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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine aktive Rauschunterdrückungsvorrichtung, die einen externen Kriechverlust durch elektromagnetisches Rauschen, das von einem elektrischen Gerät erzeugt wird, unterdrückt.
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Allgemeiner Stand der Technik
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Mit der weitverbreiteten Verwendung von leistungselektronischen Geräten nimmt die Rauschstörung, die durch die leistungselektronischen Geräten erzeugt wird, zu. Gesetzliche Auflagen bezüglich des elektromagnetischen Rauschens, die von Europa ausgingen, haben sich auf internationaler Ebene verbreitet, und man erwartet von leistungselektronischen Geräten, dass sie das elektromagnetische Rauschen mehr unterdrücken als je zuvor.
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Derzeit ist die Rauschreduzierungstechnik, die am meisten in diversen Geräten verwendet wird, das Hinzufügen eines EMI-Filters. Beispielsweise beschreibt die Patentschrift (PLT) 1 die Probleme eines herkömmlichen EMI-Filters. Eine Filterstruktur, die in der PLT 1 beschrieben wird, wird gebildet, indem passive Elemente (Drosselspule und Kondensator) kombiniert werden. In diesem Fall schlägt die PLT 1 ein Verfahren zum Verbessern einer Gleichtakt-Drosselspule für ein EMI-Filter vor, die selbst bei 100 kHz oder mehr ein ausgezeichnetes Rauschverhalten aufweist.
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Dabei nimmt bei einem EMI-Filter das Ausmaß der Rauschreduzierung im Allgemeinen bei mehreren 100 kHz oder mehr erheblich ab. Dies wird durch die folgenden beiden Faktoren verursacht:
- (1) Ein EMI-Filter ist als LC-Schaltung gebildet, die aus passiven Elementen besteht: Drosselspulen und Kondensatoren. Es ist jedoch nicht möglich, perfekte passive Elemente zu bilden.
- (2) Je nach Anordnung und Mustern der Bauteile, die ein EMI-Filter bilden, kommt es zu einer unnötigen elektromagnetischen Kopplung/elektrostatischen Kopplung. Mit anderen Worten sind Einflüsse, wie etwa die Nähe zwischen dem Eingang und Ausgang des Filters und das Überkreuzen der Muster, nicht zu vernachlässigen.
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Auf Grund dieser Gegebenheiten werden die meisten EMI-Filter, einschließlich PLT 1, verwendet, um das Rauschen auf Frequenzen, auf welche die Leitungsrauschdämpfung abzielt, (von 150 kHz bis 30 MHz) zu reduzieren. Somit gibt es als Maßnahme gegen Strahlungsrauschen zum Dämpfen hoher Frequenzen (30 MHz oder mehr) praktisch keine andere Wahl, als einen FM-Frequenzbandkern (beispielsweise einen Ni-Zn-Ferritkern) als Gegenmaßnahme hinzuzufügen.
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Obwohl es sehr wenige davon gibt, werden jedoch EMI-Filter, die für die Verwendung gegen Strahlungsrauschen spezialisiert sind, wie in der PLT 2 beschrieben, vorgeschlagen. Die PLT 2 schlägt die Struktur einer Kombination eines FM-Frequenzbandkerns als Gegenmaßnahme und eines abgeschirmten Kabels vor, bei der ein Tiefpassfilter durch eine Drosselspule des Kerns und eine Streukapazität, die zwischen dem abgeschirmten Kabel und einer Innenverdrahtung gebildet ist, gebildet wird, wodurch ein EMI-Filter gegen Strahlungsrauschen gebildet wird. Das EMI-Filter wurde erreicht, indem sowohl der Kern als auch die Streukapazität durch Elemente gebildet wurden, die ein nahezu perfektes Verhalten in einem Frequenzband (30 MHz oder mehr), auf das die Strahlungsrauschdämpfung abzielte, bewahrten, obwohl es noch nicht vermarktet wurde.
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Dagegen werden Rauschreduzierungstechniken (aktive Rauschunterdrückungsvorrichtungen), die aktive Elemente und nicht eine Kombination von passiven Elementen (LC) verwenden, vorgeschlagen (siehe PTL 3 bis 5). Für diese aktiven Rauschunterdrückungsvorrichtungen wurden diverse Systeme vorgeschlagen. In technischer Hinsicht ist eine aktive Rauschunterdrückungsvorrichtung jedoch in etwa in die folgenden drei Funktionsblöcke unterteilt:
- (a) eine Detektionseinheit, die das zu reduzierende Rauschen detektiert (Spannungsdetektion durch einen Kondensatorspannungsteiler, Stromdetektion durch einen Gleichtakt-Transformator CT oder dergleichen);
- (b) eine Steuereinheit, die eine Kompensationsspannung/einen Kompensationsstrom gemäß dem Dämpfungsausmaß zum Reduzieren des Rauschens durch aktive Elemente ausgibt (ein Transistor, ein Operationsverstärker und dergleichen werden als aktive Elemente verwendet); und
- (c) eine Kopplungseinheit, welche die Kompensationsspannung/den Kompensationsstrom, die bzw. der von der Steuereinheit ausgegeben wird, mit einer Hauptschaltungseinheit koppelt (Transformatorkopplung oder Kondensatorkopplung).
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Die PLT 3 offenbart eine Stromdetektionseinheit als CT, eine Steuereinheit als Operationsverstärker und eine Kopplungseinheit als Kondensatoren, und die PLT 4 offenbart eine Spannungsdetektionseinheit als Kondensatorspannungsteiler, eine Steuereinheit, die aus Transistoren gebildet wird, und eine Transformator-Kopplungseinheit.
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Wie zuvor in der PLT 3 und der PLT 4 beschrieben, werden die Strukturen von diversen Kombinationen der jeweiligen Bauteile der Detektionseinheit, der Steuereinheit und der Kopplungseinheit vorgeschlagen.
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Zusätzlich variiert die Stelle zum Anschließen der aktiven Rauschunterdrückungsvorrichtung. Es kann sich um eine Systemseite, den DC-Zwischenabschnitt eines Hauptstromkreises oder eine Ausgangsseite handeln, wie in der PLT 3 beschrieben, oder die Vorrichtung kann eine Struktur einer verteilten Anordnung aufweisen (bei der die Detektionseinheit in dem DC-Zwischenabschnitt eines Hauptstromkreises angeordnet ist und die Kopplungseinheit auf der Systemseite angeordnet ist), wie in der PLT 4 beschrieben.
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In Wirklichkeit wurde die Vermarktung von aktiven Rauschunterdrückungsvorrichtungen jedoch, mit einigen Ausnahmen, auf Grund der folgenden Probleme nicht erreicht.
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(1) Schwierigkeiten bei der Verkleinerung
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Es wird veranlasst, dass eine aktive Rauschunterdrückungsvorrichtung funktioniert, um hauptsächlich eine Gleichtakt-Rauschspannung oder einen Gleichtakt-Rauschstrom zu unterdrücken. In diesem Fall ist sie häufig derart strukturiert, dass ein Transformator als Detektionseinheit oder Kopplungseinheit verwendet wird. Im Allgemeinen gilt, dass je niedriger die Rauschfrequenz, desto größer das Rauschdämpfungsbauteil. Somit wird eine Leitungskonstante basierend auf der niedrigsten Frequenz, die man reduzieren möchte, ausgelegt. Falls in diesem Fall versucht wird, einen Reduzierungseffekt zu erzielen, der ausreicht, um die Normen auf Frequenzen von mehreren kHz bis mehreren 10 kHz oder mehr oder Frequenzen der niedrigsten Standardfrequenz von 150 kHz oder mehr zu erzielen, gibt es keinen großen Unterschied des Volumens zwischen dem Transformator und der Gleichtakt-Drosselspule, und somit ist eine nennenswerte Verkleinerung schwierig.
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(2) Schwierigkeiten beim Erzielen eines großen Reduzierungseffekts im Hochfrequenzband von mehreren MHz oder mehr
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Wie bei dem zuvor erwähnten EMI-Filter ist es bei einer tatsächlichen Vorrichtung nicht möglich, perfekte Elemente (Kondensator und Transformator) zu bilden. Zudem kann auf Grund des Vorkommens einer Verzögerung (Detektionsverzögerung oder Ansteuerungsverzögerung eines Unterdrückungsschaltelements) das Rauschen insbesondere in einer Frequenzregion von mehreren MHz oder mehr nicht ausreichend unterdrückt werden. Es ist daher schwierig, einen großen Reduzierungseffekt zu erzielen. Nicht nur das, sondern eine aktive Rauschunterdrückungsvorrichtung kann zu einer Rauscherzeugungsquelle werden und kann sogar eine Frequenz erzeugen, die einen externen Kriechverlust durch Rauschen erhöht.
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Angesichts dieser Probleme wird eine aktive Rauschunterdrückungsvorrichtung vorgeschlagen, die einen großen Rauschreduzierungseffekt in einem Hochfrequenzband von mehreren MHz oder mehr bereitstellt (siehe PLT 5). Bei der in der PLT 5 beschriebenen aktiven Rauschunterdrückungsvorrichtung ist der kennzeichnende Punkt derselben eine Kopplungseinheit, zu der ein Impedanzelement als Klemme einer herkömmlichen Transformatorkopplung hinzugefügt wird, um eine Impedanzanpassung zu erzielen. Insbesondere wird das Impedanzelement eingestellt, um eine Anpassung an eine Gleichtakt-Impedanz eines Elektromotors gemäß einem Verhältnis der Drehzahlen in einem Kopplungstransistor zu erzielen. Dies ermöglicht es, eine große Rauschreduzierung in einem breiten Frequenzband von einer niedrigen Frequenz bis zu mehreren MHz oder mehr zu erreichen.
