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Die Erfindung betrifft eine Hochspannungsendstufe, mit einem ersten und einem zweiten Hochspannungsanschluss sowie einem Steuereingang. Die Hochspannungsendstufe weist eine Mehrzahl an Verstärkerelementen auf, die in Serie geschaltet mit dem ersten Hochspannungsanschluss in Verbindung stehen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein System zur schnellen Regelung eines Hochspannungssignals mit einer erfindungsgemäßen Hochspannungsendstufe sowie eine schnell regelbare Hochspannungsversorgung mit einem erfindungsgemäßen System.
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Bei modernen Röntgenstrahlröhren werden die Strahlposition und die Strahlqualität durch magnetische oder elektrische Felder variiert. Bisher wird für variable Fokusgröße und Fokusposition meist ein Magnetsystem verwendet und der Elektronenstrahl mittels elektrischer Felder gesperrt. Wenn diese Elektroden auch die Funktion des Magnetsystems übernehmen sollen, benötigt man eine Spannungsquelle, die eine konstante Fokussierspannung und eine schnell veränderliche Ablenkspannung bereitstellen kann.
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Aufgrund der hohen Beschleunigungsspannung ist eine Ablenkspannung von mehreren Kilovolt erforderlich, die mit typischen linearen Transistorendstufen mit jeweils einem Transistor pro Ausgangspolarität nicht aufgebaut werden kann. Dabei ist es erforderlich, dass für eine Strahlablenkung in beide Richtungen die Endstufe eine bipolare Spannung liefert. Zur Arbeitspunkteinstellung ist aufgrund der daraus resultierenden Verlustleistung bei den hohen Spannungen ein Querstrom zu vermeiden. Diese Endstufe ist für eine kapazitive Last auszulegen.
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Im Stand der Technik ist zur Erzeugung von Ablenkspannungen beispielsweise eine bipolare Spannungsvervielfacherkaskade bekannt. Die Kaskade mit den Kapazitäten und Dioden begrenzt jedoch den maximalen Strom und damit die Dynamik. Verwendung finden auch Niederspannungsendstufen, deren Ausgangssignal mittels eines Transformators auf eine hohe Spannung transformiert wird. Der Transformator fällt in seinem Übersetzungsverhältnis zu niedrigen Frequenzen ab und kann keine Gleichspannung erzeugen. Bekannt sind auch bipolare Hochspannungsschaltregler, deren Ausgangssignal gesiebt wird. Diese weisen eine Restwelligkeit auf, die in manchen Anwendungen störend ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Hochspannungsversorgung zur elektrischen Fokussierung von Elektronenstrahlen bereitzustellen, die eine große Dynamik, eine große Bandbreite und hohe Genauigkeit des Ausgangssignals aufweist.
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Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Hochspannungsendstufe nach Anspruch 1 sowie ein erfindungsgemäßes System zum schnellen Regeln eines Hochspannungssignals gemäß Anspruch 7 und eine erfindungsgemäße schnell regelbare Hochspannungsversorgung zum elektrischen Fokussieren eines Elektronenstrahls nach Anspruch 10 sowie ein Verfahren zum Betrieb des Systems nach Anspruch 11 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Hochspannungsendstufe weist einen ersten Hochspannungsanschluss und eine Mehrzahl an ersten Verstärkerelementen auf. Die ersten Verstärkerelemente sind in Serie geschaltet und stehen mit dem ersten Hochspannungsanschluss in Verbindung. Die Hochspannungsendstufe weist weiterhin eine Spannungsteilerkette mit einer Serie von Spannungsteilergliedern auf. Die Spannungsteilerkette ist mit dem ersten Hochspannungsanschluss verbunden. Zum weiteren Verständnis werden im Folgenden die Spannungsteilerglieder und die Verstärkerelemente ausgehend von dem ersten Hochspannungsanschluss gezählt und mit entsprechenden Indizes n bezeichnet. Entlang der Spannungsteilerkette steht an den jeweiligen Spannungsteilergliedern bei einer zwischen dem ersten Hochspannungsanschluss und einem von dem ersten Hochspannungsanschluss beabstandeten Ende der Spannungsteilerkette anliegenden Spannung eine Folge von mit dem Index n monoton steigenden bzw. fallenden Teilspannungen an, in Abhängigkeit von der Polarität der anliegenden Spannung und dem Bezugspotential. Gemäß dieser Zählkonvention steht jeweils der Signaleingang des ersten Verstärkerelements n derart mit dem Spannungsteilerglied n in erster Signalverbindung, sodass bei Anliegen einer Spannung über die Spannungsteilerkette eine Spannung an einem Signaleingang eines ersten Verstärkerelements n gegenüber einer Spannung an einem Signaleingang eines ersten Verstärkerelements n + 1 jeweils kleiner bzw. jeweils größer ist. Mit anderen Worten, weisen Differenzen von Spannungen an dem Signaleingang des Verstärkerelements n und dem Signaleingang des Verstärkerelements n + 1 jeweils das gleiche Vorzeichen auf.
