DD290761B5

DD290761B5 - Mittelfrequenz-Roentgengenerator

Info

Publication number: DD290761B5
Application number: DD33621489A
Authority: DD
Inventors: Roland Dipl-Ing Reuther
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1989-12-22
Filing date: 1989-12-22
Publication date: 1996-08-22
Also published as: DE4010681A1; DE4010681C2

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Mittelfrequenz-Röntgengenerator mit einem Hochspannungstransformator, dessen Primärwicklung in der Diagonalen eines Wechselrichters in Brückenschaltung liegt, dem ein von einer Netzspannungsgleichrichterschaltung gespeister und an seinem Ausgang mit einem Spannungsteiler zur Ausgangsspannungserfassung versehener, der Stellung und Stabilisierung der Wechselrichtereingangsspannung durch Pulsbreitenmodulation dienender Gleichspannungs/ Gleichspannungswandler vorgeschaltet ist.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es sind eine Reihe von Röntgengeneratoren bekannt geworden, deren Hochspannungstransformator mit einer mittelfrequenten Spannung gespeist wird.

So ist ein Röntgengenerator bekannt, der eine ungesteuerte Dioden-Brücke zur Netzspannungsgleichrichtung, ein sich anschließendes LC-Siebglied zur Glättung der 100-Hz-Netzkomponente, einen Tiefsetzsteller zur Gleichspannungs/ Gleichspannungswandlung und einen daran angeschlossenen Transistor-Brückenwechselrichter zur Gleichspannungs/ Wechselspannungswandlung sowie einen Hochspannungstransformator aufweist, dessen Primärwicklung in der Diagonalen des Brückenwechselrichters liegt und an dessen Sekundärwicklung schließlich über Hochspannungsgleichrichter und Glättungskondensatoren eine Röntgenröhre angeschlossen ist (DE 3600205 A1).

Die Speisung des Hochspannungstransformators erfolgt dabei mit mittelfrequenter Rechteckspannung. Die Stellung der Röntgenröhrenspannung wird mit Hilfe des Tiefsetzstellers durch Variation des Tastverhältnisses vorgenommen. Ein Nachteil eines derartigen Röntgengenerators besteht darin, daß das LC-Siebglied eine Erhöhung der Impedanz des Leistungskreises zur Folge hat, was mit einer entsprechenden Verlängerung der Anstiegszeit der Röntgenröhrenspannung beim Einschalten einer Röntgenaufnahme einerseits und einer Verringerung der abgebbaren Röhrenleistung andererseits einhergeht. Dem weiteren Nachteil der nicht hinreichenden Regeldynamik bei der Spannungsregelung mittels Tiefsetzstellers bei einem solchen Röntgengenerator wird hierbei dadurch begegnet, daß eine Taktung des Wechselrichters zur Verringerung der Pulsation vorgenommen wird. Diese Taktung erhöht jedoch die Gefahr von Unsymmetrien in der Wechselrichterbrücke.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung verfolgt das Ziel, einen Röntgengenerator zu schaffen, der insbesondere als mobile, das heißt als an verschiedenen Netzsteckdosen und damit unter voneinander abweichenden Netzspannungsverhältnissen betriebene Einrichtung bei minimalen Verlusten optimale dynamische Eigenschaften in bezug auf die Ausgangsparameter aufweist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mittelfrequenz-Röntgengenerator der eingangs genannten Art anzugeben, der ohnezusätzlichen Energiespeicher eine maximale Leistung abgibt und bei dem Maßnahmen getroffen sind, diezu einer weiteren Herabsetzung der Welligkeit der der Röntgenröhre zur Verfügung stehenden Gleichspannung beitragen. Außer niedrigen Verlusten im Leistungskreis sollen darüber hinaus die Anstiegs- und die Fallzeit der Röntgenröhrenspannung beim Schalten einer Röntgenaufnahme möglichst klein sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zwischen dem Gleichspannungs/Gleichspannungswandler und dem Wechselrichter eine Diode und eine Parallelschaltung eines Widerstandes mit einem Kondensator am Eingang des Wechselrichters derart angeordnet sind, daß die Diode den Energiefluß in Richtung Last zuläßt, einen aus der Entmagnetisierung der im wesentlichen aus dem Hochspannungstransformator gebildeten Lastinduktivität herrührenden Energierücklauf während der nichtaktiven Phase des Wechselrichters aber sperrt, wobei diese Energie dem Kondensator zugeführt ist.