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Literaturstellen
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Patentschriften
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- PLT 1: JP H07-22886 A
- PLT 2: JP 2014-161154 A
- PLT 3: WO 2012/026186
- PLT 4: JP 2000-201044 A
- PLT 5: JP 2011-45191 A
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Kurzdarstellung
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Technisches Problem
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Um jedoch eine Impedanzanpassung zu erzielen, wie bei der Erfindung, die in der PLT 5 beschrieben wird, besteht ein Nachteil im Hinblick auf die Einschränkungen für die Last (wie beispielsweise eine Motorkapazität oder eine Kabellänge). Wenn es mit anderen Worten unter Verwendung eines Motors, der eine andere Kapazität aufweist, oder mit einem Kabel, das eine andere Länge aufweist, verwendet wird, muss das Impedanzelement für die Impedanzanpassung jedes Mal angepasst werden. Für den Fall eines universellen Wechselrichters, der für diverse Zwecke verwendet wird, können sich die obigen Bedingungen beliebig ändern, und daher ist es in Wirklichkeit schwierig, jedes Mal Anpassungen vorzunehmen. Kurz gesagt ist es für den Fall der Erfindung, die in der PLT 5 beschrieben wird, schwierig, sie für andere Zwecke als Geräte, die einen Wechselrichter und eine Last verwenden, die einzigartig vorgegeben sind, zu entwickeln.
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Da zudem das Hauptaugenmerk auf einer Maßnahme gegen eine Rauschklemmenspannung (150 kHz oder mehr) liegt, kann das Problem der Vergrößerung der aktiven Rauschunterdrückungsvorrichtung nicht gelöst werden. Falls die Frequenz begrenzt ist, insbesondere auf ein Ziel der Strahlungsrauschdämpfung (30 MHz), bei dem es schwierig ist, Gegenmaßnahmen zu treffen, wird die Frequenz höher, was eine Verkleinerung ermöglichen kann. Dies ist jedoch sehr schwierig, das es bisher keinen bekannten Fall gab, bei dem eine aktive Rauschunterdrückungsvorrichtung erreicht wurde, die Strahlungsrauschen bei mehreren 10 MHz oder mehr reduzieren kann.
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Entsprechend wurde die vorliegende Erfindung ausgebildet, indem man sich auf die Probleme der herkömmlichen Beispiele konzentriert hat, die in den jeweiligen obigen Patentschriften beschrieben wurden. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine aktive Rauschunterdrückungsvorrichtung bereitzustellen, die ein günstiges Ausmaß an Rauschreduzierung erzielen kann, ohne eine Impedanzanpassungseinheit oder dergleichen hinzuzufügen, selbst wenn sich eine Last, ein Kabel oder dergleichen ändert. Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine kleine aktive Rauschunterdrückungsvorrichtung mit der Einschränkung einer Reduzierungszielfrequenz auf Strahlungsrauschen bei 10 MHz oder mehr bereitzustellen.
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Problemlösung
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Um die Aufgaben zu erfüllen, umfasst ein Aspekt der aktiven Rauschunterdrückungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Rauschdetektionseinheit, die konfiguriert ist, um eine Rauscherzeugungsquelle von elektromagnetischem Rauschen, das von einem elektrischen Gerät erzeugt wird, zu detektieren, eine Steuereinheit, die konfiguriert ist, um ein Rauschunterdrückungssignal zum Unterdrücken eines elektromagnetischen Rauschens, das von der Rauschdetektionseinheit delektiert wird, zu bilden, und eine Signalkopplungseinheit, die das Rauschunterdrückungssignal, das von der Steuereinheit gebildet wird, dem elektrischen Gerät zuführt, wobei mindestens eine von der Rauschdetektionseinheit und der Signalkopplungseinheit eine Verdrahtung umfasst, die mit einem leitfähigen Abschnitt des elektrischen Geräts oder dem elektrischen Gerät und der Streukapazität, die zwischen der Verdrahtung und einem Abschirmleiter gebildet ist, elektrisch verbunden ist.
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Vorteilhafte Effekte
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Gemäß dem einen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eine aktive Rauschunterdrückungsvorrichtung erreicht werden, die das Strahlungsrauschen bei 10 MHz oder mehr reduziert. Insbesondere kann die aktive Rauschunterdrückungsvorrichtung kleiner als herkömmliche aktive Rauschunterdrückungsvorrichtungen gemacht werden, die das Rauschen bei mehreren 10 kHz oder 150 kHz oder mehr reduzieren, und kann auch beim Reduzieren von Strahlungsrauschen einen höheren Leistungseffekt als ein Kern als Maßnahme gegen das Strahlungsrauschen ausüben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1A bis 1C Strukturdiagramme, die eine erste Ausführungsform einer aktiven Rauschunterdrückungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung abbilden, wobei 1A eine Draufsicht der Vorrichtung ist, 1B eine Querschnittansicht derselben ist, und 1C eine Querschnittansicht ist, welche die erzeugten Streukapazitäten abbildet;
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2 ein Schaltbild, das eine Ersatzschaltung von 1 abbildet;
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3 ein Kennliniendiagramm, das die Leerlauf-Verstärkungskennlinie eines Operationsverstärkers abbildet;
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4A und 4B Querschnittansichten in einer Richtung, die zu einer Längsrichtung orthogonal ist, die geänderte Beispiele der ersten Ausführungsform abbilden;
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5 eine Grafik, die Messergebnisse einer Rauschspannungsschwankung für den Fall mit oder ohne Erdleiter und das Vorliegen eines abgeschirmten Leiters abbildet;
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6A bis 6C Querschnittansichten, die Kabelstrukturen abbilden, die eine zweite Ausführungsform der aktiven Rauschunterdrückungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung abbilden, wobei 6A ein Dreiphasen-Kabel abbildet, das einen Abschirmleiter in einer externen Schicht umfasst, 6B ein Dreiphasen-Kabel abbildet, das einen zweistufigen Abschirmleiter in einer externen Schicht umfasst, und 6C ein Dreiphasen-Kabel abbildet, das einen Erdleiter integriert;
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7 eine Seitenansicht eines Dreiphasen-Kabels;
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8 eine vergrößerte Ansicht, die ein Ergebnis einer Rauschspannungsschwankung, die beim Vorliegen des abgeschirmten Leiters in 5 gemessen wird, abbildet;
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9 ein Strukturdiagramm, das eine dritte Ausführungsform der aktiven Rauschunterdrückungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung abbildet;
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10 ein Strukturdiagramm, das eine vierte Ausführungsform der aktiven Rauschunterdrückungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung abbildet;
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11A und 11B Strukturdiagramme, die eine aktive Rauschunterdrückungsvorrichtung abbilden, durch welche die Wirkung der vierten Ausführungsform überprüft wurde;
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12 eine Wellenformgrafik einer elektrischen Feldstärke im Verhältnis zur Frequenz, die Messergebnisse von Strahlungsrauschen abbildet; und
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13 ein Schaltbild, das ein geändertes Beispiel der aktiven Rauschunterdrückungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung abbildet.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Als Nächstes werden mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. In den nachstehenden Beschreibungen der Zeichnungen sind die gleichen oder ähnliche Elemente mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen.
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Zudem sei zu beachten, dass die nachstehend angegebenen Ausführungsformen eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ausbilden des technischen Gedankens der vorliegenden Erfindung erläutern, doch dass ihr technischer Gedanke die Materialien, Formen, Strukturen, Anordnungen und dergleichen der Komponenten nicht auf diejenigen einschränkt, die nachstehend beschrieben werden. Diverse Änderungen können an dem technischen Gedanken der vorliegenden Erfindung auf dem technischen Gebiet, wie es von den Ansprüchen definiert und im Umfang der Ansprüche angegeben wird, vorgenommen werden.
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Nachstehend wird eine Ausführungsform einer aktiven Rauschunterdrückungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
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Wie in 1 abgebildet, ist eine aktive Rauschunterdrückungsvorrichtung 10 möglichst dicht mit einem nicht abgebildeten elektrischen Gerät, wie etwa einem Wechselrichter, für den eine Rauschunterdrückung benötigt wird, verbunden. Es wird vorausgesetzt, dass das elektrische Gerät ein Gerät ist, bei dem ein starkes Strahlungsrauschen von einer Verdrahtung, die das Ziel der Strahlungsrauschreduzierung ist, emittiert wird, falls die aktive Rauschunterdrückungsvorrichtung 10 nicht angewendet wird. Dabei wird vorausgesetzt, dass die Verdrahtung, die das Ziel der Strahlungsrauschreduzierung ist, eine elektrische Stromverdrahtung (ein Eingangskabel oder ein Lastkabel), ein Signalkabel oder dergleichen des Stromrichtgeräts ist, die bzw. das unabsichtlich eine Monopolantenne (Dipolantenne) bildet. Selbst wenn jedoch keine Verdrahtung außerhalb des elektrischen Geräts freigelegt wird, sind Verdrahtungen, die über ein Halbleiterelement (beispielsweise eine positive (P) Verdrahtung und eine negative (N) Verdrahtung der DC-Seite des Stromrichtgeräts) verbunden sind, Verdrahtungen, die das Ziel der Strahlungsrauschreduzierung sind.