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Auf vorteilhafte Weise schafft so die monotone Folge der Spannungen an den Spannungsteilergliedern ein Bezugspotential für die einzelnen Verstärkerelemente derart, dass sich in Verbindung mit einem selbststabilisierenden Effekt einer Gegenkopplung eine vorbestimmte Aufteilung einer an der Serie der Verstärkerelemente anliegenden Spannung über die Verstärkerelemente ergibt.
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Eine Serienschaltung der Verstärkerelemente bewirkt so auf vorteilhafte Weise, dass eine an der Serienschaltung anliegende Spannung vorteilhaft auf die einzelnen Verstärkerelemente verteilt werden kann.
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Das erfindungsgemäße System zum schnellen Regeln eines Hochspannungssignals sowie die Hochspannungsquelle mit einem erfindungsgemäßen System teilen die Vorteile der erfindungsgemäßen Hochspannungsendstufe.
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In dem erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Systems mit zwei in Serie geschalteten Hochspannungsendstufen steuert ein Regler Ansteuerelemente derart an, dass immer nur eine der beiden Hochspannungsendstufen einen Strom von einer Hochspannungsquelle durch die Verstärkerelemente zu einem Hochspannungsausgang leitet, an dem die beiden Hochspannungsendstufen miteinander verbunden sind.
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Auf diese Weise wird in vorteilhafter Weise verhindert, dass ein Strom von der Hochspannungsquelle direkt durch die Verstärkerelemente abfließt und die Verlustleistung erhöht.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochspannungsendstufe weist die Hochspannungsendstufe weiterhin jeweils in Serie mit einem Signalausgang eines Verstärkerelements ein oder mehrere Bauelemente, insbesondere Widerstände auf, wobei das oder die Bauelemente derart ausgewählt und angeordnet sind, dass das jeweilige Verstärkerelement einer Änderung eines Signalpegels an seinem Signalausgang entgegenwirkt. Mit anderen Worten bewirken das oder die Bauelemente eine Gegenkopplung des jeweiligen ersten Verstärkerelements.
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Die Gegenkopplung der einzelnen Verstärkerelemente in der Serie der Verstärkerelemente sorgt auf vorteilhafte Weise dafür, dass sich Abweichungen in einzelnen Verstärkerelementen nicht selbst verstärken, sondern ausgeglichen werden. Damit kann eine Überlastung und Selbstzerstörung eines Verstärkerelements durch eine zu hohe abfallende Spannung verhindert werden, indem sich eine stabile Verteilung der Spannungen an den Verstärkerelementen einstellt.
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In einer möglichen Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Hochspannungsendstufe weiterhin ein nichtlineares Element und einen zweiten Hochspannungsanschluss auf, wobei das nichtlineare Element in Serie mit der Spannungsteilerkette zwischen dem ersten Hochspannungsanschluss und dem zweiten Hochspannungsanschluss geschaltet ist. Das nichtlineare Element leitet oberhalb einer vorbestimmten, an dem nichtlinearen Element anliegenden Schwellspannung Strom, darunter nur in Wesentlichem nicht. Im Wesentlichen gibt hier im Sinne der Erfindung an, dass der Strom unterhalb der Schwellspannung kleiner als ein Zehntel, ein Hundertstel oder ein Tausendstel eines Stromes ist, der bei bestimmungsgemäßen Betrieb der Hochspannungsendstufe durch die Spannungsteilerkette fließt. Weiterhin weist die Hochspannungsendstufe ein Ansteuerelement auf, dessen Widerstand zwischen einem hochohmigen Zustand und einem niederohmigen Zustand einstellbar ist und das in Serie mit der Mehrzahl der ersten Verstärkerelemente zwischen dem ersten Hochspannungsanschluss und dem zweiten Hochspannungsanschluss geschaltet ist. Eine zweite Signalverbindung ist zwischen dem nichtlinearen Element und dem Ansteuerelement derart geschaltet, dass bei dem hochohmigen Zustand des Ansteuerelements ein erster Strom von der Spannungsteilerkette durch das nichtlineare Element zu dem Hochspannungsausgang fließt und bei einem niederohmigen Zustand des Ansteuerelements ein zweiter Strom von der Spannungsteilerkette durch das Ansteuerelement zu dem zweiten Hochspannungsanschluss fließt. Dabei fließt in dem niederohmigen Zustand der erste Strom nicht mehr durch das nichtlineare Element, sondern über das Ansteuerelement, indem die Spannung an dem nichtlinearen Element durch das parallele niederohmige Ansteuerelement unter den Schwellwert fällt. Dabei ändert sich auch der Betrag des ersten Stromes durch die veränderte Spannung, weshalb er als zweiter Strom bezeichnet ist.
