DE1214316B

DE1214316B - Circuit arrangement for converting an alternating voltage into a direct voltage of very small ripple using a rectifier arrangement, preferably for obtaining the heating voltage for the cathode of a particle beam apparatus such as an electron microscope

Info

Publication number: DE1214316B
Application number: DES90120A
Authority: DE
Inventors: Volker Rindfleisch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1964-03-20
Filing date: 1964-03-20
Publication date: 1966-04-14

Description

Schaltungsanordnung zur Umformung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung sehr kleiner Welligkeit unter Verwendung einer Gleichrichteranordnung, vorzugsweise zur Gewinnung der Heizspannung für die Kathode eines Korpuskularstrahlapparates, wie eines Elektronenmikroskops Da die Kathode von Korpuskularstrahlgeräten, beispielsweise Elektronenmikroskopen, auf einem gegenüber der Umgebung sehr hohen Potential liegt, führt man der Kathode die Heizspannung als Wechselspannung über Isoliertransformatoren zu. Eine derartige Wechselspannungsheizung bietet zwar den Vorteil, daß durch Verwendung geeignet isolierter Transformatoren relativ leicht die erforderliche Hochspannungsisolation geschaffen werden kann, aber es hat sich gezeigt, daß die Wechselspannungsheizung eine für verschiedene Untersuchungen, beispielsweise Hochauflösungsaufnähmen in Elektronenmikroskopen, nicht tragbare Welligkeit des Strahlstromes zur Folge hat.Circuit arrangement for converting an alternating voltage into a direct voltage very small ripple using a rectifier arrangement, preferably to obtain the heating voltage for the cathode of a corpuscular beam apparatus, like an electron microscope As the cathode of particle beam devices, for example Electron microscopes, at a very high potential compared to the environment, the filament voltage is applied to the cathode as alternating voltage via insulating transformers to. Such an AC voltage heater offers the advantage that by using suitably insulated transformers relatively easily the required high-voltage insulation can be created, but it has been shown that the AC voltage heating one for various examinations, for example high-resolution images in Electron microscopes, unacceptable ripple of the beam current.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, kann man grundsätzlich zwischen die Isoliertransformatoren und die Kathode Gleichrichter und Filter einschalten, wobei die letzteren im Hinblick auf die Brummunterdrückung bemessen sind. Wollte man mit diesen herkömmlichen Filtergliedern, die sich bekanntlich aus Widerständen und Kapazitäten zusammensetzen, eine beispielsweise für Hochauflösungsuntersuchungen hinreichende Glättung der Heizspannung der Kathode erzielen, so müßte man sehr große Kapazitäten, beispielsweise von einigen 10000 #J, verwenden, was hinsichtlich der Kosten und des Platzbedarfs sehr unerwünscht ist.In order to avoid this disadvantage, a rectifier and filter can in principle be inserted between the isolating transformers and the cathode, the latter being dimensioned with regard to hum suppression. If one wanted to use these conventional filter elements, which are known to be composed of resistances and capacitances, to achieve a smoothing of the heating voltage of the cathode that is sufficient, for example, for high-resolution investigations, then one would have to use very large capacities, for example of a few 10,000 #J, which in terms of costs and the Space requirement is very undesirable.

Diesen Nachteil vermeidet eine bekannte Schaltungsanordnung, bei der zwischen der Gleichrichteranordnung und dem Verbraucher die Reihenschaltung eines Filternetzwerkes und der Kollektor-Emitter-Strecke eines Regeltransistors vorgesehen ist, zu dessen Basis-Emitter-Strecke gegebenenfalls die Basis-Emitter-Strecken weiterer Transistoren in Reihe geschaltet sind. Der Basis des Regeltransistors bzw. des letzten der weiteren Transistoren wird dabei entweder die Ausgangsspannung des Filternetzwerkes oder eine von der Spannung an dem Verbraucher abgeleitete Spannung zugeführt.A known circuit arrangement avoids this disadvantage in which between the rectifier arrangement and the consumer the series connection of a Filter network and the collector-emitter path of a control transistor provided is, to its base-emitter path, if necessary, the base-emitter paths further Transistors are connected in series. The base of the control transistor or the last one of the other transistors is either the output voltage of the filter network or a voltage derived from the voltage at the consumer is supplied.

Die Ausnutzung der kleinen Abhängigkeit des Kollektorstromes der Transistoren von Schwankungen der Kollektor-Emitter-Spannung bietet die vorteilhafte Möglichkeit, die Kondensatoren des vorgeschalteten Filternet7werkes und den Basiskondensator des Regeltransistors bzw. des letzten der weiteren Transistoren relativ klein zu bemessen.The use of the small dependence of the collector current of the transistors of fluctuations in the collector-emitter voltage offers the advantageous possibility of the capacitors of the upstream filter network and the base capacitor of the control transistor or the last of the further transistors to be relatively small measured.