Der Kondensator ist dabei vorzugsweise so dimensioniert, daß die Fallzeit der Röntgenröhrenspannung beim Ausschalten einer Röntgenaufnahme maximal der doppelten Anstiegszeit der Röntgenröhrenspannung beim Einschalten der Röntgenaufnahme entspricht.

Des weiteren ist es günstig, wenn der Widerstand so dimensioniert ist, daß dieser gemeinsam mit dem Spannungsteiler während der Vorbereitungszeit einer Röntgenaufnahme als Minimallast den sicheren Betrieb des Gleichspannungs/ Gleichspannungswandlers gewährleistet.

Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß ein niederohmiger Leistungskreis mit einer Schaltung zur Einstellung und Stabilisierung der Eingangsspannung des Wechselrichters und damit letztlich der Röntgenröhrenspannung geschaffen wurde, der ohne Induktivitäten in Siebgliedern auskommt, so daß eine größtmögliche Generatorleistung abgegeben werden kann. Die erfindungsgemäße Lösung trägt dazu bei, daß die Röntgenröhre mit einer Gleichspannung versorgt wird, die kürzeste Aufnahmezeiten erlaubt. Die erreichte niedrige Welligkeit der Röntgenröhrenspannung erhöht die Dosisausbeute und verringert außerdem die weichen Anteile im Spektrum der .

Röntgenstrahlung, was mit einer Verringerung der Patientenbelastung einhergeht.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Beispieles und einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt das Blockschaltbild des Leistungskreises eines Röntgengenerators, dessen Hochspannungstransformator mit einer mittelfrequenten Spannung gespeist wird.

Der Leistungskreis weist eine Netzspannungsgleichrichterschaltung 1 mit einem Siebkondensator 2 auf, derein im folgenden als Tiefsetzsteller 3 bezeichneter Gleichspannungs/Gleichspannungswandler nachgeschaltet ist. Der Tiefsetzsteller 3 arbeitet unter Zwischenschaltung eines Entkopplungsgliedes 4 auf einen Transistor-Wechselrichter 5 in Brückenschaltung. In der Diagonalen der Brückenschaltung des Transistor-Wechselrichters 5 liegt die Primärwicklung eines Hochspannungstransformators 6, an dessen Sekundärwicklung über Hochspannungsgleichrichter 7 und Glättungskondensatoren 8 eine Röntgenröhre 9 angeschlossen ist. Der Tiefsetzsteller 3 besteht in bekannter Weise aus einem Transistor 10, einer Freilaufdiode 11, einer Induktivität 12, einem Kondensator 13 sowie einem aus Widerständen 14,15 aufgebauten Spannungsteiler. Dabei ist der Emitter des Transistors 10 mit einer der beiden Eingangsklemmen desTiefsetzstellers3 und der Kollektor desselben Transistors 10 einerseits mit der Anode der Diode 11 und andererseits mit der Induktivität 12 verbunden. Auf die Basis des Transistors 10 arbeitet ein Pulsbreitenmodulator 16. Die Katode der Diode 11 ist mit der anderen Eingangsklemme sowie mit einer der beiden Ausgangsklemmen des Tiefsetzstellers3 verbunden. Von der anderen Ausgangsklemme des Tiefsetzstellers3 führt eine Leitung zur Induktivität 12. Kondensator 13 und Spannungsteiler 14,15 sind einander parallelgeschaltet und gleichfalls mit den Ausgangsklemmen des Tiefsetzstellers3 verbunden. Vom Verbindungspunkt der Widerstände 14,15 führt eine Leitung zu einem Komparator 17, der auf den Pulsbreitenmodulator 16 arbeitet. Das erfindungsgemäß zwischen Wechselrichtereingang und Tiefsetzsteller 3 geschaltete Entkopplungsglied 4 besteht aus einer Diode 18 und der Parallelschaltung eines Kondensators 19 mit einem Widerstand 20. Der Wechselrichter 5 setzt sich aus vier in Brückenschaltung angeordneten Transistoren 21 bis 24, diesen Transistoren 21 bis 24 zugeordneten Dioden 25 bis 28 sowie zwei Übertragern 29 und 30 zusammen, wobei mittels Übertragers 29 eine synchrone Ansteuerung der Transistoren 21 und 22 und mittels Übertragers 30 eine synchrone Ansteuerung der Transistoren 23 und 24 erfolgt.

