DE3612380C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einer Last, die mit einer Speisespannungsquelle gekoppelt ist und die in dem Strom der Speisespannungsquelle einen Störstrom hervorruft, gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs (US 38 25 815).

Aus der EP 00 59 053 (Fig. 3) ist eine Schaltungsanordnung bekannt, in der eine Speisespannungsquelle, die eine Wechselspannung liefert, über ein Filter mit einer Last, einem Schaltnetzteil, gekoppelt. Das Schaltnetzteil verursacht aufgrund von Schaltvorgängen einen Störstrom, dessen Frequenz wesentlich höher ist als die des Stromes der Speisespannungsquelle und der auf die Speisespannungsquelle rückwirkt. Zur Verhinderung dieses Störstromes dient das aus einer Spule und einem Kondensator bestehende Filter. Einerseits ist die Spule an die Speisespannungsquelle und andererseits mit der Last und dem parallel zur Last liegenden Kondensator verbunden. Durch die Verwendung einer Spule zur Reduzierung des Störstromes wird eine wesentliche Verkleinerung der Schaltungsanordnung verhindert.

Aus der US-PS 38 25 815 ist eine Schaltungsanordnung bekannt zur Verringerung eines in einer Last hervorgerufenen Störstromes, die eine Kompensationsschaltung enthält, welche in einem Verbindungszweig zwischen Last und einer Speisespannungsquelle angeordnet ist. Die Kompensationsschaltung umfaßt eine gesteuerte Signalquelle mit einem Kondensator. Die gesteuerte Signalquelle ist als Brückenschaltung ausgebildet, die in jedem Zweig Schalttransistoren enthält. Die Schalttransistoren werden von einer Steuerschaltung so angesteuert, daß die in gegenüberliegenden Brückenzweigen angeordneten Transistoren jeweils leitend bzw. gesperrt sind. Der Kompensationsstrom fließt über einen Transistor und den Kondensator zum Transistor im gegenüberliegenden Brückenzweig. An einem Transistor fällt die halbe Speisespannung ab, wodurch Transistoren mit einer hohen Spannungsfestigkeit verwendet werden müssen. Parallel zur Last ist ein Spannungsteiler geschaltet, der der Steuerschaltung eine Spannung liefert, welche der Störspannung und der Speisespannung proportional ist. Die Steuerschaltung ermittelt aus dieser Spannung die Dauer des leitenden bzw. gesperrten Zustandes eines Transistors. Mit Hilfe der Brückenschaltung wird ein den Störstrom weitgehend kompensierender Strom erzeugt. Bedingt durch die nichtidealen Bauelemente in der gesteuerten Signalquelle und der Steuerschaltung wird der Störstrom nicht vollständig kompensiert.

Aus der US-PS 34 14 824 ist ferner ein aktives Tiefpaßfilter bekannt, welches zwischen einer Speisespannungquelle und einer Last, z. B. einem Fernschreiber, geschaltet ist. Die variable Last verursacht Störströme, die von dem aktiven Filter weitgehend kompensiert werden. Das aktive Filter enthält eine Kompensationsschaltung, ein induktives Element und ein kapazitives Element. Die von der Last verursachten Störströme werden teilweise von dem induktiven und kapazitiven Element beseitigt. Eine weitere Reduzierung wird durch die Kompensationsschaltung erreicht. In dieser Kompensationsschaltung mißt ein Meßwiderstand, der in einer Zuleitung zwischen Speisespannungsquelle und Kompensationsschaltung angeordnet ist, den vorhandenen Störstrom, der über einen Spannungsverstärker einem Spannungs-Stromwandler zugeführt wird. Der Spannungs-Stromwandler erzeugt einen Kompensationsstrom, der dem vorhandenen Störstrom entgegenwirkt. Diesem Kompensationsstrom ist ein Gleichstrom überlagert, weil die Kompensationsschaltung von der Speisespannungsquelle mit Energie versorgt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungs­ anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine einfach ausgebildete Kompensationsschaltung enthält, welche eine weitgehende Reduktion des Störstromes bewirkt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

In der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist in dem Verbindungszweig eine mit dem Kondensator in Reihe geschaltete gesteuerte Signalquelle angeordnet, die einen Strom durch den Kondensator liefert, der von einem aus dem Störstrom abgeleiteten Steuersignal abhängig ist und dessen Größe und Phase so bemessen ist, daß der Störstrom größtenteils durch den Kondensator fließen kann.