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Auf vorteilhafte Weise ermöglichen es das nichtlineare Element und das Ansteuerelement durch die zweite Signalverbindung, dass in hochohmigen Zustand des Ansteuerelements weiterhin Strom durch die Spannungsteilerkette fließt und die Spannungen an den einzelnen Signaleingängen der Verstärkerelemente stabil bleiben, und zum anderen bei niederohmigem Ansteuerelement ein Strom durch die Verstärkerelemente fließt und auch über die zweite Signalverbindung eine Gegenkopplung für das zu dem Ansteuerelement benachbarten Verstärkerelement realisiert wird.
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In einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochspannungsendstufe sind die ersten Verstärkerbauelemente Metall-Oxid-Feldeffekt-Transistoren (MOSFET).
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MOSFET zeichnen sich auf vorteilhafte Weise durch einen hohen Widerstand zwischen Signaleingang und Signalausgang aus, wodurch im gesperrten Zustand die Verlustleistung der Hochspannungsendstufe reduziert wird.
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In einer denkbaren Ausführungsform der Hochspannungsendstufe ist das nichtlineare Element eine Zener-Diode.
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Eine Zener-Diode erlaubt auf einfachste Weise die Realisierung eines Bauelements, das oberhalb einer Schwellspannung leitend wird.
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In einer möglichen Ausführungsform der Hochspannungsendstufe ist das Ansteuerelement ein Optokoppler.
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Ein Optokoppler gewährleistet auf sichere und einfache Weise eine Potentialtrennung zu einem Regler und ermöglicht es, das Ansteuerelement unabhängig von dem Bezugspotential des Reglers zu platzieren.
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In einer denkbaren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems zum schnellen Regeln eines Hochspannungssignals ist der Hochspannungsausgang der zweite Hochspannungsanschluss der ersten Hochspannungsendstufe.
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Indem die Hochspannungsendstufe in Serie mit dem Verbraucher geschaltet ist, treten bei dem erfindungsgemäßen System keine Ströme im Hochspannungszweig auf, die nicht zum Ausgangsstrom beitragen können und daher Verluste erzeugen.
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In einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems weist das System eine zweite Hochspannungsendstufe auf. Der zweite Hochspannungsanschluss der ersten Hochspannungsendstufe ist in elektrischer Verbindung mit dem Hochspannungsausgang und einem dritten Hochspannungsanschluss der zweiten Hochspannungsendstufe, der dem ersten Hochspannungsanschluss der ersten Hochspannungsendstufe funktional entspricht. Der Regler ist weiterhin ausgelegt, an einem zweiten Steuersignalausgang ein zweites Regelsignal bereitzustellen, wobei das Ansteuerelement der zweiten Hochspannungsendstufe in vierter Signalverbindung mit dem zweiten Steuersignalausgang steht.
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Eine zweite, in Serie geschaltete Hochspannungsendstufe ermöglicht es auf vorteilhafte Weise, den Hochspannungsausgang bezüglich eines Potentials, das zwischen dem Potential des ersten und des zweiten Hochspannungsanschlusses gelegen ist, bipolar auszusteuern. Auf vorteilhafte Weise sind dabei Verluste des Systems bei einer kapazitiven Last minimal, wenn sich die Ausgangsspannung nicht ändert, da in diesem Fall die Verstärkerelemente beider Hochspannungsendstufen gesperrt sind.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betrieb des Systems ist bzw. sind der bzw. die Pegel des ersten Regelsignals und/oder des zweiten Regelsignals abhängig von der Differenz zwischen dem Sollsignal und dem Ist-Signal.
