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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Vorrichtung mit einem Filter zum Unterdrücken von Störsignalen sowie eine Verwendung der elektrischen Vorrichtung in einem Fahrzeug.
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Durch eine ständig steigende Leistungsfähigkeit moderner Elektroniken, insbesondere im Bereich Automobilindustrie, und einem in diesem Zusammenhang zunehmenden Integrationsgrad bezüglich neuer, zusätzlicher Funktionen erwachsen neue Herausforderungen. Diese betreffen z. B. eine zentrale Spannungsversorgung und zentrale Generierung von Grafik-, Bild- und Steuerdaten mit leistungsstarken Recheneinheiten und eine Bereitstellung dieser Daten an Anzeigeeinheiten über leistungsfähige Datenschnittstellen bei einer gleichzeitigen Einhaltung existierender elektromagnetischer Verträglichkeitswerte (EMV-Werte).
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Bislang sind die Anzeigeeinheiten als selbstständige Geräte mit lokaler Recheneinheit ausgelegt, denen von dem externen Steuergerät lediglich die Versorgungsspannung zugeführt wurde. Die Bilddaten werden in der intelligenten Anzeigeeinheit auf Basis von über CAN oder MOST zugeführten Steuerdaten selbstständig errechnet und angezeigt. Falls die Anzeigeeinheiten ohne lokale Recheneinheit ausgelegt sind, werden die Bilddaten von der Recheneinheit bereitgestellt, allerdings keine Versorgungsspannung für die Anzeigeeinheit von der Recheneinheit bereitgestellt. Mit einem derartigen Konzept sind jedoch massive EMV-Probleme durch eine Schleifenbildung o. ä. verbunden.
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Die
US 2006/0049890 A1 beschreibt eine Schaltung zur Unterdrückung von Störsignalen. Diese weist ein elektrisches Filter für asymmetrische Gleichtaktstörsignale auf, durch welches die Spannungsversorgung eines elektrischen Geräts geführt wird. Hierbei erfolgt die Zuführung bzw. Rückführung des Stromflusses über jeweils eine Wicklung, wobei die beiden Wicklungen magnetisch gekoppelt sind. Für normale symmetrische Nutzsignale werden so die gegengerichteten magnetischen Flüsse aufgehoben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine elektrische Vorrichtung vorzuschlagen, die die genannten Nachteile vermeidet, mit der also eine störungsfreie Bereitstellung einer Versorgungsspannung durch eine Recheneinheit möglich ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine elektrische Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs und eine Verwendung der elektrischen Vorrichtung in einem Fahrzeug. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Die elektrische Vorrichtung, die insbesondere für ein Fahrzeug ist, umfasst eine primäre Steuereinheit zum Steuern und zum Versorgen der elektrischen Vorrichtung mit Energie sowie eine sekundäre, der Steuereinheit nachgeordnete Ausgabeeinheit zum Ausgeben von von der Steuereinheit übermittelten Daten. Die primäre Steuereinheit und die sekundäre Ausgabeeinheit sind über eine Datenleitung miteinander verbunden. Die Steuereinheit umfasst ein elektrisches Filter zum Unterdrücken von Störsignalen mit drei auf einem ferromagnetischen Grundkörper angeordneten, galvanisch voneinander getrennten Drosselspulen. Die drei Drosselspulen sind induktiv derart gekoppelt, dass die Richtung eines von einem ersten Stromfluss in der ersten Drosselspule und eines von einem zweiten Stromfluss in der zweiten Drosselspule in dem Grundkörper erzeugten magnetischen Flusses entgegengerichtet zu der Richtung eines von einem dritten Stromfluss in der dritten Drosselspule in dem Grundkörper erzeugten weiteren magnetischen Flusses ist. Die erste Drosselspule führt hierbei eine erste externe Versorgungsspannung der Steuereinheit zu, die zweite Drosselspule führt eine zweite externe Versorgungsspannung über eine zwischen der Steuereinheit und der Ausgabeeinheit verlaufende Versorgungsspannungsleitung der Ausgabeeinheit zu und die dritte Drosselspule liegt auf einem gemeinsamen Bezugspotential für die erste Versorgungsspannung und die zweite Versorgungsspannung. Die dritte Drosselspule ist als gemeinsame Rückleitung des ersten Stromflusses und des zweiten Stromflusses mit einer zwischen der Ausgabeeinheit und der Steuereinheit verlaufenden Masseleitung verbunden.