In der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird mit Hilfe der gesteuerten Signalquelle in der Kompensations­ schaltung ein Strom in den Kondensator geleitet, der ungefähr nach Phase und Größe dem Störstrom entspricht. Der Störstrom wird durch die gesteuerte Signalquelle über den Kondensator weitgehend abgeleitet, so daß nur ein kleiner Anteil des Störstromes zur Speisespannungsquelle gelangen kann. Das Steuersignal, das der Signalquelle zugeführt wird, hängt dabei von dem Störstrom ab. Es ist nicht notwendig, daß diese Abhängigkeit linear ist. Es muß nur sichergestellt werden, daß der Störstrom dem Strom, der von der Signalquelle in den Kondensator geleitet wird, weitgehend entspricht.

Es läßt sich aus dem Störstrom ein Steuersignal ableiten, indem der Strom der Speisespannungsquelle mit dem Stör­ strom gemessen wird. Dazu ist vorgesehen, daß aus der an einem ersten Meßwiderstand, der in einer Zuleitung zwischen der Last und der Reihenschaltung aus dem Kondensator und der Signalquelle angeordnet ist, abfallenden Spannung das Steuersignal gewonnen wird.

Die Spannung an dem Meßwiderstand ist abhängig von dem Strom, der von der Speisespannungsquelle geliefert wird und dem von der Last hervorgerufenen Störstrom. Um ein nur von dem Störstrom abhängiges Signal zu bekommen, ist vorgesehen, daß eine Verstärkerschaltung, der an ihrem ersten Eingang die am ersten Meßwiderstand abfallende Spannung und der an ihrem zweiten Eingang eine Vergleichsspannung zugeführt wird, die dem zeitlichen Verlauf des Stromes der Speisespannungsquelle annähernd entspricht, eine Ausgangsspannung bildet, die das Steuersignal darstellt. Es läßt sich ebenso mittels eines Kondensators, der zwischen dem Meßwiderstand und der gesteuerten Signalquelle angeordnet ist, ein vom Strom der Speisespannungsquelle unabhängiges Signal gewinnen. Die Kapazität des Kondensators muß dabei so gewählt werden, daß er das niederfrequente vom Strom der Speisespannungsquelle hervorgerufene Signal unterdrückt.

Die Vergleichsspannung wird an einem zweiten Meßwiderstand gewonnen, der zwischen der Speisespannungsquelle und dem Parallelzweig angeordnet ist und an dem auch der infolge der nicht vollständigen Kompensation des Störstromes verbleibende restliche Störstrom gemessen werden kann.

In einer Ausführungsform für die gesteuerte Signalquelle ist vorgesehen, daß diese einen Leistungsverstärker mit einer komplementären Endstufe umfaßt.

Die Erfindung kann in einer solchen Schaltungsanordnung verwendet werden, die als Last ein Schaltnetzteil enthält.

Anhand der Zeichnungen wird im folgenden die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Das erste Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1 weist eine Speisespannungsquelle 1 auf, die z. B. eine Gleichspannung von 50 V abgibt. Eine Gleichspannung hat nur einen Anteil bei einer Frequenz von Null. Die Speisespannungsquelle 1 versorgt über Zuleitungen eine Last 2, die z.B. ein als Aufwärts-Spannungswandler ausgebildetes Schaltnetzteil sein kann. Derartige Schaltnetzteile werden in der Regel bei Schaltfrequenzen von ungefähr 20 kHz bis 200 kHz betrieben. Diese Schaltvorgänge rufen einen Störstrom im Eingangsstrom der Speisespannungsquelle 1 hervor, dessen Frequenzspektrum Anteile bei der Schaltfrequenz und deren Harmonischen aufweist.