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Auf diese Wiese lässt sich beispielsweise ein Proportionalregler verwirklichen, der eine besonders niedrige Welligkeit des Hochspannungssignals aufweist.
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In einer anderen möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wechselt bzw. wechseln der bzw. die Pegel des ersten Regelsignals und/oder des zweiten Regelsignals zwischen einem ersten vorbestimmten Wert und einem zweiten vorbestimmten Wert. Ein Verhältnis zwischen einer ersten Zeitdauer, in der der Pegel einen ersten Wert annimmt und einer zweiten Zeitdauer, in der der Pegel einen zweiten Wert annimmt, ist dabei von der Differenz zwischen dem Sollsignal und dem Ist-Signal abhängig.
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Auf diese Weise lässt sich beispielsweise eine Pulsweitenmodulation der Hochspannungsendstufen realisieren, wobei auf vorteilhafte Weise die Hochspannungsendstufen entweder gesperrt oder durchgesteuert sind, sodass die Verlustleistung auf vorteilhafte Weise reduziert ist.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen schnell regelbaren Hochspannungsversorgung in Funktionsblöcken;
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2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Hochspannungsendstufe;
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3 eine schematische Darstellung einer Verschaltung zweier Hochspannungsendstufen aus einem erfindungsgemäßen System zum schnellen Regeln eines Hochspannungssignals und
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4 eine schematische Darstellung eines Signalverlaufs einer erfindungsgemäßen Hochspannungsversorgung in Abhängigkeit von der Zeit.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße schnell regelbare Hochspannungsversorgung 1 dargestellt. Die schnell regelbare Hochspannungsversorgung 1 weist ein System 10 zum schnellen Regeln eines Hochspannungssignals sowie eine positive Hochspannungsquelle 2 und eine negative Hochspannungsquelle 3 auf. Die Hochspannungsquellen 2, 3 liefern in einer beispielhaften Ausführungsform eine Spannung von 5 kV. Im Sinne der Erfindung sind als Hochspannung bzw. als Hochspannungssignale Potentiale mit mindestens einem mehrfachen der Netzspannung zu verstehen, beispielsweise 1 kV, 5 kV oder mehr. Die Hochspannungsquellen 2, 3 sind mit einem ersten Hochspannungsanschluss 52 und einem vierten Hochspannungsanschluss 55 elektrisch verbunden.
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Das System 10 weist zwei Hochspannungsendstufen 50, 51 auf, die zwischen dem ersten Hochspannungsanschluss 52 und dem vierten Hochspannungsanschluss 55 in Serie geschaltet sind. Dabei sind die erste Hochspannungsendstufe 50 und die zweite Hochspannungsendstufe 51 über den zweiten Hochspannungsanschluss 53 bzw. den dritten Hochspannungsanschluss 54 miteinander verbunden. Diese Verbindungsstelle stellt ein Hochspannungsausgangsignal des Systems 10 bereit, das über einen Filter 13 zu einer Last 100 geleitet wird. Je nach Betriebsart, die zu 4 noch erläutert wird, kann das Filter 13 entfallen. In einer möglichen Ausführungsform ist die Last 100 eine rein kapazitive Last und das Filter 13 ein Tiefpassfilter.
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Mit dem zweiten bzw. dritten Hochspannungsanschluss 53, 54 ist ein Messsensor 12 elektrisch verbunden. Aus dem Hochspannungsausgangssignal leitet der Messsensor 12 in Abhängigkeit von dem Hochspannungsausgangssignal ein Messsignal ab, das einem Regler 11 des Systems 10 zugeführt wird. Der Regler 11 vergleicht das Messsignal mit einem Sollsignal, das in dem Regler 11 vorgegeben ist, beispielsweise aus einem Programmspeicher, oder über eine Schnittstelle 15 dem Regler 11 einstellbar ist.
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Gibt das Messsignal einen zu hohen Wert für das das Hochspannungsausgangssignal an, so steuert der Regler 11 die Hochspannungsendstufe 51 über die vierte Signalverbindung 57 so an, dass diese einen Strom von dem dritten Hochspannungsanschluss 54 zur negativen Hochspannungsquelle 3 fließen lasst, wodurch sich das Hochspannungsausgangssignal erniedrigt. Gibt das Messsignal umgekehrt einen zu niedrigen Wert für das das Hochspannungsausgangssignal, so steuert der Regler 11 die Hochspannungsendstufe 50 über die dritte Signalverbindung 56 so an, dass diese einen Strom von der positiven Hochspannungsquelle 3 zu dem zweiten Hochspannungsanschluss 53 zur fließen lasst, wodurch sich das Hochspannungsausgangssignal erhöht.