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Durch diese elektrische Vorrichtung kann die Steuereinheit mit der ersten Versorgungsspannung und die Ausgabeeinheit mit der zweiten Versorgungsspannung versorgt werden, ohne dass es zu EMV-Problemen kommt. Störsignale werden durch das elektrische Filter, das ausgestaltet ist, beide Versorgungsspannungen störungsfrei zu leiten, den Geräten zugeführt. Durch eine Ausbildung der dritten Drosselspule als gemeinsamer Rückleiter erfolgt eine Zwangssymmetrierung von Eingangsströmen und Rückströmen für die gesamte elektrische Vorrichtung, also sowohl die Recheneinheit als auch die Ausgabeeinheit. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass eine EMV-Filterung im Sinne eines Common-Mode-Filters durch ein jeweiliges Bauteil selbst erfolgt und eine minimale Schleifenbildung zwischen Datenleitung und Versorgungsleitung erfolgt. Außerdem kann ein bereits gefiltertes Bezugspotential verwendet werden. Hierdurch wird insbesondere eine hohe Störfestigkeit gegenüber externen Störungen erreicht.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Datenleitung eine abgeschirmte Leitung, wobei die Abschirmung ein Bestandteil der Masseleitung ist. Eine separate Masseleitung bzw. Rückleitung zwischen der Recheneinheit und der Ausgabeeinheit kann somit entfallen und die Verbindung kompakter ausgestaltet werden. Insbesondere kann hierdurch eine Gewichtsreduktion der elektrischen Vorrichtung sowie verringerte Produktionskosten erreicht werden, und es ist eine geringere Pinzahl erforderlich.
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Die Ausgabeeinheit umfasst typischerweise eine Anzeigeeinheit, vorzugsweise ein Head-up-Display, durch welches einem Benutzer der elektrischen Vorrichtung visuell wahrnehmbare Informationen dargestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Anzeigeeinheit auch ausgebildet sein, akustische Signale auszugeben.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die Steuereinheit und bzw. oder die Ausgabeeinheit ein Netzteil zum Zuführen einer der Versorgungsspannungen aufweist. Hierdurch kann die jeweilige Versorgungsspannung auf eine für das jeweilige Gerät passende Spannung und bzw. oder Stromstärke transformiert werden.
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Die Steuereinheit weist in vorteilhafter Weise eine Grafik-Kontrolleinheit auf, die vorzugsweise über das Netzteil der Steuereinheit versorgt wird und über die Datenleitung Grafikdaten an die Anzeigeeinheit übermittelt. Durch die Grafik-Kontrolleinheit können die Grafikdaten somit nochmals gesondert und unabhängig von weiteren in der Recheneinheit enthaltenen Einheiten verarbeitet und weitergeleitet werden.
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Typischerweise ist der Grundkörper ein Ringkern mit offenem oder geschlossenem magnetischen Weg. Hierdurch werden die magnetischen Flüsse in einer geschlossenen Anordnung geführt und Streufelder vermieden. Alternativ kann der Grundkörper auch stabförmig sein. Der Grundkörper ist in besonders vorteilhafter Weise aus einem Ferrit.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist mindestens eine der Drosselspulen bifilar, also parallel, mit einer weiteren der Drosselspulen gewickelt. In besonders vorteilhafter Weise ist die dritte Drosselspule bifilar mit der ersten Drosselspule oder der zweiten Drosselspule gewickelt. Durch die bifilare Wicklung auf dem Grundkörper kann dieser kompakter und somit platzsparender ausgeführt werden.
