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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Spannungsstellglied, das speziell
für die Einstellung einer Hochspannung und insbesondere
für die Einstellung der Kathodenspannung von Röntgenröhren
geeignet ist.
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Röntgenröhren
bestehen in der Regel aus einer Kathode, einer Anode und einem Gitter,
die in einem Vakuum angeordnet sind. Es ist bekannt, in Röntgenröhren
die klassischen thermischen Kathoden durch sogenannte Kohlenstoffnanoröhren,
auch genannt Carbon Nanotubes (CNT), zu ersetzen. Kohlenstoffnanoröhren
können so gestaltet werden, daß sie Elektronen
durch Feldemission abgeben und als leistungsfähige Elektronenemitter
für flache und selbstleuchtende Feldemissionsdisplays oder
auch als Kathoden in Röntgenröhren dienen.
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Aus
dem Artikel "Stationary scanning x-ray source based
an carbon nanotube field emitters", erschienen im Jahr
2005 in Applied Physics Letters 86, 184104 ist eine besonders
interessante Ausgestaltung einer Röntgenröhre
bekannt. Bei dieser werden in einer Röhre mehrere CNT-Kathoden
angeordnet. Eine solche Multikathodenröhre erlaubt eine
räumliche Auflösung, was mit herkömmlichen
Einkathodenröhren nur durch mechanische Verschiebung der Röntgenröhre
erzielt werden kann.
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Sowohl
bei thermischen Röntgenröhren als auch bei CNT-Röntgenröhren
besteht häufig die Anforderung, Spannungen bzw. Potentiale
zu verändern, um beispielsweise den Kathodenstrom oder
die Fokusgröße schnell und genau auf einen vorgegebenen
Wert einzustellen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kostengünstiges
und schnelles Spannungsstellglied anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch ein Spannungsstellglied mit zwei
in Reihe geschalteten Transistoren (z. B. JFET, IGBT, n-Kanal normal
sperrende MOSFET). Diese Reihen- oder Kaskadenschaltung zeichnet
sich dadurch aus, daß der Source- oder Emitteranschluß des
ersten Transistors über einen ersten Widerstand mit einem
Potentialbezugspunkt verbunden ist und der Gate- oder Basisanschluß des ersten
Transistors über einen zweiten Widerstand mit einer Steuerleitung
des Spannungsstellglieds verbunden ist. Der Source- oder Emitteranschluß des zweiten
Transistors ist einerseits mit dem Drain- oder Kollektoranschluß des
ersten Transistors und andererseits über einen dritten
Widerstand mit dem eigenen Gate- oder Basisanschluß verbunden.
Der Gate- oder Basisanschluß des zweiten Transistors ist über eine
Reihenschaltung aus einer Diode, einer Zenerdiode und einem vierten
Widerstand mit der Steuerleitung verbunden.
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In
einer Fortbildung der Erfindung können weitere in Reihe
geschaltete Transistoren vorgesehen werden. Dann wird der Source-
oder Emitteranschluß jedes weiteren Transistors einerseits
mit dem Drain- oder Kollektoranschluß des vorhergehenden Transistors
und andererseits über einen ersten weiteren Widerstand
mit dem eigenen Gate- oder Basisanschluß verbunden, und
der Gate- oder Basisanschluß jedes weiteren Transistors
wird über eine Reihenschaltung aus einer weiteren Diode,
einer weiteren Zenerdiode, einem zweiten weiteren Widerstand (134)
und einer Reihenschalung aller die Gate- oder Basisanschlüsse
der vorhergehenden Transistoren (120) versorgenden Dioden
(128) mit der Steuerleitung (102) verbunden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden neun Transistoren
mit einer Durchbruchspannung von je 800 V vorgesehen, die ein Hochspannungsstellglied
zur Einstellung einer Spannung zwischen 0 und 5 kV bilden.