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Es erfolgt eine Beschreibung eines Falls, bei dem die aktive Rauschunterdrückungsvorrichtung 10 eine Leiterplatte 11 umfasst, die ein vierlagiges Substrat als Isolierplatteneinheit ist, die aus einem rechteckigen Isoliermaterial gebildet ist und an einen einphasigen Eingangsabschnitt einer Eingangsseite des elektrischen Geräts angeschlossen ist.
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Im Innern der Leiterplatte 11 sind die Verdrahtungen 12a und 12b, die das Ziel der Strahlungsrauschreduzierung sind, beispielsweise aus Kupfer bestehen und sich in einer Position, die näher an einem mittleren Teil in einer Dickenrichtung zwischen einer vorderen Oberfläche und einer hinteren Oberfläche der Leiterplatte 11 liegt, längs erstrecken, mit einem vorbestimmten Abstand in der Dickenrichtung dazwischen parallel versenkt. Beispielsweise sind die linken Enden der Verdrahtungen 12a und 12b, die das Ziel der Strahlungsrauschreduzierung sind, an die einphasige Eingangsseite des elektrischen Geräts angeschlossen, und ihre rechten Enden sind an eine Energieversorgungssystemseite desselben angeschlossen.
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Dabei ist in Positionen, die den Verdrahtungen 12a und 12b, die das Ziel der Strahlungsrauschreduzierung sind, in der Leiterplatte 11 zugewandt sind, eine Rauschdetektionseinheit 13 auf der Energieversorgungssystemseite gebildet, und eine Signalkopplungseinheit 14 ist auf der einphasigen Eingangsseite des elektrischen Geräts derart gebildet, dass sie in Längsrichtung um einen vorbestimmten Abstand voneinander beabstandet sind.
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Die Rauschdetektionseinheit 13 umfasst die Abschirmleiter-Vollmuster 21a und 21b, die beispielsweise aus Kupfer bestehen und in Positionen gebildet sind, die den Verdrahtungen 12a und 12b, die das Ziel der Strahlungsrauschreduzierung sind, sowohl auf den vorderen als auch den hinteren Oberflächen der Leiterplatte 11 zugewandt sind, und welche die Verdrahtungen 12a und 12b, die das Ziel der Strahlungsrauschreduzierung sind, bedecken.
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Die beiden Abschirmleiter-Vollmuster 21a und 21b sind elektrisch miteinander verbunden durch eine leitfähige plattierte Schicht, die in einer Vielzahl von Durchgängen 22 gebildet ist, die in Längsrichtung entlang den Seitenrändern der Verdrahtungen 12a und 12b, die das Ziel der Strahlungsrauschreduzierung sind, in Positionen, die nach außen von den beiden Breitenenden der Verdrahtungen 12a und 12b, die das Ziel der Strahlungsrauschreduzierung sind, getrennt sind, gebildet sind.
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Dabei ist, wie in 1C abgebildet, die Streukapazität Cfd jeweils zwischen den Verdrahtungen 12a und 12b, die das Ziel der Strahlungsrauschreduzierung sind, und den Abschirmleiter-Vollmustern 21a und 21b, die diesen zugewandt sind, gebildet.
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Zudem weist die Signalkopplungseinheit 14 die gleiche Struktur wie die der Rauschdetektionseinheit 13 auf und umfasst die Abschirmleiter-Vollmuster 31a und 31b, die auf den vorderen und hinteren Oberflächen der Leiterplatte 11 gebildet sind. Die Abschirmleiter-Vollmuster 31a und 31b sind durch eine leitfähige plattierte Schicht, die in einer Vielzahl von Durchgängen 32 gebildet ist, elektrisch miteinander verbunden.
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Selbst in der Signalkopplungseinheit 14, wie bei der Rauschdetektionseinheit 13, ist die Streukapazität Cfc zwischen den Verdrahtungen 12a und 12b, die das Ziel der Strahlungsrauschreduzierung sind, und den Abschirmleiter-Vollmuster 31a und 31b, die diesen zugewandt sind, gebildet, wie in 1C abgebildet.
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Ferner ist, wie in 1C abgebildet, eine Steuereinheit 15 zwischen der Rauschdetektionseinheit 13 und der Signalkopplungseinheit 14 angeschlossen. Die Steuereinheit 15 umfasst nur einen Inversionsverstärker 41. Der Inversionsverstärker 41 umfasst einen Operationsverstärker 42, einen Widerstand R1, der zwischen einer invertierenden Eingangsklemme des Operationsverstärkers 42 und dem Abschirmleiter-Vollmuster 21b der Rauschdetektionseinheit 13 angeschlossen ist, einen festen Potenzialpunkt 43 des Stromrichtgeräts als elektrisches Gerät, das an eine nicht invertierende Eingangsklemme desselben angeschlossen ist, und einen Rückkopplungswiderstand R2, der zwischen einer Ausgangsklemme desselben und der invertierenden Eingangsklemme desselben angeschlossen ist. Die Ausgangsklemme desselben ist an das Abschirmleiter-Vollmuster 31b der Signalkopplungseinheit 14 angeschlossen.
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Dabei wird vorausgesetzt, dass der feste Potenzialpunkt 43 des Stromrichtgeräts ein Gehäuse, eine Kühlrippe oder dergleichen ist, das bzw. die sich auf einem Rahmenerdpotenzial befindet, und allgemein als ein leitfähiger Abschnitt angesehen werden kann, der ein großes Volumen oder eine große Fläche in der Vorrichtung einnimmt.
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Zudem müssen der feste Potenzialpunkt und die nicht invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers 42 mit einer möglichst niedrigen Impedanz verbunden sein. Wenn die Verbindung mit einem Kabel hergestellt wird, um die Impedanz bei der Verbindung zu erzielen, kann eine Frequenz, auf der das Rauschen durch die aktive Rauschunterdrückungsvorrichtung reduziert werden kann, gesenkt werden. Die Versuchsergebnisse aus 12, die noch beschrieben werden, bestätigten, dass wenn die Verdrahtung mit einem Kabel von 2,5 cm erfolgt, bei 70 MHz oder mehr kein Rauschreduzierungseffekt erreicht werden kann. Zudem bestätigte sich, dass wenn die Länge des Kabels 10 cm (ungefähr 100 nH) beträgt, der Rauschreduzierungseffekt bei 30 MHz oder mehr gering ist.
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Entsprechend werden beim Verbinden der nicht invertierenden Eingangsklemme mit dem festen Potenzialpunkt die Verdrahtungen auf der Leiterplatte in einem Bereich, der die Auflagen bezüglich Druckwiderstand, Anordnung und dergleichen erfüllt, bevorzugt möglichst kurz gestaltet, und die Verbindung der Verdrahtungen auf der Leiterplatte mit der Kühlrippe oder dergleichen, die als fester Potenzialpunkt dient, erfolgt mit einer geringen Impedanz, wie etwa durch Festschrauben mit einer Stiftschraube oder dergleichen oder Kontaktieren der Verdrahtungen auf der Leiterplatte mit einem vorstehenden Verbindungsabschnitt, der auf der Kühlrippe oder dergleichen bereitgestellt wird.
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Ferner kann für den Fall, dass das Stromrichtgerät eine Vielzahl von Leiterplatten umfasst und derart angeordnet ist, dass die Leiterplatten von dem festen Potenzialpunkt, wie etwa von einer Kühlrippe, aus geschichtet sind, eine niederohmige Verbindung hergestellt werden, indem eine Leiterplatte zum Montieren der aktiven Rauschunterdrückungsvorrichtung auf einer möglichst niedrigen Schicht angeordnet wird, d. h. in einer Position, die näher an der Kühlrippe oder dergleichen ist, und im Idealfall auf der untersten Schicht (in dem kürzesten Abstand von dem festen Potenzialpunkt, wie etwa von einer Kühlrippe), so dass ohne Weiteres ein günstiger Rauschreduzierungseffekt erzielt werden kann.
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Zudem kann als Energieversorgung des Operationsverstärkers 42 ein Akkumulator verwendet werden, oder alternativ kann eine DC-Energieversorgung erzielt werden, indem AC-Strom, der durch die Verdrahtungen 12a und 12b, die das Ziel der Strahlungsrauschreduzierung sind, fließt, gleichgerichtet und einer nicht abgebildeten Schaltenergieversorgung zugeführt wird. Die Verwendung einer exklusiven isolierten Energieversorgung als Energieversorgung des Operationsverstärkers 42 kann den Rauschreduzierungseffekt weiter verbessern.
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Als Nächstes wird der Betrieb der ersten Ausführungsform unter Verwendung einer Ersatzschaltung aus 2 beschrieben.
