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Technisches Gebiet:
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Filteranordnung und einen Spannungswandler, insbesondere einen Wechselrichter oder einen Gleichspannungswandler, mit einer genannten Filteranordnung.
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Stand der Technik und Aufgabe der Erfindung:
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Elektrische Vorrichtungen, insbesondere Spannungswandler, speziell Wechselrichter oder Gleichspannungswandler, umfassen Stromleiter zum Zu-/Abführen von Strömen, insbesondere mit hohen Stromstärken, zu bzw. aus den Vorrichtungen, bzw. zum Durchleiten von Strömen zwischen elektrischen Komponenten innerhalb der Vorrichtungen. Bedingt durch physikalische Eigenschaften der Stromleiter erzeugen diese Komponenten beim Betrieb elektromagnetische Strahlung, welche in den Vorrichtungen oder in anderen, in der Umgebung dieser Vorrichtungen befindlichen elektrischen Vorrichtungen elektromagnetische Störungen hervorrufen kann (EMV, „Elektromagnetisches Verhalten“).
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2016 211 399 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung mit einer Filterschaltung mit mindestens einer Filterstufe. Die Filterstufe weist eine zwischen einem Pluspfad und einem Minuspfad eines Wechselrichters verschaltete X-Y-Entstörkondensator-Baugruppe und eine hierzu in Reihe geschaltete Filterdrossel-Baugruppe auf. Die Filterdrossel-Baugruppe ist mit einer den Pluspfad und den Minuspfad umgreifenden Ringkerndrossel zur Gleichtaktfilterung sowie mit jeweils einer den Pluspfad und den Minuspfad umgreifenden Speicherdrossel zur Gegentaktfilterung ausgeführt.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2006 037 003 A1 beschreibt eine Filterdrossel mit einem Strom-Eingangsleiter, einem mit dem Strom-Eingangsleiter leitend verbundenen Strom-Ausgangsleiter, sowie einem Drosselkern aus magnetisierbarem Material. Der Drosselkern ist zwischen dem Strom-Eingangsleiter und dem Strom-Ausgangsleiter angeordnet. Zwischen zwei Drosselkernabschnitten ist ein Luftspalt ausgeführt, der die Drosselkernabschnitte voneinander trennt. In dem Luftspalt ist ferner ein Magnetfeldsensor angeordnet.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2013 100 246 A1 beschreibt eine Stromsensor- und Entstörfilteranordnung, die eine Stromsensoreinrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes und eine Entstörfiltereinrichtung zur Unterdrückung elektromagnetischer Störstrahlung aufweist.
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Um diese störende elektromagnetische Strahlung zu reduzieren, werden die Vorrichtungen mit einer oder mehreren Filteranordnungen zur Filterung der Ströme ausgestattet.
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Darüber hinaus umfassen die genannten Vorrichtungen in der Regel Stromsensoren zum Messen von Stromstärken der beim Betrieb der Vorrichtungen durch die Stromleiter fließenden Ströme.
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Wie alle technischen Vorrichtungen besteht für die oben genannten elektrischen Vorrichtungen die allgemeine Anforderung, diese bauraumsparend und kostengünstig herzustellen.
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Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Anmeldung darin, eine Möglichkeit bereitzustellen, mit der eine elektrische Vorrichtung, insbesondere ein Spannungswandler, speziell Wechselrichter oder Gleichspannungswandler, bauraumsparend und kostengünstig hergestellt werden kann.
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Beschreibung der Erfindung:
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Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Filteranordnung zur Reduzierung von (störender) elektromagnetischer Strahlung von mindestens zwei Stromleitern zum Durchleiten eines Stromes bereitgestellt, welche nebeneinander angeordnet sind. Dabei umfassen die Stromleiter insb. einen Hinleiter und einen Rückleiter.
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Die Filteranordnung umfasst eine Gleichtaktdrossel mit einem Drosselkern, welcher die beiden Stromleiter im Wesentlichen quer zu deren Verlauf und einen Zwischenraum zwischen den beiden Stromleitern umrandet. Die Stromleiter erstrecken sich mit anderen Worten durch das Innere des Drosselkerns hindurch, d. h. durch den Zwischenraum, der von dem (ringförmigen) Drosselkern umgeben ist.