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Die
Steuerleitung des Stellgliedes kann von einem Pufferverstärker
versorgt werden, welcher ein Steuersignal erhält und in
einen für das Spannungsstellglied geeigneten Steuerspannungsbereich
umsetzt.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Röntgensystem
mit einer Röntgenröhre sowie einem erfindungsgemäßen
Spannungsstellglied zum Einstellen der Kathodenspannung, und ein
Röntgensystem mit einer Röntgenröhre
mit mehreren CNT-Kathoden, wobei jeder CNT-Kathode ein erfindungsgemäßes
Spannungsstellglied zur Einstellung der Kathodenspannung zugeordnet
ist.
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Ein
wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen,
daß durch Einsatz einer entsprechenden Anzahl von Transistoren
mit einer gegebenen Spannungsfestigkeit beliebig hohe Spannungen
kontinuierlich zwischen 0 und Vmax gesteuert werden
können. Insbesondere ermöglicht die vorliegende
Erfindung den Einsatz gängiger und daher billiger Transistoren
mit vergleichsweise niedriger Einzelspannungsfestigkeit, um sehr
hohe Spannungen steuern zu können.
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Im
folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung anhand von 2 Figuren näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
erfindungsgemäßes Spannungsstellglied mit zwei
Transistoren; und
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2 ein
erfindungsgemäßes Spannungsstellglied mit drei
Transistoren.
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1 zeigt
die die kleinstmögliche Grundschaltung 100 eines
Spannungsstellgliedes in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung. Der Sourceanschluß eines ersten Transistors 110 wird über
einen Widerstand 112 mit einem Potentialbezugspunkt 104,
z. B. GND, verbunden. Dieser Widerstand begrenzt den maximal durch
die Transistoren 110, 120 des Stellgliedes 100 fließenden
Strom.
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Der
Gateanschluß des ersten Transistors 110 wird über
einen Widerstand 114 mit der Steuerleitung 102 des
Stellgliedes verbunden. Widerstand 114 dient dabei der
Begrenzung des Gatestroms des ersten Transistors 110. Die
Steuerleitung 102 von einem Pufferverstärker 108 versorgt
werden oder direkt mit einem Steuereingang 109 des Stellgliedes 100 verbunden
sein.
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Der
Sourceanschluß eines zweiten Transistors 120 wird
mit dem Drainanschluß des ersten Transistors verbunden.
Außerdem wird der Sourceanschluß des zweiten Transistors 120 über
einen Widerstand 122 mit dem eigenen Gateanschluß verbunden.
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Der
Gateanschluß des zweiten Transistors 120 wird
mit der Steuerleitung 102 über eine Reihenschaltung
aus einer Diode 128, einer Zenerdiode 126 und
einem Widerstand 124 verbunden. Widerstand 124 dient
dabei der Begrenzung des Gatestroms des zweiten Transistors 120.
Diode 128 wird ausgehend von der Steuerleitung 102 in
Durchlaßrichtung betrieben, und Zenerdiode 126 wird
ausgehend von der Steuerleitung in Sperrichtung betrieben.
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Der
Drainanschluß des zweiten Transistors bildet den externen
Anschluß 106 des Stellgliedes 100, an
dem die Spannung zwischen 0 V und annähernd der Summe der
Durchbruchsspannungen der beiden Transistoren durch entsprechendes
Signal am Steuereingang 109 kontinuierlich eingestellt
werden kann.
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2 zeigt
eine Ausführung der vorliegenden Erfindung mit drei Transistoren.
Dabei wird die Schaltung der 1 wie folgt
erweitert. Der Sourceanschluß eines dritten Transistors 130 wird
mit dem Drainanschluß des zweiten Transistors verbunden. Außerdem
wird der Sourceanschluß des dritten Transistors 130 über
einen Widerstand 132 mit dem eigenen Gateanschluß verbunden.
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Der
Gateanschluß des dritten Transistors 130 wird
mit der Steuerleitung 102 über eine Reihenschaltung
aus der Diode 128, einer weiteren Diode 138, einer
weiteren Zenerdiode 136 und einem weiteren Widerstand 134 verbunden.
Widerstand 134 dient wiederum der Begrenzung des Gatestroms.
Die weitere Diode 138 wird ausgehend von der Steuerleitung 102 in
Durchlaßrichtung betrieben, und die weitere Zenerdiode 136 wird
ausgehend von der Steuerleitung in Sperrichtung betrieben.
