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Einrichtung zum Ein- und Ausschalten eines Wechselstromkreises, der einen Transformator, insbesondere Röntgentransformator, enthält
Die medizinische Aufnahmetechnik der letzten Jahre verlangt von den Röntgenapparaten für Diagnostik immer höhere Aufnahmeleistungen. Hand in Hand damit geht-zum Teil auch bedingt durch empfindlichere Filmemulsionen - die Forderung nach kurzen und genauen Aufnahmezeiten.
Weiters ergibt sich bei der optimalen Auslegung von Röntgenhochspannungsgeneratoren die Forderung, die Schaltzeitpunkte der Aufnahme bezüglich der Phasenlage zum versorgenden Netz frei wählen zu können.
Die in der Röntgentechnik gebräuchlichste Form des Zeitschalters bedient sich eines RC-Gliedes, dessen Zeitkonstante die Einschaltzeit bestimmt. Um eine bestimmte Phasenbeziehung des Abschaltvorganges zur versorgenden Netzspannung sicherzustellen, werden der Spannung des besagten RC-Gliedes Impulse überlagert, die von der versorgenden Netzspannung abgeleitet sind. Da der Schnitt der sich ergebenden Entladekurve mit dem Zündpegel jedoch ein sehr schleifender ist, ist nicht nur die Genauigkeit eines solchen Zeitschalters für manche Zwecke zu gering, auch die gewünschte Phasenbeziehung zwischen Schaltvorgang und versorgender Netzspannung wird meist nur mangelhaft eingehalten.
Eine Möglichkeit, hier Abhilfe zu schaffen, besteht darin, den die Schaltzeit bestimmenden Kondensator nicht stetig, sondern in Spannungsstufen aufzuladen, die zum Netz bzw. zu den Strahlungsimpulsen der Röntgenröhre in einer festen Phasenbeziehung stehen (s. USA-Patentschrift Nr. 2, 909, 666).
Bei hohen Anforderungen an die Schaltgenauigkeit wird diese Methode jedoch relativ aufwendig.
Ein anderer Weg zur Erzielung höchster Schaltgenauigkeit bei fester Ein- und Abschaltphase wird durch die erfindungsgemässe Schaltung beschritten.
Es handelt sich hiebei um eine Einrichtung zum Ein- und Ausschalten eines Wechselstromkreises, der einen Transformator, insbesondere Röntgentransformator, enthält, insbesondere eine Zeitschaltung zur Steuerung der Aufnahmezeit von Röntgenapparaten mittels Schütze oder elektronischer Schaltelemente, z. B.
Ignitrons oder gesteuerter Gleichrichter, bei der erfindungsgemäss von der Betriebsspannung des zu schaltenden Wechselstromkreises oder einer ihrer Harmonischen über eine Impulsformerstufe abgeleitete Impulse einer Zählkette zugeführt werden, die ihre Frequenz ganzzahlig teilt, und damit Zeitgeberimpulse liefert, welche zur Betriebsspannung des zu schaltenden Kreises in einer festen oder einer veränderbaren Beziehung stehen und deren Dauer ein jeweils bekanntes ganzzahliges Vielfaches der Periodendauer der Betriebsspannung oder einer ihrer Harmonischen beträgt, wobei für die Umschaltung der Zeitbereiche ein Stufenschalter vorgesehen ist,
über dessen Schaltebenen die Ausgangsimpulse zweier beliebiger Multivibratoren der Zählkette an die Eingänge eines Odergatters gelegt werden und die in gewünschter Weise zeitlich gestuften Zeitgeberimpulse über Leistungsstufen (Verstärker) ein Schaltschütz steuern, wobei zur eigentlichen Auslösung der Aufnahme die Vorderflanke jenes Zeitimpulses am Ausgang des letzten Multivibrators der Zählkette dient, der zuvor nach Freigabe der Zählkette durch die Steuerleitung als erster ankommender Zeitimpuls die gesamte Zählkette durchlaufen hat.
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Bei veränderlicher Phasenbeziehung von Betriebsspannung und Zeitgeberimpulsen kann erfindungs- gemäss vor die Impulsformerstufe ein verstellbares Phasenschieberglied geschaltet sein.
Gemäss einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann die Teilung der Zeitskala (Stufung der Zeit- bereiche) nach einer geometrischen Reihe vorgenommen sein, indem eine aus bistabilen Multivibratoren aufgebaute diadisch zählende Zählkette verwendet ist, wobei insbesondere ein Multiplikationsfaktor von 1, 25 verwendet ist.
