DE4441214C2 - Aktive Filterschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine aktive Filterschaltung, insbesondere zur Unterstützung bzw. Ersatz eines Glättungskondensators einer Gleichstromversorgung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Glättungsschaltung ist bekannt aus der US 5.218.520. Zur Steuerung der elektronischen Schalter für den Tiefsetz- und Hochsetzsteller ist dort eine aufwendige Steuerschaltung notwendig mit vier Mischern und einem Quadraturgenarator.

Zur störungsfreien Gleichstromversorgung sind passive Siebschaltungen mit Spulen und Kondensatoren bekannt. Die DE 42 28 480 A1 offenbart eine Siebschaltung mit einer aktiven Filterschaltung, bei der die Spule eines LC-Filters durch eine Transistor-Schaltung nachgebildet ist.

Aus der DE 43 28 748 A1 ist eine Wechselrichtereinheit bekannt mit einem Impedanzelement, das einen Teil von zwei Schwingsystemen bildet. Das einer Last zugeführte Ausgangssignal wird auf einen konstanten Wert gebracht, um die Brummkomponente herabzusetzen. Die beiden Schwingsysteme werden durch elektronische Schalter gesteuert.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, eine aktive Filterschaltung anzugeben, die die einer Gleichspannung überlagerten Wechselanteile wirksam unterdrückt, wenige Verluste verursacht und eine einfache Steuerschaltung aufweist. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen auf.

Die Filterschaltung nach der Erfindung ermöglicht die wirksame Unterdrückung von Wechselanteilen ohne aufwendige Glättungsmittel. Insbesondere werden keine voluminösen Drosseln und Glättungskondensatoren benötigt, die prinzipbedingte Verluste aufweisen. Da die Filterschaltung nur aus einem Zweipol besteht, läßt sie sich einfach in bestehende Glättungsschaltungen integrieren bzw. nachrüsten. Sie kann auf einfache Weise einem vorhandenen Glättungskondensator parallel geschaltet werden oder diesen ersetzen.

Anhand der Zeichnungen werden nun Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine herkömmliche Gleichrichterschaltung mit Glättungskondensator,

Fig. 2 die aktive Filterschaltung nach der Erfindung,

Fig. 3 den Verlauf des Wechselanteils und die entsprechende Steuerung des Tiefsetz- bzw. Hochsetzstellers,

Fig. 4 eine Abwandlung der Filterschaltung nach der Erfindung und

Fig. 5 eine weitere Variante einer aktiven Filterschaltung nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine herkömmliche Gleichrichterschaltung dargestellt. Die Eingangswechselspannung UW von beispielweise 230 V wird mit einem Netztransformator auf einen gewünschten Wert transformiert. Der sich anschließende Gleichrichter GR in Vollbrückenschaltung weist einen ausgangsseitigen Glättungskondensator CO auf, der parallel zur angeschlossenen Last RL liegt.

Die erfindungsgemäße aktive Filterschaltung gemäß Fig. 2 läßt sich an den Klemmen 1 und 2 zum Glättungskondensator CO parallel schalten und unterstützt somit den Glättungskondensator CO oder ersetzt ihn.

Den Verlauf des am Glättungskondensator CO anstehenden und zu unterdrückenden Wechselanteils zeigt Fig. 3. Übersteigt der Wechselanteil Ue einen Referenzwert, z. B. den Mittelwert UM, arbeitet die Filterschaltung als Tiefsetzsteller, bei Unterschreiten des Referenzwertes als Hochsetzsteller. im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 besteht die Filterschaltung aus zwei in Serie geschalteten abwechselnd steuerbaren elektronischen Schalter T1 und T2, wobei die Schaltstrecke eines der elektronischen Schalter, im Ausführungsbeispiel der Schalter T2, von einer Speichereinrichtung überbrückt ist, die eine Induktivität LS und eine Kapazität CS enthält. Im ausgeführten Beispiel ist eine Serienschaltung aus einer Induktivität LS und einer Kapazität CS vorgesehen. Gegebenenfalls kann über der Serienschaltung der beiden Schalter T1 und T2 noch ein Ladekondensator CL vorgesehen sein. Die Funktion dieses Ladekondensators CL kann bei geeigneter Dimensionierung auch der Glättungskondensator CO übernehmen. Der Ladekondensator CL muß jedenfalls so groß sein, daß er die Schaltströme für die Schaltung liefern kann.

Wie Fig. 2 zeigt, arbeitet bei Tiefsetzsteller-Betrieb der Transistor T1 als Schalter und der Transistor T2 als Diode D2; bei Hochsetzsteller-Betrieb arbeitet Transistor T1 als Diode D1 und Transistor T2 als Schalter.

Bei Tiefsetzsteller-Betrieb wird vom Kondensator CS Energie aufgenommen, wohingegen bei Hochsetzsteller-Betrieb Energie abgegeben wird. Die Induktivität LS wirkt dabei als Speicher- bzw. als Flußwandlerdrossel.

