DE1541951A1 - Sperrkreis fuer elektrische Einrichtungen - Google Patents

Description

PATS »TANWAI.I ,. ing. R. HOLZEB

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Augsburg, den 26. Juni 196?

National Research Development Corporation, Kingsgate House, 66-74 Victoria Street, London S.W.1, England

Sperrkreis für elektrische Einrichtungen

Die Erfindung betrifft Sperrkreise, welche in Leitungen oder Anschlüssen elektrischer SLnrichtungen zur Dämpfung unerwünschter kurzzeitiger Spannungen oder Radiofrequenz-Störsignale verwendet werden, welch letztere sich entlang dieser Leitungen oder Anschlüsse ausbreiten.

Bekannte Einrichtungen zur Verminderung der durch solche unerwünschte kurzzeitige Spannungen oder Radio-

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frequenz-Störsignale hervorgerufenen Wirkungen haben den Nachteil, daß sie unhandlich sind und dazu neigen, die unerwünschten Signale entlang der Verbindungsleitungen zurück und weiter zu reflektieren.

Mittels Tiefpaßfilter können unerwünschte Radiofr equenz-SignsIe gesperrt und plötzlich auftretende, kurzzeitige Spannungen in hohem UcZe ged"jnpft v/erden. Es wurde bisher als wünscheiiSvTsrt erachtet, !Tilter zu verwenden, deren Elemente im v/es entlich on aus reinen Blindv/ilerständen bestehen, soweit dies wirtschaftlich mö-jlich ist, um hierdurch jegliche unnötige Verlustleistung zu vermeiden. Solche nicht mit Verlust behafteten bzw. Streuungskonponenten liefernde Tiefpaßfilter mit hoher Selektivität Iiaben .jeloch in verschiedenen Einrichtungen verschiedene Er get ni see* 3o kann beispielsweise ein in der einen Einrichtung verwendeter, nicht mit Verlust behafteter Filter zufriedenstellend arbeiten, während er in Verbindung mit einer anderen Einrichtung unbrauchbar oder sogrr nachteilig ist, Außerdem neigt ein einfacher Filter dazu, die von ihm gesperrten Signale zu reflektieren, so dc B sie entlang der ITetzanschlußleitungen und weiterer Verbindungen zurück und weiter wandern. Die durch diese unerwünschten Signale hervorgerufenen Y/irkungen neigen dazu, sich entsprechend

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diesen Reflexionen zu wiederholen und/oder auszubreiten.

Durch die Erfindung; soll die Aufcr.be gelöst werden, bei Einrichtungen zur Dämpfung von unerwünschten, kurzzeitigen Spannungen und Rediofrequenz-Störungen eine kompakte Bauart, eine zuverlässige und leistungsfähige 7/irkungsv/eise mit verhültiiiamäßig geringer Reflexion "bei der Energieumsetzuno; zu erzielen.

Ferner soll die Aufgabe gelöst werden, durch derartige Sperrkreise jleich- und iriederfremenzverrorijunc-sströrne mit gelangen Dissipationsverlusten hindurchführen zu können.

Im Sinne dex* Lösung dieser Auf ;^r be ro:"."¹; lie Erfindung von einem Sperr>reis- iii ?orn eii.ea Tiefp- ι-Γϋΐ;ο./ε 'iU3, bei welchem mindestens ein HnIflied eine induktive Serieninpedrns ist. Sin derrrti^er Sperrkreis ist '-enis'I? der Erfindunr- dnilurch gskeTin^oiohnet, ä".. "sr Goheinleitvrert der induktiven 3-rrieninr^d^nz einen '..ii-kl.2itv,-ert^rnteil von mindestens der .„-leicken Sri'¹"·?:: :_Jnun^ v:ie der Kehrwert des FiltGr-Wellenvridorst-'r. :":-3 ' ■ :i:il^;.

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Der Kehrwert des Wellenwiderstandes ist der optimale V/ert für den Leitwert der Impedanz des Endgliedes. Gemäß der Erfindung liegt der Y/irkleitwert vorzugsweise im Bereich zwischen dem halben und dem doppelten V/ert des Kehrwertes des Filter-Wellenwiderstandes.