Zur Verringerung dieses Störstromes ist eine Kompensa­ tionsschaltung vorgesehen, die einen Kondensator 3, eine gesteuerte Signalquelle 4 und eine Verstärkerschaltung 5 enthält. Der Strom Ya, der durch die Last fließt und der den Störstrom enthält, ruft an einem Meßwiderstand 10 einen Spannungsabfall hervor. Der Widerstand 10 sollte vorzugsweise so gewählt werden, daß er einerseits zur Begrenzung der an ihm entstehenden Verluste möglichst klein ist, andererseits aber die an ihm abfallende Spannung einen genügend hohen Pegel zur Ansteuerung des Verstärkers 11 aufweist. Der Meßwiderstand 10 ist zwischen dem negativen Bezugspunkt der Speisespannungsquelle 1 und einem Anschlußpunkt der Last 2 angeordnet. Am Verbindungs­ punkt zwischen der Last 2 und dem Meßwiderstand 10 ist die Verstärkerschaltung 5 angeschlossen. Die Verstärkerschal­ tung 5 enthält einen Verstärker 11, dessen invertierender Eingang über einen Widerstand 12 mit dem oben erwähnten Verbindungspunkt und über einen Widerstand 13 mit seinem Ausgang verbunden ist. An dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 11 ist ein mit dem negativen Bezugspunkt der Speisespannungsquelle 1 verbundener Widerstand 14 und ein mit einer Referenzspannungsquelle Uref verbundener Widerstand 15 angeschlossen. Des weiteren ist in der Verstärkerschaltung 5 ein Verstärker 16 enthalten, dessen nichtinvertierender Eingang an den negativen Bezugspunkt angeschlossen ist und dessen invertierender Eingang über einen Widerstand 17 mit dem Ausgang des Verstärkers 11 und über einen Widerstand 18 mit seinem Ausgang verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers 16 bildet den Ausgang der Verstärkerschaltung 5.

In der Verstärkerschaltung 5 wird die Differenz zwischen der Vergleichsspannung, die ein Abbild der von der Speise­ spannungsquelle 1 gelieferten Spannung ist, und der an dem ersten Meßwiderstand abfallenden Spannung gebildet. Die Spannung am Ausgang der Verstärkerschaltung 5 ist abhängig von dem von der Last 2 erzeugten Störstrom. Die Wider­ stände 12 bis 15 und 17, 18 und die Referenzspannung Uref, die eine Größenordnung kleiner ist als die Gleichspannung der Speisespannungsquelle 1, können so gewählt werden, daß eine gleichspannungsmäßige Anpassung der Verstärkungs­ schaltung 5 und der folgenden gesteuerten Signalquelle 4 vorhanden ist.

Die gesteuerte Signalquelle 4 enthält einen Leistungs­ verstärker mit einer komplementären Endstufe der Klasse AB. Die komplementäre Endstufe enthält einen NPN-Transistor 20 und einen PNP-Transistor 21. Der Kollektor des Transistors 21 ist an den negativen Bezugs­ punkt der Speisespannungsquelle 1 angeschlossen und die Basis einerseits an einen mit dem negativen Bezugspunkt verbundenen Widerstand 22 und andererseits an die Kathode einer Diode 23. Die Anode der Diode 23 ist einerseits mit dem Ausgang der Verstärkerschaltung 5, die die Steuer­ spannung liefert, und andererseits mit der Kathode einer Diode 24 verbunden. An den Anschlußpunkt zwischen der Anode der Diode 24 und einem Widerstand 25 ist die Basis des Transistors 20 gelegt. Eine Versorgungsspannung Ub, die eine Größenordnung geringer ist als die Gleichspannung der Speisespannungsquelle 1, ist an den Kollektor des Transistors 20 und an den anderen Anschlußpunkt des Wider­ standes 25 gelegt. Die Emitter der beiden Transistoren 20 und 21 sind über einen Verbindungspunkt mit dem Konden­ sator 3 verbunden, der wiederum an den positiven Anschluß­ punkt der Speisespannungsquelle 1 gelegt ist.

Die gesteuerte Signalquelle 4 treibt abhängig von der von der Verstärkerschaltung 5 gelieferten Ausgangsspannung einen Strom Yc, der ungefähr gleich dem Störstrom ist, durch den Kondensator 3. Abhängig von der angelegten Steuerspannung ist entweder der Transistor 20 oder der Transistor 21 leitend. Wenn der Transistor 20 leitend ist, wird der erforderliche Strom Yc aus der Spannungsquelle gezogen, die die Spannung Ub liefert und die an den Masse­ anschluß der Speisespannungsquelle 1, was hier nicht näher dargestellt ist, angeschlossen ist. Ist der Transistor 21 leitend, fließt der Strom Yc über diesen an den negativen Bezugspunkt. Der Kondensator 3 verhindert, daß die Gleich­ spannung der gesteuerten Signalquelle auf die Speise­ spannungsquelle 1 und die Last 2 einwirkt. An dem Konden­ sator 3 fällt die Spannungsdifferenz zwischen der Spannung an der Last 2 und der Spannung am Ausgang der Signal­ quelle 4 ab, die in der Regel eine Größenordnung kleiner ist als die Spannung an der Last 2.