Der Stufenschalter besitzt erfindungsgemäss so viele Ebenen als Grundzeitbereiche addiert werden, und enthält so viele Stufen als wählbare Zeitbereiche benötigt werden.
Gemäss einem weiteren Vorschlag der Erfindung wird zur Erreichung eines raschen Einschalten des Aufnahmeschützes bzw. einer raschen Entregung desselben beim Abschalten eine überhöhte Spannung an die Schützspule gelegt, die in der Folge mit Hilfe einer zeitabhängigen Gegenkopplung auf den Haltewert des Schützes zurückgeregelt wird.
Zur Bedämpfung des Schützstromes imAbschaltfall kann erfindungsgemäss eine Zenerdiode oder ein VDR-Widerstand vorgesehen sein, die bzw. der, vorzugsweise parallel mit einem Widerstand geschaltet, über eine Diode parallel zur Schützspule liegt.
Die Multivibratoren sind in an sich bekannter Weise so untereinander gekoppelt, dass nur das Kippen eines Multivibrators von seiner Ruhelage in seine Arbeitslage eine Umschaltung des nachfolgenden Multivibrators zur Folge hat.
Trifft also nach Freigabe der Multivibratoren der Zählkette der erste von der Betriebsspannung abgeleitete Zählimpuls am Eingang des ersten Multivibrators ein, dann kippt dieser von seiner Ruhelage, in der er bis zur Freigabe festgehalten war, in seine Arbeitslage, gibt damit ein Umschaltsignal an den nächsten Multivibrator, dieser kippt ebenfalls, usw.
Das heisst, dass in einer gegen die Einschaltzeit des Zeitschalters vernachlässigbar kurzen Zeit sämtliche Multivibratoren der Zählkette in ihrer Arbeitslage umgeschaltet werden.
Der nächste Eingangsimpuls schaltet den ersten Multivibrator in seine Ruhelage zurück (d. h., dass an seinem Ausgang bei 50 Hz Netzfrequenz nunmehr Arbeitsimpulse von 20 msec Dauer zur Verfügung stehen). Erst nach 40 msec, wenn der erste Multivibrator in seine Arbeitslage zurückschaltet, erhält der zweite Multivibrator einen Eingangsimpuls und schaltet in seine Ruhelage (er liefert damit einen Ausgangsimpuls von 40 msec Dauer).
Die Arbeitsimpulse der einzelnen Multivibratoren genügen also folgenden Bedingungen :
1. Bei 50 Hz Ansteuerfrequenz beträgt ihre Dauer
T = 20. 2 (n-l) msec, n... Nummer des Multivibrators, bei 1 beginnend.
2. Die ersten Arbeitsimpulse haben bei Vernachlässigung der Umschaltzeit der Multivibratoren einen gemeinsamen Einschaltzeitpunkt.
3. Wie bei Betrachtung einer diadischen Zählkette leicht ersichtlich, setzt das Kippen eines be- liebigen Multivibrators in Ruhe- oder Arbeitslage voraus, dass alle davor liegenden Multivibra- ren im selben Moment in ihre Arbeitslage kippen.
Werden nun die Ausgangsimpulse zweier beliebiger Multivibratoren an die Eingänge eines Odergatters gelegt, d. h. einer Schaltung, die so lange einen Ausgangsimpuls liefert als an wenigstens einem ihrer Eingänge ein Impuls liegt, dann werden die Zeiten der Arbeitsimpulse der beiden Multivibratoren addiert. Wenn der längere der beiden Impulse abfällt, muss gleichzeitig der Multivibrator mit der kürzeren Schaltzeit in seine Arbeitslage kippen, womit der Ausgangsimpuls des Odergatters zusätzlich zur Einschaltzeit des langen Impulses noch um die Einschaltzeit des kurzen Impulses aufrecht erhalten wird.
Bei dem erfindungsgemässenvorschlag wird zur Auslösung der Aufnahme die Vorderflanke des Zeitimpulses des letzten Multivibrators der Kette verwendet. Da dessen Schalten das Kippen aller vorher liegenden Multivibratoren voraussetzt, ist eine Selbstkontrolle des Zeitschalters unmittelbar bei Beginn der Aufnahme gegeben und voller Schutz der Röntgenröhre gegen Überlastung durch Schaltzeitüberschreitung erreicht.