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Die Rauschdetektionseinheit 13, die in der Ersatzschaltung dargestellt ist, ist eine verteilte konstante Leitung, die eine Verdrahtungsdrosselspule LC der Verdrahtungen 12a und 12b, die das Ziel der Rauschreduzierung sind, und die Streukapazität Cfd zwischen den Verdrahtungen 12a und 12b, die das Ziel der Rauschreduzierung sind, und den Abschirmleiter-Vollmustern 21a und 21b umfasst, wie in 2 abgebildet. Somit wird auf Grund des Einflusses der Verdrahtungsdrosselspule ein LC-Resonanzkreis gebildet, wodurch mehrere Resonanzkennlinien erzeugt werden, welche die Resonanz und Halbresonanz wiederholen.
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In dem verteilten konstanten Stromkreis dient die Streukapazität Cfd als perfekter Kondensator, indem eine primäre Resonanzfrequenz höher als eine höchste Frequenz, auf der eine Rauschreduzierung erwünscht ist, eingestellt wird.
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Es muss eine derartige Struktur (eine Fläche und eine Länge, in der die Verdrahtungen 12a und 12b, die das Ziel der Rauschreduzierung sind, den Abschirmleiter-Vollmustern 21a und 21b zugewandt sind) bereitgestellt werden, dass die primäre Resonanzfrequenz des LC-Resonanzkreises 100 MHz oder mehr beträgt, d. h. eine Referenz für die höchste Frequenz ist, auf der das Rauschen durch die aktive Rauschunterdrückungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung reduziert werden soll. Aus technischer Sicht ändert sich die Impedanz jedoch selbst auf einer Frequenz, die niedriger als eine Resonanzfrequenz ist, auf Grund des Einflusses der Resonanz. Wenn somit die primäre Resonanzfrequenz auf ungefähr 300 MHz höher eingestellt wird, dient die Streukapazität als perfekter Kondensator, der ein ausgezeichnetes Frequenzverhalten aufweist.
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Ähnlich wird in der Signalkopplungseinheit 14, welche die gleiche Struktur wie die Rauschdetektionseinheit 13 aufweist, ein LC-Resonanzkreis durch die Verdrahtungsdrosselspule LC und die Streukapazität Cfc gebildet, und die Streukapazität dient als perfekter Kondensator, der ein ausgezeichnetes Frequenzverhalten aufweist.
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Dann wird die Steuereinheit 15 zwischen der Rauschdetektionseinheit 13 und der Signalkopplungseinheit 14 angeschlossen. Die Steuereinheit 15 bildet den Inversionsverstärker 41 unter Verwendung des Operationsverstärkers 42. Entsprechend wird eine Rauschspannung Vnoise, die von der Rauschdetektionseinheit 13 detektiert wird, invertiert und von dem Inversionsverstärker 41 verstärkt, in eine Ausgangsspannung Vcompen umgewandelt, die zu einem Rauschunterdrückungssignal wird, und die Ausgangsspannung Vcompen wird an das Abschirmleiter-Vollmuster 31b der Signalkopplungseinheit 14 angelegt. Die Signalkopplungseinheit 14 unterdrückt die Rauschspannung Vnoise durch die Ausgangsspannung Vcompen, so dass das Vorkommen von Strahlungsrauschen unterdrückt werden kann.
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Wie zuvor beschrieben, da bei der vorliegenden Ausführungsform die Steuereinheit 15 nur durch den Inversionsverstärker 41 gebildet wird, kann eine einfachere Struktur als bei den herkömmlichen Beispielen bereitgestellt werden. Da des Weiteren der Inversionsverstärker 41 durch die Widerstände R1 und R2 und den Operationsverstärker 42 gebildet wird, wird die Ausgangsspannung Vcompen, die ein Rauschunterdrückungssignal wird, derart angepasst, dass die Rauschspannung Vnoise 0 V ergibt, wodurch eine sehr einfache Spannungsregelung erreicht wird. Zudem werden die jeweiligen Anteile der Rauschspannung Vnoise und der Ausgangsspannung Vcompen ungefähr in Abhängigkeit von einem Verhältnis der Streukapazitäten der Rauschdetektionseinheit 13 und der Signalkopplungseinheit 14 bestimmt.
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In vielen Fällen verwenden die herkömmlichen Beispiele eine komplizierte Struktur mit einer Kombination aus einem Pufferverstärker und einem Filter. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann die Steuereinheit 15 jedoch durch die sehr einfache Struktur gebildet werden, die nur den Operationsverstärker 42 verwendet, so dass auch die Verzögerung minimiert werden kann.
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Obwohl im Übrigen die Simulationsergebnisse die der herkömmlichen technischen Literatur, welche die Verwendung nur eines Inversionsverstärkers beschreibt, enthielten, hat die Verwendung nur eines Operationsverstärkers kein ausreichendes Ausgangsverhalten für den Fall einer aktiven Rauschunterdrückungsvorrichtung zum Reduzieren von Leitungsrauschen auf Frequenzen von mehreren 10 bis mehreren 100 kHz, wobei es sich um ein herkömmliches Reduzierungsziel handelt, bereitgestellt. Somit gibt es in der herkömmlichen technischen Literatur, welche die Versuchsergebnisse zeigt, keinen Fall, bei dem eine Steuereinheit durch nur einen Inversionsverstärker erreicht wurde. In der Nicht-Patentschrift
„An Optimized Feedback Common Mode Active Filter for Induction Motor Drives", die auf den Seiten 3153 bis 3162 von „IEEE TRANSACTION ON POWER ELECTRONICS, VOL., 26 NO. 11, NOVEMBER 2011" beschrieben wird, werden Operationsverstärker jeweils für ein Tiefpassfilter, einen linearen Verstärker und einen Leistungsverstärker verwendet, um eine aktive Rauschunterdrückungsvorrichtung zu erreichen, die Leitungsrauschen unterdrückt, wodurch eine komplizierte Struktur gebildet wird, die alle drei Operationsverstärker verwendet.
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Der Grund dafür, dass die vorliegende Ausführungsform die Steuereinheit 15 allein durch den Inversionsverstärker 41 bilden kann, ist, dass bei Strahlungsrauschen auf Frequenzen von 10 MHz oder mehr, auf denen das Rauschen reduziert werden soll, die Energie, welche die aktive Rauschunterdrückungsvorrichtung kompensieren soll, gering ist und daher durch nur einen Operationsverstärker ausreichend gedämpft werden kann.
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Zudem ist bei der vorliegenden Ausführungsform die invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers 42, der den Inversionsverstärker 41 der Steuereinheit 15 bildet, über den Widerstand R1 mit dem Abschirmleiter-Vollmuster 21b der Rauschdetektionseinheit 13 verbunden. Der Widerstand R1 und die Streukapazität Cfd der Rauschdetektionseinheit 13 können zusammen ein Hochpassfilter bilden (ein Hochpassfilter mit einer Grenzfrequenz fz = 1/(2πR1Cfd). Wie zuvor beschrieben, kann die Streukapazität Cfd ein ausgezeichnetes Frequenzverhalten zeigen, und die Widerstände R1 und R2, die den Inversionsverstärker 41 bilden, können ein ausgezeichnetes Hochfrequenzverhalten zeigen, indem sie Chip-Widerstände verwenden. Entsprechend kann ein Filter gebildet werden, dass eine bis zu einem Hochfrequenzband von mehreren 10 bis 100 MHz oder mehr eine gute Leistung aufweist.
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Dabei ist der Rauschreduzierungseffekt wesentlich anders durch richtiges Einstellen der Grenzfrequenz des Hochpassfilters, das durch den Widerstand R1 und die Streukapazität Cfd der Rauschdetektionseinheit 13 gebildet wird. Um das Strahlungsrauschen bei 30 MHz oder mehr zu reduzieren, wobei es sich um ein Ziel für die Strahlungsrauschdämpfung handelt, muss die Grenzfrequenz niedriger als 30 MHz sein, wobei es sich um die niedrigste zu dämpfende Frequenz handelt. Für eine genauere Detektion wird die Grenzfrequenz bevorzugt auf 12,5 MHz oder weniger eingestellt, auf der das Ausmaß der Abschwächung 3 dB oder weniger ist.
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Wenn jedoch die Grenzfrequenz eingestellt wird, um extrem niedrig zu sein, nimmt die Spannung, die in den Operationsverstärker 42 eingegeben wird, zu, was die Sättigung des Operationsverstärkers 42 verursacht. Der gesättigte Operationsverstärker 42 kann keine geeignete Kompensationsspannung ausgeben, was daher den Rauschreduzierungseffekt erheblich verschlechtert. Somit wird die Grenzfrequenz bevorzugt auf 3,5 MHz oder mehr eingestellt, auf der das Ausmaß der Rauschreduzierung bei 30 MHz 1 dB beträgt.
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Aus dem Vorstehenden kann durch Einstellen der Grenzfrequenz des Hochpassfilters, das durch den Widerstand R1 und die Streukapazität Cfd der Rauschdetektionseinheit 13 gebildet wird, in einem Bereich von 3,5 bis 12,5 MHz, eine aktive Rauschunterdrückungsvorrichtung gebildet werden, die es ermöglicht, durch den kleinen Operationsverstärker 42 ein großes Ausmaß an Rauschreduzierung zu erzielen.
