DE10227841A1 - Circuit arrangement for generating an X-ray tube voltage - Google Patents

Circuit arrangement for generating an X-ray tube voltage Download PDF

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DE10227841A1 DE2002127841 DE10227841A DE10227841A1 DE 10227841 A1 DE10227841 A1 DE 10227841A1 DE 2002127841 DE2002127841 DE 2002127841 DE 10227841 A DE10227841 A DE 10227841A DE 10227841 A1 DE10227841 A1 DE 10227841A1
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Walter Beyerlein
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    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05GX-RAY TECHNIQUE
    • H05G1/00X-ray apparatus involving X-ray tubes; Circuits therefor
    • H05G1/08Electrical details
    • H05G1/10Power supply arrangements for feeding the X-ray tube
    • H05G1/20Power supply arrangements for feeding the X-ray tube with high-frequency ac; with pulse trains
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F29/00Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00
    • H01F29/02Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00 with tappings on coil or winding; with provision for rearrangement or interconnection of windings

Abstract

Es wird eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung (U¶t¶) mit einer Netzeingangsschaltung (1) zur Erzeugung einer Zwischenkreisspannung (U¶dc¶), einer Wechselrichterschaltung (2) zur Umwandlung der Zwischenkreisspannung (U¶dc¶) in eine hochfrequente Wechselspannung sowie einem Hochspannungserzeuger (6) beschrieben, welcher die hochfrequente Wechselspannung mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis in eine Hochspannung (U¶t¶) für die Röntgenröhre (5) umwandelt. Der Hochspannungserzeuger (6) ist dabei derart ausgebildet, dass er zwischen zumindest zwei Betriebszuständen mit verschiedenen Übersetzungsverhältnissen umschaltbar ist. Darüber hinaus wird ein Röntgengenerator mit einer solchen Schaltungsanordnung sowie ein entsprechendes Verfahren zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung (U¶t¶) beschrieben.A circuit arrangement for generating an X-ray tube voltage (U¶t¶) with a mains input circuit (1) for generating an intermediate circuit voltage (U¶dc¶), an inverter circuit (2) for converting the intermediate circuit voltage (U¶dc¶) into a high-frequency AC voltage and a high-voltage generator (6) is described, which converts the high-frequency AC voltage with a specific transmission ratio into a high voltage (U¶t¶) for the X-ray tube (5). The high-voltage generator (6) is designed such that it can be switched between at least two operating states with different transmission ratios. In addition, an X-ray generator with such a circuit arrangement and a corresponding method for generating an X-ray tube voltage (U¶t¶) are described.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung mit einer Eingangsschaltung zur Erzeugung einer Zwischenkreisspannung, einer Wechselrichterschaltung zur Umwandlung der Zwischenkreisspannung in eine hochfrequente Wechselspannung und einem Hochspannungserzeuger, welcher die hochfrequente Wechselspannung mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis in eine Hochspannung für die Röntgenröhre umwandelt. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Röntgengenerator mit einer solchen Schaltungsanordnung sowie ein entsprechendes Verfahren zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung.The invention relates to a circuit arrangement for generating an X-ray tube voltage with an input circuit for generating an intermediate circuit voltage, an inverter circuit for converting the intermediate circuit voltage into a high frequency AC voltage and a high voltage generator, which is the high-frequency AC voltage with a certain gear ratio in a high voltage for converts the x-ray tube. About that In addition, the invention relates to an X-ray generator with one Circuit arrangement and a corresponding method for generation an x-ray tube voltage.

Moderne Generatoren weisen zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung häufig Schaltungsanordnungen der eingangs genannten Art auf. Da die Netzfrequenz zunächst gleichgerichtet und dann wieder in eine hochfrequente Wechselspannung umgewandelt wird, welche schließlich auf die gewünschte Spannung transformiert wird, werden derartige Generatoren auch als Hochfrequenzgeneratoren bezeichnet. Gegenüber konventionellen Generatoren, bei denen die Hochspannung mit der vorliegenden Netzfrequenz zunächst transformiert, dann gleichgerichtet und schließlich der Röntgenröhre zugeführt wird, hat eine solche Schaltungsanordnung den Vorteil, dass sie durch einen schnellen Regelkreis von Änderungen sowohl der Netzspannung als auch des Röhrenstroms nahezu unabhängig gemacht werden kann und daher die Röhrenspannung sehr gut reproduzierbar ist und konstant gehalten werden kann. Gegenüber den ebenfalls bekannten sogenannten Gleichspannungsgeneratoren, bei denen eine mit Netzfrequenz transformierte und gleichgerichtete Hochspannung mit Hilfe von Trioden fein geregelt wird, haben die Hochfrequenzgeneratoren den Vorteil eines relativ kleinen Bauvolumens und niedrigerer Herstellungskosten. Diese Vortei- le sind der Grund für den bevorzugten Einsatz solcher Schaltungsanordnungen in den heutigen Röntgengeneratoren.Modern generators point to generation an x-ray tube voltage frequently Circuit arrangements of the type mentioned. Because the grid frequency first rectified and then back into a high-frequency AC voltage which is eventually converted to the desired one Such transformers are also called voltage transformers High frequency generators called. Compared to conventional generators, in which the high voltage is initially transformed with the existing mains frequency, then rectified and finally the X-ray tube is fed Such a circuit arrangement has the advantage that it can a quick loop of changes both the mains voltage and the tube current are made almost independent can be and therefore the tube voltage is very reproducible and can be kept constant. Compared to the also known DC voltage generators, at which one is rectified and transformed with mains frequency High voltage is regulated with the help of triodes High frequency generators have the advantage of a relatively small construction volume and lower manufacturing costs. These advantages are the reason for the preferred use of such Circuit arrangements in today's X-ray generators.

