DE1465547C3 - Elektronische Zeitschaltvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Zeitschaltvorrichtung für Geräte zur Umwandlung von elektrischer Energie in Strahlungsenergie, mit einem wechselstromgespeisten Stromkreis und einer Schaltröhre, die eine Anode, eine Kathode und eine Steuerelektrode aufweist, sowie mit einem Relais und einem aus einem Widerstand und einem Kondensator gebildeten RC-Netzwerk mit einstellbarer Zeitkonstante.

Solche Vorrichtungen sind bereits bekannt. So ist beispielsweise durch die deutsche Patentschrift 9 50 865 eine elektronische Zeitschaltvorrichtung für eine Beleuchtungseinrichtung für photographische Zwecke bekannt, mit deren Hilfe äußerst genau begrenzte, verschieden lange Zeitspannen eingestellt werden können. Dort erfolgt die Betätigung des Relais durch die an einem parallel zu der Relaiswicklung angeordneten Kondensator liegende Spannung. Mit Hilfe dieser Vorrichtung lassen sich zwar von Speisespannungsschwankungen weitgehend unabhängige Beleuchtungszeiten erzielen, jedoch keine definierte, von Netzspan nungsschwankungen unabhängige Gesamtstrahlungsleistungsdosis erbringen, weil dort nicht vorgesehen ist, den mit zunehmender Speisespannung ebenfalls wachsenden Lichtstrom der Lampe zu kompensieren. Dies vermögen auch die mit steuerbaren Halbleitern gemäß der deutschen Patentanmeldung S 43 420 VIII b/21 c bestückten Einrichtungen zur Steuerung von Relais, die mit Transistoren ausgestatteten Schaltungsanordnungen für die verzögerte Betätigung von Relais nach der deutschen Patentschrift 10 27 315 und die Zeitverzögerungsweise mit Kaltkathodenröhren nach den ELESTA Technische Mitteilungen Nr. 16, Nov. 1960 nicht zu gewährleisten.

Die Intensität der von einer Strahlungsquelle abgegebenen Strahlungsenergie ist von deren Speisespannung in geringem oder stärkerem Maße abhängig. Insbesondere Röntgengeräte sind wegen der hohen Steilheiten der in jenen eingesetzten Röntgenröhren gegenüber Netzspannungsschwankungen außerordentlich empfindlich, und es ist ein Problem, die Gesamtstrahlungsleistungsdosis gerade dieser Geräte von den unvermeidbaren Änderungen der Netzspannung unabhängig zu machen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer elektronischen Zeitschaltvorrichtung der eingangs genannten Art das Relais unmittelbar durch die Schaltröhre betätigen zu lassen und die Gesamtstrahlungsleistungsdosis des gesteuerten Gerätes dem Einfluß von Netzspannungsschwankungen zu entziehen. Diese Aufgabe wird an einer elektronischen Zeitschaltvorrichtung der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß die Eingangsspannung für das /fC-Netzwerk an dem ohmschen Widerstand des Spannungsteilers abgenommen wird.

Dadurch ergeben sich die Vorteile, daß eine festgesetzte Gesamtstrahlungsdosisleistung nicht etwa lediglich durch Konstanthaltung der Speisespannung des zur Umwandlung von elektrischer Energie in Strahlungsenergie dienenden Gerätes sowie durch ebenfalls gegenüber Spannungsschwankungen konstant gehaltene Strahlungszeit erstrebt wird, sondern dadurch erreicht ist, daß selbsttätig die Strahlungszeit bei erhöhter Netzspannung, d. h. zunehmender Strahlungsenergie verkürzt und, umgekehrt, bei absinkender Netzspannung verlängert wird. Der Auswirkung von Netzspannungsänderungen auf die Intensität der von dem betreffenden Gerät abgegebenen Strahlung wird somit durch ein dieser Auswirkung entgegengerichtetes und von denselben Netzspannungsänderungen gesteuertes Einwirken auf die Einschaltdauer des Gerätes entgegenwirkt, so daß die gewünschte Gesamtstrahlungsleistungsdosis von Netzspannungsschwankungen unabhängig ist.

