DE102017220991B4 - Transformatoreinheit sowie Verfahren zum Betrieb einer Transformatoreinheit - Google Patents

Abstract

Transformatoreinheit (2), insbesondere zur Bereitstellung einer Röntgenstrahlerspannung (UR) für eine Röntgenvorrichtung (11), wobei die Transformatoreinheit (2) aufweist:- eine Primärseite (4) mit einer um einen Transformatorkern (24) gewickelten Primärspule (6) und eine Sekundärseite (8) mit einer um den Transformatorkern (24) gewickelten Sekundärspule (10), wobei im Betrieb bei einer Beaufschlagung der Primärspule (6) mit einer Primärspannung (UP) sich eine sekundärseitige Istspannung (USI) einstellt, die aufgrund eines durch eine sekundärseitige Streuinduktivität bedingten zusätzlichen sekundärseitigen Spannungsabfalls (UL) beeinflusst ist,- eine um den Transformatorkern (24) gewickelte erste Messspule (20) zur Ermittlung einer ersten Messspannung (UM),- ein Messelement (26), welches als eine zweite Messspule (22) ausgebildet ist und auf der Primärseite (4) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass über das Messelement (26) eine zweite Messspannung (UME) ermittelt wird, die zu dem zusätzlichen sekundärseitigen Spannungsabfall (UL) korreliert ist sowie- eine Steuereinheit (34) zur Steuerung des Betriebes der Transformatoreinheit (2),wobei die Steuereinheit (34) derart ausgebildet ist,- dass die Primärspannung (UP) derart eingestellt wird, um in der Sekundärspule (10) eine vorgegebene sekundäre Sollspannung (US) zu induzieren,- und dass die Primärspannung (UP) in Abhängigkeit der ersten Messspannung (UM) und der zweiten Messspannung (UME) eingestellt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Transformatoreinheit, insbesondere eine Transformatoreinheit zur Bereitstellung einer Röntgenstrahlerspannung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Transformatoreinheit.
• Bildgebende Vorrichtungen, beispielsweise in der medizinischen Diagnostik weisen häufig einen Röntgenstrahler auf, welcher zur Erzeugung von Röntgenstrahlung dient. Zur Erzeugung der Strahlung wird eine Spannung zwischen einer Kathode und einer Anode des Röntgenstrahlers angelegt, wodurch Elektronen von der Kathode zur Anode hin beschleunigt und beim Auftreffen auf der Anode die gewünschte Röntgenstrahlung freisetzen.
• Die Spannung weist üblicherweise einen Wert im Bereich von einigen Kilovolt auf und wird typischerweise mit Hilfe einer Transformatoreinheit generiert.
• Transformatoren weisen üblicherweise eine Primärseite mit einer Primärspule und eine Sekundärseite mit einer Sekundärspule auf. Die beiden Spulen (Primärspule und Sekundärspule) sind um einen gemeinsamen Transformatorkern gewickelt. Der Transformatorkern weist üblicherweise ein ferromagnetisches Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität auf. Durch den Transformatorkern sind die beiden Spulen miteinander magnetisch gekoppelt. Bei einem Anlegen einer Primär- oder Erregerspannung wird in der Sekundärspule eine Sekundärspannung induziert. Bei Anlegen einer elektrischen Last, beispielsweise des Röntgenstrahlers, an der Sekundärspule fließt in dieser auch ein Sekundärstrom.
• Der Wert der induzierten Sekundärspannung ist durch ein sogenanntes Wicklungsverhältnis der beiden Spulen bestimmt.
• Eine Regelung der Sekundärspannung auf eine gewünschte sekundärseitige Sollspannung erfolgt im Betrieb durch eine Einstellung des Wertes der Primärspannung.
• In der US 5 138 543 A ist ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Überwachung und Einstellung eines Ausgangssignals eines Spannungsumformers beschrieben. Dabei wird ein Eingangssignal in Abhängigkeit von im Betrieb erfassten elektrischen Größen, insbesondere eines elektrischen Stroms derart angepasst, dass sich ein gewünschtes Ausgangssignal einstellt.
• Aus der US 5 438 499 A ist eine Kontrollschaltung zur Optimierung einer Ausgangsspannung eines Spannungsreglers zu entnehmen. Die Optimierung erfolgt auf Basis eines Feedbacksignals, welches in Abhängigkeit des im Betrieb innerhalb des Spannungsreglers auftretenden magnetischen Flusses erzeugt wird.
• Die US 4 467 406 A beschreibt einen Gleichspannungswandler mit einer Spannungsstabilisierungs-Schaltung.
• Aus der US 2013/0335043 A1 ist ein Multi-Level Spannungsregler System und ein Verfahren zur Spannungsregelung für einen Gleichspannungswandler zu entnehmen.
• Die US 5 068 776 A beschreibt eine Schaltungsanordnung für einen Gleichspannungswandler, mit deren Hilfe Effekte von Magnetisierungsströmen reduziert sind.
• Aufgrund von Verlusten innerhalb einer Transformatoreinheit ist eine hochgenaue Einstellung der gewünschten sekundärseitigen Sollspannung aufwändig. Bei den Verlusten handelt es sich häufig um sogenannte Streuverluste. Unter Streuverlusten wird vorliegend allgemein ein Anteil des magnetischen Flusses verstanden, welcher nicht die Sekundärspule durchsetzt und somit nicht zur Induktion der Sekundärspule beiträgt. Weitere Verlustarten innerhalb einer Transformatoreinheit sind beispielsweise Kupferverluste, welche durch den Materialwiderstand der bevorzugt aus Kupfer gefertigten Spulen resultieren oder kapazitive Verluste, welche zwischen benachbarten Wicklungen auftreten, die zueinander wie Kondensatoren wirken. Die Streuverluste und die kapazitiven Verluste werden häufig auch als parasitäre Verluste bezeichnet.