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Zudem wird im Idealfall, wenn die Verstärkung des zuvor beschriebenen Inversionsverstärkers 41 zunimmt, der Rauschreduzierungseffekt größer, wohingegen es zu Schwingungen kommt, die leicht zu Instabilität führen. Obwohl ein Produkt, das bis zu einem Hochfrequenzbanz verwendbar ist, als Operationsverstärker 42 ausgewählt werden muss, nimmt jedoch die Leerlaufverstärkung des Operationsverstärker 42 allein ab, wenn auf Frequenzen von 30 MHz oder mehr abgezielt wird, die das Ziel der Strahlungsrauschdämpfung sind.
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Insbesondere bildet 3 ein Frequenzkennlinienbeispiel der Leerlaufverstärkung eines rauscharmen Operationsverstärkers ab, der bis auf eine hohe Frequenz (1 GHz) verwendbar ist. Wie in 3 abgebildet, wird eine Leerlaufverstärkung von 60 dB bei 400 kHz oder weniger erzielt, wohingegen die Leerlaufverstärkung bei 30 MHz auf ungefähr 23 dB abnimmt. Wenn die Verstärkung des Inversionsverstärkers 41 gemäß einer Verstärkung von mehreren MHz des Operationsverstärkers 42 eingestellt wird, verursacht deshalb eine Frequenzkomponente von mehreren MHz, die kein Dämpfungsziel ist, Schwingungen.
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Somit werden die Widerstandswerte der Widerstände R1 und R2 bestimmt, um gleich oder kleiner als die Leerlaufverstärkung des Operationsverstärkers 42 bei 30 MHz zu sein. Auf diese Art und Weise kann ein Ausmaß an Rauschreduzierung erzielt werden, das es ermöglicht, dass die Leistung des Operationsverstärkers 42 auf Frequenzen von 30 MHz oder mehr, auf welche die Rauschdämpfung abzielt, maximal verwendet werden kann.
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Somit kann durch das Bestimmen des Widerstandswertes des Widerstands R2, der für die Leerlaufverstärkung des Operationsverstärkers 42 geeignet ist, nach dem Bestimmen der Grenzfrequenz des Hochpassfilters, das durch die Streukapazität Cfd und den Widerstand R1 gebildet wird, der Inversionsverstärker 41 kombiniert mit dem Hochpassfilter entsprechend ausgelegt werden.
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Da alle von der Rauschdetektionseinheit 13, der Signalkopplungseinheit 14 und der Steuereinheit 15 gebildet werden können, um an Frequenzen angepasst zu werden, auf welche die Strahlungsrauschdämpfung abzielt (30 MHz oder mehr), kann daher im Vergleich dazu, wenn sie einzeln angewendet werden, ein ausgezeichnetes Frequenzverhalten erzielt werden.
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Dabei befinden sich die Rauschdetektionseinheit 13 und die Signalkopplungsvorrichtung 14 bevorzugt möglichst nah aneinander. Zudem befindet sich die Steuereinheit 15 auch bevorzugt nahe daran. Der Grund dafür ist, dass bei der Spannungsregelung durch den Inversionsverstärker 41, wenn es zu einer Laufzeitverzögerung zwischen der Rauschdetektionseinheit 13 und der Signalkopplungseinheit 14 kommt, der Operationsverstärker 42 zu Schwingungen neigt.
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Zudem kann durch Anordnen der Rauschdetektionseinheit 13 auf einer stromabwärtigen Seite (der Lastseite oder der Systemseite) der Signalkopplungseinheit 14 die Rauschspannung Vnoise, die durch die Signalkopplungseinheit 14 nicht unterdrückt werden kann, detektiert werden, wodurch sichergestellt wird, dass das Strahlungsrauschen reduziert werden kann.
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Obwohl zudem die erste Ausführungsform den Fall beschrieben hat, bei dem die Leiterplatte 11 eine rechteckige Plattenform in Draufsicht aufweist, ist die Form der Leiterplatte 11 nicht darauf eingeschränkt und kann in einer beliebigen Form, wie etwa L-förmig oder bogenförmig, gebildet sein.
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Obwohl zudem die erste Ausführungsform den Fall beschrieben hat, bei dem die vorliegende Erfindung auf die einphasige Eingangsseite angewendet wurde, ist dies rein beispielhaft. Die vorliegende Erfindung kann auch auf ein Einphasen-Dreileiter-System, ein Dreiphasen-Dreileiter-System, ein Dreiphasen-Vierleiter-System und dergleichen angewendet werden. Wenn beispielsweise eine Struktur eines Dreiphasen-Vierleiter-Systems gebildet wird, kann die Struktur gebildet werden, die in 4A oder 4B abgebildet ist.
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Insbesondere weist in 4A die verwendete Leiterplatte 11 eine vierlagige Struktur auf. In der Rauschdetektionseinheit 13 (oder der Signalkopplungseinheit 14), die auf der Leiterplatte 11 gebildet ist, sind eine R-Phasenverdrahtung 12r und eine S-Phasenverdrahtung 12s in der gleichen Schicht parallel angeordnet, und eine T-Phasenverdrahtung 12t und ein Erdverdrahtung 12e sind in der gleichen Schicht parallel angeordnet. Es wird bewirkt, dass die R-Phasenverdrahtung 12r und die S-Phasenverdrahtung 12s dem Abschirmleiter-Vollmuster 21a (oder 31a) zugewandt sind, um dazwischen eine Streukapazität zu bilden, und es wird bewirkt, dass die T-Phasenverdrahtung 12t und die Erdverdrahtung 12e dem Abschirmleiter-Vollmuster 21b (oder 31b) zugewandt sind, um dazwischen eine Streukapazität zu bilden.
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In 4(b) weist die verwendete Leiterplatte 11 eine achtlagige Struktur auf. In der Rauschdetektionseinheit 13 (oder der Signalkopplungseinheit 14), die auf der Leiterplatte 11 gebildet ist, sind die R-Phasenverdrahtung 12r, die S-Phasenverdrahtung 12s, die T-Phasenverdrahtung 12t und die Erdverdrahtung 12e in einer Dickenrichtung derselben parallel angeordnet. Dabei sind auf den vorderen und hinteren Oberflächen der Leiterplatte 11 die Abschirmleiter-Vollmuster 21a (oder 31a) und 21b (oder 31b) angeordnet, und zwischen der S-Phasenverdrahtung 12s und der T-Phasenverdrahtung 12t kann jeweils ein Abschirmleiter-Vollmuster 21c (oder 31c) angeordnet sein. In diesem Fall können die Breiten der R-Phasenverdrahtung 12r, der S-Phasenverdrahtung 12s, der T-Phasenverdrahtung 12t und der Erdverdrahtung 12e groß ausgelegt sein, so dass eine größere Streukapazität gebildet werden kann.
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Somit kann für den Fall eines Einphasen-Dreileiter-Systems oder einer Dreiphasen-Vorrichtung, die eine Erdleitung umfasst, wenn die Verdrahtungen, die das Ziel der Rauschreduzierung sind, die Erdleitung umfassen, der Reduzierungseffekt des Strahlungsrauschens weiter verbessert werden. Eine Spannungsschwankung eines Stromleiters wird unterdrückt, indem der Erdleiter nahe daran angeordnet wird. Dadurch ist für den Fall von Strahlungsrauschen eine Potenzialschwankung des Erdleiters (gleichwertig zu Vnoise) nicht zu vernachlässigen. Da das Einbeziehen des Erdleiters in die Verdrahtungen, die das Ziel der Rauschreduzierung sind, auch die Spannungsschwankung des Erdleiters unterdrücken kann, kann der Reduzierungseffekt des Strahlungsrauschens verbessert werden.
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5 bildet die Ergebnisse ab, die durch Messen der Rauschspannung Vnoise erzielt werden, wenn die vorliegende Erfindung auf das Stromrichtgerät angewendet wird. Es ist ersichtlich, dass eine Rauschspannung Vnoise zu beobachten ist, die eine Potenzialschwankung verursacht, die wegen einer Schaltfrequenz von 50 kHz eine im Wesentlichen rechteckige Wellenform aufweist. Dabei kann aus den Versuchsergebnissen bestätigt werden, dass im Vergleich zu einer Bedingung ohne Erdleiter, die in 5 durch eine helle durchgezogene Linie angegeben ist, eine Bedingung mit Erdleiter, die durch eine dunkle durchgezogene Linie angegeben wird, d. h. eine Rauschspannung Vnoise, die zusammen detektiert werden, indem ein Stromleiter und ein Erdleiter dicht nebeneinander angeordnet werden, kleiner ist, so dass die Rauschspannung selber unterdrückt wird.
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Entsprechend kann der Unterdrückungseffekt des Strahlungsrauschens verbessert werden, indem die Rauschspannung Vnoise detektiert wird und die Spannung durch die aktive Rauschunterdrückungsvorrichtung in dem Zustand, in dem Kabel, die einen Erdleiter umfassen, gemeinsam angeordnet sind, abgeschwächt wird.
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Als Nächstes wird eine zweite Ausführungsform der aktiven Rauschunterdrückungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 6A bis 6C und 7 beschrieben.
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Statt die Leiterplatte 11 in die aktive Rauschunterdrückungsvorrichtung 10 einzubeziehen, sind die Rauschdetektionseinheit 13 und die Signalkopplungseinheit 14 bei der zweiten Ausführungsform beispielsweise an einem Kabel, wie etwa einem Stromverdrahtungskabel (einem Eingangskabel oder einem Lastkabel) oder einem Signalkabel des Stromrichtgeräts, welches das elektrische Gerät bildet, angeordnet.