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Der Grundkörper kann auch drei über zwei Joche miteinander verbundene Schenkel aufweisen. In besonders vorteilhafter Weise kann jede der drei Drosselspulen auf einem der Schenkel sitzen, sodass ein Kurzschluss durch eine Berührung zweier der Drosselspulen zuverlässig vermieden wird.
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Das Bezugspotential der ersten Versorgungsspannung und der zweiten Versorgungsspannung ist in vorteilhafter Weise von einem externen Bezugspotential getrennt. Somit wird ein eigenes Bezugspotential für die elektrische Vorrichtung definiert und Recheneinheit sowie Anzeigeeinheit können auf das gleiche Bezugspotential referenziert werden.
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Die elektrische Vorrichtung wie zuvor beschrieben wird typischerweise in einem Fahrzeug, vorzugsweise einem Kraftfahrzeug, verwendet. In besonders vorteilhafter Weise ist das Bezugspotential der elektrischen Vorrichtung zu einem Massepotential des Fahrzeugs undefiniert oder ”floatend”.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 bis 5 erläutert. Es zeigen:
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1 eine Schaltung einer elektrischen Vorrichtung, die eine Recheneinheit als Steuereinheit und ein Head-up-Display als Anzeigeeinheit umfasst;
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2 ein Schaltbild eines elektrischen Filters;
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3 ein Ausführungsbeispiel des elektrischen Filters;
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4 ein weiteres Ausführungsbeispiel des elektrischen Filters und
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5 ein Diagramm einer Gleichtaktdämpfung mittels des in 3 dargestellten elektrischen Filters.
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In 1 ist eine Schaltung einer elektrischen Vorrichtung 1 dargestellt. Die elektrische Vorrichtung 1 wird in einem Kraftfahrzeug verwendet, ist daher in diesem Kraftfahrzeug eingebaut und umfasst eine Recheneinheit 2 als primäre Steuereinheit und eine Anzeigeeinheit 3 als sekundäre Ausgabeeinheit. Die Anzeigeeinheit 3 ist der Recheneinheit 2 nachgeschaltet und wird von dieser über eine Versorgungsspannungsleitung 4 mit Energie versorgt. Eine Datenleitung 5 verläuft zwischen der Recheneinheit 2 und der Anzeigeeinheit 3 und dient der Übermittlung von Daten. Die Datenleitung 5 umfasst insgesamt vier die Daten führende Leiter. Zum Abschirmen weist die Datenleitung 5 eine schlauchförmige Abschirmung 6, die auch als eine Masserückleitung dient, auf.
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Die Recheneinheit 2 ist Teil eines Kombiinstruments des Kraftfahrzeugs. Die Anzeigeeinheit 3 ist ein Head-up-Display, das im Blickfeld eines Fahrzeuginsassen verschiedene Informationen direkt auf eine Windschutzscheibe als Display 7 des Fahrzeugs projiziert. Das Display 7 kann natürlich auch in einer Instrumententafel als konventionelles Display, beispielsweise als LCD-Display, integriert sein. Die wiederzugebenden Bilddaten werden von einem in der Recheneinheit 2 enthaltenen Grafik-Controller 8 berechnet und über die Datenleitung 5 an einen in der Anzeigeeinheit 3 integrierten Timing-Controller 9 übermittelt, der die Daten zu vorgegebenen Zeitpunkten auf dem Display 7 darstellt. Die Spannungsversorgung der Recheneinheit 2 erfolgt über ein erstes Netzteil 10, das in die Recheneinheit 2 integriert ist und auch den Grafik-Controller 8 versorgt. Ebenso ist in die Anzeigeeinheit 3 ein zweites Netzteil 11 integriert, das zur Spannungsversorgung der Anzeigeeinheit 3 dient und hierzu über Leitungen mit dem Timing-Controller 9 und dem Display 7 verbunden ist. Als Versorgungsspannungsrückleiter der Anzeigeeinheit 3 dient die Abschirmung 6 der Datenleitung 5.