Die Schaltungsanordnungen müssen hierbei so dimensioniert sein, dass sie über einem sehr großen Spannungsbereich eine konstante Leistung zur Verfügung stellen. Üblicherweise reicht der bei Röntgenröhren in der medizinischen Diagnostik genutzte Spannungsbereich von 40 kV bis 150 kV. Um über diesen Bereich eine konstante Leistung abzugeben, muss der Strom bei dem untersten Spannungswert von 40 kV nahezu viermal so hoch sein wie bei einer Einstellung am obersten Grenzbereich von 150 kV.The circuit arrangements here be dimensioned so that it over a very wide voltage range constant power available put. Usually is that enough for X-ray tubes in voltage range of 40 kV used in medical diagnostics up to 150 kV. To over this area must deliver a constant power, the current at the lowest voltage value of 40 kV almost four times as high be like a setting at the upper limit of 150 kV.

Der Hochspannungserzeuger muss dabei in seinem Übersetzungsverhältnis so gewählt werden, dass die höchste geforderte Röhrenspannung bei einer durch die zur Verfügung stehende Netzspannung gegebenen Zwischenkreisspannung erreicht wird. Das Übersetzungsverhältnis des Hochspannungserzeugers wird bei solchen Röntgengeneratoren üblicherweise als das Verhältnis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung des Hochspannungserzeugers definiert. In der Regel besteht der Hochspannungserzeuger im Wesentlichen aus einem Transformator und einer nachgeschalteten Gleichricht- und Glättungsschaltung. Wird davon ausgegangen, dass die effektive Spannung nahe der Wechselrichterschaltung in etwa der Zwischenkreisspannung entspricht und dass der Hochspannungserzeuger so ausgeführt ist, dass durch eine geeignete, dem Transformator nachgeschaltete Gleichrichterschaltung eine Spannungsverdopplung erreicht wird, so ergibt sich für das Übersetzungsverhältnis ü des Transformators des Hochspannungserzeugers:

Figure 00020001
wobei Udc die gleichgerichtete Zwischenkreisspannung und Ut die an der Röntgenröhre anliegende, gleichgerichtete Hochspannung ist.The transmission ratio of the high-voltage generator must be chosen so that the highest required tube voltage is achieved at a DC link voltage given by the available mains voltage. The transmission ratio of the high voltage generator in such X-ray generators is usually defined as the ratio of the output voltage to the input voltage of the high voltage generator. As a rule, the high-voltage generator essentially consists of a transformer and a rectification and smoothing circuit connected downstream. If it is assumed that the effective voltage near the inverter circuit corresponds approximately to the intermediate circuit voltage and that the high-voltage generator is designed so that a voltage doubling is achieved by a suitable rectifier circuit connected downstream of the transformer, the transformation ratio ü of the transformer of the high-voltage generator results in:
Figure 00020001
where U dc is the rectified intermediate circuit voltage and U t is the rectified high voltage applied to the X-ray tube.

Bei einem gewünschten Röhrenstrom It ist damit folglich die mittlere Strombelastung IavgWR für die Primärseite des Hochspannungserzeugers und für die davor geschaltete Wechselrichterschaltung IavgWR = It⋅2⋅ü (2) With a desired tube current I t , the mean current load I avgWR is consequently for the primary side of the high-voltage generator and for the inverter circuit connected in front of it I avgWR = I t ⋅2⋅ü (2)

Daraus ist ersichtlich, dass bei einer konstanten Ausgangsleistung Pt= Ut⋅It der Schaltungsanordnung der Wechselrichter mit einem hohen Strom belastet ist, und zwar insbesondere dann, wenn die Röntgenröhrenspannung Ut relativ niedrig eingestellt ist. Dies hat zur Folge, dass der Wechselrichter mit seinen passiven Bauteilen und Leistungshalbleitern sowie der Zwischenkreis und der Hochspannungserzeuger für diese Ströme ausgelegt werden müssen. Neben höheren Kosten für die Bauteile führt dies dazu, dass neben der Wirkleistung auch viel Blindleistung im Wechselrichter und Transformator verarbeitet wird.It can be seen from this that with a constant output power P t = U t ⋅I t of the circuit arrangement, the inverter is loaded with a high current, in particular when the X-ray tube voltage U t is set relatively low. As a result, the inverter with its passive components and power semiconductors as well as the intermediate circuit and the high-voltage generator must be designed for these currents. In addition to higher costs for the components, this means that in addition to the active power, a lot of reactive power is processed in the inverter and transformer.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Alternative zu dem genannten Stand der Technik zu schaffen, die diese Nachteile vermeidet.It is therefore the task of the present Invention, an alternative to the prior art mentioned create that avoids these disadvantages.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art gelöst, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass der Hochspannungserzeuger derart ausgebildet ist, dass er zwischen zumindest zwei Betriebszuständen mit verschiedenen Übersetzungsverhältnissen umschaltbar ist. Verfahrensmäßig wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Hochspannungserzeuger bei einer Einstellung der Röntgenröhre auf einen gewünschten Arbeitspunkt in einen Betriebszustand geschaltet wird, in dem der Hochspannungserzeuger ein dem betreffenden Arbeitspunkt zugeordnetes Übersetzungsverhältnis aufweist.This object is achieved by a circuit arrangement of the type mentioned at the outset, which is characterized in that the high-voltage generator is designed in such a way that it can be switched over between at least two operating states with different transmission ratios. In terms of the method, the object is achieved in that the high-voltage generator is switched to an operating state in which the high-voltage generator is set when the x-ray tube is set to a desired operating point has a gear ratio assigned to the relevant operating point.