Die Netzspannungsgleichrichterschaltung 1 beaufschlagt den Tiefsetzsteller 3 mit einer Gleichspannung Ue, die mit Hilfe des Kondensators 2 grob geglättet ist. Der Tiefsetzsteller 3 dient sowohl zur Stabilisierung als auch zur Stellung der Eingangsgleichspannung U_EW des Wechselrichters 5, die lediglich um die Diodenflußspannung der Diode 18 des Entkopplungsgliedes 4 von der an den Ausgangsklemmen des Tiefsetzstellers 3 anliegenden Ausgangsspannung U_A abweicht. Die Größe der Eingangsgleichspannung (Jew ist dabei ein Maß für die gewählte Röntgenröhrenspannung und den im Überlastungsschutz berechneten Röntgenröhrenstrom. Eine dafür repräsentative Steuerspannung UR«f wird vom in der Zeichnung nicht dargestellten Überlastungsschutz des Röntgengenerators ausgegeben und als Sollwert dem Komparator 17 zugeführt, wo dieser Wert mit dem Istwert, das heißt einer am Spannungsteiler 14,15 entnommenen, der Ausgangsspannung U_A des Tiefsetzstellers 3 proportionalen Spannung verglichen wird. Der Komparator 17 steuert den Pulsbreitenmodulator 16, wobei dessen Taktfrequenz konstant gehalten wird und beispielsweise 2OkHz beträgt. Durch Variation der Pulsbreite im Bereich von ca. 0,15...0,9 ist die Stellung und die Regelung der Ausgangsspannung U_Aim Bereich von 75 bis 190 V unter Beachtung der Störeinflüsse wie Netzspannungszusammenbruch bzw. Netzspannungstoleranz und Laststromänderungen möglich. Mit diesem Spannungsbereich kann letztlich die Röntgenröhrenspannung im vorliegenden Beispiel von 40 bis 105KV eingestellt und konstant gehalten werden. Aufgrund der hohen Taktfrequenz wird die Welligkeit der Ausgangsspannung U_A sehr klein, so daß auch die Röntgenröhrenspannung eine geringe Restwelligkeit der 100-Hz-Netzkomponente besitzt. Das heißt, die mittels Kondensators 2 nur grob geglättete Gleichspannung U_E wird mit Hilfe des aus Tiefsetzsteller 3, Komparator 17 und Pulsbreitenmodulator 16 bestehenden Regelkreises weiter geglättet. Beim Einschalten einer Röntgenaufnahme wird die Gleichspannung U_E durch den Kondensator 2 für wenige Millisekunden gepuffert, wodurch besagter Regelkreis innerhalb einer