Eine einfache Ausführungsform der Erfindung kann ein T-Glied Tiefpaßfilter mit induktiven Serienzweigen und, als Stamm des T-Gliedes, mit einer Nebenschlußkapazität sein. Der, der Quelle der zu unterdrückenden Geräusche bzw. Störsignale abgelegene induktive Serienzweig besteht gemäß der Erfindung aus einer Induktivität und einem zu dieser parallel geschalteten Widerstand, während der, der Geräusch- bzw. Störsignalquelle zugewandte induktive Serienzweig aus einer einfachen Induktivität besteht. Wenn gemäß der Erfindung die Induktivitäten gleich sind und Jeweils eine Induktivität von Lyu.il sowie die Kapazität eine Größe von 23 ju.1 aufweisen, donn ist der optimale V/ert für den »Yiderstand gleich dem 7/ellenwiderstand /L/C des Filters.

Um eine größere Dämpfung zu erhalten, können zwei oder mehr !-Glieder der oben beschriebenen Art hinter-

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einandergeschaltet werden. Die einzelneu Glieder können so ausgewählt sein, daß sie zusammen einen Bandfilter

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bilden. Mehrere aufeinanderfolgende T-GIi eder haben, jedoch bei etwa dem gleichen Wellenwiderstand, eine Erhöhung der Grenzfrequenzen zur Folge. Andere Ausführungsformen der Erfindung können Kombinationen aus einem oder mehreren bekannten Filtern aufweisen oder aus solchen hergeleitet sein, welche mit einem oder mehreren T-GIiedera der vorher beschriebenen Art hintereinandergeschaltet sind. Das von der Geräuschquelle abgelegene FiIterende sollte in jedem Falle eine induktive Serienimpedanz mit einem Leitwert von derselben Größe wie der Wellenwiderstand des Filters aufweisen. Wo es erwünscht ist, in beiden Richtungen durch das Filter hindurchgehende Geräuschsignale zu dämpfen, können beide Filterenden jeweils eine induktive Serienimpedanz mit einem geeigneten Leitwert aufweisen.

Die jeweils mit einem Leitwert behafteten induktiven oerienimpedanzen kennen jeweils aus einer Induktionsspule bestehen, zu welcher ein zusätzlicher Widerstand parallelgeschaltet ist, was jedoch nicht erforderlich ist. Eine Induktionsspule kann derart aufgebaut sein,

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daß sie selbst schon einen Nebenschlußleitwert aufweist, beispielsweise indem in unmittelbarer Nähe ihrer Wicklung Radiofrequenz-Dissipationsmaterial angebracht ist. Das Radiofrequenz-Dissipationsmaterial kann aus beliebigem Widerstandsmaterial bestehen, welches jedoch vorzugsweise derart angeordnet ist, daß es auf störende Radiofrequenzsignale eine bedeutende Dissipation ausübt, während es auf Gleichstrom und Niederfre-juenz-ITetzanschlüssen eine verhältnismäßig geringe oder überhaupt keine Dissipation ausübt. Eine derartige frequenzabhängige Dissipation kann auf mehrere Arten erreicht v/erden, z. durch das Vorhandensein elektrischen Widerstcndsmaterials an oder nahe der Oberfläche der Induktionsspule, durch die Induktion von V/irbelströmen im elektrischen 7/iderstandsmatsrial, durch die Verwendung von Material mit dielektrischen oder magnetischen I^steresisverlusten, durch die Verwendung von dissipativen Dielektrikas, durch die Verwendung von magnetostriktiven oder piezoelektrischen Einrichtungen zur Dissipation elektrischer Energie mittels mechanischer Vibrationen, durch eine kapazitive Verbindung zu einem Dissipationselement oder durch beliebige Kombination solcher Anordnungen. Das Dissipationsmaterial kann die Form eines Dissipations-

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kernes, "beispielsweise eines leitenden Ferrites ,haben, durch welchen auch die Induktivität vergrößert wird. Das Dissipationsmaterial kann jede beliebige, für Kerne von Induktionsspulen ollgemein verwendete Form haben.

