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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Verstärkereinrichtung mit einem Radiofrequenz-Leistungsverstärker und
einer Spannungsversorgungseinrichtung für den Radiofrequenz-Leistungsverstärker.
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Derartige
Verstärkereinrichtungen
sind allgemein bekannt. Sie werden für die verschiedensten Anwendungen
eingesetzt. Eine mögliche
Anwendung ist die Versorgung einer HF-Sendespule einer Magnetresonanzanlage
mit elektrischer Energie.
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In
medizinischen Anwendungen von Magnetresonanzanlagen müssen die
Sendespulen über einen
großen
Dynamikbereich mit gepulsten Strömen
versorgt werden. Die Strompulse weisen untereinander im Wesentlichen
gleiche Energien, aber deutlich voneinander abweichende Leistungsanforderungen
auf. Dies hat zur Folge, dass im niedrigen Leistungsbereich, in
dem der Radiofrequenz-Leistungsverstärker einen schlechten Wirkungsgrad
aufweist, der Radiofrequenz-Leistungsverstärker zeitlich lang andauernde
Pulse abgeben muss. Dies ist in Bezug auf die im Radiofrequenz-Leistungsverstärker auftretende
Verlustleistung negativ. Die Anforderungen an die Zuverlässigkeit
des Radiofrequenz-Leistungsverstärkers
und die Wirtschaftlichkeit des Betriebs erfordert, den Radiofrequenz-Leistungsverstärker im
gesamten Dynamikbereich effizient zu betreiben.
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Eine
Möglichkeit,
eine bessere Effizienz zu erreichen, besteht darin, die Versorgungsspannung der
Endstufe des Radiofrequenz-Leistungsverstärkers in Bezug auf die momentan
erforderliche Ausgangsleistung dynamisch zu optimieren. Diese Lösung liefert
ein nahezu perfektes Ergebnis, wenn nur der Radiofrequenz-Leistungsverstärker betrachtet wird.
Sie führt
jedoch in der Regel zu deutlich erhöhten Verlustleistungen in der
Spannungsversorgungseinrichtung für den Radiofrequenz-Leistungsverstärker.
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In
medizinischen Anwendungen der Magnetresonanzanlage wird der Radiofrequenz-Leistungsverstärker in
einem gepulsten Leistungsbetrieb betrieben, in dem er in seinem
höchsten
Betriebspunkt einen erheblichen Maximalstrom benötigt. Dieser Strombedarf begrenzt
die Möglichkeit,
eine hocheffiziente geschaltete Spannungsversorgung zu verwenden.
Weiterhin wird eine große
Kondensatorbatterie benötigt,
um die benötigte
Ladung zu speichern. Üblicherweise
wird die Ladung mittels einer Vielzahl von parallel geschalteten
Kondensatoren gespeichert, die für
die maximale Spannung des Radiofrequenz-Leistungsverstärkers dimensioniert
sind. Die maximale Spannung ist berechnet als die minimale Spannung,
die benötigt
wird, um den Radiofrequenz-Leistungsverstärker korrekt zu betreiben,
zuzüglich
den Spannungsabfall auf Grund der Kondensatorentladung, wenn Hochleistungspulse
benötigt werden.
Dies bedeutet in praktischen Ausgestaltungen, dass die Kondensatoren
für sehr
hohe Spannungen ausgelegt werden müssen und einen großen Ladungsbedarf
speichern können
müssen.
Sie benötigen
daher einen großen
Bauraum.
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Aus
der
DE 35 34 930 A1 ist
eine Vorrichtung zur Abdunkelung interner Kontrollleuchten von Militärfahrzeugen
bekannt. Bei dieser Vorrichtung ist eine elektrische Kontrollleuchten-Schaltungsanordnung
mit zumindest einer Zenerdiode und einem entsprechenden parallel
zur zugehörigen
Zenerdiode geschalteten Relais vorhanden. Die Schaltungsanordnung
ist mit einem Tarnlichtschalter derart elektrisch verbunden, dass
bei eingeschalteter Zündung des
Fahrzeugs und bei der Schaltstellung „Tarnlicht aus" die Relaisspule
bei Überbrückung der
zugehörigen
Zenerdiode zwecks Entdunkelung der Kontrollleuchten um eine vorgegebene
Maximalstufe schaltet bzw. anzieht.