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Insbesondere werden als ein Beispiel der zweiten Ausführungsform die Rauschdetektionseinheit 13 und die Signalkopplungseinheit 14 als Dreiphasen-Kabel 51, wie etwa als Lastkabel oder Eingangskabel, gebildet.
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Ein Beispiel des Dreiphasen-Kabels 51 weist eine vieradrige Kabelstruktur auf, wie in 6A abgebildet, in der eine R-Phasenverdrahtung 52r, eine S-Phasenverdrahtung 52s, eine T-Phasenverdrahtung 52t und eine Erdverdrahtung 52e, die jeweils isolierbeschichtet sind, in einem röhrenförmigen Isolator 53 eingebettet sind, ein Abschirmleiter 54 auf einer äußeren Umfangsfläche des Isolators 53 angeordnet ist, und eine Isolationsbeschichtung 55 auf einem äußeren Umfang des Abschirmleiters 54 angeordnet ist.
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Selbst in diesem Fall kann die Streukapazität Cf, die durch die Ersatzschaltung aus 2 angegeben wird, zwischen dem Abschirmleiter 54 und jeder von der R-Phasenverdrahtung 52r, der S-Phasenverdrahtung 52s und der T-Phasenverdrahtung 52t gebildet sein. Entsprechend wird, wie in 7 abgebildet, die Isolationsbeschichtung 55 umfangsmäßig derart entfernt, dass sie den Abschirmleiter 54 in einer Position freilegt, die von der Spitze einer Seite des Kabels, das mit dem elektrischen Gerät verbunden ist, um einen vorbestimmten Abstand beabstandet ist. Als Nächstes wird der Abschirmleiter 54 umfangsmäßig derart entfernt, dass er seine beiden axialen Enden freilässt, um einen Trennabschnitt 58 zur Längstrennung des Abschirmleiters 54 zu bilden, und die Spitzenseite des Kabels wird als Signalkopplungseinheit 14 verwendet, wohingegen die Seite des hinteren Endes desselben als Rauschdetektionseinheit 13 verwendet wird.
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Dann wird die invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers 42, der den Inversionsverstärker 41 der Steuereinheit 15 bildet, mit dem freigelegten Abschirmleiter 54 der Rauschdetektionseinheit 13 über den Widerstand R1 verbunden, und eine Ausgangsklemme des Operationsverstärkers 42 wird mit dem freigelegten Abschirmleiter 54 der Signalkopplungseinheit 14 verbunden.
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Hinsichtlich der Ersatzschaltung weist die zweite Ausführungsform die gleiche Struktur wie die der zuvor beschriebenen ersten Ausführungsform auf. Die Rauschspannung Vnoise, die von der Rauschdetektionseinheit 13 detektiert wird, wird durch den Inversionsverstärker 41 invertiert und verstärkt, und die Ausgangsspannung Vcompen als Rauschunterdrückungssignal wird an den Abschirmleiter 54 der Signalkopplungseinheit 14 angelegt, wodurch die Rauschspannungen der R-Phasenverdrahtung 52r, der S-Phasenverdrahtung 52s und der T-Phasenverdrahtung 52t durch die Signalkopplungseinheit 14 unterdrückt werden können, so dass der gleiche Betriebseffekt wie derjenige der zuvor beschriebenen ersten Ausführungsform erzielt werden kann. Daraufhin kann die Rauschspannung Vnoise auf ungefähr 0 V gebracht werden, wie durch eine gestrichelte Linie in der zuvor beschriebenen 5 angegeben.
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Da des Weiteren die zweite Ausführungsform den Abschirmleiter 54 bereitstellt, der den jeweiligen Verdrahtungen des Dreiphasen-Kabels gemeinsam ist, kann die gesamte Struktur kleiner gemacht werden als für den Fall, dass die Leiterplatte 11 bereitgestellt wird, wie bei der zuvor beschriebenen ersten Ausführungsform.
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Obwohl zudem die zweite Ausführungsform den Fall beschrieben hat, bei dem der Abschirmleiter 54 einzeln angeordnet ist, ist dies rein beispielhaft. Insbesondere wie in 6B abgebildet, wird ein zweiter Abschirmleiter 56 außerhalb des Abschirmleiters 54 derart angeordnet, dass er den Abschirmleiter 54 umgibt, wodurch ein höherer Abschirmeffekt ausgeübt wird, der eine weitere Reduzierung des Strahlungsrauschens ermöglicht. In diesem Fall umfassen die Verdrahtungen, die das Ziel der Strahlungsrauschreduzierung sind, den Abschirmleiter 54 zusätzlich zu der R-Phasenverdrahtung 52r, der S-Phasenverdrahtung 52s, der T-Phasenverdrahtung 52t und der Erdverdrahtung 52e. Für den Fall eines Stromrichtgeräts oder eines Kommunikationskabels kann ein abgeschirmter Leiter angewendet werden, um den externen Kriechverlust durch Rauschen zu reduzieren.
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In der Tat emittiert jedoch ein abgeschirmter Leiter ebenfalls ein Strahlungsrauschen. Dies ist der Fall, weil selbst wenn ein abgeschirmter Leiter verwendet wird, das Potenzial (gleichwertig zu Vnoise) des Abschirmleiters 54 nicht ganz gleich 0 V ist und auf Grund einer minimalen Potenzialschwankung nach außen emittiert wird. In diesem Fall kann die Potenzialschwankung des Abschirmleiters 54 unterdrückt werden, indem der zweite Abschirmleiter 56 gebildet wird, wie in 6B, und die Rauschdetektionseinheit und die Signalkopplungseinheit können durch eine Streukapazität gebildet werden, die zwischen dem Abschirmleiter 54 und dem zweiten Abschirmleiter 56 gebildet sind, was eine weitere Reduzierung des Strahlungsrauschens ermöglicht. Zudem bezeichnet das Bezugszeichen 57 eine Isolationsbeschichtung, die den zweiten Abschirmleiter 56 bedeckt.
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Dabei hat die zuvor beschriebene 5 die Ergebnisse der Rauschspannung Vnoise gezeigt, die gemessen wurde, als die Ausführungsform auf ein Stromrichtgerät angewendet wurde, in dem die Rauschspannung Vnoise in einem Zustand, der einen abgeschirmten Leiter umfasst, ebenfalls vorhanden ist, wie durch eine gestrichelte Linie angegeben. Die Ergebnisse aus 5 legen nahe, dass die Rauschspannung Vnoise des abgeschirmten Leiters im Vergleich zu den anderen Bedingungen sehr gering ist, und somit das Strahlungsrauschen durch einen abgeschirmten Leiter reduziert werden kann.
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8 bildet ein vergrößertes Ergebnis der Rauschspannungs-Kennlinienkurve unter der Bedingung mit einem abgeschirmten Leiter ab, die in 5 abgebildet ist. Wie aus 8 ersichtlich, ist zum Zeitpunkt des Schaltens ein Hochfrequenz-Spitzenspannungssignal zu beobachten, wie etwa eine große Stoßspannung von ungefähr ±0,5 V. die erheblich kleiner als unter den anderen Bedingungen ist, und daher kann die Rauschspannung Vnoise nicht ganz auf 0 V gebracht werden.
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Die Rauschspannung Vnoise ändert sich erheblich je nach einem Verfahren zum Erden des abgeschirmten Leiters (ein Verfahren zum Verbinden mit einem festen Potenzial). Beispielsweise unter einer Bedingung, die es ermöglicht, eine niederohmige Verbindung durch eine Schirmklemme herzustellen, verringert sich die Rauschspannung Vnoise erheblich, wie in 8 abgebildet. Für den Fall einer so genannten Kabelschwanzverbindung kann es jedoch sein, dass im Vergleich zu der Bedingung mit Erdleiter in 5 keine große Änderung gegeben ist.
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Auf jeden Fall ist es schwierig, die Rauschspannung Vnoise ganz auf 0 V zu bringen, was zu einer Strahlungsrauschquelle führt. Somit kann mit der der Bildung der Rauschdetektionseinheit 13 und der Signalkopplungseinheit 14, die einen abgeschirmten Leiter umfassen, wie zuvor beschrieben, ein Strahlungsrauschen weiter reduziert werden.
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Ferner ist bei der Struktur aus 6C, anders als ein typisches vieradriges Kabel, die Erdverdrahtung 52e unterteilt, und das Kabel ist derart gebildet, dass die Abstände zwischen der R-Phasenverdrahtung 52r, der S-Phasenverdrahtung 52s und der T-Phasenverdrahtung 52t und der Erdverdrahtung 52e gleich sind. Bei dem in 6C abgebildeten Kabel, das im Wesentlichen einem Abschirmkabel entspricht, ist die Streukapazität zwischen der R-Phasenverdrahtung 52r, der S-Phasenverdrahtung 52s und der T-Phasenverdrahtung 52t und der Erdverdrahtung 52e groß gebildet, so dass die Rauschdetektionseinheit 13 und die Signalkopplungseinheit 14 umgeleitet werden können.