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Bei einer rein kapazitiven Last 100 ist es dabei denkbar, dass die Hochspannungsendstufen 50, 51 als Schalter genutzt werden, die eine Ladung zu der Kapazitiven Last 100 zu- bzw. abfließen lassen und auf diese Weise die Hochspannung an dem Kondensator, den die kapazitive Last schaltungstechnisch darstellt, einstellt. Um die Welligkeit der Hochspannung an der Last 100 zu verringern, kann dabei der Filter 13 als Tiefpassfilter ausgeführt sein. Es ist dabei von besonderem Vorteil, dass bei einer unveränderten Spannung an der kapazitiven Last beide Hochspannungsendstufen 50, 51 in einen im Wesentlichen nichtleitenden Zustand geschaltet sein können, sodass nur minimale Leckströme sowie Stabilisierungsströme fließen und die Verlustleistung der schnell regelbaren Hochspannungsversorgung 1 reduziert wird. Details werden zu den 2 und 3 näher erläutert.
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Bei einer ohmschen Last 100 ist es aber auch denkbar, dass das System 10 nur eine Hochspannungsendstufe 50 aufweist, und die Last zwischen einer Hochspannungsquelle 1, 2 und der Hochspannungsendstufe 50 in Serie mit der Hochspannungsendstufe 50 angeordnet ist. Die Hochspannungsendstufe 50 wirkt dann als ein variabler Widerstand, der als Spannungsteiler zusammen mit der Last 100 die über die Last 100 abfallende Spannung variiert.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Hochspannungsendstufe 50, die in gleicher Weise für die Hochspannungsendstufe 51 gilt.
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Die Hochspannungsendstufe 50 weist mehrere Gruppen von Komponenten auf, die für die Funktion von Bedeutung sind. Dies ist zum einen eine Spannungsteilerkette 64, die eine Kette von in Serie geschalteten Spannungsteilergliedern 65 aufweist. Die Spannungsteilerkette 64 ist an einem Ende mit dem ersten Hochspannungsanschluss 52 elektrisch verbunden. An dem entgegengesetzten Ende ist die Spannungsteilerkette 64 mit einem nichtlinearen Bauelement 67 in Reihe geschaltet, das wiederum mit dem zweiten Hochspannunganschluss 53 elektrisch verbunden ist.
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In einer möglichen Ausführungsform der Hochspannungsendstufen 51 handelt es sich bei den Spannungsteilergliedern 65 um Widerstände und bei dem nichtlinearen Bauelement um eine Zenerdiode. Ein an den Hochspannungsanschlüssen 52, 53 angelegtes Potential fällt dann entsprechend der Widerstandswerte und der Sperrspannung der Zenerdiode stufenweise über die Spannungsteilerglieder 65 und das nichtlineare Bauelement 67 ab, sodass sich für die Potentialwerte dazwischen eine monoton fallende bzw. steigende Reihe an Spannungswerten ergibt, je nach Zählrichtung der Glieder in der Serienschaltung und Vorzeichen des angelegten Potentials. Statt der Widerstände und der Zenerdiode können auch andere Bauelemente, beispielsweise aktive Spannungsregler, einen Teil der Glieder in der Kette ersetzen.
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Im Folgenden wird bei der Beschreibung davon ausgegangen, dass der erste Hochspannungsanschluss 52 gegenüber dem dritten Hochspannungsanschluss 54 ein positives Potential aufweist. Die erfindungsgemäßen Schaltungen lassen sich aber auch bei Verwendung entsprechender komplementärer Bauelemente auch mit umgekehrter Polarität verwirklichen.
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Als weitere Gruppe von Elementen weist die Hochspannungsendstufe 50 eine Reihe von Verstärkerelementen 60 auf, die ebenfalls in einer Kette in Serie geschaltet sind, wobei ein Ende der Kette ebenfalls mit dem ersten Hochspannungsanschluss 52 elektrisch verbunden ist. Die Verstärkerelemente 60 sind durch Widerstände 63 miteinander verbunden. In 2 sind als Verstärkerelemente 60 MOSFET dargestellt, es sind aber auch andere Feldeffekt-Transistoren oder auch bipolare Transistoren oder andere Verstärkerelemente mit ausreichender Spannungsfestigkeit denkbar.