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Über zwei Klemmen 12, 13 wird die Recheneinheit 2 extern, beispielsweise über ein Bordnetz des Fahrzeugs, mit Energie versorgt. Eine Klemme 14 dient als Bezugspotential und zur Rückleitung von über die Klemmen 12 und 13 geführten Strömen. Das Bezugspotential ist ein gemeinsames Bezugspotential für die Recheneinheit 2 und die Anzeigeeinheit 3. Die Klemme 12 kann hierzu beispielsweise als ”Klemme 30” dienen, also als die Klemme, an der eine permanente Versorgungsspannung anliegt, während die Klemme 13 als ”Klemme 30B” dient, also als die Klemme, an der eine geschaltete Versorgungsspannung für Lasten anliegt. Ebenso kann die Klemme 14 als ”Klemme 31”, also als Masse, dienen. Die beiden über die Klemmen 12, 13 geführten Versorgungsspannungen sind unterschiedlich groß, werden verkoppelt auf das erste Netzteil 10 geführt und separat überwacht. In der Recheneinheit 2 wird die Versorgungsspannung für die Anzeigeeinheit 3 abgeleitet und über z. B. einen SMART-FET Highside-Schalter 15 auf die Anzeigeeinheit 3 geführt. Der Schalter 15 unterbricht eine Stromaufnahme der Anzeigeeinheit 3 im Ruhemodus, d. h. wenn das Kraftfahrzeug nicht in Betrieb ist und daher auch keine Darstellung von Bilddaten notwendig ist.
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Die elektrische Vorrichtung 1 weist somit zwei Stromkreise auf. Ein erster Stromkreis läuft ausgehend von der Klemme 12 innerhalb der Recheneinheit 2 über das erste Netzteil 10 zu der Klemme 14. Ein zweiter Stromkreis läuft ausgehend von der Klemme 12 über den Schalter 15 zu der Anzeigeeinheit 3 und über die Abschirmung 6 als Rückleiter zu der Klemme 14. Die Abschirmung 6 schirmt die die Daten führenden Leiter der Datenleitung 5 ab, dient aber auch als Masseleiter für die Versorgungsspannungsleitung 4 und verhindert EMV-Probleme durch eine minimierte Schleifenbildung.
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Die Recheneinheit 2 enthält ein elektrisches Filter 16, das an die Klemmen 12, 13, 14 angeschlossen ist. Das elektrische Filter 16 besteht aus einem Ferrit-Ringkern als Grundkörper, auf dem drei Drosselspulen 17, 18, 19 angeordnet sind. Die Drosselspulen 17, 18, 19 sind galvanisch voneinander getrennt, also elektrisch isoliert, jedoch induktiv durch den Ringkern miteinander gekoppelt. Die erste Drosselspule 17 ist mit der Klemme 12 verbunden und dient einer Weiterleitung der ersten Versorgungsspannung und eines ersten Stromflusses zu dem ersten Netzteil 10. Die zweite Drosselspule 18 ist mit der Klemme 13 verbunden und leitet eine zweite Versorgungsspannung und einen zweiten Stromfluss über den Schalter 15 zu der Anzeigeeinheit 3. Die dritte Drosselspule 19 ist mit der Klemme 14 verbunden und bildet ein gemeinsames Bezugspotential für die erste Versorgungsspannung und die zweite Versorgungsspannung und dient als gemeinsame Rückleitung des ersten Stromflusses und des zweiten Stromflusses. Hierzu ist die dritte Drosselspule 19 auch mit der Abschirmung 6 verbunden. Die Abschirmung 6 bildet somit einen gefilterten Masseanschluss.
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Durch die induktive Kopplung der drei Drosselspulen 17, 18, 19 ist die Richtung eines von dem ersten Stromfluss in der ersten Drosselspule 17 und von dem zweiten Stromfluss in der zweiten Drosselspule 18 hervorgerufenen magnetischen Flusses entgegengesetzt zu der Richtung eines von einem dritten Stromfluss in der dritten Spule erzeugten magnetischen Flusses. Die Stromstärke des dritten Stromflusses entspricht hierbei einer Summe einer Stromstärke des ersten Stromflusses und der Stromstärke des zweiten Stromflusses. Hierdurch kompensieren sich die magnetischen Flüsse gerade.