Vorteilhafterweise tritt außerdem an Stelle eines aufwendigen und teuren Netzspannungskonstanthalters für das Gerät eine einfache und im wesentlichen lediglich aus zwei einfachen und deshalb billigen Schaltelementen — nämlich einem spannungskonstanten Element (Glimmröhre, Zenerdiode) und einem mit diesem in Reihe liegenden ohmschen Widerstand — bestehende elektronische Schaltungsanordnung, die mit einem ohnehin notwendigen elektrischen Zeitschalter zusammengebaut ist.

Die beschriebene Zeitschaltvorrichtung findet zweckmäßigerweise Anwendung bei Dental-Röntgengeräten, sie kann aber auch vorteilhaft beispielsweise bei automatischen Paßphoto-Anlagen, bei Repro-Geräten, zur Anfertigung von Druckstöcken, bei Photokopieran-

lagen, zur Steuerung photochemischer Verfahren in Chemie und Pharmazeutik, bei medizinischen Ultraviolett- oder Infrarot-Behandlungen verwendet werden, also überall dort, wo es darauf ankommt, daß eine Strahlungsquelle eine genau definierte Gesamtstrahlungsleistungsdosis abgibt. Die im praktischen Betrieb erzielten Vorteile liegen dann vor allem in der Vermeidung von Fehlbelichtungen, wodurch die Wiederholung von mißlungenen Aufnahmen entfällt, was insbesondere bei mit der Zeitschaltvorrichtung gesteuerten Röntgengeräten eine ganz entscheidende Rolle im Hinblick auf die Reduzierung der Gesamtstrahlendosis des Patienten spielt.

Weil bei der beschriebenen elektronischen Zeitschaltvorrichtung die Eingangsspannung für das zur Steuerelektrode der Schaltröhre rührende Netzwerk zwischen dem spannungskonstanten Schaltelement und dem in Reihe geschalteten ohmschen Widerstand abgenommen wird, ändert sich bei Netzspannungsschwankungen diese Eingangsspannung vorteilhafterweise unter erheblicher Vergrößerung ihrer prozentualen Änderung, so daß die Aufgabe definierter Gesamtstrahlungsdosisleistungen auch bei Röntgengeräten mit solchen Röntgenröhren möglich ist, die bekanntlich infolge ihrer hohen Steilheiten sehr empfindlich gegen Netzspannungsschwankungen sind. Steigt z. B. die Netzspannung um 10%, so kann nämlich bei zweckmäßiger Dimensionierung des vorgeschlagenen Spannungsteilers beispielsweise eine Erhöhung der Eingangsspannung für das ÄC-Netzwerk von angenähert 20% erzielt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der beschriebenen elektronischen Zeitschaltvorrichtung ist ein aus einer Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes und eines spannungskonstanten Schaltelementes bestehendes, dem Spannungsteiler parallelgeschaltetes Netzwerk vorgesehen, welches zusammen mit dem Spannungsteiler eine Brückenschaltung bildet, in deren Diagonale ein Potentiometer liegt, mittels dessen Abgriff die Eingangsspannung für das /?C-Netzwerk abgenommen wird. Diese Brückenschaltung gestattet, mit Hilfe des Potentiometers die Charakteristik der elektronischen Zeitschaltvorrichtung an diejenige des Gerätes bzw. der Strahlungsquelle selbst anzupassen.

Zweckmäßig sind Widerstand und Kondensator des ÄC-Netzwerkes in Stufen veränderbar ausgebildet. Die hierdurch ermöglichte stufenweise Veränderbarkeit beider die Zeitkonstante bestimmenden Schaltelemente, des Widerstandes und des Kondensators, ermöglicht es, zwei verschiedene Gruppen von festgelegten Betriebsfällen des mit der beschriebenen Zeitschaltvorrichtung gesteuerten Gerätes unabhängig voneinander einzustellen.