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Der Drosselkern umfasst zwei erste Abschnitte und zwei zweite Abschnitte, wobei die beiden ersten Abschnitte jeweils einen der beiden Stromleiter in deren jeweiligen Umfängen teilweise umranden, und die beiden zweiten Abschnitte den Zwischenraum zwischen den zwei Stromleitern an zwei gegenüberliegenden Seiten begrenzen und jeweils die beiden ersten Abschnitte miteinander verbinden.
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Dabei sind die beiden ersten Abschnitte im Wesentlichen C-förmig ausgebildet. Insbesondere sind die beiden ersten Abschnitte jeweils einen der beiden Stromleiter umfänglich tangential teilweise umlaufend ausgebildet.
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Ferner sind die beiden zweiten Abschnitte im Wesentlichen I-förmig ausgebildet.
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Der Drosselkern ist derart ausgeführt, dass der Abstand zwischen den beiden zweiten Abschnitten kleiner als die Durchmesser von Umfängen der jeweiligen ersten Abschnitte ist. Mit anderen Worten: der Abstand der beiden zweiten Abschnitte verjüngt sich zur Mitte zwischen den beiden Stromleitern hin.
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Die Filteranordnung umfasst zudem einen magnetfeldempfindlichen Sensor, insbesondere einen Hallsensor, der bzw. dessen sensitiver Bereich in dem Zwischenraum zwischen den beiden Stromleitern angeordnet ist und gegenüber der Gleichtaktdrossel derart ausgerichtet ist, dass dieser ein Magnetfeld bzw. dessen Veränderung sensitiv erfassen kann, welches/welche von einem durch die Stromleiter fließenden Strom induziert wird. Dabei befindet sich der Sensor zwischen den Stromleitern.
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Die Gleichtaktdrossel samt dem Drosselkern, welche in ihrer primären Funktion als Teil eines Filters zur Einfügungsdämpfung (oder Einfügedämpfung, auf Englisch „Insertion Loss (IL) “) und Filterung und somit zur Reduzierung von elektromagnetischer Strahlung (EMV-Filterung) der strom-durchflossenen Stromleiter dient, wird durch die oben beschriebene Ausführung der Filteranordnung in ihrer sekundären Funktion als Magnetfluss-Sammler für den magnetfeldempfindlichen Sensor, bspw. einen Hallsensor, zur Messung des durch die Stromleiter fließenden Stroms ausgeführt.
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Der magnetfeldempfindliche Sensor ist dabei im Zwischenraum zwischen den beiden Stromleitern bzw. zwischen dem Drosselkern derart platziert und gegenüber dem Drosselkern bzw. der Gleichtaktdrossel derart ausgerichtet, dass der Sensor mit dem magnetischen Fluss des von den strom-durchflossenen Stromleitern induzierten Magnetfeldes durchsetzt wird. Dadurch ermöglicht die Filteranordnung die Messung des durch die beiden Stromleiter fließenden Stromes ohne zusätzliche Magnetfluss-Sammler oder sonstige Stromsensoren.
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Die oben beschriebene Filteranordnung ersetzt somit mit dem integrierten magnetfeldempfindlichen Sensor sonstige Stromsensoren, welche zur Messung von Stromstärke eines durch die Stromleiter fließenden Stromes erforderlich wären. Dadurch entfallen Kosten für die Stromsensoren oder sonstige für die Montage oder die Funktion der Stromsensoren erforderlichen Schaltungskomponenten, wie z. B. Stromschienen, Leiterplatten oder Magnetkreise, und spart somit auch Bauraum für diese Schaltungskomponenten.
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Dadurch, dass der bereits vorhandene Drosselkern der Gleichtaktdrossel als magnetischer Flusssammler für den magnetfeldempfindlichen Sensor verwendet wird, entfallen kaum zusätzliche Kosten für die Filteranordnung bzw. die elektrischen Vorrichtungen mit der Filteranordnung.
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Durch die Integration der Strommessung in die bereits vorhandene Filteranordnung, insbesondere zur Hochvolt-EMV-Filterung, ergeben sich ein deutlich kleinerer Bauraum und Ersparnisse bei den Material- und Herstellkosten für die elektrischen Vorrichtungen.
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Damit ist eine Möglichkeit bereitgestellt, mit der eine elektrische Vorrichtung, insbesondere ein Spannungswandler, speziell Wechselrichter oder Gleichspannungswandler, bauraumsparend und kostengünstig hergestellt werden kann.