Durch einen Stufenschalter mit zwei Ebenen erfolgt die Umschaltung der Zeitbereiche, indem die Multivibratoren der Zählkette in folgender Reihenfolge an die Eingänge des Odergatters geschaltet werden : Ein Multivibrator allein, derselbe Multivibrator und der zweite davorliegende, der Multivibrator und der unmittelbar davorliegende Multivibrator. Dann werden beide Eingänge des Odergatters auf den
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nächste Diade : 2... 2, 5... 3 usw.
Die Schaltzeitenfolge genügt der im Beispiel angenommenen geometrischen Reihe mit ausreichender Genauigkeit.
Mit den so erhaltenen Ausgangsimpulsen kann z. B. über geeignete Leistungsstufen das Schaltschütz gesteuert werden, das im Primärkreis des Hochspannungstransformators liegt. Dieses Schütz muss bezüglich Schaltgeschwindigkeit und Reproduzierbarkeit der Schaltzeit hohen Anforderungen genügen, da sonst die feste Phasenbeziehung zwischen Schaltzeitpunkt und Betriebsspannung verlorengeht.
Man kann das Schütz z. B. mittels eines Transistors steuern. Die Zurückregelung der hohen Einschaltüberspannung bis auf den Haltewert erfolgt mittels eines Gegenkopplungszweiges samt Integrierglied, der vom Kollektor des Leistungstransistors einen passend gewählten Strom in den Basisvorverstärker zurückführt.
Schwierigkeiten treten jedoch beim Abschalten dieses Haltestroms auf. Um eine spannungsmässige Überlastung des Transistors zu vermeiden, wird man die Schützspule mit einer Diode überbrücken, die leitend wird, sobald die Kollektorspannung des Transistors dessen Versorgungsspannung überschreitet (Nulldiode) und der man einen passenden Widerstand in Serie schaltet. Je grösser dieser Widerstand gewähltwird, desto rascher klingt der Strom der Schützspule ab, desto höher steigt aber auch im Abschaltmoment die Kollektorspannung am Transistor.
Wie bereits erwähnt, kann zur Bedämpfung des Schützstromes im Abschaltfall eine Zenerdiode dienen, die, vorzugsweise parallel mit einem Widerstand geschaltet, über eine Diode parallel zur Schützspule liegt.
Da die Summe der Spannungen an Schützspule und Zenerdiode Null sein muss, gilt für den Ab-
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L = Induktivität der Schützspule
U = Durchbruchsspannung der Zenerdiode i = Haltestrom des Schützes.
Der Strom der Schützspule klingt nach einer Geraden sehr rasch ab. Der Schnitt dieser Geraden mit dem Abfallstrom des Schützes ist weit schärfer als bei einer vergleichbaren Schaltung mit einem ohmschen Widerstand.
Die nähere Erläuterung der Erfindung erfolgt an Hand der nachstehend beschriebenen Zeichnungen.
Fig. 1 zeigt die erfindungsgemässe Schaltanordnung in Form eines schematischen Blockschaltbildes, Fig. 2 die Schaltung zur Bedämpfung der Spule des Aufnahmeschützes und Fig. 3 die Strom-Zeit-bzw. Spannung-Zeit-Diagramme für den Ein- und Ausschaltfall.
In Fig. 1 hält die mit- ST-bezeichnete und von der Schaltgruppe"Steuerung"gespeiste Steuerleitung in der Ruhestellung des digitalen Zeitschalters das Tor-I-, die Multivibratoren der Zählkette und die bistabilenMultivibratoren-1 und II -- in ihrer Ruhelage fest. In der Schaltgruppe"Steue- rung" ist eine Handtaste (oder ein Relais oder ein Multivibrator) enthalten, die, ausgelöst durch ein von aussen kommendes "Aufnahme-ein"-Signal, eine entsprechende Spannungsverschiebung an der Steuerleitung bewirkt. Bei Eintreffen eines Einschaltimpulses werden alle diese Multivibratoren zunächst freigegeben. DasTor--I-wird geöffnet und alle im Abstand von 20 msec eintreffenden Ausgangsimpulse des Schmidt-Multivibrators (Impulsformers) werden dem Eingang der Zählkette zugeleitet.