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Jeweils zwischen dem Signaleingang eines Verstärkerelements 60 und einem korrespondierenden Verbindungspunkt zweier Spannungsteilerglieder 65 besteht eine elektrische erste Signalverbindung, die den Signaleingang des jeweiligen Verstärkerelements 60 auf einem im Wesentlichen konstanten Potential hält, das wie zum Spannungsteiler erläutert, entlang der Kette monoton abfällt. Die erste Signalverbindung in 2 ist eine direkte ohmsche Verbindung, es ist aber auch denkbar, dass ein Widerstand vorgesehen ist oder auch ein Netzwerk aus Bauelementen. So ist in einer Ausführungsform denkbar, dass eine Frequenzfilterung vorgesehen ist und/oder Bauelemente zum Schutz gegen Überspannung am Signaleingang vorgesehen sind.
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Sinkt die Spannung an dem Signalausgang 71, dem Sourceanschluss des MOSFET ab, so erhöht sich die Potentialdifferenz zu dem Signaleingang 70, dem Gate des MOSFET. Dadurch reduziert sich der Widerstand des MOSFET zwischen Drain und Source, sodass sich der Spannungsabfall an dem Widerstand 63, der am Signalausgang 71 angeordnet ist, erhöht und die Potentialdifferenz zwischen Signaleingang 70, dem Gate, und Signalausgang 71, der Source, reduziert. Dadurch wird der Spannungsabfall am jeweiligen Verstärkerelement stabilisiert. Eine vergleichbare Funktion ist auch für andere Verstärkerelemente 60 wie andere Feldeffekttransistortypen oder bipolare Transistoren denkbar.
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Die Hochspannungsendstufe 50 weist weiterhin ein Ansteuerelement 61 auf. In der 2 ist als Ansteuerelement 61 ein Optokoppler dargestellt, der sich dadurch auszeichnet, dass gleichzeitig eine Potentialtrennung zwischen Regler 11 und Hochspannungsendstufe 50, 51 erreicht wird. Es ist in einer anderen Ausführungsform aber auch denkbar, dass das Ansteuerelement 61 ein anderer Typ von Bauelement mit einem von dem Regler veränderlichen Widerstand ist. Denkbar sind zum Beispiel Transistoren oder Feldeffekttransistoren.
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Das Ansteuerelement 61 ist in Serie mit der Mehrzahl von Verstärkerelementen zwischen erstem und zweitem Hochspannungsanschluss 52, 53 geschaltet. Gleichzeitig ist das Ansteuerelement 61 parallel, über die Widerstände 63, 63, zu dem nichtlinearen Element 67, der Zenerdiode geschaltet.
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Ist das Ansteuerelement 61 in einem hochohmigen Zustand, so ist das Potential an dem Signaleingang 70 und dem Signalausgang 71 des zu dem Ansteuerelement 61 benachbarten Verstärkerelements 60 im Wesentlichen identisch, sodass das Verstärkerelement 60 sperrt. Dabei sind die Widerstandswerte der Spannungsteilerkette 64, des Widerstands 68 und des Widerstands 63 sowie eines in 2 dargestellten, optionalen Widerstands parallel zu dem Ansteuerelement 61 so ausgelegt, dass der Strom der Spannungsteilerkette 64 im Wesentlichen, das heißt fast vollständig, abgesehen von einem Leckstrom durch das Ansteuerelement 61, als erster Strom über das nichtlineare Element 67, die Zenerdiode abfließt.
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Wird das Ansteuerelement 61 von einem Regler 11 über einen Steuereingang 69 so angesteuert, dass es niederohmig wird, sinkt das Potential an dem Signalausgang 71 des zu dem Ansteuerelement benachbarten ersten Verstärkerelements ab. Gleichzeitig fließt ein zweiter Strom über die Widerstände 68, 63 und das Ansteuerelement 61 zu dem zweiten Hochspannungsanschluss 53. Der Strom der Spannungsteilerkette 64 fließt dann im Wesentlichen, das heißt fast vollständig, abgesehen von einem Leckstrom durch das nichtlineare Element 67, über das Ansteuerelement 61 ab.