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Beispielsweise umfasst die Filteranordnung ferner eine Auswerteinheit, welche mit dem Sensor signaltechnisch verbunden ist und eingerichtet ist, basierend auf dem von dem Sensor gemessenen Magnetfeld (bzw. Feldstärke) bzw. dessen Veränderung die Stromstärke des durch die beiden Stromleiter fließenden Stromes zu ermitteln. Insbesondere ist der Sensor als ein Hallsensor bzw. Magnetfeld-Sensor ausgebildet.
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Beispielsweise sind die beiden zweiten Abschnitte zueinander parallel verlaufend ausgebildet sind.
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Vorzugsweise ist der Abstand gegenüberliegender Abschnitte des Drosselkerns, zwischen denen sich der Sensor befindet, gegenüber anderen Abschnitten des Drosselkerns, etwa Abschnitte, zwischen denen sich einer der Stromleiter befindet, verringert.
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Beispielsweise ist der Drosselkern samt den beiden ersten und den beiden zweiten Abschnitten aus einem weichmagnetischen, insb. auch nanokristallinen, Werkstoff ausgebildet.
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Alternativ sind auch andere weichmagnetische Materialien, wie z. B. Ferrite, verwendbar.
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Insbesondere sind die beiden ersten und die beiden zweiten Abschnitte aus ein- und demselben weichmagnetischen Material einstückig ausgebildet.
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Beispielsweise umfasst die Filteranordnung ferner mindestens einen Kondensator, welcher zwischen den beiden Stromleitern elektrisch angeschlossen ist. Weitere Kondensatoren können angeordnet werden, wie z. B. (jeweils) zwischen einem der beiden Stromleiter und einem Masseanschluss. Die Anordnung der Kondensatoren und deren Ausführung sind abhängig von der geforderten Einfügungsdämpfung und der Filterwirkung der Filteranordnung. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Spannungswandler, insbesondere ein Wechselrichter oder ein Gleichspannungswandler, bereitgestellt.
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Der Spannungswandler umfasst zwei Stromanschlüsse zum Anschließen des Spannungswandlers an eine externe Stromquelle oder Stromsenke (elektrische Last), sowie eine zuvor beschriebene Filteranordnung, wobei die beiden Stromleiter der Filteranordnung jeweils an einem der beiden Stromanschlüsse elektrisch angeschlossen sind.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der oben beschriebenen Filteranordnung sind, soweit möglich, auf den oben genannten Spannungswandler übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des Spannungswandlers anzusehen.
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Die oben beschriebene Filteranordnung kann in allen elektrischen Vorrichtungen einsetzbar, in denen eine EMV-Filterung und eine Strommessung vorgesehen sind.
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Figurenliste
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Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung bezugnehmend auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 in einer schematischen Schaltungsdarstellung einen Abschnitt eines Wechselrichters mit einer Filteranordnung;
- 2 in einer schematischen Querschnittdarstellung eine mechanische Ausführungsform der Filteranordnung aus 1;
- 3 in einer schematischen Darstellung einige Komponenten der Filteranordnung aus 1 mit schematisch dargestelltem Feldlinienverlauf;
- 4 in einer schematischen Darstellung einige Komponenten einer Filteranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit schematisch dargestelltem Feldlinienverlauf.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung:
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1 zeigt in einer schematischen Schaltungsdarstellung Abschnitt eines Wechselrichters SW zum Umwandeln eines Gleichstromes in einen dreiphasigen Wechselstrom für beispielsweise eine Synchronmaschine.
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Der Wechselrichter SW umfasst unter anderen zwei Eingangsstromanschlüsse A+, A- zum Anschließen des Wechselrichters SW an eine externe Stromquelle, eine Filteranordnung FA zur Reduzierung von störender elektromagnetischer Strahlung erzeugt vom Wechselrichter SW, eine B6-Brückenschaltung BS zur Umwandlung eines über die beiden Eingangsstromanschlüsse A+, A- bereitgestellten Gleichstromes I in einen Dreiphasen-Wechselstrom, sowie zwei Stromleiter HV+ und HV-, welche zum Durchleiten des Gleichstromes I die beiden Eingangsstromanschlüsse A+, A- mit der Filteranordnung FA und der B6-Brückenschaltung BS elektrisch verbinden.