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Aus
der
DE 198 12 069
A1 ist ein Leistungsverstärker mit mindestens zwei ausgangsseitig
in Reihe geschalteten Endstufen bekannt, die je eine Leistungs-Brückenschaltung
aufweisen, um je eine Endstufenspannung durch Pulsweitenmodulation
gemäß einem
Endstufenschalttakt zu erzeugen. Eine Ausgangsspannung des Leistungsverstärkers ergibt sich
hierbei als Summe der Entstufenspannungen. Die Endstufenschalttakte
der Endstufen sind gegeneinander versetzt, um die effektive Schaltfrequenz der
Ausgangsspannung zu erhöhen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Verstärkereinrichtung
der eingangs genannten Art derart weiter zu entwickeln, dass sie kostengünstiger
herstellbar und effizienter betreibbar ist, insbesondere nur eine
relativ geringe Verlustleistung aufweist.
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Die
Aufgabe wird durch eine Verstärkereinrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß weist
die Spannungsversorgungseinrichtung eine Spannungsteilerkette auf, die
eingangsseitig mit einer Grundspannung und einem Basispotential
verbunden ist. Die Spannungsteilerkette besteht aus einer Vielzahl
von in Reihe geschalteten Zenerdioden, denen jeweils mindestens ein
Kondensator parallel geschaltet ist. Dadurch sind an Knotenpunkten
zwischen je zwei unmittelbar benachbarten Zenerdioden Zwischenspannungen
abgreifbar, die zwischen der Grundspannung und dem Basispotential
liegen. Ein erster Versorgungseingang des Radiofrequenz-Leistungsverstärkers ist
mit dem Basispotential verbunden. Die Spannungsteilerkette ist über eine
Schalteinrichtung mit dem Radiofrequenz-Leistungsverstärker verbunden.
Sie weist eine Vielzahl von zueinander parallel geschalteten Schaltelementen
auf, die ausgangsseitig mit einem zweiten Versorgungseingang des
Radiofrequenz-Leistungsverstärkers
verbunden sind. An jedem Schaltelement steht eingangsseitig die
Grundspannung oder eine der Zwischenspannungen an. Die Schaltelemente
sind von einer Steuereinrichtung individuell ansteuerbar, so dass
der zweite Versorgungseingang über
die Schalteinrichtung selektiv mit der Grundspannung und jeder der
Zwischenspannungen verbindbar ist.
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Es
ist möglich,
dass die Schaltelemente für die
Grundspannung ausgelegt sind und im ungeschalteten Zustand eine
Rückwirkung
auf die von ihnen geschaltete Spannung (Grundspannung oder eine
der Zwischenspannungen) verhindern. Wenn dies nicht der Fall ist
(oder gegebenenfalls als Vorsichtsmaßnahme) kann mit den Schaltelementen,
an denen je eine der Zwischenspannungen ansteht, jeweils eine in
Durchlassrichtung gepolte Diode in Reihe geschaltet sein. Auch für das Schaltelement,
das die Grundspannung schaltet, kann eine derartige Diode vorgesehen
sein.
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Vorzugsweise
ist der Steuereinrichtung eine Information über ein vom Radiofrequenz-Leistungsverstärker auszugebendes
Ausgangssignal zuführbar.
Die Steuereinrichtung ist in diesem Fall bevorzugt derart ausgebildet,
dass sie in Abhängigkeit
von der Information über
das Ausgangssignal entscheidet, welches der Schaltelemente sie schaltet,
und das betreffende Schaltelement entsprechend ansteuert.
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Vorzugsweise
ist der Schalteinrichtung ein Spannungsabgriff vorgeordnet, dessen
Messsignal der Steuereinrichtung zuführbar ist. In diesem Fall ist die
Steuereinrichtung bevorzugt derart ausgebildet, dass sie in Abhängigkeit
von dem Messsig nal entscheidet, welches der Schaltelemente sie schaltet und
das betreffende Schaltelement entsprechend ansteuert. Es ist möglich, dass
die Schaltelemente hochfrequent schaltbar sind. Vorzugsweise sind
sie jedoch nur niederfrequent schaltbar.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen in Prinzipdarstellung:
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1 schematisch
eine Magnetresonanzanlage mit einem Hochfrequenzsystem und
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2 eine
Verstärkereinrichtung.