Wo die Endglieder des Filters einen freiuenzabhängigen Leitwert aufweisen, sollten die vorstehend erwähnten Loit- und Widerstandswerte den Leit- und V/iderstandswerten entsprechen, wie sie bei den zu unterdrückenden Geräusch- und/oder Störf-requenzen gemessen werden. Durch die vorher beschriebene Störsperre können Gleich- und liiederfrequenz-ICetz'msclilu-iströme in jeder Richtung mit nur geringen Dissipationsverlusteii hindurchströmen, da diese UetzcnscLlußströne dr^s Bestreben hr.ben, möglichst nur durch den induktiven Teil und nicht durch den dissip-vtiven Teil-der Sndgliedex¹ iiiniurchzuf ließen. Derartige Sperrkreise baw. Stör sperren können sowohl in Verbindung ::iit Signnlleitongsverbindungen · Is auch in Verbindimg mit ITetsrnschlu.'ileitungen verv/endet werden.

Bei der Rwendung von Sperrkreisen bzw. Störsperren ist bei den vorher erwähnten bsk^nnten Filtern mit

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reinen Reaktanzen als Endgliedern der Hauptnachteil darin zu sehen, daß anderswo eingesetzte, jedoch mit denselben Eingangs- und Ausgangsleitungen verbundene Einrichtungen in dem Filter mit reaktiven Elementen zusammenwirken und hierdurch Resonanzeffekte auftreten können, welche die Wirkung des Filters vollständig vernichten oder sogar die Störungen verstärken können, anstatt diese zu unterdrücken.

Die Verwendung eines ausreichend dissipativen Endgliedes oder dissipativer Endglieder, wie beschrieben, vermindert die möglichen Effekte solcher Wechselwirkungen und dampft jede noch auftretende Reflexion. Der erfindungsgeraäße Sperrkreis weist in bezug auf jede Störfrequenz f eine Dämpfung von mindestens oC « 20 log (G_ßC |Z_m|) Dezibel auf, wobei Gg~ der Kurzschlußleit-

v/ert und |Ζ~| der Koppelun^swiderstand bzw. die Übertrngun^simpedanz des Filters, gemessen bei der Frequenz f, sind. Wie groß auch immer die Impedanz beliebiger anderer an die Eingangs- oder Ausgsngsleitungen angeschlossener Geräte sein mag, vorausgesetzt, daß diese anderen Geräte keinen negativen Leitwert aufweisen, was in der Praxis am unwahrscheinlichsten ist. Der vorher verwendete

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Ausdruck "Kurzschlußleitwert" bezeichnet den von den Aus-

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gangsklemmen des Sperrkreises aus in den Filter hineingemessenen Leitwert bei kurzgeschlossenen Eingangskiemraen. Der ebenfalls verwendete Ausdruck "Koppelungswiderstand" bzw. "üTDertragungsirapedanz" bezieht sich auf das Verhältnis von V_T/I_Or,j wo I_a-, der durch eine über die Ausgangsklemmen gelegte Kurzschlußverbindung des Sperrkreises bei einer weiteren Messung fließende Strom und Vj eine an die Eingangsklemmen des Filters angelegte Spannung ist.

Die Erfindung wird nunmehr unter Bezug auf die anliegenden Zeichnungen anhand mehrerer bevorzugter Ausführungsformen im einzelnen beispielsweise beschrieben. iis stellen dar:

Figur Λ ein Schaltschema eines erfindungs

gemäßen Sperrkreises,

Figur 2 ein SchaItschema einer abge

wandelten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sperrkreises,

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Figur 3 ein ächaltschem einer noch-

mais abgewandelten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sperrkreises und

Figur 4 ein perspektivisches Schema

einer praktischen Ausführungsforra des erfindungsgernäßen Sperrkreises nach Figur 1 der Zeichnungen.

In Figur 1 der Zeichnungen ist ein ¹T-Glied-Tiefpaßfilter mit induktiven Serienzv/eigen und einer lieb ens chi uE-kapazität 20 dargestellt, welch letztere den Stemm des T-Gliedes bildet. In bezug auf die zu unterdrückenden Geräusch- bzw. Störsignale sind die Anschlüsse 1 und 2 die Eingangsanschlüsse und die Anschlüsse 3 und 4 die Ausgangsanschlüsse» Die Anschlüsse 2 und 4 liegen etwa an Erdpotential und sind unmittelbar miteinander verbunden. Der Serienzweig des (D-Gliedes v/ird durch untereinander gleiche Induktivitäten L gebildet, welche zwischen den Anschlüssen 1 und J in Serie geschaltet sind. Auf der,> der Geräuschquelle abgewandten Filterseite bzw. der