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Anhand
der 3 wird auch unmittelbar ersichtlich,
wie die Schaltung auf n Transistoren erweitert werden kann: der
Sourceanschluß jedes weiteren Transistors wird einerseits
mit dem Drain des in Richtung des Potentialbezugspunkts 104 vorhergehenden
Transistors und andererseits über einen Widerstand mit
dem eigenen Gateanschluß verbunden, und der Gateanschluß jedes
weiteren Transistors wird über eine Reihenschaltung aus
einer weiteren Diode, einer weiteren Zenerdiode, einem weiteren Widerstand
und der Reihenschalung aller die Gateanschlüsse der vorhergehenden
Transistoren versorgenden Dioden mit der Steuerleitung 102 verbunden.
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Im
folgenden wird die Funktion der in 3 dargestellten
Schaltung näher erläutert, wobei diese Erläuterungen
auch für die in 2 dargestellte Schaltung zutreffen
mit dem Unterschied, daß 2 eine Kaskadenstufe
weniger aufweist.
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Es
wird angenommen, in das Spannungsstellglied wird am Punkt 106 ein
Strom eingespeist. Am Steuereingang 109 des Stellglieds
wird ein Steuersignal eingespeist, welches mittels Pufferverstärker 108 in
eine Kaskadensteuerspannung umgesetzt wird, wobei die Kaskadensteuerspannung
beispielsweise 0 V bis 10 V betragen kann. Steigt die Kaskadensteuerspannung,
steigt die Gate-Source-Spannung des ersten Transistors 110,
so daß dessen Leitfähigkeit zunimmt. Der Spannungsabfall
an der Kaskade (d. h. zwischen Punkt 106 und Potentialbezugspunkt 104)
wird bestimmt durch den durch die Gate-Source-Spannung des ersten
Transistors 110 gesteuerten Spannungsabfall am ersten Transistor plus
der Summe der Durchbruchspannungen des zweiten und dritten Transistors 120, 130.
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Ist
der erste Transistor 110 komplett durchgesteuert, erhält
mit weiter steigender Kaskadensteuerspannung der nächste
Transistor in der Kaskade, hier der zweite Transistor 120 über
Diode 128 und Zenerdiode 126 eine zunehmende Steuerspannung und
wird zunehmend leitend. Der Spannungsabfall an der Kaskade (d. h.
zwischen Punkt 106 und Potentialbezugspunkt 104)
wird nunmehr bestimmt durch den durch die Gate-Source-Spannung des zweiten
Transistors 120 gesteuerten Spannungsabfall am zweiten
Transistor plus Durchbruchspannung des dritten Transistors 130 plus
die (geringe) Durchlaßspannung des ersten Transistors 110.
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Bei
weiter erhöhter Kaskadensteuerspannung wird auch der zweite
Transistor 120 komplett durchgesteuert, und der dritte
Transistor 130 erhält über die Diodenkette 128, 138 und
die Zenerdiode 136 eine zunehmende Steuerspannung und wird
zunehmend leitend. Der Spannungsabfall an der Kaskade wird dann
bestimmt durch den durch die Gate-Source-Spannung des dritten Transistors 130 gesteuerten
Spannungsabfall am dritten Transistor (plus die vernachlässigbaren
Durchlaßspannungen des ersten und zweiten Transistors 110, 120).
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Somit
kann der gesamte Spannungsbereich von nahe 0 V bis zur Summe der
Durchbruchsspannungen der drei Transistoren gesteuert werden. Jede weitere
Kaskadenstufe funktioniert wie die dritte Kaskadenstufe umfassend
den dritten Transistor 130, die Diode 138 und
die Zenerdiode 136 und erhöht die steuerbare Spannung
um die Durchbruchspannung des ihres jeweiligen Transistors.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Bauelemente
wie folgt dimensioniert:
- – die Durchbruchspannung
der Dioden 128, 138 ist größer
oder gleich der Durchbruchspannung der Transistoren, und es werden
Siliziumdioden mit Durchlaßspannungen von ca. 0,6 V verwendet;
- – Widerstand 112 wird als Strommeßwiderstand (Shunt)
ausgelegt oder entfällt; und
- – die Durchbruchspannungen der Zenerdioden 126, 136 ergibt
sich aus folgender Formel: UZ,i =
i·(UD – UF) wobei
i die i-te Kaskadenstufe bedeutet mit i = 1 .. n und die Zählung
mit dem Transistor 110 beginnt, der dem Potentialbezugspunkt 104 am
nächsten ist, d. h. für den ersten Transistor 110 gilt
i = 1, für den zweiten Transistor 120 gilt i =
2 usw., und wobei UD die Durchlaßspannung
der Transistoren bedeutet (Annahme hier: baugleiche Transistoren;
bei verschiedenen Bauarten sind die entsprechenden Durchlaßspannungen
zu summieren) und UF die Durchlaßspannungen
der Dioden 128, 138. Beispielsweise betragen UD = 2 V und UF = 0,6
V.