• Die Verluste, speziell die Streuverluste führen im Betrieb der Transformatoreinheit zu einem unerwünschten Spannungsabfall. Hierdurch weist beispielsweise die tatsächliche Sekundärspannung (sekundärseitige Istspannung) einen geringeren Wert auf, als eine ideale Sekundärspannung, die durch die Primärspannung und dem Wicklungsverhältnis bei einer idealen, verlustfreien Transformatoreinheit zu erwarten wäre. Der Wert der tatsächlichen sekundärseitigen Istspannung (ideale Sekundärspannung abzüglich des durch Streuverluste bedingten zusätzlichen Spannungsabfalls) kann abhängig von der vorgegebenen Sekundärspannung um mehrere hundert Volt von der idealen Sekundärspannung abweichen.
• Diese hohe Abweichung ist speziell bei Röntgenvorrichtungen unerwünscht. Eine Regelung erfolgt beispielsweise in Abhängigkeit der sekundärseitigen Istspannung derart, dass diese sekundärseitig erfasst und auf die Primärseite übertragen wird und anschließend in Abhängigkeit dieser die Primärspannung (nach-)geregelt wird. Diese Ausgestaltung ist jedoch aufwändig und kostenintensiv. Alternativ erfolgt eine primärseitige Erfassung der vorgegeben Sekundärspannung, bei der jedoch der aufgrund durch parasitäre Effekte bedingte zusätzliche sekundärseitige Spannungsabfall nicht erfassbar ist. Somit kann keine genaue Ermittlung der sekundärseitigen Istspannung erfolgen.
• Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Transformatoreinheit sowie ein Verfahren anzugeben, mit deren Hilfe eine sekundärseitige Istspannung in einfacher Weise hinreichend genau bereitgestellt wird.
• Die auf die Transformatoreinheit gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Transformatoreinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Die Transformatoreinheit weist eine Primärseite mit einer um einen Transformatorkern gewickelten Primärspule sowie eine Sekundärseite mit einer ebenfalls um den Transformatorkern gewickelten Sekundärspule auf.
• Die Primärseite und die Sekundärseite sind gemäß des allgemeinen Funktionsprinzips einer Transformatoreinheit galvanisch voneinander getrennt und magnetisch miteinander gekoppelt. Unter galvanischer Trennung wird vorliegend allgemein verstanden, dass die Primärseite und die Sekundärseite insbesondere nicht drahtgebunden, beispielsweise mittels einer Leitung miteinander elektrisch verbunden sind. Somit sind die Primärseite und die Sekundärseite voneinander potentialgetrennt.
• Im Betrieb der Transformatoreinheit stellt sich bei einer Beaufschlagung der Primärspule mit einer Primärspannung eine sekundärseitige Istspannung ein. Unter der Primärspannung wird vorliegend eine Wechselspannung verstanden. Die sekundärseitige Istspannung ist insbesondere aufgrund eines von sekundärseitigen parasitären Effekten bedingten zusätzlichen sekundärseitigen Spannungsabfalls beeinflusst. In anderen Worten kann die sekundärseitige Istspannung durch den zusätzlichen sekundärseitigen Spannungsabfall in Bezug auf die vorgegebene sekundäre Sollspannung verändert, insbesondere verringert sein.
• Weiterhin weist die Transformatoreinheit eine um den Transformatorkern gewickelte erste Messspule zur Ermittlung einer ersten Messspannung auf. Unter der ersten Messspannung wird vorliegend speziell die sekundäre Sollspannung verstanden. Vorzugsweise ist die erste Messspule in einem primärseitigen Teilbereich der Transformatoreinheit angeordnet. D.h. die erste Messspule ist örtlich näher an der Primärspule angeordnet als an der Sekundärspule. Diese Anordnung der ersten Messspule hat sich als geeignet erwiesen, um primärseitig die sekundäre Sollspannung zu erfassen.
• Die Transformatoreinheit weist zudem ein Messelement auf. Das Messelement ist derart auf der Primärseite angeordnet und ausgebildet, dass über das Messelement eine zweite Messspannung ermittelt wird, die zu dem zusätzlichen sekundärseitigen Spannungsabfall, insbesondere einer Streuinduktivität, korreliert ist. Die Anordnung des Messelements auf der Primärseite beruht auf der Überlegung, dass aufgrund der magnetischen Kopplung von Primärseite und Sekundärseite sich sekundärseitige parasitäre Effekte auch auf der Primärseite auswirken. Die parasitären Effekte, insbesondere die Streueffekte auf der Sekundärseite (beispielsweise durch die Streuinduktivität) sind daher mittels der zweiten Messspannung auf der Primärseite erfassbar. D.h. die zweite Messspannung ist so zu sagen das primärseitige elektrische Spiegelbild des bereits erwähnten zusätzlichen sekundärseitigen Spannungsabfalls, insbesondere der Streuinduktivität.
• Zur Steuerung des Betriebes der Transformatoreinheit, insbesondere zur Bereitstellung einer Röntgenstrahlerspannung, weist die Transformatoreinheit eine Steuereinheit auf. Unter der Röntgenstrahlerspannung wird vorliegend eine elektrische Spannung verstanden, die innerhalb des Röntgenstrahlers anlegbar ist. Die Röntgenstrahlerspannung kann zwischen der Kathode und einem Gitterelement anlegbar sein und in diesem Fall als Röntgenstrahlersperrspannung bezeichnet werden. Hierdurch ist insbesondere ein Elektronenfluss zwischen der Kathode und der Anode beeinflussbar, insbesondere wird bei angelegter Röntgenstrahlersperrspannung verhindert, dass Elektronen von der Kathode zur Anode fließen. Hierzu ist das Gitterelement vorzugsweise räumlich und baulich betrachtet innerhalb des Röntgenstrahlers zwischen der Kathode und der Anode angeordnet. Typischerweise kann dem Gitterelement ein Potential gegenüber der Kathode auferlegt werden, das bezogen auf die Kathode negativer ist. Dadurch wird insbesondere verhindert, dass die aus der Kathode austretenden Elektronen zur Anode driften. In anderen Worten kann insbesondere ein Elektronenfluss von der Kathode zur Anode unterbunden bzw. abgeschaltet werden.