Durch die Umschaltung des Hochspannungserzeugers mittels entsprechender Umschaltmittel auf verschiedene Betriebszustände mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen kann so eine optimale Anpassung an die jeweilige Last, d.h. an den Arbeitspunkt der Röntgenröhre erreicht werden. Daher ist es nicht mehr notwendig, den Zwischenkreis, die Wechselrichterschaltung sowie den Transformator für die oben genannten hohen Ströme auszulegen.By switching the high voltage generator by means of appropriate switching means with different operating states different gear ratios can optimally adapt to the respective load, i.e. to the X-ray tube operating point reached become. Therefore, it is no longer necessary to use the DC link Inverter circuit as well as the transformer for the above mentioned high currents interpreted.

Die abhängigen Ansprüche enthalten jeweils besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.The dependent claims contain particularly advantageous refinements and developments the invention.

Eine Einstellungsmöglichkeit des Übersetzungsverhältnisses des Hochspannungserzeugers kann auf verschiedene Weise realisiert werden.A setting option of the gear ratio of the high voltage generator can be realized in different ways become.

Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst der Hochspannungserzeuger einen Transformator, welcher primär- und/oder sekundärseitig eine Mehrzahl von Teilwicklungen aufweist. Zum Umschalten in einen bestimmten Betriebszustand mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis werden dann die Teilwicklungen passend beschaltet bzw. zusammengeschaltet. Hierzu weist die Schaltungsanordnung – vorzugsweise auch als Teil des Hochspannungserzeugers – eine entsprechende Umschalteinrichtung auf.In a particularly preferred embodiment the high voltage generator comprises a transformer which is primary and / or secondary side has a plurality of partial windings. To switch to one certain operating condition with a certain gear ratio then the partial windings connected or connected appropriately. For this purpose, the circuit arrangement - preferably also as part of the high voltage generator - one corresponding switchover device.

Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Hochspannungserzeuger einen Transformator mit zumindest einer Primärwicklung und/oder zumindest einer Sekundärwicklung mit einer Mehrzahl von Anzapfungen auf. Hierbei werden dann zum Umschalten in einen Betriebszustand mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis die Anzapfungen passend – auf der Primärseite mit der Primärspannung bzw, auf der Sekundärseite zum Abgriff der Sekundärschaltung – beschaltet. Auch hierzu weist die Schaltungsanordnung eine entsprechende Umschalteinrichtung, vorzugsweise ebenfalls als Teil des Hochspannungserzeugers, auf.In another preferred embodiment the high-voltage generator has at least one transformer a primary winding and / or at least one secondary winding with a plurality of taps. This then becomes Switch to an operating state with a specific gear ratio Taps suitable - on the primary side with the primary voltage or, on the secondary side to tap the secondary circuit - wired. Here too, the circuit arrangement has a corresponding switchover device, preferably also as part of the high voltage generator.

Weiterhin ist es möglich, die beiden Methoden zu kombinieren, d. h. sowohl mit zusammenschaltbaren Teilwicklungen als auch mit Anzapfungen zu arbeiten, wobei vorzugsweise sämtliche Schaltvorgänge zum Einschalten eines bestimmten Betriebszustands durch eine einzige Umschalteinrichtung durchgeführt werden.It is also possible to use the to combine both methods, d. H. both with interconnectable partial windings to work with taps, preferably all switching operations for switching on a certain operating state by a single one Switching device carried out become.

Eine Umschalteinrichtung zum Umschalten zwischen den Betriebszuständen des Hochspannungserzeugers ist vorzugsweise so ausgeführt, dass die Umschaltung automatisch in Abhängigkeit von einem gewählten Arbeitspunkt der Röntgenröhre erfolgt, d. h. bei einer Einstellung des Arbeitspunkts der Röntgenröhre wird automatisch auch die Einstellung des zugehörigen Betriebszustands des Hochspannungserzeugers durchgeführt.A switching device for switching between the operating states of the high voltage generator is preferably designed such that switching automatically depending on a selected working point the x-ray tube, d. H. when the working point of the X-ray tube is set automatically the setting of the associated operating status of the High voltage generator performed.

Vorzugsweise ist der Arbeitsbereich der Röntgenröhre hierzu in mehrere Teilarbeitsbereiche unterteilt. Den einzelnen Teilarbeitsbereichen werden dann bestimmte Betriebszustände des Hochspannungserzeugers mit bestimmten Übersetzungsverhältnissen zugeordnet. Der Hochspannungserzeuger wird dann jeweils in den Betriebszustand geschaltet, der dem Teilarbeitsbereich zugeordnet ist, in den der eingestellte Arbeitspunkt der Röntgenröhre fällt.Preferably the work area the x-ray tube for this divided into several sub-areas. The individual sub-areas then certain operating states of the high voltage generator certain gear ratios assigned. The high voltage generator is then in the operating state switched that is assigned to the sub-work area in which the set working point of the x-ray tube falls.