Vorzugsweise wird die Eingangsspannung für das ÄC-Netzwerk mit Hilfe eines veränderbaren Spannungsteilers am Abgriff des Potentiometers abgenommen. Mit diesem Spannungsteiler läßt sich die absojute Höhe der Eingangsspannung des ÄC-Netzwerkes auf den für die verwendete Schaltröhre geeigneten Wert einstellen.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnungen im Hinblick auf ihre Anwendung bei Röntgengeräten, insbesondere bei Dentalröntgengeräten, näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die Abhängigkeit des Anodenstromes von der prozentualen Netzspannung in Geräten mit Röntgenröhren verschiedener Bauart,

F i g. 2 die Änderung der Expositionszeit in Abhängigkeit von der prozentualen Netzspannung,

Fig.3 das Schaltbild der elektronischen Zeitschaltvorrichtung.

Eine Zusammenstellung der in den Figuren verwendeten Bezugszeichen ist am Ende der Figurenbeschreibung aufgeführt.

Die Schwärzung von Röntgenfilmen ist bekanntlich nicht nur von der Expositionszeit allein, sondern vielmehr von dem Produkt aus der Größe des Anodenstromes der Röntgenröhre und der Stromflußzeit, also von der Röntgendosisleistung, abhängig. Die in F i g. 1 dargestellten Kurven I, II und III, welche die Abhängigkeit des Anodenstromes von verschiedenen Röntgenröhren von der Netzspannung darstellen, zweigen deutlich, wie unterschiedlich die Netzspannungsabhängigkeit des Anodenstromes je nach Röntgenröhre sein kann. Die Kurve I veranschaulicht die Anodenstromkurve bei Verwendung einer im Sättigungsgebiet der Kathodenemission arbeitenden Röntgenröhre; diese Kurve verläuft sehr steil, da beim Ansteigen der Netzspannung ja nicht nur die Anodenspannung, sondern auch die Heizspannung der Röntgenröhre, also deren Gesamtemission, ansteigt. Die weniger steil verlaufende Kurve II gehört einer im Raumladungsgebiet arbeitenden Röntgenröhre, bei welcher der Raumladungseffekt durch tiefversetzte Anordnung des Heizfadens erzeugt wird, und die Kurve III stellt die Charakteristik einer ebenfalls im Raumladungsgebiet arbeitenden Röntgenröhre dar, bei welcher aber der Raumladungseffekt durch Gittersteuerung hervorgerufen wird.

Alle drei Kurven lassen einerseits die starke Empfindlichkeit des Anodenstromes gegenüber Netzspanriungsschwankungen erkennen, welche besonderer Kompensationsmaßnahmen bedarf, sie verdeutlichen

aber auch, daß die Änderung des Anodenstromes der verschiedenen Röhrentypen innerhalb des in Betracht kommenden Bereiches von Netzspannungsschwankungen, nämlich im Intervall von ±10% vom Nennwert, angenähert linear verläuft. Daraus folgt, daß diejenige

Kurve, welche die Änderung der Einschaltdauer der Röntgenröhre in Abhängigkeit von der Höhe der Netzspannung angibt, ebenfalls linear und mit gleicher Steilheit, aber unter entgegengesetzten Neigungswinkel, verlaufen muß.

Die Fig.2 zeigt in logarithmischem Maßstab eine Anzahl solcher, unter entgegengesetztem Neigungswinkel verlaufender Kurven. Ändert sich die Expositionszeit mit der Netzspannung nicht, so verläuft die Kurve, wie mit Strichlinien angedeutet, horizontal (^Ji=O). Die unteren drei Kurven stellen die erforderliche Abhängigkeit der Expositionszeit von der Netzspannung für eine bestimmte Röntgenröhre und eine Röntgenfilmsorte bestimmter Empfindlichkeit (Film »a« für verschiedene Objekte 1, 2, 3 z.B. Oberkiefer, Unterkiefer und Kiefergelenk) dar. Die Steilheit dieser Kurvenschar muß mittels eines hierfür in der Schaltung vorgesehenen Einstellgliedes den gegebenen Erfordernissen, der verwendeten Röntgenröhre und der Apparatur angepaßt werden. Bei richtig erfolgter Einjustierung ist dann die betreffende Kurve der Ort aller Punkte, die einem bestimmten Anodenstrom-Stromflußzeit-Produkt entspricht, welches dann unabhängig von Netzspannungsschwankungen eingehalten wird.