• Alternativ oder zusätzlich kann die Röntgenstrahlerspannung zwischen Anode und Kathode anlegbar sein, wodurch typischerweise Röntgenstrahlen an der Anode generiert werden. Üblicherweise kann mittels der Röntgenstrahlersperrspannung die Generierung von Röntgenstrahlen unterbrochen oder gestoppt werden, wenn die Elektronen an dem Gitterelement abfließen, wobei beispielsweise die Röntgenstrahlerspannung zwischen Anode und Kathode weiterhin angelegt ist. In anderen Worten liegt die Röntgenstrahlerspannung zwischen Anode und Kathode sowie die Röntgenstrahlersperrspannung an und dennoch werden an der Anode keine Röntgenstrahlen produziert bzw. abgegeben.
• Grundsätzlich ist auch denkbar, dass die Röntgenstrahlerspannung zwischen einer Elektronenemittereinheit der Kathode und zumindest einer Fokussierelektrode der Kathode anlegbar ist. In diesem Fall wird die Röntgenstrahlerspannung typischerweise Röntgenstrahlerfokussierspannung genannt. Die Elektronenemittereinheit ist insbesondere zu einer Emission von Elektronen ausgebildet. Die zumindest eine Fokussierelektrode ist vorzugsweise zu einer derartigen Beeinflussung der Elektronen ausgebildet, dass ein Pfad der Elektronen zwischen der Kathode und der Anode verändert wird. Insbesondere die zumindest eine Fokussierelektrode kann daher eine Position oder einen Größe eines Brennflecks verändern, wobei typischerweise die Anode den Brennfleck aufweist.
• Die Steuereinheit ist derart ausgebildet, dass die Primärspannung derart eingestellt und insbesondere geregelt wird, sodass in der Sekundärspule eine vorgegebene sekundäre Sollspannung, beispielsweise die bereits genannte Röntgenstrahlerspannung, insbesondere die Röntgenstrahlerspannung zwischen Anode und Kathode, die Röntgenstrahlersperrspannung und/oder die Röntgenstrahlerfokussierspannung, induziert wird. Weiterhin ist die Steuereinheit derart ausgebildet, dass die Primärspannung in Abhängigkeit der ersten Messspannung und der zweiten Messspannung eingestellt wird.
• Durch die Einstellung der Primärspannung in Abhängigkeit der ersten Messspannung und der zweiten Messspannung ist es vorzugsweise möglich, einen in Abhängigkeit zu der aktuellen sekundärseitigen Istspannung konkreten Messwert primärseitig zu ermitteln und insbesondere den konkreten Messwert zu einer Einstellung der Primärspannung heranzuziehen. Durch das Messelement auf der Primärseite werden dabei insbesondere die sekundärseitigen parasitären Effekte berücksichtigt. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass die Primärspannung derart genau eingestellt werden kann, dass die sekundärseitige Istspannung annähernd der vorgegebenen sekundären Sollspannung, insbesondere der idealen Sekundärspannung, entspricht, ohne dass ein direktes Messen der sekundärseitigen Istspannung auf der Sekundärseite erfolgt. In anderen Worten weicht vorzugsweise der Wert der tatsächlichen sekundärseitigen Istspannung kaum von der idealen Sekundärspannung ab. Insbesondere beträgt die Abweichung der tatsächlichen sekundärseitigen Istspannung von der idealen Sekundärspannung bzw. von der vorgegebenen sekundären Sollspannung weniger als 5%, vorzugsweise weniger als 2% und besonders bevorzugt weniger als 1%. Somit ist insbesondere eine hohe Spannungsgenauigkeit erreicht, welche üblicherweise im medizinischen Bereich einen wichtigen Aspekt darstellt. Ein weiterer Vorteil ist, dass die sekundärseitige Istspannung, vorzugsweise lastunabhängig, primärseitig erfasst und/oder geregelt werden kann. Das kann insbesondere bedeuten, dass die tatsächliche sekundärseitige Istspannung nicht von der Sekundärseite auf die Primärseite über die galvanische Trennstelle hinweg übertragen wird.
• Speziell kann auf eine aufwändige und kostenintensive Übertragung verzichtet werden, bei der die sekundäre Istspannung auf der Sekundärseite erfasst wird und zur Primärseite übertragen wird.
• Bevorzugt weist die Steuereinheit eine Auswerteeinheit auf. Die Auswerteeinheit ist zur Ermittlung der sekundärseitigen Istspannung auf Basis der ersten Messspannung und der zweiten Messspannung ausgebildet. In diesem Zusammenhang ist die Steuereinheit bevorzugt zur Einstellung der Primärspannung in Abhängigkeit der sekundären Istspannung ausgebildet. D.h. die Auswerteeinheit gibt als Steuer- oder Regelgröße einen Spannungswert aus, der dem ermittelten Wert der sekundärseitigen Istspannung entspricht. Die sekundärseitige Istspannung ergibt sich insbesondere zudem annähernd aus der Summe der gegebenenfalls mit jeweils einem Gewichtungsfaktor versehenen ersten Messspannung und zweiten Messspannung.
• Hierdurch wird insbesondere eine einfache und lastunabhängige Einstellung der Primärspannung und somit auch der sekundärseitigen Istspannung erreicht. Unter lastunabhängig wird vorliegend speziell verstanden, dass die Einstellung der Primärspannung in Abhängigkeit der sekundären Istspannung unabhängig einer sekundärseitig, also an der Sekundärspule angeschlossenen elektrischen Last, beispielsweise eines Röntgenstrahlers ermöglicht ist.
• Das Messelement ist als eine zweite Messspule insbesondere nach Art einer Kompensationsspule ausgebildet. Unter Kompensationsspule wird vorliegend speziell ein Spulenelement verstanden, welches im Betrieb der Transformatoreinheit auftretende Resonanzen zumindest reduziert. Derartige Resonanzen sind beispielsweise Spannungs- und/oder Stromschwankungen.