Eine solche erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung kann prinzipiell in jeden herkömmlichen Röntgengenerator eingesetzt werden, unabhängig davon, wie der Röntgengenerator bezüglich seiner weiteren Komponenten wie beispielsweise der Regeleinrichtungen, der verschiedenen Messeinrichtungen oder der Heizstromversorgung aufgebaut ist.Such a circuit arrangement according to the invention can generate an X-ray tube voltage in principle in any conventional X-ray generator be used independently of how the x-ray generator in terms of its other components such as control devices, of the various measuring devices or the heating power supply is constructed.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Aus den beschriebenen Beispielen sowie den Zeichnungen ergeben sich weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung. Es zeigen:The invention is described below Reference to the attached Figures based on exemplary embodiments again closer explained. The examples described and the drawings show further advantages, features and details of the invention. Show it:

1 eine Prinzipskizze einer Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung nach dem Stand der Technik, 1 1 shows a schematic diagram of a circuit arrangement for generating an X-ray tube voltage according to the prior art,

2 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, 2 1 shows a schematic diagram of a circuit arrangement according to the invention for generating an X-ray tube voltage according to a first exemplary embodiment,

3 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. 3 a schematic diagram of an inventive circuit arrangement for generating an X-ray tube voltage according to a second embodiment.

1 zeigt in einem Blockschema die typischen Komponenten und ihre Verschaltung, wie sie in einem heutzutage üblicherweise verwendeten Hochfrequenz-Röntgengenerator zur Erzeugung der Hochspannung für eine Röntgenröhre verwendet werden. 1 shows in a block diagram the typical components and their wiring, as they are used in a high-frequency X-ray generator commonly used today to generate the high voltage for an X-ray tube.

Hierzu gehört netzeingangsseitig eine Netzeingangsschaltung 1, welche aus der zwei- oder dreiphasigen Eingangsspannung eine gleichgerichtete Zwischenkreisspannung Udc erzeugt. Diese gleichgerichtete Zwischenkreisspannung Udc wird dann auf den Eingang einer Wechselrichterschaltung 2 gegeben, welche die Zwischenkreisspannung Udc in eine hochfrequente Wechselspannung umwandelt. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Rechteckwechselrichter gezeigt. Anstelle eines solchen Rechteckwechselrichters werden oft auch Schwingkreiswechselrichter eingesetzt.This includes a network input circuit on the network input side 1 , which generates a rectified DC link voltage U dc from the two- or three-phase input voltage. This rectified intermediate circuit voltage U dc is then applied to the input of an inverter circuit 2 given, which converts the intermediate circuit voltage U dc into a high-frequency AC voltage. In the in 1 illustrated embodiment, a rectangular inverter is shown. Instead of such a rectangular inverter, resonant circuit inverters are often used.

Die am Ausgang der Wechselrichterschaltung 2 vorliegende, hochfrequente Wechselspannung wird dann an einen Hochspannungserzeuger 6 weitergeleitet, welcher im Wesentlichen aus einem Transformator 3 und einer dem Transformator 3 sekundärseitig nachgeschalteten Gleichricht- und Glättungseinrichtung 4 besteht. Die Gleichricht- und Glättungseinrichtung 4 ist häufig als Verdopplerschaltung ausgeführt. Die am Ausgang des Hochspannungserzeugers 6 anliegende, gleichgerichtete Hochspannung Ut wird dann an die Röntgenröhre 5 angelegt.The one at the output of the inverter circuit 2 The present, high-frequency AC voltage is then sent to a high-voltage generator 6 forwarded, which essentially consists of a transformer 3 and one to the transformer 3 rectification and smoothing device connected on the secondary side 4 consists. The rectification and smoothing device 4 is often designed as a doubler circuit. The one out gear of the high voltage generator 6 applied, rectified high voltage U t is then applied to the X-ray tube 5 created.

Eine Regelung erfolgt üblicherweise derart, dass der an der Röntgenröhre 5 anliegende Wert der Hochspannung Ut als Istwert einem Regler (nicht dargestellt) zugeführt wird, dort mit einem vom Bediener des Röntgengeräts vorgegebenen Spannungssollwert verglichen wird und entsprechend ein Korrekturwert erzeugt wird, der beispielsweise als Stellgröße an die Wechselrichterschaltung gegeben wird, so dass dort entsprechend die Frequenz und damit letztlich die Hochspannung in der gewünschten Weise verändert wird.Regulation is usually carried out in such a way that that on the X-ray tube 5 The applied value of the high voltage U t is supplied as an actual value to a controller (not shown), where it is compared with a voltage setpoint specified by the operator of the x-ray device and a correction value is accordingly generated, which is given to the inverter circuit, for example, as a manipulated variable, so that the corresponding value there Frequency and ultimately the high voltage is changed in the desired manner.

Der Transformator muss in seinem Übersetzungsverhältnis ü so gewählt werden, dass bei einer durch die letztlich aus dem Netz vorgegebene Zwischenkreisspannung Udc die höchste geforderte Röhrenspannung Ut erreicht wird. Sofern die Gleichricht- und Glättungseinrichtung 4 als Verdopplerschaltung ausgebildet ist, ist das notwendige Übersetzungsverhältnis ü durch die eingangs genannte Formel (1) gegeben.The transformer ratio u must be selected so that the highest required tube voltage U t is reached at an intermediate circuit voltage U dc that is ultimately predetermined by the network. If the rectification and smoothing device 4 is designed as a doubler circuit, the necessary transmission ratio ü is given by the above-mentioned formula (1).