Einem Röntgenfilm anderer Empfindlichkeit (Film

b^r> »b«) entspricht die zweite obere Kurvenschar in F i g. 2 für die gleichen Objekte 1, 2, 3. Diese obere Kurvenschar entsteht durch Multiplikation der Absolutwerte der unteren Kurvenschar, wobei sich die

Relativwertverhältnisse nicht ändern. Zur Durchführung dieser Multiplikation dient ein hierfür in der Zeitschaltvorrichtung in Stufen veränderbar ausgebildetes, elektrisches Schaltelement, und der Übergang von der einen Kurve zu einer anderen Kurve innerhalb einer Schar (also von einem Objekt 1 zu einem anderen Objekt 2 bzw. 3) wird durch ein zweites, ebenfalls in Stufen veränderbar ausgebildetes elektrisches Schaltelement bewerkstelligt.

Die Schaltungsanordnung, welche allen diesen Bedingungen genügt, zeigt Fig.3. In diesem Schaltbild bezeichnet Tr den Transformator, der die Anoden- und Heizspannung für die Röntgenröhre liefert. Über den Arbeitskontakt a^ eines Relais wird die Primärwicklung des Transformators Tr an das Netz gelegt. Parallel zur hochohmigen Erregerwicklung A des Relais liegt die Kathoden-Hauptanoden-Strecke der sprunghaft reagierenden, gasgefüllten Schaltröhre TG.

Über die Drucktaste S, die den »Auslöser« der Zeitschaltvorrichtung darstellt, kann über den Ruhekontakt 32 des Relais eine vom Gleichrichter G1 gelieferte und im Kondensator C₅ gespeicherte Gleichspannung über den Widerstand 13 an die Erregerwicklung A des Relais gelegt werden.

Da die Steuerelektrode 12 der Schaltröhre TG zu diesem Zeitpunkt durch den Wechselkontakt a\ des Relais abgeschaltet ist, zündet die Schaltröhre TG nicht. Der über den Widerstand 13 zufließende Strom erregt das Relais, welches mittels seines Arbeitskontaktes az die Stromquellen der Röntgenröhre einschaltet; die Expositionszeit beginnt.

In diesem Augenblick wird die Steuerelektrode 12 der Schaltröhre TG durch den Wechselkontakt a\ mit dem ÄC-Netzwerk 7a... 7n, 9|... 9m verbunden. Zu gleicher Zeit wird der Ruhekontakt a₂ betätigt, so daß das spannungskonstante Schaltelement B\ — beispielsweise eine Glimmröhre oder eine Zenerdiode, je nach verlangter Steilheit — sowie die beiden ohmschen Widerstände B) und 13 nunmehr direkt an der vom Gleichrichter Gi gelieferten, positiven Spannung liegen.

Über die Schaltelemente 51 bis B 6 gelangt nun positive Spannung an das ÄC-Netzwerk 7a... 7/7,9i... 9m und damit an die Steuerelektrode 12 der Schaltröhre TG. Nach einer von der Zeitkonstanten RC abhängigen Zeit erreicht die Spannung an der Steuerelektrode 12 die zum Zünden der Schaltröhre TG notwendige Höhe, und die Glimmentladung in jener setzt ein.

Da der Innenwiderstand der gezündeten Schaltröhre sehr gering ist, entsteht am Widerstand 13 ein großer Spannungsabfall; die Erregerwicklung A wird kaum noch erregt, das Relais fällt ab und schaltet mittels des Arbeitskontaktes az die Röntgenröhre aus, die Expositionszeit ist damit beendet. Zu gleicher Zeit stellen die übrigen Relaiskontakte den Ausgangszustand (Aufnahmebereitschaft) wieder her.