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Obwohl dies sogar in dem obigen Paragraf [0078] beschrieben wurde, ist die Tatsache, dass die Erdverdrahtung 52e und der abgeschirmte Leiter in den Verdrahtungen, die das Ziel der Strahlungsrauschreduzierung sind, somit enthalten sind, eine Technik, die für die Rauschunterdrückungsvorrichtung, die auf Strahlungsrauschen abzielt, spezifisch ist, und herkömmliche aktive Rauschunterdrückungsvorrichtungen zum Unterdrücken von Leitungsrauschen berücksichtigen keinen Erdleiter und abgeschirmten Leiter als Verdrahtungen, die das Ziel der Rauschreduzierung sind.
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Obwohl zudem die zweite Ausführungsform die vieradrigen Kabel beschrieben hat, kann die Ausführungsform ähnlich auf dreiadrige Kabel (ein Dreiphasen-Dreileiter-Kabel und ein Einphasen-Dreileiter-Kabel), zweiadrige Kabel (ein Einphasen-Kabel und ein DC-Kabel) und dergleichen angewendet werden. Zudem kann für den Fall von Signalkabeln die Anzahl der Adern weiter erhöht werden.
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Obwohl zudem die ersten und zweiten Ausführungsformen den Fall beschrieben haben, bei dem sowohl die Rauschdetektionseinheit 13 als auch die Signalkopplungseinheit 14 gebildet werden, indem sie die Streukapazität umfassen, kann entweder die Rauschdetektionseinheit 13 oder die Signalkopplungseinheit 14 gebildet werden, indem die Streukapazität enthalten ist. Wie zuvor beschrieben, können diverse vorgeschlagene aktive Rauschunterdrückungsvorrichtungen, wie bei den herkömmlichen Techniken, keinen perfekten Kondensator erreichen, wodurch es unmöglich ist, das Rauschen bis zu den hohen Frequenzen zu detektieren und zu koppeln. Entsprechend kann man durch Anwenden der Streukapazität auf die Spannungsdetektionseinheit und die Spannungskopplungseinheit der aktiven Rauschunterdrückungsvorrichtungen, die bei den herkömmlichen Beispielen vorgeschlagen werden, eine Verbesserung des Ausmaßes der Rauschreduzierung in einem Hochfrequenzband erwarten.
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Die elektrostatische Kapazität der Streukapazität ist jedoch viel kleiner als eine elektrostatische Kapazität, die von einem Kondensatorspannungsteiler bei den herkömmlichen Techniken detektiert wird, und daher ist es schwierig, eine Potenzialschwankung in einem Frequenzband, in dem auf das Leitungsrauschen abgezielt wird, richtig zu detektieren. Zudem kommt es selbst bei einem herkömmlichen Kondensator, der auf die Signalkopplungseinheit 14 angewendet wird, zu dem gleichen Problem. Somit kann man sagen, dass die Rauschdetektionseinheit 13 und die Signalkopplungseinheit 14, die durch die Streukapazität erreicht werden, wirksamere Bauteile für die Verwendung bei der Reduzierung von Strahlungsrauschen sind.
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Obwohl zudem beschrieben wurde, dass die Streukapazität als Kondensator dient, der ein ausgezeichnetes Frequenzverhalten aufweist, ist der verteilte konstante Stromkreis, der die Verdrahtungsdrosselspule und die Streukapazität umfasst, technisch gebildet wie in 2 abgebildet. Somit kommt es auf Grund des Einflusses der Verdrahtungsdrosselspule zu LC-Resonanz und Halbresonanzverhalten. Dies gilt sowohl für die Leiterplatte, die in 1 abgebildet ist, als auch für die Kabel, die in 6A bis 6C abgebildet sind. Mit anderen Worten dient dadurch, dass eine primäre Resonanzfrequenz hoher als eine Frequenz, die man in einer verteilten konstanten Leitung reduzieren möchte, wie in 2 abgebildet, eingestellt wird, die Streukapazität als perfekter Kondensator.
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Die Streukapazität und die Verdrahtungsdrosselspule sind je nach Leiterplattenstruktur und Kabelstruktur unterschiedlich, und die primäre Resonanzfrequenz ist ebenfalls ganz anders. Wie es noch beschrieben wird, reichen die Frequenzen, von denen durch Versuche bestätigt wurde, dass die Wirkung durch die Erfindung der vorliegenden Anmeldung erzielt werden kann, von ungefähr 10 MHz bis 100 MHz oder mehr. Entsprechend ist es notwendig, eine Struktur (Länge und Fläche) bereitzustellen, die es ermöglicht, dass die zuvor erwähnte LC-Resonanzfrequenz und die Halbresonanzfrequenz gleich 100 MHz oder mehr sind. Aus technischer Sicht ändert sich die Impedanz jedoch selbst auf einer Frequenz, die niedriger als eine Resonanzfrequenz ist, auf Grund des Einflusses der Resonanz. Wenn somit die primäre Resonanzfrequenz eingestellt wird, um höher zu sein, bis etwa 300 MHz, dient die Streukapazität als perfekter Kondensator, der ein ausgezeichnetes Frequenzverhalten aufweist.
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Als Nächstes wird eine dritte Ausführungsform der aktiven Rauschunterdrückungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 9 beschrieben.
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Wenn bei der dritten Ausführungsform angenommen wird, dass die Verwendung der aktiven Rauschunterdrückungsvorrichtung allein Bedingungen verursachen kann, welche die gesetzlichen Auflagen vielleicht nicht erfüllen, wird ein FM-Frequenzbandkern als Gegenmaßnahme weiter außen als die Rauschdetektionseinheit 13 der aktiven Rauschunterdrückungsvorrichtung hinzugefügt, um auf diese Annahme vorbereitet zu sein.
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Die dritte Ausführungsform weist die gleiche Struktur wie die der zuvor beschriebenen ersten oder zweiten Ausführungsform auf, außer dass eine ein FM-Frequenzbandkern 61 als Gegenmaßnahme als Rauschunterdrückungskern auf der Systemseite/der Lastseite angeordnet ist, wobei es sich um eine Seite der Rauschdetektionseinheit 13 gegenüber einer Seite, auf der die Signalkopplungseinheit 14 angeordnet ist, handelt, wie in 9 abgebildet.
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Die dritte Ausführungsform weist eine vorteilhafte Wirkung auf, indem das Strahlungsrauschen auf Grund der Rauschspannung Vnoise, das durch die aktive Rauschunterdrückungsvorrichtung 10 unzureichend reduziert wird, durch Kombinieren mit dem Hinzufügen als Gegenmaßnahme eines Kerns aus den herkömmlichen Techniken reduziert wird.
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Als Nächstes wird eine vierte Ausführungsform der aktiven Rauschunterdrückungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 10 beschrieben.
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Da, wie zuvor beschrieben, eine zu große Schwankung der Rauschspannung Vnoise den Operationsverstärker 42 sättigt und der Rauschreduzierungseffekt nicht ausreichend erzielt werden kann, wird die Grenzfrequenz des Hochpassfilters, das den Widerstand R1 und die Streukapazität Cfd der Rauschdetektionseinheit 13 umfasst, richtig eingestellt. Um jedoch das Strahlungsrauschen bei 30 MHz, wobei es sich um die niedrigste zu dämpfende Frequenz handelt, zu reduzieren, ist der Einstellbereich der Grenzfrequenz begrenzt. Somit kann es unter Bedingungen, bei denen ein starkes Rauschen erzeugt wird, d. h. unter Bedingungen, bei denen die Rauschspannung Vnoise stark schwankt, Fälle geben, bei denen die Verhinderung der Sättigung des Operationsverstärkers 42 nicht mit der geeigneten Einstellung der Grenzfrequenz kompatibel gemacht werden kann.
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Um somit bei der vierten Ausführungsform das Problem der Unverträglichkeit zwischen der Verhinderung der Sättigung des Operationsverstärkers 42 und der geeigneten Einstellung der Grenzfrequenz zu lösen, wird als Gegenmaßnahme ein FM-Frequenzbandkern 62 als Rauschreduzierungskern auf einer Stromrichtgerätseite angeordnet, die von der Signalkopplungseinheit 14 der aktiven Rauschunterdrückungsvorrichtung 10 abgewandt ist, d. h. auf einer Seite gegenüber der Seite, auf der die Rauschdetektionseinheit 13 angeordnet ist.
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Die vierte Ausführungsform entspricht einer Struktur, die gebildet wird, indem die Struktur des EMI-Filters zur Reduzierung von Strahlungsrauschen, das in der PLT 2 beschrieben wird, mit der aktiven Rauschunterdrückungsvorrichtung 10 kombiniert wird. Das EMI-Filter als Gegenmaßnahme gegen Strahlungsrauschen wird dadurch gebildet, dass der FM-Frequenzbandkern 62 als Gegenmaßnahme und die Streukapazität der Signalkopplungseinheit 14 einbezogen werden. Mit dem Filtereffekt reduziert sich die Spitze der Rauschspannung Vnoise im Vergleich zu den Bedingungen ohne den Kern, so dass die Ausgabe des Operationsverstärkers 42 klein sein kann. Dies vermeidet die Sättigung des Operationsverstärkers 42, wodurch es ermöglicht wird, den Reduzierungseffekt des Strahlungsrauschens günstig zu erzielen.
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Schließlich erfolgt eine Beschreibung eines Beispiels, bei dem die Erfindung der vorliegenden Anmeldung durch Versuche überprüft wurde, mit Bezug auf 11A und 11B und 12.
