DE202009001281U1 - Circuit for generating a high voltage with adjustable voltage level - Google Patents

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Abstract

Schaltung zur Erzeugung einer Hochspannung (UHV) mit einstellbarem Spannungspegel, mit
– einem Transformator (10) mit einer Primärwicklung (10a) und einer Sekundärwicklung (10b),
– einer n-stufigen Hochspannungskaskade (20), wobei die Sekundärwicklung (10b) des Transformators (10) mit einem Eingang (21) der Hochspannungskaskade (20) elektrisch verbunden ist und an einem Ausgang (22) der Hochspannungskaskade (20) die Hochspannung (UHV) ansteht, und
– einem Hochspannungsregler (30), der die Hochspannung (UHV) auf den einstellbaren Spannungspegel regelt,
gekennzeichnet durch
– ein vom Hochspannungsregler (30) unabhängiges Spannungsbegrenzungsmittel (40), das dazu ausgebildet ist, einen Spannungspegel an der Primärwicklung (10a), der Sekundärwicklung (10b) und/oder an einem Ausgangsknoten (23) einer Stufe (24-1) der Hochspannungskaskade (20) auf einen Maximalwert zu begrenzen.Circuit for generating a high voltage (UHV) with adjustable voltage level, with
A transformer (10) having a primary winding (10a) and a secondary winding (10b),
- An n-stage high voltage cascade (20), wherein the secondary winding (10b) of the transformer (10) to an input (21) of the high voltage cascade (20) is electrically connected and at an output (22) of the high voltage cascade (20), the high voltage ( UHV) is pending, and
A high voltage regulator (30) which regulates the high voltage (UHV) to the adjustable voltage level,
marked by
A voltage limiting means (40) independent of the high voltage regulator (30) and adapted to provide a voltage level at the primary winding (10a), the secondary winding (10b) and / or at an output node (23) of a stage (24-1) of the high voltage cascade (20) to limit to a maximum value.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Erzeugung einer Hochspannung mit einstellbarem Spannungspegel.The The invention relates to a circuit for generating a high voltage with adjustable voltage level.

Schaltungen zur Erzeugung von einstellbaren Hochspannungen finden beispielsweise bei Szintillationssonden Verwendung, bei denen üblicherweise ein Fotomultiplier als Sensor für Lichtsignale verwendet wird, die durch radioaktive Strahlung verursacht werden. Der Fotomultiplier wird mit einer Hochspannung im Bereich von einigen hundert Volt betrieben. Um Alterungseffekte zu kompensieren, wird üblicherweise diese Hochspannung angepasst, in der Regel erhöht. Daher ist die zum Betrieb der Szintillationssonden verwendete Hochspannung in der Regel in einem Bereich von ca. 300 V bis 1.300 V einstellbar.circuits for example, to generate adjustable high voltages in scintillation probes use where usually a photomultiplier used as a sensor for light signals is caused by radioactive radiation. The photomultiplier is with a high voltage in the range of a few hundred volts operated. To compensate for aging effects is usually adapted this high voltage, usually increased. Therefore is the high voltage used to operate the scintillation probes usually in a range of about 300 V to 1,300 V adjustable.

Die Schaltungen zur Erzeugung der Hochspannung umfassen typisch einen Transformator und eine sekundärseitige Hochspannungskaskade, wobei ein einstellbarer Spannungspegel der Hochspannung mittels eines Hochspannungsreglers geregelt wird. Insbesondere bei Schaltungen mit aktiver Regelung, beispielsweise bei so genannten Sperrwandlern oder Resonanzwandlern, kann beim Versagen der Regelung die Hochspannung auf den von der Schaltung theoretisch maximal erzielbaren Wert ansteigen, wobei dieser stark von der Art der Schaltung abhängt. Beim Versagen der Regelung ist es möglich, dass die Hochspannung auf einen Wert ansteigt, der über einem von einer Norm zugelassenen Wert liegt. Eine diesbezügliche Norm ist beispielsweise die DIN EN 60079-11 , die Luft- und Kriechstrecken in Abhängigkeit von maximal auftretenden Spannungen vorgibt.The high voltage generating circuits typically include a transformer and a secondary high voltage cascade, wherein an adjustable voltage level of the high voltage is regulated by a high voltage regulator. In particular, in circuits with active control, for example, in so-called flyback converters or resonance converters, the high voltage can increase to the theoretically maximum achievable value of the circuit value in the failure of the scheme, this depends strongly on the type of circuit. When the control fails, it is possible that the high voltage will rise to a value above a value allowed by a standard. A relevant standard is for example the DIN EN 60079-11 , which specifies clearances and creepage distances as a function of maximum voltages.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zur Erzeugung einer Hochspannung mit einstellbarem Spannungspegel zur Verfügung zu stellen, die im Fehlerfall einer Regelung die auftretende Hochspannung sicher auf einen vorbestimmten bzw. zugelassenen Maximalwert begrenzt.Of the Invention is based on the object, a circuit for generating a high voltage with adjustable voltage level available to make, in the event of a fault, a regulation, the occurring high voltage safely limited to a predetermined or permitted maximum value.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Schaltung nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, die hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht werden.The Invention solves this problem by a circuit Claim 1. Preferred embodiments are the subject of the subclaims, which are hereby incorporated by reference the description will be made.