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Wenn, wie in der elektrischen Vorrichtung 1 in 1, aus EMV-Gründen die Recheneinheit 2 Filterelemente in einer Masseleitung aufweist, wird eine Spannungsversorgung der Anzeigeeinheit 3 sowie ein Bezugspotential der Datenleitung 5 als Bilddatenschnittstelle auf das gleiche Bezugspotential referenziert. Eine separate Masseanbindung der Anzeigeeinheit 3 an nahezu beliebiger Stelle des Fahrzeugs ist somit nicht möglich. Durch das elektrische Filter 16 als Versorgungsspannungsfilter wird eine Symmetrierung von Hin- und Rückströmen der Spannungsversorgung sichergestellt.
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Das Bezugspotential der elektrischen Vorrichtung 1 ist komplett floatend gegenüber einem Masseanschluss des Kraftfahrzeugs. In diesem Zusammenhang soll der Begriff ”floatend” beschreiben, dass keine Verbindung zwischen der Klemme 14, die auf dem Bezugspotential liegt, und dem Masseanschluss des Kraftfahrzeugs, also eine Trennung zwischen einem Masseanschluss der elektrischen Vorrichtung 1 und dem Masseanschluss des Kraftfahrzeugs vorliegt. Somit kann keine Aussage über das Bezugspotential der elektrischen Vorrichtung 1 gegenüber dem Masseanschluss als Bezugspotential des Kraftfahrzeugs getroffen werden, die Bezugspotentiale sind also undefiniert zueinander.
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2 stellt das in 1 als Bestandteil der Recheneinheit 2 bereits dargestellte elektrische Filter 16 als separates Bauteil dar. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser Figur wie auch in den folgenden Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen. Das elektrische Filter 16, das auch als ”Triple-Common-Mode-Filter” bezeichnet wird, weist zwei Eingänge für zwei Versorgungsspannungen über die Klemmen 12 und 13 sowie zwei hierzu korrespondierende Ausgänge auf, die mit weiteren Bauteilen der Recheneinheit 2 verbunden werden. Für das gemeinsame Bezugspotential ist die Klemme 14 als Eingang und ein korrespondierender Ausgang vorgesehen, der mit einer Masseleitung der Recheneinheit 2 und der Anzeigeeinheit 3 verbunden wird. Das elektrische Filter 16 ist als SMD-Bauteil auf Platinen stehend oder liegend einbaubar und kann Ströme bis zu 5 A verarbeiten, wobei vorzugsweise 2,5 A über die Klemme 12 oder die Klemme 13 fließen. Eine Impedanz des elektrischen Filters 16 beträgt 500 Ω bei einer Frequenz von 100 MHz. Ein Gleichstromwiderstand einer einzelnen der Drosselspulen 17, 18, 19 beträgt weniger oder gleich 12 m Ω. Das elektrische Filter 16 ist in einem Temperaturbereich von –40°C bis zu 105°C verwendbar.
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Durch die in 2 gezeigte Anordnung ist das elektrische Filter 16 für asymmetrische Gleichtaktstörsignale mit seiner vollen Induktivität wirksam, während für symmetrische (Gegentakt-)Nutzsignale bzw. die Stromflüsse eines Betriebsstroms nur eine wesentlich kleinere Streuinduktivität wirksam ist. Gleichtaktsignale sollen hierbei dadurch gekennzeichnet sein, dass sie mit gleicher Phase an allen Eingängen eines Bausteins der Recheneinheit 2 oder der Anzeigeeinheit 3 anliegen.