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Die Filteranordnung FA umfasst eine Gleichtaktdrossel GD mit einem Drosselkern DK, welcher jeweils einen zueinander im Wesentlichen parallel verlaufenden Abschnitt der beiden Stromleiter HV+, HV- quer zu deren Verlauf und einen Zwischenraum ZR zwischen den Abschnitten der beiden Stromleiter HV+, HV-umrandet. Die Gleichtaktdrossel GD dient primär zur Filterung von störender elektromagnetischer Strahlung von den beiden stromdurchflossenen Stromleitern HV+, HV-, bzw. zur Einfügungsdämpfung.
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Die Filteranordnung FA umfasst ferner einen Hallsensor HS, der in dem Zwischenraum ZR angeordnet ist und dessen sensitiver Bereich zur Messung eines durch die Stromleiter HV+, HV- induzierten und vom Gleichtaktdrossel GD gebündelt in den Zwischenraum BR geführten Magnetfeldes H zum senkrecht Gleichtaktdrossel GD bzw. zum Magnetfeld H ausgerichtet ist.
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Die Filteranordnung FA umfasst ferner eine Auswerteinheit AE, welche signaleingangsseitig mit einem Signalausgang des Hallsensors HS signaltechnisch verbunden ist und eingerichtet ist, basierend auf eine von dem Hallsensor HS gemessene Flussdichte des Magnetfeldes H in einer dem Fachmann bekannten Weise Stromstärke des durch die beiden Stromleiter HV+, HV- fließenden Stromes I zu ermitteln.
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Die Filteranordnung FA umfasst ferner drei Kondensatoren Cx, Cy, welche mit der oben genannten Gleichtaktdrossel GD zur Filterung und Einfügungsdämpfung dienen. Dabei ist einer der Kondensatoren Cx zwischen den beiden Stromleitern HV+, HV- angeschlossen. Die beiden restlichen Kondensatoren Cy sind jeweils zwischen einem der beiden Stromleiter HV+, HV- und einem Masseanschluss des Wechselrichters SW elektrisch angeschlossen.
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Die B6-Brückenschaltung BS ist in einer dem Fachmann bekannten Weise ausgebildet und umfasst neben drei in der Figur nicht dargestellten Halbbrücken noch einen Zwischenkreiskondensator Cdc, welche (die drei Halbbrücken und der Zwischenkreiskondensator Cdc) zueinander parallel zwischen den beiden Stromleitern HV+, HV- elektrisch angeschlossen sind.
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2 zeigt in einer schematischen Querschnittdarstellung eine mögliche mechanische Ausführungsform der Filteranordnung FA aus 1.
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Der Drosselkern DK ist im Wesentlichen oval ausgeführt und umfasst zwei erste, gleichgroße und im Wesentlichen halbringförmigen (C-förmigen) Abschnitte AB1 und zwei zweite, gleichgroße und im Wesentlichen geraden (I-förmigen) Abschnitte AB2. Dabei verlaufen die beiden zweiten Abschnitte AB2 zueinander parallel und verbinden jeweils die beiden ersten Abschnitte AB1 miteinander, und sind somit miteinander und mit diesen einstückig ausgebildet. Der Drosselkern DK besteht beispielsweise aus einem Ferritband oder einem amorphen bzw. nanokristallinen Band, insb. aus einem nanokristallinen weichmagnetischen Werkstoff.
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Der Drosselkern DK umläuft in dessen Queransicht die beiden Stromleiter HV+, HV- sowie einen Zwischenraum ZR zwischen den beiden Stromleitern HV+, HV-. Dabei umlaufen die beiden ersten Abschnitte AB1 jeweils einen der beiden Stromleiter HV+, HV- im Wesentlichen halbkreisförmig. Die beiden zweiten Abschnitte AB2 grenzen im Wesentlichen den Zwischenraum ZR an zwei Seiten ab.
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Mittig in dem Zwischenraum ZR und somit auch mittig zu den beiden Stromleitern HV+, HV- (allgemein zwischen den Stromleitern HV+, HV-) ist der Hallsensor HS angeordnet und gegenüber den beiden zweiten Abschnitten AB2 und somit dem Drosselkern DK derart ausgerichtet, dass dessen sensitiver (Flächen-)Bereich im Wesentlichen senkrecht zu magnetischem Fluss steht, welcher von den beiden stromdurchflossenen Stromleitern HV+, HV- induziert und vom Drosselkern DK gebündelt in den Zwischenraum ZR zugeführt wird.