Im folgenden Rechenbeispiel wird davon ausgegangen, dass die Spannungsversorgung der Röntgenröhre 5 über einen Spannungsbereich zwischen 40 und 160 kV eine konstante Leistung von 40 kW zur Verfügung stellen muss. Der Wert 160 kV wird hierbei lediglich der leichteren Rechnung wegen für dieses Beispiel gewählt. Bei 40 kV beträgt dann der maximale Strom Itmax, der an der Röntgenröhre zur Verfügung stehen muss 1 A.The following calculation example assumes that the power supply to the X-ray tube 5 must provide a constant output of 40 kW over a voltage range between 40 and 160 kV. The value 160 kV is chosen for the sake of simplicity only for this example. At 40 kV, the maximum current I tmax that must be available on the X-ray tube is 1 A.

Wird weiterhin davon ausgegangen, dass als gleichgerichtete Zwischenkreisspannung Udc = 500 V zur Verfügung stehen, ergibt sich aus Formel (1) für das erforderliche Üersetzungsverhältnis ü des Transformators 3:

Figure 00080001
If it is further assumed that U dc = 500 V is available as the rectified DC link voltage, the formula (1) for the required transformation ratio u of the transformer results 3 :
Figure 00080001

Nur mit diesem Übersetzungsverhältnis ü kann bei der gegebenen Eingangsspannung die maximale Röntgenröhrenspannung von 160 kV erreicht werden.Only with this ratio u can given the given input voltage the maximum x-ray tube voltage of 160 kV is reached become.

Gemäß Formel (2) ergibt sich bei einem solchen Übersetzungsverhältnis ü = 160 und bei einem maximalen Strom Itmax = 1 A an der Röntgenröhre für die maximale Strombelastung IavgWR auf der Primärseite des Transformators und des Wechselrichters: IavgWRmax = Itmax⋅2⋅ü = 1A⋅2⋅160 = 320 A (4) According to formula (2) with such a transformation ratio ü = 160 and with a maximum current I tmax = 1 A at the X-ray tube for the maximum current load I avgWR on the primary side of the transformer and the inverter: IavgWRmax = Itmax⋅2⋅ü = 1A⋅2⋅160 = 320 A (4)

Wie die 2 und 3 zeigen, sind die erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen in ähnlicher Weise aufgebaut wie die bekannte Schaltungsanordnung gemäß 1. Auch sie weisen jeweils eine Netzeingangsschaltung 1, eine dieser nachgeschaltete Wechselrichterschaltung 2 sowie einen daran anschließenden Hochspannungserzeuger 6 mit einem Transformator 3 und einer Gleichricht- und Glättungseinrichtung 4 auf, welche ausgangsseitig wiederum an die Röntgenröhre 5 angeschlossen ist.As the 2 and 3 show, the circuit arrangements according to the invention are constructed in a similar manner to the known circuit arrangement according to 1 , They also each have a network input circuit 1 , one of these inverter circuits 2 as well as an adjoining high voltage generator 6 with a transformer 3 and a rectifying and smoothing device 4 on the output side in turn to the X-ray tube 5 connected.

Die Netzeingangsschaltung 1, die Wechselrichterschaltung 2 sowie die Gleichricht- und Glättungseinrichtung 4 können hierbei genau wie bei den aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungsanordnungen aufgebaut sein. So kann es sich bei der Wechselrichterschaltung um eine beliebige Rechteckwechselrichterschaltung oder Schwingkreiswechselrichterschaltung handeln. Ebenso kann es sich bei der Gleichricht- und Glättungseinrichtung 4 um eine übliche, dem Fachmann bekannte Schaltung, beispielsweise um eine Verdopplerschaltung nach Villard oder nach Delon handeln. Weiterhin kann die Regelung der gesamten Schaltung auch nach den üblichen Verfahren erfolgen.The mains input circuit 1 , the inverter circuit 2 as well as the rectification and smoothing device 4 can be constructed here exactly as in the circuit arrangements known from the prior art. For example, the inverter circuit can be any rectangular inverter circuit or resonant circuit inverter circuit. It can also be the case with the rectification and smoothing device 4 are a customary circuit known to the person skilled in the art, for example a Villard or Delon doubler circuit. Furthermore, the regulation of the entire circuit can also be carried out using the usual methods.

Ein wesentlicher Unterschied zum Stand der Technik ist jedoch, dass der Hochspannungserzeuger 6 hier derart aufgebaut ist, dass er zwischen mehreren Betriebszuständen mit verschiedenen Übersetzungsverhältnissen umgeschaltet werden kann.A major difference from the prior art, however, is that the high voltage generator 6 is constructed here in such a way that it can be switched between several operating states with different transmission ratios.