Die Erfindung geht von der beschriebenen bekannten Schaltungsanordnung aus und verbessert diese hinsichtlich der Glättung der welligen Gleichspannung dadurch, daß erfindungsgemäß zwischen Eingang des Filternetzwerkes und Basis des Regeltransistors bzw. des letzten Transistors eine phasendrehende Schaltung liegt, die dieser Basis eine Spannung mit zu der Welligkeit der Ausgangsspannung des Filternetzwerkes gegenphasiger Welligkeit zuführt. Es handelt sich hierbei also um eine gegenphasige Störwertaufschaltung, durch die die den Störwert darstellende Welligkeit der Spannung am Verbraucher kompensiert wird.The invention is based on the known circuit arrangement described and improves it in terms of smoothing the undulating DC voltage by that according to the invention between the input of the filter network and the base of the control transistor or the last transistor is a phase-rotating circuit that this base a voltage with a phase out of phase with the ripple of the output voltage of the filter network Ripple feeds. This is therefore an out-of-phase disturbance value feed-in, compensated by the ripple of the voltage at the consumer, which represents the disturbance value will.

Betrachtet man den Fall einer auf Hochspannung liegenden Kathode, so ist es möglich, zur Messung der Gleichspannung sehr kleiner Welligkeit an der Kathode parallel zu dieser die Reihenschaltung eines Widerstandes und eines Gleichrichters und parallel zu diesem eine Glühlampe zu legen. Infolge der Kennlinie des Gleichrichters ändert sich die Intensität der Strahlung der Glühlampe praktisch linear mit der Spannung an der Kathode. Man kann demgemäß mittels eines lichtempfindlichen Schaltungselementes, beispielsweise eines Fotowiderstandes, und eines an diesen angeschlossenen Meßinstrumentes die Heizgleichspannung an der Kathode messen, ohne in den auf Hochspannung liegenden Heizstromkreis eingreifen zu müssen.If one considers the case of a high voltage cathode, so it is possible to measure the DC voltage with very small ripples on the Cathode parallel to this the series connection of a resistor and a rectifier and to put a light bulb parallel to it. Due to the characteristic of the rectifier the intensity of the radiation from the incandescent lamp changes practically linearly with the Voltage at the cathode. Accordingly, by means of a light-sensitive circuit element, for example a photo resistor and a measuring instrument connected to it Measure the heating DC voltage at the cathode without having to use the high voltage To intervene heating circuit.

Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dar. Als Verbraucher ist die über die Mittenanzapfung des Widerstandes RO, an Hochspannung liegende KathodeRK angedeutet; zwischen ihr und dem Isoliertransformator Trl liegt außer der Gleichrichteranordnung Gl eine- Filteranordnung. Diese Filteranordnung enthält ein Filternetzwerk üblicher Bauart, bestehend aus der LängsdrosselDrl und dem Querkondensator C 1. Weiterhin enthält diese Filteranordnung in diesem Ausführungsbeispiel zwei Transistoren Tl und T2, von denen TI der eigentliche Regeltransistor ist. Seine Emitter-Kollektor-Strecke liegt in Reihe mit der KathodeRK, während seine Basis und sein Kollektor über die; 15mitter-Kollektor-Strecke des zweiten Traiigigtorg T2 verbunden sind. Die Basis des zweiten Transistors T2 steht über den Spannungsteiler R 2, R 3, der mit dem KondensatorC2 ein weiteres Filtemetzwerk bildet, mit dem Ausgang des Filternetzwerkes Dr 1, C 1 in Verbindung, so daß die Basis des Transistors Tl einen Steuerstrom verringerter Welligkeit erhält.The drawing shows an exemplary embodiment of the circuit arrangement according to the invention. The consumer is indicated by the high voltage cathode RK via the center tap of the resistor RO; between it and the insulating transformer Trl is a filter arrangement in addition to the rectifier arrangement Gl. This filter arrangement contains a filter network of conventional design, consisting of the series choke Drl and the shunt capacitor C 1. Furthermore, this filter arrangement in this embodiment contains two transistors T1 and T2, of which TI is the actual control transistor. Its emitter-collector path is in series with the KathodeRK, while its base and its collector are connected to the; 15mitter-collector path of the second traiigigtorg T2 are connected. The base of the second transistor T2 is connected to the output of the filter network Dr 1, C 1 via the voltage divider R 2, R 3, which forms a further filter network with the capacitor C2, so that the base of the transistor Tl receives a control current with reduced ripple .