• Das als Messspule ausgebildete Messelement dient vorliegend jedoch insbesondere nicht oder nicht ausschließlich der Kompensation von Resonanzen. Die Messspule dient vielmehr einer Erfassung, insbesondere einer Messung, der zu dem sekundärseitigen (aufgrund von sekundärseitigen parasitären Effekten bedingten) Spannungsabfall korrelierten zweiten Messspannung.
• Zur genaueren Erklärung wird im Folgenden detaillierter auf die Abläufe und Funktionsweise, insbesondere auf die Streuverluste der Transformatoreinheit eingegangen:
• Üblicherweise werden derartige Streuverluste zur Berechnung von elektrischen Größen der Transformatoreinheit, z.B. der sekundären Sollspannung miteinbezogen. D.h. beispielswiese sind in einem (Ersatz-)Schaltbild einer realen Transformatoreinheit die Streuverluste üblicherweise durch eine Induktivität, beispielsweise durch ein Spulenelement charakterisiert/dargestellt. Dieser Charakterisierung liegt der Gedanke zugrunde, dass sich der ungewünschte Spannungsabfall durch die Streuverluste annähernd wie ein Spannungsabfall an einer Induktivität verhält. Die Induktivität wird hierbei typischerweise als Streuinduktivität bezeichnet. In einer Transformatoreinheit ist jedoch eine derartige Streuinduktivität nicht als ein reales Bauteil existent.
• Ein wesentlicher Aspekt hierzu ist vorliegend auch darin zu sehen, dass sich in einer Transformatoreinheit bevorzugt ein elektrisches Gleichgewicht zwischen der Primärseite und der Sekundärseite einstellt. Unter dem elektrischen Gleichgewicht wird vorliegend verstanden, dass beispielsweise eine Änderung einer Spannung auf einer Seite (Primärseite oder Sekundärseite) auch eine Änderung einer Spannung auf der jeweils anderen Seite hervorruft und diese vorzugsweise somit miteinander in einer Gleichgewichtsbeziehung stehen. D.h. im vorliegenden Beispiel steht die zweite Messspannung auf der Primärseite über eine Variable mit dem durch Streuverluste verursachten (zusätzlichen und unerwünschten) Spannungsabfall auf der Sekundärseite in Korrelation. Mit anderen Worten: Die zweite Messspannung bildet das (primärseitige) Spiegelbild der über die Streuinduktivität abfallenden Spannung. Die Variable berücksichtigt hierbei beispielsweise Induktivitätswerte des Messelements und der Streuinduktivität sowie Wicklungsverhältnisse gebildet aus jeweils zwei der Spulen ausgewählt aus der ersten Messspule, der Primärspule sowie der Sekundärspule.
• Grundsätzlich kann eine Induktivität des als Messspule ausgebildeten Messelements einen beliebigen Wert aufweisen. Bevorzugt weist das als Messspule ausgebildete Messelement die Induktivität mit einem Wert im Bereich von 500nH bis 1000nH und speziell einen Wert im Bereich von 600nH bis 800nH auf. Hierdurch weist das Messelement insbesondere einen um beispielsweise den Faktor 5 bis 10 kleineren Wert auf als übliche Kompensationsspulen. Häufig eingesetzte Kompensationsspulen weisen üblicherweise eine Induktivität mit einem Wert im Bereich von 2µH bis 6µH auf.
• In einer Weiterbildung dient das Messelement zusätzlich auch als Kompensationsspule, d.h. die Kennwerte der Spule werden geeignet gewählt, insbesondere derart, dass gegebenenfalls auf eine weitere Kompensationsspule verzichtet ist.
• Zweckdienlicherweise ist das Messelement seriell zur Primärspule geschaltet. Hierdurch ist insbesondere ein Spannungsabfall, vorliegend die zweite Messspannung beispielsweise mittels der Auswerteeinheit ermittelbar.
• Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die erste Messspule hochohmig abgeschlossen. Unter hochohmig abgeschlossen wird vorliegend speziell verstanden, dass beispielsweise ein Innenwiderstand der ersten Messspule einen Wert aufweist, der beispielsweise um mindestens einen Faktor 5 bis einen Faktor 10 höher ist, als der Wert des Innenwiderstands der Primärspule und/oder der Sekundärspule. Dieser Weiterbildung liegt der Gedanke zugrunde, dass aufgrund des hochohmigen Abschlusses der ersten Messspule in dieser ein vernachlässigbar kleiner Spulenstrom fließt, welcher aufgrund dessen einen vernachlässigbaren Einfluss auf die elektrischen Größen, beispielsweise die Primärspannung und/oder die sekundärseitige Istspannung ausübt. In anderen Worten findet vorzugsweise keine Belastung der ersten Messspule statt, so dass vorzugsweise der Spulenstrom quasi Null beträgt. In diesem Fall verursacht der Spulenstrom insbesondere keinen weiteren Spannungsabfall.
• Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Auswerteeinheit ein Verstärkerelement, vorzugsweise ein Differenzverstärkerelement auf. Das Verstärkerelement ist insbesondere derart ausgebildet, dass es im Betrieb die über dem Messelement abfallende zweite Messspannung erfasst. Der Vorteil ist, dass hierdurch eine einfache und kostengünstige Spannungserfassung erreicht ist.
• Gemäß einer zweckdienlichen Ausgestaltung weist die Auswerteeinheit ein erstes Operationsverstärkerelement auf. Das erste Operationsverstärkerelement ist insbesondere dazu ausgebildet, im Betrieb die sekundärseitige Istspannung aus der ersten Messspannung und aus der zweiten Messspannung zu ermitteln. Hierzu wird die zweite Messspannung mit einem Gewichtungsfaktor, vorliegend die bereits erwähnte Variable multipliziert und anschließend addiert der Operationsverstärker die beiden Spannungen (erste und zweite Messspannung). Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass auf einfache Weise die Ermittlung der sekundärseitigen Istspannung schaltungstechnisch realisiert sein kann.
• Speziell ist das erste Operationsverstärkerelement als ein Summierverstärkerelement, kurz auch als Addierer bezeichnet, ausgebildet.
• Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Auswerteeinheit ein zweites Operationsverstärkerelement auf. Das zweite Operationsverstärkerelement ist als ein Spitzenwert-Detektor ausgebildet. D.h. mittels des zweiten Operationsverstärkerelements wird im Betrieb ein Spitzenwert der von dem ersten Operationsverstärkerelement ermittelten sekundärseitigen Istspannung ermittelt.
• Zweckdienlicherweise ist auf der Sekundärseite der Transformatoreinheit ein Gleichrichterelement zur Gleichrichtung der sekundären Istspannung im Betrieb der Transformatoreinheit auf.
• Bevorzugt weist die Steuereinheit ein Analog/Digital-Wandlerelement auf. Das Analog/Digital-Wandlerelement ist derart ausgebildet, dass es im Betrieb den analogen Wert der ermittelten sekundärseitigen Istspannung in ein digitales Steuersignal wandelt. In anderen Worten kann die sekundärseitige Istspannung auf der Primärseite unter Berücksichtigung der ersten Messspannung und der zweiten Messspannung, zumindest näherungsweise, ermittelt und mittels des Analog/Digital-Wandlerelements in das digitale Steuerelement gewandelt werden. Sprich anstatt den Wert der sekundärseitigen Istspannung direkt zu messen, wird vorzugsweise der Wert der sekundärseitigen Istspannung mit einer Funktion der ersten Messspannung und der zweiten Messspannung bestimmt. Unter dem digitalen Steuersignal wird vorliegend speziell verstanden, dass der Wert der sekundärseitigen Istspannung nach der Wandlung in Form einer vorgegebenen Anzahl an Nullen und Einsen vorliegt und somit einfacher zur Regelung der Primärspannung und somit zur Einstellung der sekundären Sollspannung, beispielsweise durch einen Mikrocontroller herangezogen werden kann.
• Alternativ oder zusätzlich erfolgt die Regelung beispielsweise anhand eines analogen Steuersignals. D.h. der analoge Wert der ermittelten sekundärseitigen Istspannung wird insbesondere zur Einstellung der Primärspannung herangezogen.
• Zur Einstellung der Primärspannung weist die Steuereinheit ein Schaltnetzteil und zumindest zwei Schaltelemente, vorzugsweise Halbleiterschaltelemente, beispielswiese Transistoren auf.
• Das Schaltnetzteil regelt hierbei vorzugsweise den Wert der Primärspannung und die zumindest zwei Schaltelemente eine Frequenz der Primärspannung derart, dass auf der Sekundärseite die gewünschte sekundäre Sollspannung induziert wird. In anderen Worten kann durch das Regeln der Primärspannung insbesondere die sekundäre Sollspannung geregelt sein. Die (An-)Steuerung des Schaltnetzteils erfolgt ergänzend oder alternativ beispielsweise mittels eines vorgeschalteten Mikrocontrollers, der auf Basis des digitalen Steuersignals das Schaltnetzteil steuert.
• Experimentelle Messungen haben ergeben, dass durch eine derartige Einstellung der Primärspannung, insbesondere auf Basis der sekundärseitigen Istspannung eine Abweichung dieser von der gewünschten und vorgegebenen sekundären Sollspannung mit einem Wert lediglich im Bereich von 1% bis 2% einstellt.
• Gemäß einer zweckdienlichen Ausgestaltung ist das Schaltnetzteil als ein Single-Ended-Primary-Inductive-Wandler (SEPIC-Wandler) ausgebildet. Alternativ ist das Schaltnetzteil als ein Hochsetzsteller oder ein Tiefsetzsteller ausgebildet.
• Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist insbesondere in der einfachen und kostengünstigen Ausgestaltung des Schaltnetzteils zu sehen, da herkömmliche (Massen-)Bauteile zu deren Realisierung herangezogen werden.
• Vorzugsweise ist die Transformatoreinheit in einer Röntgenvorrichtung angeordnet und dient insbesondere zur Bereitstellung einer Röntgenstrahlerspannung. In anderen Worten weist vorzugsweise die Röntgenvorrichtung die Transformatoreinheit auf. Die Röntgenvorrichtung kann weitere für eine röntgenographische Bildgebung typische Einheiten, beispielsweise einen Röntgendetektor aufweisen.
• Die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Transformatoreinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Bei der Transformatoreinheit handelt es sich insbesondere um die beschriebene Transformatoreinheit.
• Im Betrieb wird die primärseitig um den Transformatorkern gewickelte Primärspule durch die Steuereinheit mit der Primärspannung beaufschlagt und somit in der Sekundärspule eine sekundärseitige Istspannung eingestellt, insbesondere induziert. Die sekundärseitige Istspannung wird typischerweise aufgrund eines von sekundärseitigen parasitären Effekten bedingten zusätzlichen sekundärseitigen Spannungsabfalls beeinflusst, insbesondere verringert.
• Über die ebenfalls um den Transformatorkern in einem primärseitigen Teilbereich der Transformatoreinheit angeordnete erste Messspule wird eine erste Messspannung ermittelt. Die Transformatoreinheit weist zudem das Messelement auf, welches auf der Primärseite derart angeordnet ist, dass über das Messelement eine zu dem sekundärseitigen Spannungsabfall korrelierte zweite Messspannung ermittelt wird.
• Mittels der Steuereinheit wird der Betrieb der Transformatoreinheit vorzugsweise derart gesteuert, dass die Primärspannung derart eingestellt wird, um in der Sekundärspule die vorgegebene sekundäre Sollspannung zu induzieren. Weiterhin wird der Betrieb der Transformatoreinheit mittels der Steuereinheit insbesondere derart gesteuert, dass die Primärspannung in Abhängigkeit der ersten Messspannung und der zweiten Messspannung eingestellt wird.
• Die im Hinblick auf die Transformatoreinheit aufgeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auf das Verfahren zu übertragen und umgekehrt.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur näher erläutert. Diese zeigt teilweise in stark vereinfachter Darstellung:
• 1 ein grob skizziertes Ersatzschaltbild der Transformatoreinheit.