Bedingt durch die nichtidealen Bauelemente und die Nicht­ linearität der Signalquelle 4 wird keine vollständige Kompensation des Störstromes erreicht.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in der Fig. 2 dargestellt ist, wird eine Möglichkeit gezeigt, wie eine weitere Reduzierung des Störstromes erreicht werden kann. Die Schaltungselemente mit den gleichen Funktionen wie in Fig. 1 sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Ein Unterschied im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ergibt sich gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1 nur in der Verstärkerschaltung 5. An der Verbindung des Meßwider­ standes 10 und der Last 2 ist der Widerstand 12 ange­ schlossen, der andererseits mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 11 verbunden ist. Der invertierende Eingang ist über den Widerstand 13 mit seinem Ausgang verbunden. Der nichtinvertierende Eingang ist in diesem Ausführungsbeispiel mit dem negativen Anschluß der Speise­ spannungsquelle 1 verbunden. An dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 11 liegt eine Spannung, die über einem zweiten Meßwiderstand 30 abfällt, der zwischen dem negativen Anschluß der Speisespannungsquelle 1 und dem ersten Meßwiderstand 10 angeordnet ist. Der negative Anschluß der Spannungsquelle Ub, aus der sowohl die Signalquelle 4 als auch die Verstärker 11 und 16 versorgt werden, ist an den Verbindungspunkt zwischen den beiden Meßwiderständen 10 und 30 angeschlossen. Der weitere Auf­ bau der Verstärkerschaltung 5 ist mit dem Aufbau gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 identisch. In der Ver­ stärkerschaltung 5 wird gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 die Differenz zwischen der Spannung am Meßwider­ stand 10 und der Spannung am Meßwiderstand 30 gebildet.

In einem praktischen Schaltungsaufbau wurde ein Schalt­ netzteil verwendet, das einen dreieckförmigen Störstrom hervorruft. Es hat sich gezeigt, daß die erste Harmonische des Störstromes, die bei 20 kHz liegt, gemäß dem Aus­ führungsbeispiel der Fig. 1 um 30 dB reduziert wurde und beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 die erste Harmonische um 50 dB reduziert werden konnte.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist nicht auf die Verwendung einer Speisespannungsquelle beschränkt, die eine Gleichspannung liefert, sondern kann ebenso verwendet werden, wenn eine Speisespannungsquelle eine Wechsel­ spannung liefert. Die Anteile der Wechselspannungsquelle müssen aber bei viel geringeren Frequenzen liegen als die Anteile des Störstromes.

Claims (3)

1. Schaltungsanordnung mit einer Last (2), die mit einer Speisespannungsquelle (1) gekoppelt ist und die in dem Strom der Speisespannungsquelle (1) einen Störstrom hervorruft, dessen Frequenz wesentlich höher ist als die des Stromes der Speisespannungsquelle (1), mit einer zur Verringerung des Störstromes vorgesehenen Kompensationsschaltung, die einen in den Zuleitungen zwischen der Last (2) und der Speisespannungsquelle (1) angeordneten Verbindungszweig mit einem Kondensator (3) und einer gesteuerten Signalquelle (4) enthält, die einen Strom durch den Kondensator (3) liefert, der von einem aus dem Störstrom abgeleiteten Steuersignal abhängig ist und dessen Größe und Phase so bemessen ist, daß der Störstrom größtenteils durch den Kondensator (3) fließen kann, und mit einem ersten Meßwiderstand (10), dadurch gekennzeichnet, daß der erste Meßwiderstand (10) in einer Zuleitung zwischen der Last (2) und der Reihenschaltung aus dem Kondensator (3) und der Signalquelle (4) angeordnet ist, daß ein zweiter Meßwiderstand (30), an dem eine Vergleichsspannung gewonnen wird, zwischen der Speisespannungsquelle (1) und dem Parallelzweig angeordnet ist und daß eine Verstärkerschaltung (5) vorgesehen ist, der an ihrem ersten Eingang die am ersten Meßwiderstand (10) abfallende Spannung und der an ihrem zweiten Eingang eine Vergleichsspannung zugeführt wird und die ein Steuersignal für die gesteuerte Signalquelle (4) liefert.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gesteuerte Signalquelle (4) einen Leistungsverstärker mit einer komplementären Endstufe (20, 21) umfaßt.

3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Last (2) als Schaltnetzteil ausgebildet ist.