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Pilterausgangsseite ist zu der Induktivität L ein Widerstand R parrllelgeschaltet. Der optimale Wert des Widerstandes R ist gleich dem Wert des Wellenwiderstandes /L/C des Filters, wobei dieser Wert jedoch nicht entscheidend ist und der Filter auftretende Störungen auch dann noch ausreichend unterdrückt, wenn der Widerstandswert R von diesem optimalen V/ert um den Fcktor zwei oder mehr abweicht. Wenn der V/iderst?ndswert R zehnmal so groß oder zehnmal so klein ist wie der optimale Wert, so kann die Wirkungsweise des. Filters gerade noch als ausreichend angesehen werden. Dieser Filter wird Signalfrequenzen von weniger als 1/2 f mit geringer Dämpfung hindurchlassen und Signalfrequenzen von mehr als 2 f zu sperren versuchen, wobei"die Frequenz

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Figur 2 der Zeichnungen zeigt einen Filter mit zwei hintereinandsrgeschalteten T-Gliedern, wie sie in Figur 1 der Seichnungen dargestellt sind. Das an die Anschlüsse 1

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und 2 angeschlossene, d.h. nahe der nicht dargestellten Geräusch- .bzw. Störquelle gelegene T-Glied weist in der gleichen Anordnung wie in Figur 1 der Zeichnungen die Einzelteile L-, 2C^ und R^ auf. Das mit den Anschlüssen 3 und 4 verbundene, d.h.» das von der Geräuschbzw. Störquelle abgelegene T-Glied weist in gleicher Anordnung die Einzelteile Lp, 2C₂ und R₂ auf. Die beiden T-Glieder haben vorzugsweise den gleichen Wellenwiderstand, Jedoch verschiedene Grenzfrequenzen. Charakteristische .Verte der Einzelteile sind:

L1	- 30/ίΗ,	2C1 =	0	a	.6 M
L2	= 2/tH,	2C2 *=	0	.04 y*
R1	" R2 -	10 £1

Die Grenzfrequenzen der beiden T-Glieder liegen bei etv/e 53 IcHz bzw. 800 kHz.

In Figur 3 der Zeichnungen ist eine symmetrische, kettenförmige Tiefpe.ß-Siebschaltung mit den Eingangsanschl'issen 1 und 2, den Aus^norsiiischlussen 3 und U-soräe einer Serien-Induktivität mit der Induktivität L und zwei seitlich hierzu angeordneten ITebenschluß-

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ι ο ^ ι y ο ι

kapazitäten O dargestellt. Seitlich dieser beiden Kapazitätszweige sind zwei Endglieder angeordnet, welche jeweils aus einer, aus einer Induktivität L/2 und einem hierzu parallelgeschalteten Widerstand R zusammengesetzten Serienimpedanz bestehen. Derartige Filter dämpfen störende Signale in jeder Richtung. Eine bessere Störunterdrückung wird jedoch dann erreicht, wenn jede Geräusch- bzw. Störquelle einen Sperrkreis aufweist, wie er in Figur 2 der Zeichnungen dargestellt ist.

Die vorstehend gebrauchten Ausdrücke "Eingang" und "Ausgang" beziehen sich auf die Ausbreitungsrichtung der Geräusch- bzw. Störsignale. Die erfindungagemäßen Filter können jedoch auch in Leitungen eingeschaltet werden, welche den Versorgungs- oder Signalstrom in der entgegengesetzten Richtung, d.h. von den Anschlüssen und 4 zu den Anschlüssen 1 und 2 des Filters leiten. Dies ist für die Wirkung der Filter auf die Geräuschbzw. Störsignale ohne Belang.

In Figur 4 der Zeichnungen ist eine praktische Ausführunssform des in Figur 1 der Zeichnungen dargestellten erfindungsgemäßen Sperrkreises dargestellt, welche aus