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Gemäß 1 weist
eine bildgebende Magnetresonanzanlage 1 verschiedene Magnetsysteme 2, 3, 4 auf,
insbesondere ein Grundmagnetsystem 2, ein Gradientenmagnetsystem 3 und
ein Hochfrequenzsystem 4. Das Gradientenmagnetsystem 3 weist
in der Regel drei Teilsysteme 5, 6, 7 auf,
nämlich
je ein Teilsystem 5, 6, 7 für die drei
Achsen eines kartesischen Koordinatensystems. Die Teilsysteme 5, 6, 7 sind
in der Regel gleichartig aufgebaut.
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Das
Grundmagnetsystem 2 und das Gradientenmagnetsystem 3 sind
im Rahmen der vorliegenden Erfindung von untergeordneter Bedeutung und
werden nicht näher
erläutert.
Nachfolgend wird nur das Hochfrequenzsystem 4 näher erläutert.
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Im
Laufe der Erfassung einer Rohdatensequenz der Magnetresonanzanlage
wird einer Verstärkungseinrichtung 8 des
Hochfrequenzsystems 4 zu bestimmten Zeitpunkten jeweils
ein niederenergetischer Puls p zugeführt. Jeder niederenergetische Puls
p weist einen vorbestimmten zeitlichen Verlauf auf, der von Puls
p zu Puls p verschieden sein kann. Zwischen je zwei niederenergetischen
Pulsen p liegt eine längere
Pulspause. Die Verstärkereinrichtung 8 verstärkt den
ihr zugeführten
niederenergetischen Puls p und erzeugt so einen korrespondierenden Leistungspuls
P. Den Leistungspuls P führt
sie einer HF-Sendespule 9 zu
und versorgt diese so mit elektrischer Energie. Die Ausgestaltung
der Verstärkereinrichtung 8 ist
Hauptgegenstand der vorliegenden Erfindung. Sie wird nachfolgend
in Verbindung mit 2 näher erläutert.
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Gemäß 2 weist
die Verstärkereinrichtung 8 einen
Radiofrequenz-Leistungsverstärker 10 und
eine Spannungsversorgungseinrichtung 11 für den Radiofrequenz-Leistungsverstärker 10 auf.
Der niederenergetische Puls p wird einem Signaleingang 12 des
Radiofrequenz-Leistungsverstärkers 10 zugeführt. Der
Radiofrequenz-Leistungsverstärker 10 verstärkt den
niederenergetischen Puls p, so dass er an einem Signalausgang 13 des
Radiofrequenz-Leistungsverstärkers 10 als
Leistungspuls P ausgegeben wird und der HF-Sendespule 9 zugeführt wird.
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Die
Spannungsversorgungseinrichtung 11 weist eine Spannungsteilerkette 14 auf.
Die Spannungsteilerkette 14 ist eingangsseitig mit einer Grundspannung
U1 und einem Basispotential G verbunden. Zum Generieren der Grundspannung
U1 und des Basispotentials G kann beispielsweise der Spannungsversorgungseinrichtung 11 ein
Gleichrichter 15 vorgeordnet sein, der aus dem üblichen öffentlichen
Energieversorgungsnetz (ein- oder dreiphasig) gespeist wird und
die dortige Netzspannung gleichrichtet, glättet und abgibt.
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Die
Spannungsteilerkette 14 besteht aus einer Vielzahl von
Zenerdioden 16, die in Reihe geschaltet sind. Die Anzahl
an Zenerdioden 16 ist prinzipiell frei wählbar, wenn
sie nur größer als
1 ist. Meist ist die Anzahl größer als
2. In der Regel liegt sie zwischen 5 und 25. Die Zenerspannungen
der Zenerdioden 16 sind vorzugsweise derart gewählt, dass
die Summe der Zenerspannungen der Zehnerdioden 16 geringfügig größer als
die Grundspannung U1 ist. Insbesondere können die Zenerspannungen derart gewählt sein,
dass die Summe der Zenerspannungen nur dann größer als die Grundspannung U1
ist, wenn die Zenerspannungen aller Zenerdioden 16 der Spannungsteilerkette 14 addiert
werden.