• 1 zeigt ein grob skizziertes Ersatzschaltbild einer Transformatoreinheit 2. Ersatzschaltbilder dienen beispielswiese, insbesondere in der Elektrotechnik zur Berechnung elektrischer Größen innerhalb einer Schaltung. Die Besonderheit von Ersatzschaltbildern ist, dass sie eine Schaltung darstellen, in der auch nicht real verbaute Bauteile enthalten sind, welche sich auf ein Schaltverhalten der Schaltung auswirken. Beispielsweise weisen Ersatzschaltbilder Bauteile auf, welche (stellvertretend) innerhalb der Schaltung auftretende Verluste charakterisieren.
• Die Transformatoreinheit 2 weist eine Primärseite 4 mit einer Primärspule 6 sowie eine Sekundärseite 8 mit einer Sekundärspule 10 auf. Die Primärspule 6 und die Sekundärspule 10 weisen bevorzugt ein elektrisch leitendes Material, im Ausführungsbeispiel Kupfer auf. An der Sekundärspule 10 und somit sekundärseitig ist ein Röntgenstrahler 12 einer Röntgenvorrichtung 11 angeschlossen. Speziell weist der Röntgenstrahler 12 im Ausführungsbeispiel eine Kathode 14 und eine Anode 16 auf. Weiterhin weist der Röntgenstrahler 12 ein Gitterelement 17 auf. Das Gitterelement 17 ist zwischen der Kathode 14 und der Anode 16 angeordnet.
• Die Transformatoreinheit 2 dient im Ausführungsbeispiel einer Bereitstellung einer Röntgenstrahlerspannung U_R, Die Röntgenstrahlerspannung U_R, in diesem Ausführungsbeispiel die Röntgenstrahlersperrspannung, wird im Betrieb bei Bedarf zwischen der Kathode 14 und dem Gitterelement 17 angelegt und verhindert einen Elektronenfluss von der Kathode 14 zu der Anode 16.
• Da insbesondere für die Röntgenstrahlersperrspannung eine Gleichspannung gefordert ist, weist die Transformatoreinheit 2 auf der Sekundärseite 8 ein Gleichrichterelement 42 auf. Das Gleichrichterelement 42 dient einer Gleichrichtung der sekundären Istspannung (welche der Röntgenstrahlerspannung U_R und in diesem Fall der Röntgenstrahlersperrspannung entspricht) und ist hierzu räumlich und baulich zwischen der Sekundärspule 10 und dem Röntgenstrahler 12 angeordnet.
• Im Ersatzschaltbild gemäß 1 ist zwischen der Sekundärspule 10 und dem Röntgenstrahler 12 ein Induktivitätselement 18 angeordnet. Bei dem Induktivitätselement 18 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um eine Streuinduktivität. Die Streuinduktivität beschreibt innerhalb des Ersatzschaltbildes, sekundärseitig auftretenden Streuverluste, sodass diese zu Berechnungen herangezogen werden können.
• Hierzu wird im Ausführungsbeispiel ein Spannungsabfall über der Streuinduktivität berücksichtigt. Das Induktivitätselement 18 ist nicht als reales Bauteil in der Transformatoreinheit 2 angeordnet. Ein Spannungsabfall U_L (auch als zusätzlicher sekundärer Spannungsabfall bezeichnet) an der Streuinduktivität verkleinert den Wert der sekundären Sollspannung U_S, sodass eine sekundärseitige Istspannung U_SI an dem Röntgenstrahler 12 anliegt, welche sich stark vereinfacht aus der Differenz zwischen einer idealen sekundären Istspannung U_SI und dem Spannungsabfall U_L über der Streuinduktivität ergibt.
• An der Primärseite 4 der Transformatoreinheit 2 ist eine erste Messspule 20 angeordnet. Mittels der ersten Messspule 20 ist eine erste Messspannung UM erfassbar. Die Primärspannung U_P ist die Spannung, mit der im Betrieb der Transformatoreinheit 2 die Primärspule 6 beaufschlagt ist. Hierzu und zur Ausbildung der Funktionsfähigkeit der Transformatoreinheit 2 sind die Primärspule 6, die Sekundärspule 10 und die erste Messspule 20 um einen Transformatorkern 24 gewickelt. Der Transformatorkern 24 weist ein ferromagnetisches Material, beispielsweise Eisen auf. Im Betrieb wird gemäß dem Induktionsgesetz durch die Primärspannung U_P in der Sekundärspule die sekundäre Sollspannung U_S induziert.
• Weiterhin ist an der Primärseite 4 als ein reales Bauteil ein Messelement 26, im Ausführungsbeispiel eine zweite Messspule 22 angeordnet. Das Messelement 26 ist im Ersatzschaltbild gemäß 1 als ein Induktivitätselement und somit mit dem üblichen Schaltzeichen eines Induktivitätselements dargestellt. Das Messelement 26 weist im Ausführungsbeispiel eine Induktivität mit einem Wert im Bereich von 500nH bis 1000nH, wodurch es sich insbesondere durch oftmals ebenfalls primärseitig angeordnete Kompensationsspulen abgrenzt.
• Die Transformatoreinheit 2 weist weiterhin eine Steuereinheit 34 auf. Die Steuereinheit 34 weist im Ausführungsbeispiel eine Auswerteeinheit 28 auf. Die Auswerteeinheit 28 ist im Ausführungsbeispiel dazu ausgebildet, die sekundärseitige Istspannung U_SI zu ermitteln. Hierzu weist die Auswerteeinheit 28 ein Verstärkerelement 30, im Ausführungsbeispiel einen Differenzverstärker zur Erfassung einer zweiten Messspannung U_ME über dem Messelement 26 auf.