In den 2 und 3 ist dies jeweils dadurch realisiert, dass der Hochspannungstransformator 3 entweder primärseitig (2) oder sekundärseitig (3) eine Wicklung mit einer Mehrzahl von Anzapfungen 8, 9 aufweist.In the 2 and 3 this is realized in each case in that the high-voltage transformer 3 either primary ( 2 ) or secondary ( 3 ) a winding with a plurality of taps 8th . 9 having.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 befindet sich dann auf der Primärseite des Transformators 3 eine Umschalteinrichtung 7, hier durch einen einfachen Drehschalter symbolisiert, mit dem die Primärspannung, d. h. die von dem Wehselrichterschalter 2 kommende Hochfrequenzspannung, entsprechend an die gewünschte Anzapfung 8 der Primärspule gelegt wird, um so das Übersetzungsverhältnis ü einzustellen.In the embodiment according to 3 is then on the primary side of the transformer 3 a switching device 7 , here symbolized by a simple rotary switch with which the primary voltage, ie that of the variable-frequency inverter switch 2 incoming high-frequency voltage, corresponding to the desired tap 8th the primary coil is placed so as to set the gear ratio ü.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 findet sich eine gleichartige Umschalteinrichtung 7 auf der Sekundärseite, mit der entsprechend dem gewünschten Übersetzungsverhältnis des Transformators 3 die Sekundärspannung, welche auf die Gleichricht- und Glättungseinrichtung 4 gegeben wird, an den Anzapfungen 9 abgegriffen wird.In the embodiment according to 3 there is a similar switching device 7 on the secondary side, with the corresponding transformation ratio of the transformer 3 the secondary voltage applied to the rectifying and smoothing device 4 is given to the taps 9 is tapped.

Die Umschalteinrichtungen 7 sind bei beiden Ausführungsbeispielen gemäß den 2 und 3 jeweils Bestandteil des Hochspannungserzeugers 6. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um prozessorgesteuerte Umschalteinrichtungen, beispielsweise Schütze, welche automatisch von einer Steuerung (nicht dargestellt) des Röntgengenerators angesteuert werden, wobei diese Ansteuerung arbeitspunktabhängig geschieht, d. h. in Abhängigkeit von dem jeweils eingestellten Arbeitspunkt der Röntgenröhre 5.The switching devices 7 are in both embodiments according to the 2 and 3 each part of the high voltage generator 6 , These are preferably processor-controlled switching devices, for example contactors, which are controlled automatically by a controller (not shown) of the X-ray generator, this control taking place as a function of the working point, ie depending on the set working point of the X-ray tube 5 ,

Hierzu wird der Arbeitsbereich der Röntgenröhre 5 in Teilarbeitsbereiche unterteilt und den einzelnen Teilarbeitsbereichen jeweils einer der Betriebszustände des Hochspannungserzeugers 6 bzw. des Transformators 3 mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis zugeordnet, welcher am besten zu dem jeweiligen Teilarbeitsbereich passt.For this, the working area of the X-ray tube 5 divided into sub-work areas and the individual sub-work areas each one of the operating states of the high voltage generator 6 or the transformer 3 associated with a specific gear ratio that best suits the respective sub-work area.

Die Steuereinrichtung sorgt dann dafür, dass mittels der Umschalteinrichtung automatisch der Hochspannungserzeuger 6 jeweils in den Betriebszustand geschaltet wird, der dem Teilarbeitsbereich zugeordnet ist, in den der eingestellte Arbeitspunkt der Röntgenröhre fällt.The control device then ensures that the high-voltage generator is automatically activated by means of the switching device 6 is switched to the operating state that is assigned to the partial working area in which the set working point of the X-ray tube falls.

Auf diese Weise kann die maximale Strombelastung für die Primärseite des Transformators sowie für die Wechselrichterschaltung 2 erheblich verringert werden.In this way, the maximum current load for the primary side of the transformer and for the inverter circuit 2 be significantly reduced.

Dies wird an folgendem Vergleichsbeispiel gezeigt, welches wie bei dem oben genannten Rechenbeispiel betreffend eine herkömmliche Schaltungsanordnung gemäß 1 von einem Spannungsbereich für die Röntgenröhrenspannung Ut von 40 bis 160 kV und von einer aufrechtzuerhaltenden Leistung Pt an der Röntgenröhre von 40 kW ausgeht.This is shown in the following comparative example, which, as in the above-mentioned calculation example, relates to a conventional circuit arrangement 1 assumes a voltage range for the X-ray tube voltage U t of 40 to 160 kV and a sustained power P t on the X-ray tube of 40 kW.

In dem folgenden Rechenbeispiel wird dabei der einfacheren Rechnung wegen davon ausgegangen, dass der Arbeitsbereich nur in zwei Stufen aufgeteilt wird, wobei die untere Stufe von 40 bis 80 kV und die obere Stufe von 80 bis 160 kV reicht. Dementsprechend reicht es aus, wenn der Hochspannungserzeuger zwischen zwei Betriebszuständen hin- und hergeschaltet werden kann. Für die Ausführungsbeispiele gemäß den 2 und 3 würde dies bedeuten, dass lediglich primärseitig oder sekundärseitig zusätzlich zu den üblichen Eingängen der Transformatorspule nur eine passend angeordnete Anzapfung erforderlich ist.In the following calculation example, for the sake of simpler calculation, it is assumed that the work area is only divided into two stages, the lower stage ranging from 40 to 80 kV and the upper stage from 80 to 160 kV. Accordingly, it is sufficient if the high-voltage generator can be switched back and forth between two operating states. For the embodiments according to the 2 and 3 this would mean that only a suitably arranged tapping is required only on the primary or secondary side in addition to the usual inputs of the transformer coil.

Um die gewünschte Leistung Pt = 40 kw an der Röntgenröhre zu gewährleisten, muss im unteren Arbeitsbereich mit einer Röntgenröhrenspannung Ut von 40 bis 80 kV ein maximaler Röhrenstrom Itmaxa = 1 A zur Verfügung stehen. Im oberen Arbeitsbereich der Röntgenröhrenspannung Ut von 80 bis 160 kV reicht es aus, wenn der maximale Röhrenstrom Itmaxb = 0,5 A beträgt.In order to ensure the desired power P t = 40 kw on the X-ray tube, a maximum tube current I tmaxa = 1 A must be available in the lower working area with an X-ray tube voltage U t of 40 to 80 kV. In the upper working range of the X-ray tube voltage U t of 80 to 160 kV, it is sufficient if the maximum tube current I tmaxb = 0.5 A.