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Der erste und der zweite Strom weisen in diesem Fall einen im Wesentlichen gleichen Betrag auf. Es ist aber auch denkbar, dass das Ansteuerelement 61 von dem Regler 11 derart angesteuert wird, dass sich der Strom der Spannungsteilerkette 64 auf das nichtlineare Element 67 und das Ansteuerelement 61 aufteilt. Es gilt dann, dass die Summe aus dem Betrag des ersten Stroms und dem Betrag des zweiten Stroms dem Betrag des Stroms der Spannungsteilerkette 64 entspricht.
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Der zweite Strom verursacht an dem Widerstand 68 einen Spannungsabfall, der zu einer Potentialdifferenz zwischen Signaleingang 70 und dem Signalausgang 71 des Verstärkerelements 60 mit der Nummerierung n führt. In 2 wird daher der MOSFET durch die Potentialdifferenz zwischen Gate und Source leitend. Das Potential des Signalausgangs 71 des nächsten benachbarten Verstärkerelements 60 mit der Nummerierung n – 1 sinkt dadurch, sodass sich der Vorgang für dieses Verstärkerelement wiederholt und über die in Serie geschalteten ersten Verstärkerelemente bis zu dem ersten Hochspannungsanschluss fortsetzt, sodass zwischen erstem Hochspannungsanschluss 52 und dem zweiten Hochspannungsanschluss 53 maximal ein Strom fließt, der im Wesentlichen durch die Widerstände 63 in der Reihe der Verstärkerelemente 60 begrenzt wird. Anstelle der Widerstände 63 können in einer möglichen Ausführungsform auch andere Bauelemente mit einem geeigneten, endlichen Gleichstromwiderstand Verwendung finden.
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Die Anzahl der in Reihe geschalteten Verstärkerelemente 60 ist nicht auf die in den 2 und 3 dargestellte Anzahl festgelegt, sondern ist in Abhängigkeit von der Spannungsfestigkeit der Verstärkerelemente 60 und der angelegten Spannung zwischen erstem Hochspannungsanschluss 52 und zweitem Hochspannungsanschluss 53 bzw. erstem Hochspannungsanschluss 52 und viertem Hochspannungsanschluss 55 beliebig skalierbar, ohne das Prinzip der erfinderischen Hochspannungsendstufe zu verändern oder zu verlassen.
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In 3 ist ein Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Systems zum schnellen Regeln eines Hochspannungssignals mit einer ersten Hochspannungsendstufe 50 und einer zweiten Hochspannungsendstufe 51 dargestellt. Beide sind über den zweiten Hochspannungsanschluss 52 und den dritten Hochspannungsanschluss 54 miteinander verbunden, über den, wie bereits zu 1 dargestellt, eine elektrische Last, insbesondere eine kapazitive Last anschließbar ist. Bei einer kapazitiven Last 100 ist es von Vorteil, dass bei einer unveränderten Soll-Spannung am Hochspannungsausgang 53, 54 beide Hochspannungsendstufen 50, 51 bevorzugt in einem gesperrten Zustand sind.
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Der Regler 11 ist daher in einer möglichen Ausführungsform so ausgelegt, dass sie in dem Fall, dass eine über den Messsensor 12 ermittelte Ist-Hochspannung am Hochspannungsausgang 53, 54 mit einer gegebenen Soll-Hochspannung übereinstimmt, über die dritte Signalverbindung 56 und die vierte Signalverbindung 57 die Ansteuerelemente 61 der ersten Hochspannungsendstufe 50 und der zweiten Hochspannungsendstufe 51 derart angesteuert werden, dass beide Hochspannungsendstufen in einem gesperrten Zustand sind und kein Strom über die Verstärkerelemente 60 von den Hochspannungsquellen 2, 3 fließt.
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Ist die ermittelte Ist-Hochspannung größer als eine gegebene Soll-Hochspannung, so wird die zweite Hochspannungsendstufe 51 von dem Regler 11 derart angesteuert, dass die Verstärkerelemente 60 der zweiten Hochspannungsendstufe 51 leitend werden und Ladung aus der kapazitiven Last 100 abfließt und die Spannung sinkt. Ist die ermittelte Ist-Hochspannung umgekehrt kleiner als eine gegebene Soll-Hochspannung, so wird die erste Hochspannungsendstufe 50 von dem Regler 11 derart angesteuert, dass die Verstärkerelemente 60 der ersten Hochspannungsendstufe 50 leitend werden und Ladung aus der kapazitiven Last 100 zunimmt und die Spannung steigt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Regler 11 so ausgelegt, dass nie beide Hochspannungsendstufen 50, 51 in einen leitenden Zustand geschaltete werden. Dadurch wird auf vorteilhafte Weise erreicht, dass den Hochspannungsquellen 2, 3 im Wesentlichen nur Leistung entnommen wird, die auch in die Last 100 fließt. Im Wesentlichen heißt im Sinne der Erfindung, dass lediglich der Strom durch die Spannungsteilerketten 64 dauern fließt, der aber weniger als ein Zehntel, ein Hundertstel oder ein Tausendstel der maximalen Ströme durch die Verstärkerelemente entspricht.