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3 zeigt in einer schematischen Darstellung die Filteranordnung FA aus 2 mit einem schematischen Verlauf der magnetischen Feldlinien.
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Die beiden mit dem Gleichstrom I durchflossenen Stromleiter HV+, HV- erzeugen Magnetfelder, welche nach der so genannten Schraubenregel im Uhrzeigersinn zu der jeweiligen Flussrichtung des Stromes I konzentrisch zu den jeweiligen Stromleitern HV+, HV- verlaufen. Dadurch, dass die beiden Stromleiter HV+, HV- jeweils als eine Zu- und Ableitung desselben Gleichstromes I dienen, verlaufen die von den jeweiligen Stromleitern HV+, HV- induzierten Magnetfelder in der Querrichtung der beiden Stromleiter HV+, HV- betrachtet gegensinnig.
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Die Gleichtaktdrossel GD samt dem Drosselkern DK bündelt die magnetischen Flüsse der beiden Magnetfelder. Diese treten dann in der Mitte des Zwischenraumes ZR zwischen den beiden Stromleitern HV+, HV- aus der Gleichtaktdrossel GD bzw. aus dem Drosselkern DK heraus und verlaufen insb. zueinander parallel zu dem Hallsensor HS bzw. zu dessen sensitiven Bereich. Dabei treten die magnetischen Flüsse der beiden Magnetfelder aufgrund der gegensinnigen Flussverläufe mit einer zweifachen Feldstärke als die des Magnetfeldes der einzelnen Stromleiter HV+, HV- in den sensitiven Bereich des Hallsensors HS ein und verursachen dort eine doppelt starke Hall-Spannung (bzw. einen doppelten Effekt) als nur bei einem nur von einem Stromleiter induzierten Magnetfeld.
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Dadurch, dass der Hallsensor HS mittig zu den beiden Stromleitern HV+. HV- und mittig im Zwischenraum ZR angeordnet ist, wird dieser einer etwa doppelt so hohen magnetischen Flussdichte ausgesetzt im Vergleich zu einem Raum ohne die Gleichtaktdrossel GD samt dem Drosselkern DK als Flusssammler. Die Höhe der magnetischen Flussdichte des Magnetfeldes H an dem Hallsensor HS ist dabei von der Kerngeometrie des Drosselkerns DK und der Abstand vom Hallsensor HS zu den beiden zweiten Abschnitten AB2 des Drosselkerns DK abhängig.
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Die magnetische Flussdichte an dem Hallsensor HS ist zudem linear proportional zu dem durch die Stromleiter HV+, HV- fließenden Strom I (zumindest innerhalb eines Flussdichtintervalls). Damit lässt sich mit dem Hallsensor HS eine dem Strom I entsprechende Spannung (oder einen entsprechenden Widerstand) erzeugen. Die Ausgangsspannung des Hallsensors HS ist dabei potentialfrei und kann direkt, der auf berührbaren Potential bezogenen Auswerteinheit AE zugeführt werden.
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4 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Teil einer Filteranordnung FA' gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit einem überlappenden schematischen Feldlinienverlauf.
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Die in 4 dargestellte Filteranordnung FA' unterscheidet sich von der Filteranordnung FA in 2 und 3 dadurch, dass deren Drosselkern DK' zwei zweite Abschnitte AB2' umfasst, welche im Zwischenraum ZR zwischen den beiden Stromleitern HV+, HV- zueinander und somit zu dem Hallsensor HS zulaufend ausgebildet sind und somit zueinander einen Abstand L aufweisen, welcher kleiner als die Durchmesser D von Umfängen der von den jeweiligen ersten Abschnitten AB1 umlaufenden Bereiche ist. Durch derartige Ausführung bei den beiden zweiten Abschnitten AB2' kann der magnetische Fluss im Zwischenraum ZR und somit im Bereich des Hallsensors HS noch stärker konzentriert werden, was sich vorteilhaft auf die Fremdfeldunterdrückung und das Signal/ Rauschverhältnis des Hallsensors HS auswirkt. Zudem erhöht durch den kleineren Zwischenraum ZR die Induktivität der Gleichtaktdrossel GD', was auch die Filterwirkung der Gleichtaktdrossel GD' verbessert.