Für den unteren Arbeitsbereich bis 80 kV ergibt sich für das benötigte Übersetzungsverhältnis üa des zugehörigen Betriebszustands des Hochspannungserzeugers 6:

Figure 00110001
For the lower operating range up to 80 kV, the required transmission ratio ü a of the associated operating state of the high-voltage generator results 6 :
Figure 00110001

Hieraus ergibt sich gemäß Formel (2) für den maximalen Strom auf der Primärseite des Transformators: IavgWRmaxa = Itmaxa⋅2⋅üa = 1A⋅2⋅80 = 160A (6) This results from the formula (2) for the maximum current on the primary side of the transformer: I avgWRmaxa = I T maxA ⋅2⋅ü a = 1A⋅2⋅80 = 160A (6)

Im oberen Arbeitsbereich zwischen 80 kV und 160 kV ergibt sich für das benötigte Übersetzungsverhältnis üb des zugeordneten Betriebszustands des erfindungsgemäßen Hochspannungserzeugers 6 gemäß Formel 1:

Figure 00110002
In the upper working range between 80 kV and 160 kV, the required transmission ratio u b of the assigned operating state of the high-voltage generator according to the invention results 6 according to Formula 1:
Figure 00110002

Bei einem solchen Übersetzungsverhältnis ergibt sich unter Berücksichtigung des in diesem Arbeitsbereich maximal erforderlichen Röntgenröhrenstroms Itmax = 0,5 A gemäß Formel 2 für die maximale primärseitige Strombelastung des Transformators: IavgWRmaxb = Itmaxb⋅2⋅üb = 0,5A⋅2⋅160 = 160A (8) With such a transformation ratio, taking into account the maximum required X-ray tube current I tmax = 0.5 A in this working range in accordance with Formula 2 for the maximum primary current load of the transformer: I avgWRmaxb = I tmaxb ⋅2⋅ü b = 0.5A⋅2⋅160 = 160A (8)

In beiden Arbeitsbereichen liegt folglich die maximale Strombelastung auf der Primärseite bei nur 160 A, wogegen gemäß Formel (4) bei einer herkömmlichen Schaltungsanordnung die maximale Strombelastung auf der Primärseite 320 A beträgt. Es ist klar, dass die maximale Strombelastung auf der Primärseite noch geringer gehalten werden kann, wenn entsprechend eine feinere Aufteilung des Gesamtarbeitsbereichs der Röntgenröhre in mehrere Teilarbeitsbereiche erfolgt.In both work areas consequently the maximum current load on the primary side only 160 A, whereas according to the formula (4) in a conventional one Circuit arrangement the maximum current load on the primary side 320 A is. It is clear that the maximum current load on the primary side is still can be kept lower if there is a finer distribution the total working area of the x-ray tube into several Partial work areas.

Die Reduzierung der maximalen Strombelastung hat den Vorteil, dass der Wechselrichter und insbesondere die dort verwendeten Leistungshalbleiter und passiven Bauteile sowie der Zwischenkreis und der Transformator nur für einen geringeren Strom ausgelegt werden müssen. Daher können kostengünstigere Bauteile verwendet werden.The reduction of the maximum current load has the advantage that the inverter and especially those there used power semiconductors and passive components as well as the DC link and the transformer are only designed for a lower current Need to become. Therefore can cheaper components be used.

Es wird noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den in den Figuren dargestellten Schaltungen nur um Ausführungsbeispiele handelt und für den Fachmann eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten zur Realisierung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung bestehen.It is pointed out again that it is only in the circuits shown in the figures to examples acts and for the skilled person a variety of possible variations for implementation a circuit arrangement according to the invention consist.

Claims (12)

Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung mit – einer Netzeingangsschaltung (1) zur Erzeugung einer Zwischenkreisspannung (Udc), – einer Wechselrichterschaltung (2) zur Umwandlung der Zwischenkreisspannung (Udc) in eine hochfrequente Wechselspannung, – und einem Hochspannungserzeuger (6), welcher die hochfrequente Wechselspannung mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis in eine Hochspannung (Ut) für die Röntgenröhre (5) umwandelt, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochspannungserzeuger (6) derart ausgebildet ist, dass er zwischen zumindest zwei Betriebszuständen mit verschiedenen Übersetzungsverhältnissen umschaltbar ist.Circuit arrangement for generating an X-ray tube voltage with - a mains input circuit ( 1 ) to generate an intermediate circuit voltage (U dc ), - an inverter circuit ( 2 ) for converting the intermediate circuit voltage (U dc ) into a high-frequency AC voltage, - and a high-voltage generator ( 6 ), which converts the high-frequency AC voltage with a certain transmission ratio into a high voltage (U t ) for the X-ray tube ( 5 ), characterized in that the high voltage generator ( 6 ) is designed such that it can be switched between at least two operating states with different transmission ratios. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Transformator des Hochspannungserzeugers, welcher primärseitig und/oder sekundärseitig eine Mehrzahl von Teilwicklungen umfasst, und eine Umschalteinrichtung, um die Teilwicklungen zur Einstellung eines Betriebszustands mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis entsprechend zu beschalten.Circuit arrangement according to claim 1, characterized by a Transformer of the high voltage generator, which on the primary side and / or on the secondary side comprises a plurality of partial windings, and a switching device, to use the partial windings to set an operating state according to a certain gear ratio to connect. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Transformator (3) des Hochspannungserzeugers, welcher eine Primärwicklung und/oder eine Sekundärwicklung mit einer Mehrzahl von Anzapfungen (8, 9) umfasst, und eine Umschalteinrichtung (7), um die Anzapfungen (8, 9) zur Einstellung eines Betriebszustands mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis entsprechend zu beschalten.Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized by a transformer ( 3 ) of the high-voltage generator, which has a primary winding and / or a secondary winding with a plurality of taps ( 8th . 9 ), and a switching device ( 7 ) to the taps ( 8th . 9 ) to set an operating state with a certain gear ratio accordingly. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Umschaltein richtung zur automatischen Umschaltung des Betriebszustands des Hochspannungserzeugers in Abhängigkeit von einem gewählten Arbeitspunkt der Röntgenröhre.Circuit arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized by a switching device for automatic switching of the Operating state of the high voltage generator depending on a chosen one Working point of the x-ray tube. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsbereich der Röntgenröhre (5) in Teil-Arbeitsbereiche unterteilt ist, und den einzelnen Teil-Arbeitsbereichen bestimmte Betriebszustände des Hochspannungserzeugers (6) mit bestimmten Übersetzungsverhältnissen zugeordnet sind.Circuit arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the working area of the X-ray tube ( 5 ) is divided into sub-work areas, and the individual sub-work areas have certain operating states of the high-voltage generator ( 6 ) are assigned with certain gear ratios. Röntgengenerator mit einer Schaltungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5.X-ray generator with a circuit arrangement according to one of claims 1 to 5th Röntgeneinrichtung mit einem Röntgengenerator gemäß Anspruch 6.X-ray equipment with an x-ray generator according to claim 6th Verfahren zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung, bei dem zunächst aus einer Netzeingangsspannung eine Zwischenkreisspannung (Udc) erzeugt wird und dann aus der Zwischenkreisspannung (Udc) eine hochfrequente Wechselspannung erzeugt wird, welche schließlich mit einem Hochspannungserzeuger mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis in eine Hochspannung (Ut) für die Röntgenröhre umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochspannungserzeuger (6) bei einer Einstellung der Röntgenröhre auf einen gewünschten Arbeitspunkt in einen Betriebszustand geschaltet wird, in dem der Hochspannungserzeuger (6) ein dem betreffenden Arbeitspunkt zugeordnetes Übersetzungsverhältnis aufweist.Method for generating an X-ray tube voltage, in which an intermediate circuit voltage (U dc ) is first generated from a mains input voltage and then a high-frequency alternating voltage is generated from the intermediate circuit voltage (U dc ), which is finally converted into a high voltage by a high-voltage generator with a specific transformation ratio (U t ) for the X-ray tube, characterized in that the high voltage generator ( 6 ) when the x-ray tube is set to a desired operating point, it is switched to an operating state in which the high-voltage generator ( 6 ) has a gear ratio assigned to the relevant working point. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochspannungserzeuger einen Transformator umfasst, welcher primärseitig und/oder sekundärseitig eine Mehrzahl von Teilwicklungen aufweist, und dass zum Umschalten in einen Be triebszustand mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis die Teilwicklungen entsprechend beschaltet werden.A method according to claim 8, characterized in that the High voltage generator comprises a transformer, which is on the primary side and / or on the secondary side has a plurality of partial windings, and that for switching in an operating state with a certain gear ratio Partial windings are wired accordingly. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochspannungserzeuger (6) einen Transformator (3) mit zumindest einer Primärwicklung und/oder zumindest einer Sekundärwicklung mit einer Mehrzahl von Anzapfungen (8, 9) umfasst, und dass zum Umschalten in einen Betriebszustand mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis die Anzapfungen (8, 9) entsprechend beschaltet werden.A method according to claim 8 or 9, characterized in that the high voltage generator ( 6 ) a transformer ( 3 ) with at least one primary winding and / or at least one secondary winding with a plurality of taps ( 8th . 9 ) and that to switch to an operating state with a certain transmission ratio, the taps ( 8th . 9 ) can be connected accordingly. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Einstellung eines gewählten Arbeitspunkts der Röntgenröhre automatisch eine Einstellung des zugehörigen Betriebszustand erfolgt.Method according to one of claims 8 to 10, characterized in that that automatically when a selected working point of the X-ray tube is set a setting of the associated Operating state takes place. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsbereich der Röntgenröhre (5) in Teil-Arbeitsbereiche unterteilt wird, und den einzelnen Teil-Arbeitsbereichen bestimmte Betriebszustände des Hochspannungserzeugers mit bestimmten Übersetzungsverhältnissen zugeordnet werden und der Hochspannungserzeuger (6) jeweils in den Betriebszustand geschaltet wird, der dem Teil-Arbeitsbereich zugeordnet ist, in den der eingestellte Arbeitspunkt der Röntgenröhre (5) fällt.Method according to one of claims 8 to 11, characterized in that the working area of the X-ray tube ( 5 ) is divided into sub-work areas, and the individual sub-work areas are assigned certain operating states of the high-voltage generator with specific transmission ratios and the high-voltage generator ( 6 ) is switched to the operating state that corresponds to the partial work area in which the set working point of the X-ray tube ( 5 ) falls.
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