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In einer Ausführungsform ist es dabei denkbar, dass der Regler 11 dabei die Hochspannungsendstufen 50, 51 zwischen einem leitenden und einem nichtleitenden Zustand schaltet. Dabei kann ein Tiefpassfilter 13 vorgesehen werden, der Spannungsschwankung am Hochspannungsausgang 53, 54 reduziert.
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In einer anderen möglichen Ausführungsform kann der Regler 11 aber auch die Hochspannungsendstufen in einem analogen Modus derart ansteuern, dass ein durch die Hochspannungsendstufen fließender Strom beliebige Werte zwischen Null und einem maximalen, durch die Summe der Widerstandswerte der Widerstände 63 begrenzten Strom annimmt. Dadurch ist die Schwankung der Hochspannung an dem Hochspannungsanschluss 53, 54 geringer.
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In einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems 10 zum schnellen Regeln eines Hochspannungssignals ist es aber auch denkbar, dass das System 10 nur eine Hochspannungsendstufe 50 aufweist, die in Serie mit einer Last 100, die zumindest einen ohmschen Anteil aufweist, geschaltet ist. Dabei steuert der Regler 11 bevorzugt in dem bereits beschriebenen analogen Modus an.
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4 zeigt einen zeitlichen Verlauf der Spannung an der Last 100 und Ausgangssignalen des Reglers 11 an der dritten Signalverbindung 56 und der vierten Signalverbindung 57 für eine erfindungsgemäße schnell regelbare Hochspannungsversorgung aus 1.
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Mit U_pos und U_neg sind jeweils eine obere und eine untere Grenze für die Spannung an der Last 100 bezeichnet. Solange auf der vierten Signalverbindung 57, in der 4 mit I_neg für abfließenden Strom bezeichnet, ein positives Signal anliegt, ist die zweite Hochspannungsendstufe 51 leitend und Ladung fließt aus der kapazitiven Last 100 ab, wodurch die Spannung sinkt.
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Ist die untere Grenze U_neg für die Spannung an der Last 100 erreicht, schaltet der Regler 11 das Signal auf der vierten Signalverbindung auf null, wodurch die zweite Hochspannungsendstufe 51 in einen gesperrten Zustand geht. Gleichzeitig schaltet der Regler 11 das Signal auf der dritten Signalverbindung 56 zu der ersten Hochspannungsendstufe 50 auf einen positiven Wert. Die erste Hochspannungsendstufe 50 wird leitend, der kapazitiven Last 100 fließt ein Strom zu und die Spannung an der Last 100 steigt wieder an, bis der obere Grenzwert erreicht wird.
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Aus der 4 wird auch ersichtlich, dass nie beide Signalverbindungen 56, 57 von dem Regler 11 gleichzeitig einen Signalwert annehmen, der beide Hochspannungsendstufen 50, 51 gleichzeitig in einen leitenden Zustand schaltet. Auf diese Weise wird vermieden, dass ein Strom von den Hochspannungsquellen 2, 3 durch die Hochspannungsendstufen 50, 51 an der Last 100 vorbei fließt und Verluste erzeugt.
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Anstelle eines Ein- und Ausschaltens der Hochspannungsendstufen ist es in einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochspannungsversorgung 1 vorgesehen, dass die Signalausgänge 56, 57 auch beliebige Werte zwischen null und einem Maximalwert annehmen. Dies ist besonders von Vorteil, wenn die Last einen nennenswerten ohmschen Anteil hat und ein dauerhafter Strom erforderlich ist, um die Spannung an der Last 100 konstant zu halten. Der Regler 11 gibt dann über die dritte und/oder vierte Signalverbindung einen analogen Signalpegel aus, der in dem Ansteuerungselement 61 bzw. dem Ansteuerungselement 62 eine Strom fließen lässt, der zum Erhalt der Spannung an der Last 100 erforderlich ist.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