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Bei den Versuchen, wie in 11A abgebildet, wurden die Rauschdetektionseinheit 13 und die Signalkopplungseinheit 14 an dem Kabel 51 gebildet, das in 6A der zweiten Ausführungsform abgebildet ist, und bei Bedarf wurde der FM-Frequenzbandkern 62 als Gegenmaßnahme auf der Seite der Signalkopplungseinheit 14 gegenüber der Seite angeordnet, wo die Rauschdetektionseinheit 13 angeordnet ist. Eine Gleichtakt-Rauschquelle 64 wurde zwischen einem Ende des Kabels 51, das näher an dem FM-Frequenzbandkern 62 als Gegenmaßnahme liegt, und einer simulierten Gehäusestahlplatte 63 angeordnet.
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Wie aus den 11A und 11B bestätigt werden kann, wurden dabei die Abschirmungen der Rauschdetektionseinheit 13 und der Signalkopplungseinheit 14 gebildet, um um Teile von Verdrahtungen, die das Ziel der Strahlungsrauschreduzierung sind, herum gewickelt zu werden. Zudem wurde die Steuereinheit 15 gebildet, um auf einem kleinen Substrat an einer Stelle montiert zu werden, die von einem Rechteck A umgeben ist, wie in 11B abgebildet.
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Dabei bildet 12 Ergebnisse ab, die durch tatsächliches Messen des Strahlungsrauschens erzielt wurden. Wenn man vor und nach der Verbindung der aktiven Rauschunterdrückungsvorrichtung vergleicht, ist ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung einen Reduzierungseffekt des Strahlungsrauschens von ungefähr 10 dB oder mehr auf den zu dämpfenden Frequenzen von 30 bis 70 MHz bereitgestellt hat. Bei 70 MHz oder mehr ist der Reduzierungseffekt des Strahlungsrauschens, der durch die aktive Rauschunterdrückungsvorrichtung erzielt wird, jedoch unzureichend. Dies kann durch Reduzieren einer Verdrahtungsimpedanz verbessert werden (Kabellänge: 2,5 cm), um die nicht invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers 42 mit dem festen Potenzialpunkt zu verbinden. Zudem geht man davon aus, dass der unzureichende Effekt darauf zurückzuführen ist, dass die Messung des Strahlungsrauschens nur in eine Richtung ging und nicht um den gesamten Umfang (360 Grad) herum erfolgte. Obwohl zudem der Effekt durch die einfache Protoypvorrichtung überprüft wurde, wie in 11B bei den vorliegenden Ergebnissen, kann man erwarten, dass eine Überprüfung unter Verwendung eines Prototyps mit einer produktreifen Leistung einen größeren Reduzierungseffekt aufweist.
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Obwohl zudem die ersten bis vierten Ausführungsformen eine Stelle zum Anschließen der aktiven Rauschunterdrückungsvorrichtung 10 nicht insbesondere beschrieben haben, kann die obige Wirkung ausgeübt werden, selbst wenn sie an einer beliebigen Stelle angeschlossen wird, welche die Systemseite, der DC-Zwischenabschnitt eines Hauptstromkreises oder die Ausgangsseite des elektrischen Geräts ist, wie bei den herkömmlichen Techniken. Es ist jedoch schwierig, die aktive Rauschunterdrückungsvorrichtung 10 auf eine verteilte Anordnungsstruktur anzuwenden (bei der die Rauschdetektionseinheit an dem DC-Zwischenabschnitt des Hauptstromkreises angeordnet ist, und die Signalkopplungseinheit auf der Systemseite angeordnet ist), da der Operationsverstärker 42 leicht in Schwingung versetzt wird.
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Obwohl zudem die ersten bis vierten Ausführungsformen den Fall beschrieben haben, bei dem die aktive Rauschunterdrückungsvorrichtung auf der Eingangsseite des elektrischen Geräts bereitgestellt wird, kann die aktive Rauschunterdrückungsvorrichtung auf der Ausgangsseite des elektrischen Geräts bereitgestellt werden.
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Obwohl ferner die ersten bis vierten Ausführungsformen den Fall beschrieben haben, bei dem die Steuereinheit gebildet wird, indem nur der Inversionsverstärker einbezogen wird, ändert sich die Struktur der Steuereinheit 15 für den Fall der Anwendung auf einen aktiven Gleichtakt-Rauschunterdrücker (ACC). Bei dem aktiven Gleichtakt-Rauschunterdrücker wird eine DC-Energie einer DC-Energieversorgung 71 durch einen Wechselrichter 73 in eine Dreiphasen-AC-Energie umgewandelt. Auf den Dreiphasen-AC-Leitungen U, V und W, wobei es sich um den Ausgang des Wechselrichters 73 handelt, sind die Rauschdetektionseinheit 13, die durch die zuvor erwähnte Streukapazität gebildet wird, und die Signalkopplungseinheit 14, die durch einen Gleichtakt-Transformator CT gebildet wird, angeordnet. Die Steuereinheit 15 ist zwischen der Rauschdetektionseinheit 13 und der Signalkopplungseinheit 14 angeschlossen.
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Dabei umfasst die Steuereinheit 15 einen ersten komplementären Pufferverstärker 74, in dessen Basis die Rauschspannung Vnoise eingegeben wird, ein Hochpassfilter 75, das an eine Ausgangsseite des ersten komplementären Pufferverstärkers 74 angeschlossen ist, und einen zweiten komplementären Pufferverstärker 76, der an eine Ausgangsseite des Hochpassfilters 75 angeschlossen ist. Nur eine Hochfrequenzkomponente der Rauschspannung von der Rauschdetektionseinheit 13, die in den ersten komplementären Pufferverstärker 74 eingegeben wird, wird von dem Hochpassfilter 75 entnommen. Die entnommene Hochfrequenzkomponente wird über den zweiten komplementären Pufferverstärker 76 an eine Wicklung W4 des Gleichtakt-Transformators CT angelegt. Eine unabhängige Energieversorgung 77 führt den ersten und zweiten komplementären Pufferverstärkern 74 und 76 Energie zu.
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Zudem sind die unabhängige Energieversorgung 77, ein anderes Ende einer Primärspule des Gleichtakt-Transformators CT, ein anderes Ende eines Widerstands, der das Hochpassfilter 75 bildet, und ein anderes Ende eines Kondensators Cn, das an eine Verbindungsstelle zwischen der Rauschdetektionseinheit 13 und der Basis des ersten komplementären Pufferverstärkers 74 angeschlossen ist, an eine Verbindungsstelle zwischen den Hochspannungs-Kondensatoren CH1 und CH2, die zu der DC-Energieversorgung 71 parallel geschaltet sind, angeschlossen, d. h. an einen neutralen Punkt einer DC-Zwischenkreisspannung.
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Mit der somit gebildeten Steuereinheit 15 wird nur eine Hochfrequenzkomponente einer Rauschspannung, die in einem AC-Stromkreis erzeugt wird und von der Rauschdetektionseinheit 13 detektiert wird, durch das Hochpassfilter 75 der Steuereinheit 15 entnommen. Dabei wird eine Spannung zwischen der Hochfrequenzkomponente, die über den zweiten komplementären Pufferverstärker 76 und einen neutralen Punkt der unabhängigen Energieversorgung 77 ausgegeben wird (der gleiche wie der neutrale Punkt der DC-Zwischenkreisspannung), an den Gleichtakt-Transformator CT angelegt. Daraufhin wird der Rauschspannung eine Rückwärtsspannung überlagert, wodurch eine Unterdrückung der Rauschspannung ermöglicht wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Aktive Rauschunterdrückungsvorrichtung
- 11
- Leiterplatte
- 12a, 12b
- Verdrahtung, die das Ziel der Strahlungsrauschreduzierung ist
- 13
- Rauschdetektionseinheit
- 14
- Signalkopplungseinheit
- 15
- Steuereinheit
- 21a, 21b
- Abschirmleiter-Vollmuster
- 22
- Durchgang
- 31a, 31b
- Abschirmleiter-Vollmuster
- 32
- Durchgang
- 41
- Inversionsverstärker
- 42
- Operationsverstärker
- 43
- Fester Potenzialpunkt
- 51
- Dreiphasen-Kabel
- 52r
- R-Phasenverdrahtung
- 52s
- S-Phasenverdrahtung
- 52t
- T-Phasenverdrahtung
- 52e
- Erdverdrahtung
- 54
- Abschirmleiter
- 56
- Zweiter Abschirmleiter
- 61, 62
- FM-Frequenzbandkern als Gegenmaßnahme
- 63
- Simulierte Gehäusestahlplatte
- 64
- Gleichtakt-Rauschquelle
- 71
- DC-Energieversorgung
- 73
- Wechselrichter
- 74
- Erster komplementärer Pufferverstärker
- 75
- Hochpassfilter
- 76
- Zweiter komplementärer Pufferverstärker
- 77
- Unabhängige Energieversorgung
- CT
- Gleichtakt-Transformator
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 07-22886 A [0015]
- JP 2014-161154 A [0015]
- WO 2012/026186 [0015]
- JP 2000-201044 A [0015]
- JP 2011-45191 A [0015]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „An Optimized Feedback Common Mode Active Filter for Induction Motor Drives”, die auf den Seiten 3153 bis 3162 von „IEEE TRANSACTION ON POWER ELECTRONICS, VOL., 26 NO. 11, NOVEMBER 2011” [0061]