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Den
Zenerdioden 16 sind Kondensatoren 17 parallel
geschaltet. Jeder Zenerdiode 16 ist hierbei mindestens
ein Kondensator 17 parallel geschaltet. Gegebenenfalls
können
den Zenerdioden 16 auch jeweils mehrere Kondensatoren 17 parallel
geschaltet sein. Die Kondensatoren 17 sind derart ausgelegt, dass
ihre Spannungsfestigkeit größer als
die Zenerspannung der jeweils parallel geschalteten Zenerdiode 16 ist.
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Auf
Grund der Zenerdioden 16 sind an Knotenpunkten 18,
die zwischen je zwei unmittelbar benachbarten Zenerdioden 16 angeordnet
sind, Zwischenspannungen U2, U3, ... Un abgreifbar. Jede Zwischenspannung
U2, U3, ... Un liegt hierbei zwischen der Grundspannung U1 und dem
Basispotential G.
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Ein
erster 19 von zwei Versorgungseingängen 19, 20 des
Radiofrequenz-Leistungsverstärkers 10 ist
mit dem Basispotential G beaufschlagbar. Gemäß 2 ist der
erste Versorgungseingang 19 mit dem Basispotential G permanent
beaufschlagt.
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Die
Spannungsteilerkette 14 ist über eine Schalteinrichtung 22 mit
dem Radiofrequenz-Leistungsverstärker 10 verbunden.
Die Schalteinrichtung 22 weist eine Vielzahl von Schaltelementen 23 auf, die
zueinander parallel geschaltet sind. Die Schaltelemente 23 sind
ausgangsseitig mit dem zweiten Versorgungseingang 20 des
Radiofrequenz-Leistungsverstärkers 10 verbunden.
Eingangsseitig steht an den Schaltelementen 23 entweder
die Grundspannung U1 oder eine der Zwischenspannungen U2, U3, ...
Un an. Die Schaltelemente 23 sind bevorzugt Halbleiterschaltelemente,
insbesondere Transistoren. Beispiele geeigneter Transistoren sind
Bipolartransistoren und MOS-Transistoren.
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Die
Spannungsversorgungseinrichtung 11 weist eine Steuereinrichtung 24 auf.
Von der Steuereinrichtung 24 sind die Schaltelemente 23 individuell ansteuerbar.
Hierdurch ist der zweite Versorgungseingang 20 über die
Schalteinrichtung 22 selektiv mit der Grundspannung U1
und jeder der Zwischenspannungen U2, U3, ... Un Verbindbar.
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Die
Spannungselemente 23 können
auf verschiedene Art ausgestaltet sein. Beispielsweise ist es möglich, dass
die Schaltelemente 23 spannungsfest ausgebildet sind. Der
Begriff „spannungsfest" soll bedeuten, dass
unabhängig
davon, ob das jeweilige Schaltelement 23 geschaltet ist
oder nicht, Rückwirkungen
auf die vom jeweiligen Schaltelement 23 geschaltete Spannung
U1, U2, ... Un nicht erfolgen. In diesem Fall können (aber nicht müssen) den
Schaltelementen 23, an denen je eine der Zwischenspannungen
U2, U3, ... Un ansteht, Dioden 25 in Reihe geschaltet sein,
wobei die Dioden 25 in Durchlassrichtung gepolt sind. Gegebenenfalls
kann auch bei dem Schaltelement 23, an dem die Grundspannung U1
ansteht, eine derartige Diode 25 vorhanden sein.
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Alternativ
ist es möglich,
dass die Schaltelemente 23 – im geschalteten oder im ungeschalteten Zustand – nicht
span- nungsfest sind. In diesem Fall müssen zumindest beiden. Schaltelementen 23,
welche die Zwischenspannungen U2, U3, ... Un schalten, die Dioden 25 vorhanden
sein.
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Weiterhin
ist es möglich,
dass die Schaltelemente 23 hochfrequent schaltbar sind.