Schon durch die Verwendung mehrerer Transistoren können die Kondensatoren Cl und insbesondere C2 relativ klein gegenüber dem Fall dimensioniert werden, in dem allein durch Kondensatoren und Widerstände die erforderliche Glättung vorgenommen werden sollte. in diesem Ausführungsbeigpiel sind jedoch gemäß der Erfindung noch weitere Maßfiahmen zur Erzielung einer Gleichspannung extrem kleiner Welligkeit getroffen. Wie nämlich aus der Schaltung ersichtlich, ist zwischen dem Eingang des Filtemetzwerkes Dr 1, C 1 einerseits und der Basis des zweiten Transistors T2 andererseits der aus dem Kondensator C 3 und dem Widerstand Rl bestehende Phasenschieber angeordnet, der es gestattet, eine zu der Welligkeit der Spannung UF an der Kathode RK gegenphasig wellige Spannung solcher Amplitude denn Transistor T2 zuzuführen, daß hierdurch eine Kompensation der Restwelligkeit des Steuerstromes an der Basis des Transistors T2 vorgenommen wird. Es hat sich gezeigt, daß mit der beschriebenen Schaltuiigsanordnuncr die Welligkeit ohne weiteres auf etwa ein Promille vermindert werden kann.By using a plurality of transistors, the capacitors C1 and in particular C2 can be dimensioned relatively small compared to the case in which the necessary smoothing should be carried out solely by capacitors and resistors. In this exemplary embodiment, however, according to the invention, further measures are taken to achieve a DC voltage with extremely small ripples. As can be seen from the circuit, between the input of the filter network Dr 1, C 1 on the one hand and the base of the second transistor T2 on the other hand, the phase shifter consisting of the capacitor C 3 and the resistor Rl is arranged, which allows one to the ripple of the Voltage UF to the cathode RK in phase opposition to supply a ripple voltage of such amplitude as transistor T2 that this compensates for the residual ripple of the control current at the base of transistor T2. It has been shown that the waviness can easily be reduced to about one per thousand with the circuit arrangement described.

Mit dem Widerstand R2 kann die Arbeitsspanliung des Transistors. T_I -so -eingestellt worden, dag die gewulischte Ausgangsspaimung erhalten wird und ein Mininiuman Leistung ani Transistor abfällt. Der-Widerstand Rv --dient zur Veränderung der pruhärseitigen Ein- gangsspannung der gesamt -en Anordnung. R 3 . dient, zusammen mit R 2 zur autömatischen Einstellung des Arbeitspunktes der Trail-.-sistorschultung.With the resistor R2, the work circuit of the transistor. T_I -so -adjusted, that the desired output pairing is obtained and a minimum of power is dropped at the transistor. The resistance Rv serves to change the primary-side input voltage of the entire arrangement. R 3 . serves, together with R 2, for the automatic setting of the operating point of the trail -.- sistor training.

- - Parallel. zur Kathode R,1<, liegt die Reihenschaltung des Widerstandes R 5 und der Diode D; parallel zur Diode ' D .'ist die- Glühlampe -L geschaltet. Sie gestattet;, da ihre - Strahluftgsintensität -auf Grund der Kenftlinie der Diöde D praktisch linear von der Spannung UK abhängt, eine Messung dieser Spannung vorzunehmen, ohne daß in den im Falle einer Kathode auf Hochspannung liegenden Heizstromkreis eing9griffen Werden muß. Zur Messung der Helligkeit der Lampe L dient der Fotowiderstand P in Reihe mit dem Strommesser J; die Betriebsspannung dieser eigentlichen Meßschaltung wird über den verändetbaren Widerstand R6, dem zwei Zenerdioden Z zur Spannungsstabilisierung vorgeschaltet sind, abgegriffen. - - In parallel. to the cathode R, 1 <, is the series connection of the resistor R 5 and the diode D; The incandescent lamp -L is connected in parallel with the diode 'D.' Since its - jet air intensity - depends practically linearly on the voltage UK due to the curve of the diode D , a measurement of this voltage can be carried out without having to intervene in the heating circuit, which is at high voltage in the case of a cathode. The photoresistor P in series with the ammeter J is used to measure the brightness of the lamp L; the operating voltage of this actual measuring circuit is tapped via the variable resistor R6, which is preceded by two Zener diodes Z for voltage stabilization.

Durch die Erfindung ist eine Schaltungsanordnung zur Umformung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung sehr kleiner Welligkeit geschaffen, die ohne großen Aufwand und insbesondere ohne Verwendung großer und teuerer Filterkapazitäten arbeitet.The invention provides a circuit arrangement for reshaping a Alternating voltage is created in a direct voltage with very small ripple, without any great effort and in particular without the use of large and expensive filter capacities is working.

Claims

Claim: Circuit arrangement for converting an alternating voltage. into a DC voltage of very small ripple by using a rectifier arrangement, preferably for recovery of the heater voltage for the cathode of a Korpuskularstrahlapparates as a Elektronenmikrosköps, with between the rectifier arrangement and a consumer, preferably a cathode opposing series connection of a filter network, and - the collector-emitter path of a control transistor ' to the base-emitter path of which the base-emitter paths of further transistors are connected in series and whose base or that of the last of the further transistors is fed to the output paralleling of the filter network via voltage divider and / or series resistors, because rch characterized that between the input of the filter network; (Drl, CI), and base # of the control transistor (T1) or the last Ttansist - ors.- (T2) a phage-rotating circuit (C3, Rl). lies, dic, the base - a voltage with to the ripple - the output voltage of the filter network (Dr 1, C 1) - supplies ripple in opposite phase. ' Contemplated. Publications -. U.S. Patent No. 2,995,697; Journal of Control Engineering, 1957, p. 344.