Zur Aufbereitung der gegenphasigen Steuerpulse für die Schalter T1 und T2 ist eine Steuereinrichtung St vorgesehen, für die zwei Ausführungsbeispiele vorgestellt werden. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist ein Spannungsdetektor für den Wechselanteil der gleichgerichteten Spannung in Form eines Entkopplungskondensators CA vorgesehen. Dieser Wechselanteil wird mittels einer Vergleichseinrichtung - Regelverstärker RV - mit einem Referenzwert - Referenzspannung UM - verglichen. Das Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung RV wird einem Pulsbreitenmodulator PBM zugeführt, der aus dem Vergleichssignal und einem periodischen, bezüglich des Wechselspannungsanteils hochfrequenten Bezugssignals, beispielweise einem von einem Taktgenerator abgeleiteten 50 kHz Sägezahnsignal, pulsbreitenmodulierte Ansteuerimpulse für die Schalter T1 und T2 liefert. Zur Gewinnung gegenphasiger Ansteuerimpulse für die Schalter T1 und T2 ist in einen der Ansteuerpfade zwischen Pulsbreitenmodulator PBM und Schalter, hier T1, ein Inverter IN vorgesehen. Zum Schutz gegen gleichzeitige Leitendsteuerung der Schalter T1 und T2 ist in mindestens einem Ansteuerpfad eine Verzögerungsschaltung VZ vorgesehen. Diese bewirkt, daß zwischen den Ansteuerpulsen T1 und T2 eine Mindestpausenzeit eingehalten wird. Gegebenenfalls können zur Ansteuerung der Schalter T1 und T2 Treibstufen TS vorgesehen sein.

Eine Abwandlung der Steuereinrichtung ST gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 zeigt Fig. 4. Es wird dort nicht der reine Wechselanteil mit einem Referenzwert verglichen, sondern das zu glättende gleichgerichtete Signal- mit DC und AC-Anteil mit einem Referenzwert UM′, der durch Integration des zu glättenden Signals - integrator MB - gebildet wird.

Die aktive Filterschaltung kann nicht nur bei der in Fig. 1 dargestellten Anwendung eingesetzt werden, sondern insbesondere auch zur Glättung von Ausgangsspannungen in Schaltregler-Ausgangskreisen oder in sonstigen Anwendungen, wo Wechselspannungsanteile wirksam unterdrückt werden sollen.

Bei der aktiven Filterschaltung gemäß Fig. 5 liegt über den beiden Schaltstrecken der elektronischen Schalter T1 und T2 die Serienschaltung des Ladekondensators CL und des Speicherkondensators CS. Der gemeinsame Verbindungspunkt der Schalter T1 und T2 ist mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt dieser beiden Kapazitäten CL und CS über die Induktivität LS verbunden. Die übrigen Schaltungsbestandteile dieses Ausführungsbeispiels können nach Fig. 2 oder Fig. 4 ausgestaltet sein.

Claims (8)

1. Aktive Filterschaltung zur Unterdrückung von Wechselanteilen, insbesondere zur Unterstützung bzw. Ersatz eines Glättungskondensators (CO) einer Gleichstromversorgung, wobei eine Schaltungsanordnung vorgesehen ist, die beim Übersteigen des Wechselanteils über einen Referenzwert (UM) als Tiefsetzsteller (T2, D1) und bei Unterschreiten des Wechselanteils unter den Referenzwert (UM) als Hochsetzsteller (T1, D2) arbeitet, wobei die Filterschaltung aus zwei in Serie geschalteten abwechselnd steuerbaren elektronischen Schaltern (T1, T2) besteht, wobei die Schaltstrecke eines der elektronischen Schalter (T1, T2) von einer Speichereinrichtung überbrückt ist, die eine Induktivität (LS) und eine Kapazität (CS) enthält, wobei eine Steuereinrichtung (St) für die elektronischen Schalter (T1, T2) vorgesehen ist zur Aufbereitung zueinander gegenphasiger Steuersignale und diese Steuereinrichtung (St) einen Spannungsdetektor (CA) sowie eine Vergleichseinrichtung (RV) mit einem nachgeschalteten Pulsbreitenmodulator (PBM) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Eingang der Vergleichseinrichtung (RV) mit dem Spannungsdetektor (CA) verbunden ist und der zweite Eingang der Vergleichseinrichtung (RV) mit einem Referenzspannungswert (UM, UM′) beaufschlagt ist.

2. Aktive Filterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsdetektor (CA) so ausgestaltet ist, daß nur der Wechselanteil des zu glättenden gleichgerichteten Signals erfaßt wird.

3. Aktive Filterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsdetektor (CA) so ausgestaltet ist, daß das zu glättende gleichgerichtete Signal mit DC und AC-Anteil erfaßt wird.

4. Aktive Filterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung des Referenzspannungswertes (UM, UM′) für die Vergleichseinrichtung (RV) ein Integrator (MB) vorgesehen ist, der das zu glättende Signal integriert.

5. Aktive Filterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß den in Serie geschalteten elektronischen Schaltern (T1, T2) ein Ladekondensator (CL) parallel geschaltet ist.

6. Aktive Filterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schaltstecken der elektronischen Schalter (T1, T2) von der Serienschaltung zweier Kondensatoren (CL, CS) überbrückt sind und daß die gemeinsamen Verbindungspunkte der Schalter (T1, T2) einerseits und der Kondensatoren (CL, CS) andererseits über eine Induktivität (LS) in Wirkverbindung stehen.

7. Aktive Filterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Pulsbreitenmodulators (PBM) zur Gewinnung gegenphasiger Ansteuerimpulse für die elektronischen Schalter (T1, T2) in einem Ansteuerpfad über einen Inverter (IN) geführt ist.

8. Aktive Filterschaltung nach einem der Ansprache 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem der Ansteuerpfade der elektronischen Schalter (T1, T2) eine Verzögerungsschaltung (VZ) vorgesehen ist.