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Die
Widerstände 122, 132 bestimmen zusammen
mit der Eingangskapazität der Transistoren die Ausschaltzeitkonstante
taus = R·C, während die Widerstände 114, 124, 134 zusammen
mit der Eingangskapazität der Transistoren die Einschaltzeitkonstante
tein = R·C bestimmen. Die Transistoren
sind vorzugsweise anhand des maximalen Betriebsstroms und der entstehenden
Verlustleistung auszuwählen.
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Zur
Anwendung im Zusammenhang mit CNT-Röntgenröhren,
bei denen die zu steuernden Spannungen üblicherweise bei
5 kV liegen, wird vorteilhaft eine 9-stufige Kaskade aus preiswerten
Transistoren genutzt, die jeweils eine Durchbruchspannung von 800
V aufweisen. Rein rechnerisch würden 7 Transistoren dieser
Art genügen, die zusätzlichen 2 Transistoren dienen
als Reserve, welche ca. 40% betragen sollte. Werden 9 Transistoren
eingesetzt, so beträgt die Kaskadensteuerspannung vorzugsweise 0–30
V. Die Durchbruchspannungen der 9 Zenerdioden betragen für
diese Ausgestaltung: UZ,1 =
1,4 V (erste Zenerdiode 126) UZ,2 =
2,8 V (zweite Zenerdiode 136) . . . UZ,9 = 12,6 V (neunte Zenerdiode)
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Obwohl
es speziell für die Serienfertigung vorteilhaft ist, gleichartige
Transistoren zu verwenden, ist die vorliegende Erfindung prinzipiell
mit einer beliebigen Kombination verschiedener Transistoren nutzbar.
Zur Verbesserung der Lesbarkeit wurde die Erfindung mit Bezug auf
n-Kanal normal sperrenden MOSFET beschrieben, jedoch ist der Einsatz
beliebiger unipolarer oder bipolarer Transistoren denkbar, wobei
dem Fachmann ohne eigenes erfinderisches Handeln ersichtlich ist,
welche Abwandlungen fallweise notwendig sind. Insbesondere treten
bei der Verwendung sogenannter IGBT (insulated-gate bipolar transistor)
die Bezeichnungen Kollektor und Emitter an die Stelle der Bezeichnungen
Drain und Source.
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Es
sei darauf hingewiesen, daß sich mit dem vorgestellten
Spannungsstellglied beliebige Hochspannungen steuern lassen. Im
Umfeld der (medizinischen) Röntgenröhren können
dies neben der bereits erwähnten Kathodenspannungen auch
Gitterspannungen und beliebige andere Potentiale sein. Natürlich
ist die Erfindung sowohl im Zusammenhang mit herkömmlichen
Röntgenröhren mit thermischer Kathode als auch
besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit CNT-Multikathodenröhren
einsetzbar: die Schaltung ist kostengünstig zu realisieren,
und es kann daher für jede der bis zu mehreren Tausend CNT-Kathoden
ein eigenes Spannungsstellglied vorgesehen werden.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die
Kaskadensteuerspannung auf GND bezogen werden kann, so daß keine
Potentialtrennungsmaßnahmen notwendig sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - ”Stationary
scanning x-ray source based an carbon nanotube field emitters”,
erschienen im Jahr 2005 in Applied Physics Letters 86, 184104 [0003]