Zeit, die wesentlich kleiner als die kürzeste Aufnahmezeit ist, den Netzspannungszusammenbruch vollständig ausregeln kann. Mit dem erfindungsgemäß zwischen Wechselrichtereingang und Tiefsetzstellerausgang geschalteten Entkopplungsglied 4 wird verhindert, daß es in der nichtaktiven Phase des Wechselrichters 5, das heißt, wenn alle vier Transistoren 21 und 24 gesperrt sind, zu einem Energierückfluß durch Entmagnetisierung der Induktivität des Hochspannungstransformators 6 in den Ausgang des Tiefsetzstellers 3 kommt. Das heißt, die Diode 18 ist so gepolt, daß selbige den Energiefluß in Richtung Last zuläßt, in entgegengesetzter Richtung jedoch sperrt. Durch diese Maßnahme wirkt der Energierückfluß nicht als Störgröße auf die stabilisierte Ausgangsspannung Ua, was insbesondere bei hohen Taktfrequenzen des Wechselrichters 5 von Bedeutung ist. Der geringe und vor allem weitgehend konstante Spannungsabfall an der Diode 18 ermöglicht außer der einfachen Vorausberechnung der Steuerspannung UR_ef, daß eine höhere Ausgangsleistung des Röntgenstrahlers erreicht werden kann, wenn kein Energiespeicher benutzt wird. Die trotz des Entkopplungsgliedes 4 niedrige Impedanz des Leistungskreises gewährleistet steile Einschaltflanken der Röntgenröhrenspannung. Der Kondensator 19 des Entkopplungsgliedes 4 ist so dimensioniert, daß die Rückflußenergie bei maximaler Leistung aufgenommen werden kann und die Fallzeit der Röntgenröhrenspannung beim Ausschalten einer Röntgenaufnahme etwa der Anstiegszeit beim Einschalten derselben Röntgenaufnahme entspricht. Der Widerstand 20 des Entkopplungsgliedes 4 stellt einen Teil der notwendigen Grundlast für den Tiefsetzsteller 3 dar, da dieser nicht leerlauffest ist. Die Leerlauffestigkeit des Tiefsetzstellers 3 ist aber während der Vorbereitungszeit einer Röntgenaufnahme erforderlich. Der Wechselrichter 5 arbeitet mit einer Frequenz von beispielsweise 2 KHz bei konstantem Tastverhältnis. An der Primärwicklung des Hochspannungstransformators 6 liegt eine Rechteckspannung konstanter Kurvenform, die eine minimale Welligkeit der Röntgenröhrenspannung gewährleistet. Um beim Einschalten einer Röntgenaufnahme die Aufladung der Glättungskondensatoren 8 im Hochspannungskreis des Röntgenstrahlers sehr schnell zu ermöglichen, sind sowohl im Tiefsetzsteller 3 als auch im Wechselrichter 5 stromstarke Halbleiterbauelemente 10 bzw. 21 bis 24 erforderlich. Dabei wirkt der geladene Kondensator 19 im Entkopplungsglied 4 während der Einschaltflanke einer Röntgenaufnahme als Energiepuffer, weil der Tiefsetzsteller 3 bereits mit der Vorbereitung der Röntgenaufnahme eingeschaltet wird. Für die Betriebssicherheit der Bauelemente im Leistungskreis sorgt eine sehr schnell wirkende Schutzschaltung 31. Dazu wird der Strom 3 im Tiefsetzsteller mit Hilfe eines Wandlers 32 gemessen und beim Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes l_max des Stromes der Tiefsetzsteller 3 über den Pulsbreitenmodulator 16 abgeschaltet. Unabhängig vom Strom I wird auch die Ausgangsspannung Ua des Tiefsetzstellers 3 überwacht, indem diese mit einem vorgegebenen maximalen Wert UAmax verglichen wird. Beim Überschreiten dieses Wertes Ua,™« wird gleichfalls die Schutzschaltung 31 wirksam und der Tiefsetzsteller 3 über den Pulsbreitenmodulator 16 abgeschaltet.

Claims

1. Mittelfrequenz-Röntgengenerator mit einem Hochspannungstransformator, dessen Primärwicklung in der Diagonalen eines Wechselrichters in Brückenschaltung liegt, dem ein von einer Netzspannungsgleichrichterschaltung gespeister und an seinem Ausgang mit einem Spannungsteiler zur Ausgangsspannungserfassung versehener, der Stellung und Stabilisierung der Wechselrichtereingangsspannung durch Pulsbreitenmodulation dienender Gleichspannungs/ Gleichspannungswandler vorgeschaltet ist, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen dem Gleichspannungs/Gleichspannungswandler (3) und dem Wechselrichter (5) eine Diode (18) und eine Parallelschaltung eines Widerstandes (20) mit einem Kondensator (19) am Eingang des Wechselrichters (5) derart angeordnet sind, daß die Diode (18) den Energiefluß in Richtung Last zuläßt, einen aus der Entmagnetisierung der im wesentlichen aus dem Hochspannungstransformator (6) gebildeten Lastinduktivität herrührenden Energierückfluß während der nichtaktiven Phase des Wechselrichters (5) aber sperrt, wobei diese Energie dem Kondensator (19) zugeführt ist.

2. Mittelfrequenz-Röntgengenerator nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Kondensator

(19) so dimensioniert ist, daß die Fallzeit der Röntgenröhrenspannung beim Ausschalten einer Röntgenaufnahme maximal der doppelten Anstiegszeit der Röntgenröhrenspannung beim Einschalten der Röntgenaufnahme entspricht.

3. Mittelfrequenz-Röntgengenerator nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Widerstand

(20) so dimensioniert ist, daß dieser gemeinsam mit dem Spannungsteiler (14,15) während der Vorbereitungszeit einer Röntgenaufnahme als Minimallast den sicheren Betrieb des Gleichspannungs/Gleichspannungswandlers (3) gewährleistet.