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einer in einem Topfkern 6 angeordneten Induktionsspule 5, einer Kapazität 7, einer innerhalb eines weiteren Topfkernes 9 angeordneten weiteren Induktionsspule 8 und einem zu dieser Induktionsspule 8 parallelgeschalteten Widerstand 10 besteht. Die Bezugsziffern 1 bis 4 bezeichnen die Eingangs- bzw. Ausgangsanschlüsse des Filters. Das Filter sollte im Gebrauch so gestaltet sein, daß die Quelle der zu unterdrückenden Geräusche bzw. Störungen mit dem der Induktionsspule 8 und dem Widerstand 10 abgelsgenen Ende verbunden ist. Die Kapazität 7 v/eist in bekannter Art die üblichen, einander übergreifenden Beläge innerhalb eines Barium-Titanat-Dielektrikums auf. Die Topflcerne 6 und 7 sind ebenfalls von bekannter Art und bestehen aus Ferritmaterial. Der Topfkern 9 besteht aus leitendem Ferritmaterial, welches auf Radiofrequenzen eine dissipative Wirkung ausübt. Die Induktionsspule 8 weist einen eigenen Nebenschlußleitwert auf, wodurch sich selbst dann noch eine zuverlässige Stör-Sperrwirkung ergibt, wenn der über den Widerstand 10 verlaufende Stromzweig geöffnet bzw. unbeabsichtigt unterbrochen wurde. Der Widerstand 10 ist

derart ausgelegt, daß er den ganzen zu unterdrückenden Frequenzbereich umfaßt, bis hinunter zu verhältnismäßig

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niederen Frequenzen, bei welchen das Material des Topfkernes 9 nicht mehr genügend dissipativ ist, um die gewünschte Sperrwirkung zu erreichen. Der Widerstandswert des Widerstandes 10 liegt im Bereich zwischen >/L/G und 2 /L/C, wobei L die Induktivität der in dem Topfkern9 angeordneten Induktionsspule 8 und 20 der Wert der Kapazität 7 ist. Die ganze in Figur 2 der Zeichnungen dargestellte Anordnung ist vorzugsweise in eine nicht dargestellte Klemmendose eingebaut, welch letztere die Anordnung mechanisch, schützt sowie elektrostatisch und elektromagnetisch abschirmt.

Die vorstehend beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten erfindungsgoni^ßen Ausführungsformen sind nur Beispiele, woraus der Fachmann nunmehr weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen ableiten kann. So können die vorstehend beschriebenen Filter beispielsweise dreigliedrig oder auch beliebig mehroliedri^ sein und in Verbindung mit andaren bekannten Siebschaltungen beliebig kombiniert werden. Solche Ausführungsfomen -.vie auch die in den Figuren 2 und 3 der Zeichnungen dorrestellten Filter können durck Hinzufügen v/eiterer Glieder zu einer der in Figur 4 der Zeichnungen dargestellten Ausföhrungsform ausgebaut werden«

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Claims (3)

Patentansprüche

1. Sperrkreis in Form eines Tiefpaßfilters, bei welchem mindestens ein Endglied eine induktive Serienimpedanz ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheinleitwert der induktiven Serienimpedanz einen Wirkleitwertanteil von mindestens der gleichen Größenordnung wie der Kehrwert des Filter-Wellenwiderstandes aufweist.

2o Sperrkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der »Tirkleitwert im Bereich zwischen dem halben und dem doppelten Wert des Kehrwertes des FiIter-We11enwiderstand es liegt.

3. Sperrkreis nach Anspruch 1 oder 2 in Verbindung mit T-Glied-Tiefpaßfiltern, welche zwei induktive Serienimpedf nzen und eis Stammglied eine ITebenschlußkapazität aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die IJebenschlußkapazität eine Kapazität von 20 uF und die eine der induktiven Serieninpecknzen einen Scheinwiderstand von im wesentlichen ^liich dem Scl:ein;viderst^rnd einer Induktivität von L/tH aufweist, zu v/elclier ein *.7i-3erstand R von p^rrrllel geschaltet ist (Figuren 1 und 2).

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4·. Sperrkreis nach Anspruch 1 oder 2 in Anwendung auf kettenförmige Tiefpaß-Siebschaltungen, welche mindestens eine Serieninduktivität, mindestens zwei Hebenschlußkapazitäten und als Endglieder jeweils eine induktive Serienimpedanz aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die üeri enindukti vit at eine Induktivität von L //H, die Kapazitäten eine Größe von C /tF und die induktiven Serienimpedanzen der Endglieder jeweils einen Scheinwiderstand von im wesentlichen gleich dem Scheinwiderstand einer Induktivität von 1/2 L^H aufweisen, zu· welcher ein v/iderstand R von i/It/GiTh parallel geschaltet ist (Figur 3)·

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