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Eine erste Ausführungsform des elektrischen Filters 16 ist in 3 dargestellt. Auf dem geschlossenen Ringkern 20 sind mit jeweils identischem Wicklungssinn und identischer Anzahl von Windungen die Drosselspulen 17, 18, 19 angeordnet. In einer alternativen Ausführungsform ist der Ringkern 20 nicht geschlossen, sondern offen, weist also mindestens einen Luftspalt auf, oder es kann statt eines Ringkerns 20 ein stabförmiger Grundkörper verwendet werden. Die dritte Drosselspule 19 weist sieben Windungen auf und ist auf einer linken Hälfte des Ringkerns 20 aufgewickelt. Über einen Anschluss 21 ist die dritte Drosselspule 19 mit der Klemme 14 verbindbar, ein Anschluss 22 steht mit der Masseleitung der Recheneinheit 2 und der Anzeigeeinheit 3 in Kontakt. Das elektrische Filter 16 weist weitere Anschlüsse 23, 24, 25, 26 auf, welche allerdings in dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel nicht belegt sind. In weiteren Ausführungsformen können jedoch zusätzliche Spulen mit diesen Anschlüssen 23, 24, 25, 26 verbunden werden. Die zweite Drosselspule 18 und die erste Drosselspule 17 sind auf einer rechten Hälfte des Ringkerns 20 angeordnet und bifilar gewickelt. Durch die bifilare Wicklung verlaufen die zweite Drosselspule 18 und die erste Drosselspule 17 somit parallel zueinander auf dem Ringkern 20. Die zweite Drosselspule 18 ist mit Anschlüssen 27 und 28 verbunden. Der Anschluss 27 führt an die Klemme 13, der Anschluss 28 zu einer elektrischen Leitung, die wie in 1 gezeigt mit dem ersten Netzteil 10 und dem Schalter 15 verbunden ist. Ebenso ist die erste Drosselspule 17 mit Anschlüssen 29 und 30 verbunden. Der Anschluss 29 führt zu der Klemme 12, während der Anschluss 30 zur Verbindung einer zum ersten Netzteil 10 führenden elektrischen Leitung dient.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform des elektrischen Filters 16. Ein Grundkörper 32 aus einem Ferrit weist drei vertikal liegende Schenkel auf, die über an Enden der Schenkel befindliche, horizontal verlaufende Joche miteinander verbunden sind. Auf jedem der Schenkel sitzt eine der drei Drosselspulen 17, 18, 19. Auf einem linken Schenkel ist die zweite Drosselspule 18 angebracht, auf einem mittleren Schenkel die dritte Drosselspule 19 und auf einem rechten Schenkel die erste Drosselspule 17. Die Drosselspulen 17, 18, 19 weisen eine identische Anzahl von fünf Windungen auf. Der Wicklungssinn der ersten Drosselspule 17 und der zweiten Drosselspule 18 ist identisch, allerdings weist die dritte Drosselspule 19 einen zu dem Wicklungssinn der ersten Drosselspule 17 und der zweiten Drosselspule 18 entgegengesetzten Wicklungssinn auf. Der Grundkörper 32 weist an mehreren Stellen, die sich unterhalb und oberhalb der Schenkel befinden, eine durch Löten aufgebrachte Metallisierung 31 auf, die Ferritplatten des Grundkörpers 32 miteinander verbindet.
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Die in der in 4 dargestellten Anordnung von der ersten Drosselspule 17 und von der zweiten Drosselspule 18 hervorgerufenen magnetischen Flüsse fließen zwangsläufig zum mittleren Schenkel, wo ein von der dritten Drosselspule 19 hervorgerufener magnetischer Fluss entgegengesetzt gerichtet zu den erstgenannten magnetischen Flüssen ist und somit eine Kompensation aller magnetischen Flüsse stattfindet.
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5 zeigt in einem Diagramm eine mittels des in 3 dargestellten elektrischen Filters 16 mit einem nachgeschalteten Pi-Filter erreichte Gleichtaktdämpfung. Auf einer Abszisse 33 ist eine Frequenz in MHz aufgetragen, auf einer Ordinate 34 ein Übertragungsfaktor in dB. Die Gleichtaktdämpfung liegt im EMV-kritischen UKW-Bereich um 100 MHz bei ca. 20 dB.
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Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.