Der Ruhekontakt a₂ (Umschaltkontakt) bewirkt, daß eine, etwa irrtümlicherweise erfolgte, nochmalige Betätigung der Drucktaste 5 vor Ablauf des ganzen Zeitschaltvorganges keine Störung desselben hervorrufen kann.

Zur Kompensation von Netzspannungsschwankungen auf die Gesamtstrahlleistungsdosis muß nun die bei einer bestimmten Zeitkonstante RC des ÄC-Netzwerkes 7a ... 7n, 9| ... 9m tatsächlich sich ergebende Expositionszeit von der Netzspannung abhängig gemacht werden. Werden mit U\ die an dem veränderbaren Spannungsteiler 56 abgenommene Ladespannung

und mit U₂ die nach einer Zeit t am Kondensator 9|... 9m (d. h. an der Steuerelektrode 12) erreichte Spannung bezeichnet, so ist bekanntlich

t RC\n(\-U₂IU\).

Die Zeit i, also die Einschaltdauer der Röntgenröhre, ist demnach bestimmt durch das Produkt von drei Faktoren.

Werden die Werte der Widerstände 7a ... 7π des ÄC-Netzwerkes so gewählt, daß sie sich verhalten wie die für verschiedene Aufnahmefälle benötigten Expositionszeiten, so können die Stellungen des Schalters 8 direkt mit den Bezeichnungen dieser Betriebsfälle (z. B. »Oberkiefer«... usw.) beschriftet werden.

Die für verschiedene Filmsorten notwendigen Multiplikatoren können durch Abstufung der Kapazität 9i... 9iii des ÄC-Netzwerkes erreicht und dann der Schalter 10 mit Bezeichnungen für verschiedene Filmsorten direkt beschriftet werden.

In dem Faktor In (1 — U₂IU\) ist U₂ die Zündspannung der Hilfsanodenstrecke der Schaltröhre TG; diese ist bekanntlich von der an die Hauptanode angelegten Spannung praktisch unabhängig.

Mit der beschriebenen elektronischen Zeitschaltvorrichtung wird die Ladespannung U\ von der Netzspannung abhängig gemacht, und zwar so, daß die Zeit t — die Einschaltdauer der Röntgenröhre — mit absinkender Netzspannung zunimmt, und es kommt nur darauf an, diese Abhängigkeit quantitativ so zu gestalten, daß bei Netzspannungsschwankungen (beispielsweise innerhalb eines Bereiches von ± 10%) die Änderung der Zeit t den auftretenden Schwankungen des Anodenstromes der Röntgenröhre, genauer der Röntgendosisleistung, umgekehrt proportional ist. Hierzu ist das Netzwerk mit den Schaltelementen 51 bis 55 vorgesehen, in welchem 51 und 54 zwei spannungskonstante Schaltelemente (z. B. Stabilisatorglimmstrecken oder Zenerdioden) und 5 2 und 5 3 ohmsche Widerstände sind.

In diesem Netzwerk 51 bis 55 ändert sich das Potential des Punktes χ bei Netzspannungsschwankungen nicht, während das Potential des Punktes y mit der Netzspannung auf und ab geht. Liegt der Abgriff des Potentiometers 55 bei x, so wird die Ladezeit des ÄC-Netzwerkes 7a ... 7n, 9i ... 9m von der Netzspannung nicht beeinflußt, wogegen die Ladezeit bei steigender Netzspannung um so mehr verkürzt (und bei fallender Netzspannung um so mehr verlängert) wird, je mehr der Abgriff in Richtung zum Punkt y verschoben wird. Das Potentiometer 55 stellt also das bei der Besprechung der F i g. 2 erwähnte Einstellglied dar, welches auch als »Steilheitsregeier« bezeichnet werden kann; mit diesem Potentiometer kann somit die »Zeitkurve« (t/Üsea) an die »Stromkurve« (I_a/UNeu) der Röntgenröhre angepaßt werden.