• Weiterhin weist die Auswerteeinheit 28 ein erstes Operationsverstärkerelement 32 mit zwei Eingängen (Opl, Op2) auf. Im Ausführungsbeispiel ist das erste Operationsverstärkerelement 32 als ein Summierverstärker, speziell als ein Addierer ausgebildet, der jeweils das an den Eingängen Op1 und Op2 anliegende Signal addiert. Im Ausführungsbeispiel ist der Wert der ersten Messspannung UM am Eingang Op1 und der Wert der zweiten Messspannung UME am Eingang Op2 angelegt, sodass diese beiden Spannungswerte zu einem Ausgangswert addiert werden. Der Ausgangswert des ersten Operationsverstärkerelements 32 wird im Betrieb an ein zweites Operationsverstärkerelement 33 übermittelt, welches ebenfalls Teil der Auswerteeinheit 28 ist. Das zweite Operationsverstärkerelement 33 ist im Ausführungsbeispiel als ein Spitzenwert-Detektor ausgebildet. Im Betrieb ermittelt das zweite Operationsverstärkerelement 33 einen Spitzenwert des von dem ersten Operationsverstärkerelement 32 übermittelten Ausgangswertes. Somit entspricht der Ausgangswert des zweiten Operationsverstärkerelements 33 im Ausführungsbeispiel vorzugsweise einem Spitzenwert der sekundärseitigen Istspannung U_SI. Zum besseren Verständnis wird im Folgenden kurz auf elektrotechnische Zusammenhänge innerhalb der Transformatoreinheit 2 eingegangen:
• Durch eine geeignete Maschen- und Knotenbildung zur Berechnung der einzelnen (Teil-)Spannungen und (Teil-)Ströme innerhalb der Transformatoreinheit sowie einer Betrachtung der elektrotechnischen Verhältnisse von Primärseite 4 zu Sekundärseite 8 lässt sich die sekundärseitige Istspannung U_SI betragsmäßig durch die Summe aus der ersten Messspannung UM und der mit einem Gewichtungsfaktor G multiplizierten zweiten Messspannung UME ermitteln. Der Gewichtungsfaktor G berücksichtigt hierbei die individuellen Induktivitätswerte des Messelements 26 und des Induktivitätselements 18 sowie Wicklungsverhältnisse der Primärspule 6, der Sekundärspule 10 sowie der ersten Messspule 20. Hierdurch lässt sich folgender Zusammenhang zwischen der sekundärseitigen Istspannung U_SI und den beiden Messpannungen U_M, U_ME herleiten: $${\text{U}}_{\text{SI}}{\text{/}\ddot{\text{u}}}_{23}=-\text{G}*{\text{U}}_{\text{ME}}+{\text{U}}_{\text{M}}$$

  
• Hierbei beschreibt ü₂₃ das Wicklungsverhältnis der ersten Messspule 20 zur Sekundärspule 10. Der Gewichtungsfaktor G setzt sich wie folgt zusammen: $$\text{G}=\left({\text{L}}_{\text{s}2}*{\ddot{\text{u}}}_{12}\right)\text{/}\left({\text{L}}_{\text{ME}}*{\ddot{\text{u}}}_{23}\right)$$

  
• Hierbei beschreibt L_s2 den Wert der sekundärseitigen Streuinduktivität und ü₁₂ das Wicklungsverhältnis der Primärspule 6 zur Sekundärspule. Der Faktor LME beschreibt hierbei den Wert der zweiten Messspule 22.
• Unter Maschen- und Knotenbildung wird vorliegend eine Anwendung der Kirchhoffschen Regeln verstanden, nach denen die Summe innerhalb einer Masche abfallenden (Teil-)Spannungen sowie die Summe aus einem Knoten ein- und ausfließender (Teil-)Ströme gleich Null ist. Unter Masche wird vorliegend ein geschlossener Umlauf entlang elektrischer Leitungen innerhalb einer Schaltung verstanden. Unter Knoten wird vorliegend eine Abzweigung innerhalb einer Schaltung verstanden, von der aus zumindest drei Leitungen abzweigen.
• Unter elektrotechnischen Verhältnissen zwischen Primärseite 4 und Sekundärseite 8 wird vorliegend beispielsweise verstanden, dass aus der Primärspannung U_P und dem Wicklungsverhältnis aus der Wicklungszahl der Sekundärspule 10 zu der Wicklungszahl die sekundäre Sollspannung U_S ermittelt werden kann.
• Die Steuereinheit 34 dient im Ausführungsbeispiel zudem einer Einstellung der Primärspannung U_P in Abhängigkeit der ermittelten sekundärseitigen Istspannung U_SI. Hierzu weist die Steuereinheit 34 ein Analog/Digital-Wandlerelement 36, ein Schaltnetzteil 38, sowie zumindest zwei Schaltelemente 40 auf. Das Analog/Digital-Wandlerelement 36 ist im Ausführungsbeispiel dazu ausgebildet, den Wert der ermittelten sekundärseitigen Istspannung U_SI in ein digitales Steuersignal S umzuwandeln. Das Schaltnetzteil 38 ist im Ausführungsbeispiel als ein Single-Ended-Primary-Inductance-Wandler (SEPIC-Wandler) ausgebildet und regelt den Wert der Primärspannung U_P in Abhängigkeit des Steuersignals S. Alternativ ist das Schaltnetzteil 38 als ein Hochsetzsteller oder als ein Tiefsetzsteller ausgebildet. Die zumindest zwei Schaltelemente 40 dienen einer Generierung einer Wechselspannung als Primärspannung U_P. Die Schaltelemente 40 sind im Ausführungsbeispiel als Halbleiterschalter, beispielsweise als Transistoren ausgebildet.
• Experimentelle Messungen und Simulationen haben gezeigt, dass die sekundärseitigen Istspannungen U_SI, welche mittels der Transformatoreinheit 2 gemäß 1 generiert wurde, eine Abweichung mit einem Wert in einem Bereich von 1,5% bis 2,5% von der vorgegebenen Sollspannung U_S aufweisen. Diese Abweichungswerte wurden ebenfalls bei unterschiedlichen sekundärseitig angeschlossenen elektrischen Lasten eingehalten. Unter sekundärseitig angeschlossener Last wird vorliegend beispielsweise ein Röntgenstrahler 12 verstanden.
• Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können die anhand der verschiedenen Ausführungsbeispiele beschriebenen Einzelmerkmale der Erfindung und deren Ausgestaltungsvarianten auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden.

Claims (14)

1. Transformatoreinheit (2), insbesondere zur Bereitstellung einer Röntgenstrahlerspannung (U_R) für eine Röntgenvorrichtung (11), wobei die Transformatoreinheit (2) aufweist: - eine Primärseite (4) mit einer um einen Transformatorkern (24) gewickelten Primärspule (6) und eine Sekundärseite (8) mit einer um den Transformatorkern (24) gewickelten Sekundärspule (10), wobei im Betrieb bei einer Beaufschlagung der Primärspule (6) mit einer Primärspannung (U_P) sich eine sekundärseitige Istspannung (U_SI) einstellt, die aufgrund eines durch eine sekundärseitige Streuinduktivität bedingten zusätzlichen sekundärseitigen Spannungsabfalls (U_L) beeinflusst ist, - eine um den Transformatorkern (24) gewickelte erste Messspule (20) zur Ermittlung einer ersten Messspannung (U_M), - ein Messelement (26), welches als eine zweite Messspule (22) ausgebildet ist und auf der Primärseite (4) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass über das Messelement (26) eine zweite Messspannung (U_ME) ermittelt wird, die zu dem zusätzlichen sekundärseitigen Spannungsabfall (U_L) korreliert ist sowie - eine Steuereinheit (34) zur Steuerung des Betriebes der Transformatoreinheit (2),wobei die Steuereinheit (34) derart ausgebildet ist, - dass die Primärspannung (U_P) derart eingestellt wird, um in der Sekundärspule (10) eine vorgegebene sekundäre Sollspannung (U_S) zu induzieren, - und dass die Primärspannung (U_P) in Abhängigkeit der ersten Messspannung (U_M) und der zweiten Messspannung (U_ME) eingestellt wird.
2. Transformatoreinheit (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Steuereinheit (34) eine Auswerteeinheit (28) aufweist, die zur Ermittlung der sekundärseitigen Istspannung (U_SI) auf Basis der ersten Messspannung (U_M) und der zweiten Messspannung (U_ME) ausgebildet ist, und wobei die Steuereinheit (34) zur Einstellung der Primärspannung (U_P) in Abhängigkeit der ermittelten sekundärseitigen Istspannung (U_SI) ausgebildet ist.
3. Transformatoreinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Abweichung zwischen der sekundärseitigen Istspannung (U_SI) und der vorgegebenen sekundären Sollspannung (U_S) kleiner als 5% ist.
4. Transformatoreinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Messelement (26) seriell zur Primärspule (6) geschaltet ist.
5. Transformatoreinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Messspule (20) hochohmig abgeschlossen ist.
6. Transformatoreinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Verstärkerelement (30) vorgesehen ist, dass derart ausgebildet ist, dass es im Betrieb die über dem Messelement (26) abfallende zweite Messspannung (U_ME) erfasst.
7. Transformatoreinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (28) ein erstes Operationsverstärkerelement (32) aufweist, das derart ausgebildet ist, dass es im Betrieb die sekundärseitige Istspannung (U_SI) aus der ersten Messspannung (U_M) und der zweiten Messspannung (U_ME) ermittelt.
8. Transformatoreinheit (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das erste Operationsverstärkerelement (32) als ein Summierverstärkerelement ausgebildet ist.
9. Transformatoreinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (28) ein zweites Operationsverstärkerelement (33) aufweist, das als ein Spitzenwert-Detektor ausgebildet ist.
10. Transformatoreinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (34) ein Analog/Digital-Wandlerelement (36) aufweist, das derart ausgebildet ist, dass es die ermittelte sekundärseitige Istspannung (U_SI) in ein digitales Steuersignal (S) wandelt.
11. Transformatoreinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (34) ein Schaltnetzteil (38) sowie zumindest zwei Schaltelemente (40) aufweist, wobei im Betrieb mittels dem Schaltnetzteil (38) und den zumindest zwei Schaltelementen (40) in Abhängigkeit der sekundärseitigen Istspannung (U_SI) die Primärspannung (U_P) eingestellt ist.
12. Transformatoreinheit (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Schaltnetzteil (38) als ein Single-Ended-Primary-Inductance-Wandler (SEPIC-Wandler) ausgebildet ist.
13. Transformatoreinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die in einer Röntgenvorrichtung (11) angeordnet ist zur Bereitstellung einer Röntgenstrahlerspannung (U_R) .
14. Verfahren zum Betrieb einer Transformatoreinheit (2), insbesondere zur Bereitstellung einer Röntgenstrahlerspannung (U_R) einer Röntgenvorrichtung (11), bei dem - die Transformatoreinheit (2) eine Primärseite (4) mit einer um einen Transformatorkern (24) gewickelten Primärspule (6) und eine Sekundärseite (8) mit einer um den Transformatorkern (24) gewickelten Sekundärspule (10) aufweist und die Primärspule (6) mit eine Primärspannung (U_P) beaufschlagt wird, sodass sich eine sekundärseitige Istspannung (U_SI) einstellt, die aufgrund eines durch eine sekundärseitige Streuinduktivität bedingten zusätzlichen sekundärseitigen Spannungsabfalls (U_L) beeinflusst wird, - eine um den Transformatorkern (24) gewickelte erste Messspule (20) zur Ermittlung einer ersten Messspannung (U_M) herangezogen wird, - mit Hilfe eines Messelements (26), welches als eine zweite Messspule (22) ausgebildet ist und auf der Primärseite (4) angeordnet ist, eine zu dem sekundärseitigen Spannungsabfall (U_L) korrelierte zweite Messspannung (U_ME) ermittelt wird, und - die Primärspannung (U_P) in Abhängigkeit der ersten Messspannung (U_M) und der zweiten Messspannung (U_ME) so eingestellt wird, dass in der Sekundärspule (10) eine vorgegebene sekundäre Sollspannung (U_S) induziert wird.

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