Diese liefert an den Stufenschalter Grundzeitimpulse, deren Dauer jeweils ein ganzzahliges Vielfaches von 20 msec ist und die nach einer geometrischen Reihe mit dem Multiplikationsfaktor 2 gestaffelt sind. Mit dem Stufenschalter können jeweils ein bzw. zwei passende Grundzeitimpulse ausgewählt werden, wobei in letzterem Falle durch zeitliche Addition der beiden Impulse im Odergatter der neue Zeitimpuls gebildet wird. Der erste Spannungssprung des Zeitimpulses durchläuft die ganze Zählkette und wird in differenzierter Form dem bistabilen Multivibrator -- I -- zugeführt, der von diesem Impuls in seine Arbeitslage geschaltet und nur durch die Steuerleitung -- ST -- in seine Ruhelage zurückgestellt werden
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Der differenzierte Ausgangsimpuls des bistabilen Multivibrators -- I -- löst im monostabilen Multivibrator einen Rechteckimpuls von einstellbarer Dauer aus, der differenziert mit seiner hinteren Flanke einen Impuls ergibt, welcher in der Folge dem vom Odergatter gesteuerten Tor -- II -- zugeleitet wird. Bei ordnungsgemässem Schaltablauf ist dieses Tor zur Zeit des Impulses offen und der Impuls gelangt an den bistabilen Multivibrator---, den er in seine Arbeitslage steuert.
Die Rückstellung des bistabilen Multivibrators-II-wird unmittelbar durch die Rückenflanke des Arbeitsimpulses, der am Au gang des Odergatters steht, bewirkt. Während die Ausschaltung also durch Verschieben der Zählkettenansteuerimpulse relativ zur Netzspannung mittels einer Phasensteuerbrücke in ihrer Phase verschoben werden kann, wird die Einschaltphase relativ zur Abschaltphase mit dem monostabilen Multivibrator geregelt.
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Multivibrator-n-steuertbefindet.
In Fig. 2 ist die spezielle Schaltung zur Bedämpfung der Schützspule dargestellt. Die Regelung der an die Schützspule-l-angelegten Spannung erfolgt über den Transistor-4-. Das Dämpfungsglied besteht aus der Zenerdiode -- 2 -- und dem zu ihr parallelgeschalteten Widerstand -- 3 --, das
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der Kondensator des Integriergliedes im Gegenkopplungszweig wirksam, so dass hiedurch die Einschaltspitzen in den Diagrammen-a bis c-hervorgerufen werden. Durch den Einfluss der mit -- Uz -- bezeichneten Spannung der im Dämpfungsglied (Fig. 2) enthaltenen Zenerdiode -- 2 -- erfolgt das Abklingen den Stromes in der Schützspule nicht exponentiell, sondern nach einer Geraden, die einen scharfen Schnitt mit der Nullinie bzw. mit der dem Abfallschwellwert des Schützes entsprechenden, zur Nullinie parallelen Geraden ergibt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zum Ein- und Ausschalten eines Wechselstromkreises, der einen Transformator enthält, insbesondere Zeitschaltung zur Steuerung der Aufnahmezeit von Röntgenapparaten mittels Schütze oder elektronischer Schaltelemente, z. B. Ignitrons oder gesteuerter Gleichrichter, dadurch gekennzeichnet, dass von der Betriebsspannung des zu schaltenden Wechselstromkreises oder einer ihrer Harmonischen über eine Impulsformerstufe abgeleitete Impulse einer Zählkette zugeführt werden, die ihre Frequenz ganzzahlig teilt und damit Zeitgeberimpulse liefert, welche zur Betriebsspannung des zu schaltenden Kreises in einer festen oder einer veränderbaren Beziehung stehen und deren Dauer ein jeweils bekanntes ganzzahliges Vielfaches der Periodendauer der Betriebsspannung oder einer ihrer Harmonischen beträgt,
wobei für die Umschaltung der Zeitbereiche ein Stufenschalter vorgesehen ist, über dessen Schaltebenen die Ausgangsimpulse zweier beliebiger Multivibratoren der Zählkette an die Eingänge einesOdergattersgelegtwerden und die in gewünschter Weise zeitlich gestuften Zeitgeberimpulse über Leitungsstufen (Verstärker) ein Schaltschütz steuern, wobei zur eigentlichen Auslösung der Aufnahme die Vorderflanke jenes Zeitimpulses am Ausgang des letzten Multivibrators der Zählkette dient, der zuvor nach Freigabe der Zählkette durch die Steuerleitung (ST) als erster ankommender Zeitimpuls die gesamte Zählkette durchlaufen hat.
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beziehung von Betriebsspannung und Zeitgeberimpulsen vor die Impulsformerstufe ein verstellbares Phasenschieberglied geschaltet ist.