der bei etwa 97% liegt.
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Die 3c und 3d veranschaulichen Simulationsergebnisse einer Ausführungsform mit einem flankenkompensierten Signal und mit Flankenkompensations-Korrektur. Das Stromabtastsignal 172 zeigt eine homogenere Form, während die Flankenkompensations-Korrektur 306 am größten für ein großes Tastverhältnis ist. Der Leistungsfaktor 302 einer Ausführungsform beträgt fast 99%.
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4 veranschaulicht ein Flussdiagramm des Verfahrens 400 für eine Ausführungsform einer aktiven PFC-Schaltung. Das Verfahren 400 zum Steuern eines Leistungsfaktor-Korrektors enthält das Einstellen der Flankenkompensation (Schritt 404), das Anwenden der Flankenkompensation (Schritt 402), das Steuern eines Schalters (Schritt 406) und das Übertragen von Leistung zwischen einer Induktivität und einem Kondensator (Schritt 408). Das Anwenden der Flankenkompensation wird möglicherweise durch Einstellen eines Tastverhältnisses ausgeführt, weil das Tastverhältnis sich erhöht, um die Stabilität zu verbessern. Das Einstellen der Flankenkompensation bezieht das Einstellen des Signals ein, um den durch die Flankenkompensation eingebrachten Fehler zu korrigieren. Das Übertragen von Leistung zwischen einer Induktivität und einem Kondensator bezieht ein, dass, wenn ein Schalter eingeschaltet wird, Energie zu einer Induktivität fließt, und dass, wenn der Schalter ausgeschaltet wird, Energie von der Induktivität zum Kondensator fließt.
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Zu Vorteilen von Ausführungsformen zählt eine Fähigkeit, Flankenkompensation in einer aktiven PFC-Schaltung einzustellen, um den Leistungsfaktor zu verbessern. Die Flankenkompensations-Korrektur kann entweder durch digitale oder durch analoge Umsetzung erreicht werden.