Vorzugsweise jedoch sind die Schaltelemente 23 der Schalteinrichtung 22 nur
niederfrequent (das heißt
im Frequenzbereich deutlich unterhalb der Grenzfrequenz des Radiofrequenz-Leistungsverstärkers 10)
schaltbar.
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Der
Schalteinrichtung 22 ist ein analoger Spannungsregler 26 nachgeordnet. Über den
Spannungsregler 26 ist der zweite Versorgungseingang 20 mit
der Schalteinrichtung 22 verbunden.
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Im
Betrieb der Verstärkereinrichtung 8 wird der
Steuereinrichtung 24 eine Information I über ein Ausgangssignal
A zugeführt,
das vom Radiofrequenz-Leistungsverstärker 10 ausgegeben
werden soll. Das Ausgangssignal A entspricht einem der Leistungspulse
P. Die Information I wird der Steuereinrich tung 24 rechtzeitig
vor dem Beginn des jeweiligen Leistungspulses P zugeführt.
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Wenn
die auszugebenden Leistungspulse P als solche vorbekannt sind, kann
es ausreichen, der Steuereinrichtung 24 als Information
I lediglich eine entsprechende Identifikation zuzuführen, beispielsweise
die Nummer des jeweiligen Leistungspulses P. Alternativ ist es möglich, der
Steuereinrichtung 24 als Information I in einer vorbestimmten
Form eine Beschreibung des jeweiligen Leistungspulses P zuzuführen.
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Die
Steuereinrichtung 24 ist derart ausgebildet, dass sie in
Abhängigkeit
von der ihr zugeführten Information
I über
das Ausgangssignal A entscheidet, welches der Schaltelemente 23 der
Schalteinrichtung 22 sie schaltet. Ein entsprechendes Steuersignal
gibt sie an das betreffende Schaltelement 23 aus. Weiterhin
steuert sie den Spannungsregler 26 entsprechend an.
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Es
ist möglich,
dass der einmal bestimmte Schaltzustand der Schalteinrichtung 22 (das
heißt, welches
der Schaltelemente 23 angesteuert wird) während des
jeweiligen Leistungspulses P beibehalten wird. Bevorzugt ist jedoch,
dass der Schalteinrichtung 22 ein Spannungsabgriff 27 nachgeordnet ist.
Der Spannungsabgriff 27 sollte zwischen der Schalteinrichtung 22 und
dem Spannungsregler 26 angeordnet sein.
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Der
Spannungsabgriff 27 liefert ein Messsignal U, das der Steuereinrichtung 24 zuführbar ist.
Die Steuereinrichtung 24 ist in diesem Fall derart ausgebildet,
dass sie in Abhängigkeit
von dem zugeführten Messsignal
U kontinuierlich prüft,
ob die von der Schalteinrichtung 22 abgegebene Spannung
zu groß oder
zu klein wird. Gegebenenfalls steuert die Steuereinrichtung 24 – auch während des
Ausgebens eines Leistungspulses P – ein anderes der Schaltelemente 23 an,
insbesondere ein Schaltelement 23, das dem momentan angesteuerten
Schaltelement 23 unmittelbar benachbart ist. In diesem
Fall entscheidet die Steuereinrichtung 24 also in Abhängigkeit
von dem erfassten Messsignal U, welches der Schaltelemente 23 sie
schaltet, und steuert das betreffende Schaltelement 23 entsprechend
an.
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Wenn
die Dioden 25 vorhanden sind, ist ein gleichzeitiges Ansteuern
mehrerer Schaltelemente 23 jederzeit möglich. Wenn die Dioden 25 nicht
vorhanden sind, müssen
die Schaltelemente 23 spannungsfest sein oder das Zuschalten
eines der Schaltelemente 23 muss mit dem Abschalten eines
anderen der Schaltelemente 23 koordiniert werden. In diesem
Fall ist ein Umschalten nur dann möglich, wenn die Schaltelemente 23 schnell
genug schaltbar sind.
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Mittels
der erfindungsgemäßen Verstärkereinrichtung 8 ist
auf einfache, kostengünstige
und hochwirksame Weise die Verlustleistung der Verstärkereinrichtung 8 minimierbar.