Bei der beschriebenen elektronischen Zeitschaltvorrichtung wird somit der insbesondere für röntgenographische Zwecke bezüglich des dargestellten Kompensationsprinzips benötigte große Proportionalitätsfaktor (Steilheit der Zeitkurve) dadurch erreicht, daß in den als Spannungsteiler zu betrachtenden, aus den Schaltelementen 51 und 52 bestehenden Brückenzweig ein spannungskonstantes Schaltelement 51 eingesetzt ist, welches bewirkt, daß Netzspannungsschwankungen in voller Höhe an dem ohmschen Widerstand 52 zur Auswirkung kommen und sich somit der Proportionalitätsfaktor entsprechend dem Verhältnis der stabilisierten zur unstabilisierten Spannung im Brückenzweig 51, 5 2 ändert.

Mit dem veränderbaren Spannungsteiler B 6 wird die absolute Höhe der Eingangsspannung des ÄC-Netzwerkes auf einen für die verwendete Schaltröhre TG passenden Wert eingeregelt.

Bei richtiger Dimensionierung lassen sich sogar Variationen der Gesamtstrahlungsleistungsdosis, etwa hervorgerufen durch eine veränderte Wellenlänge der Röntgenstrahlung bei veränderter Netz- und damit Anodenspannung, durch Überkompensation ausgleichen.

Zusammenstellung
der in den Figuren verwendeten Bezugszeichen

Tr = Transformator

a3 = Arbeitskontakt

A = Erregerwicklung

TG = Schaltröhre

S = Drucktaste

a2 = Ruhekontakt

7a...7/7,9|

Gl = Gleichrichter Cs — Kondensator 13 = Widerstand 12 = Steuerelektrode a, = Wechselkontakt .9in = ÄC-Netzwerk Bi = spannungskonstantes

Schaltelement B3 = Widerstand B 6 = veränderbarer Spannungsteiler

8 = Schalter 10 = Schalter B 4 = spannungskonstantes

Schaltelement 52 = Widerstand χ = Potential y = Potential B5 = Potentiometer

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

809 645/4

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Elektronische Zeitschaltvorrichtung für Geräte zur Umwandlung von elektrischer Energie in Strahlungsenergie, mit einem wechselstromgespeisten Stromkreis und einer sprunghaft reagierenden Schaltröhre, die eine Anode, eine Kathode und eine Steuerelektrode aufweist, mit einem Relais, dessen Erregerwicklung parallel zur Kathoden-Anodenstrecke der Schaltröhre liegt, mit einem an der Betriebsspannung der Zeitschaltvorrichtung liegenden Spannungsteiler, der aus der Reihenschaltung eines spannungskonstanten Schaltelementes und eines ohmschen Widerstandes besteht, und mit einem zur Steuerelektrode führenden, aus einer Serienschaltung von Widerstand und Kondensator gebildeten ÄC-Netzwerk mit einstellbarer Zeitkonstante, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannung für das ÄC-Netzwerk (7a ... Tn) (9i ... 9iii) an dem ohmschen Widerstand (B 2) des Spannungsteilers (Bi, B 2) abgenommen wird.

2. Elektronische Zeitschaltvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein aus einer Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes (B 3) und eines spannungskonstanten Schaltelementes (B4) bestehendes, dem Spannungsteiler (Bi, B2) parallelgeschaltes Netzwerk, welches zusammen mit dem Spannungsteiler (Bi, B2) eine Brückenschaltung bildet, in deren Diagonalen ein Potentiometer (BS) liegt, mittels dessen Abgriffs die Eingangsspannung für das /?C-Netzwerk (7a ... 7/7, 9i ... 9m) abgenommen wird. ~~~

3. Elektronische Zeitschaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Widerstand (7a ... Tn) und Kondensator (9| ... 9m) des ÄC-Netzwerkes in Stufen veränderbar ausgebildet sind.

4. Elektronische Zeitschaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannung für das ÄC-Netzwerk (7a ... Tn, 9i ... 9ui) mit Hilfe eines veränderbaren Spannungsteilers (B 6) am Abgriff des Potentiometers (BS) abgenommen wird.

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