Die erfindungsgemäße Schaltung zur Erzeugung einer Hochspannung mit einstellbarem Spannungspegel umfasst einen Transformator, beispielsweise einen Hochspannungstransformator mit einem Übersetzungsverhältnis von ü, und eine n-stufige Hochspannungskaskade, wobei n eine natürliche Zahl größer oder gleich 1 ist, ein Eingang der Hochspannungskaskade mit der Sekundärwicklung des Transformators elektrisch verbunden ist und an einem Ausgang der Hochspannungskaskade die Hochspannung ansteht. Die Schaltung umfasst weiter einen Hochspannungsregler, der die Hochspannung auf den einstellbaren Spannungspegel regelt. Derartige Hochspannungsregler sind dem Fachmann bekannt, diesbezüglich sei folglich auf die umfangreiche Fachliteratur zu diesem Thema verwiesen. Es versteht sich, dass der Hochspannungsregler unter anderem vom Typ der verwendeten Hochspannungskaska de abhängen kann. Ein vom Hochspannungsregler unabhängiges Spannungsbegrenzungsmittel der Schaltung ist dazu ausgebildet, einen Spannungspegel an der Primärwicklung, der Sekundärwicklung und/oder an einem Ausgangknoten oder einem inneren Knoten einer Stufe der Hochspannungskaskade auf einen Maximalwert zu begrenzen. Das Spannungsbegrenzungsmittel begrenzt damit auch einen maximalen Pegel der von der Schaltung erzeugten Hochspannung auf einen zulässigen Wert, selbst wenn der Hochspannungsregler fehlerhaft arbeitet oder ganz ausfällt, da das Spannungsbegrenzungsmittel unabhängig vom Hochspannungsregler ausgeführt ist, d. h. nicht Teil des Hochspannungsreglers ist. Der einstellbare Bereich des Spannungspegels liegt unterhalb des Maximalwerts, d. h. das Spannungsbegrenzungsmittel ist beim ordnungsgemäßen bzw. fehlerfreien Betrieb des Hochspannungsreglers nicht im Eingriff bzw. nicht aktiv, sondern dient lediglich im Fehlerfall zur sicheren Begrenzung der maximal auftretenden Hochspannung, um beispielsweise den entsprechenden Anforderungen einer Norm zu genügen. Da das Spannungsbegrenzungsmittel im fehlerfreien Betrieb der Schaltung bzw. des Hochspannungsreglers nicht im Eingriff ist, führt das Spannungsbegrenzungsmittel im fehlerfreien Betrieb nicht zu einer Erhöhung der Leistungsaufnahme der Schaltung.The inventive circuit for generating a High voltage with adjustable voltage level includes a transformer, For example, a high voltage transformer with a gear ratio from ü, and an n-stage high-voltage cascade, where n a natural number greater or equal 1 is an input of the high voltage cascade to the secondary winding of the transformer is electrically connected and at an output the high voltage cascade pending high voltage. The circuit further includes a high-voltage regulator, the high voltage on regulates the adjustable voltage level. Such high voltage regulator are known in the art, in this respect is therefore on referenced the extensive literature on this topic. It understands itself that the high voltage regulator among other things the type of used High voltage kaska de may depend. One from the high voltage regulator independent voltage limiting means of the circuit adapted to a voltage level at the primary winding, the secondary winding and / or at an output node or an inner node of one stage of the high voltage cascade to one Limit maximum value. The voltage limiting means limited thus also a maximum level of the generated by the circuit High voltage to a permissible value, even if the High-voltage regulator is working incorrectly or fails completely, because the voltage limiting means carried out independently of the high voltage regulator is, d. H. not part of the high voltage regulator. The adjustable Range of the voltage level is below the maximum value, d. H. the voltage limiting means is in the proper or error-free operation of the high-voltage regulator is not engaged or not active, but serves only in case of error for safe Limiting the maximum occurring high voltage, for example meet the relevant requirements of a standard. Since the voltage limiting means in error-free operation of the circuit or of the high voltage regulator is not engaged, this leads Voltage limitation means in error-free operation not to a Increase the power consumption of the circuit.

In einer Weiterbildung der Schaltung umfasst das Spannungsbegrenzungsmittel mindestens eine Zener-Diode. Die Anzahl der verwendeten Zener-Dioden kann beispielsweise von einem geforderten Schutzniveau der Schaltung abhängen. Bevorzugt beträgt die Zener-Spannung der Zener-Diode 200 V oder weniger.In a development of the circuit comprises the voltage limiting means at least one zener diode. The number of Zener diodes used can, for example, a required level of protection of the circuit depend. Preferably, the Zener voltage is the Zener diode 200V or less.

In einer Weiterbildung der Schaltung ist die n-stufige Hochspannungskaskade ein n-stufiger Cockcroft-Walton-Generator, der auch als Villard-Vervielfacherschaltung bezeichnet wird. Es versteht sich, dass auch andere Hochspannungskaskaden bzw. Spannungsvervielfacher verwendet werden können.In a development of the circuit is the n-stage high-voltage cascade an n-stage Cockcroft-Walton generator, also called Villard Multiplier referred to as. It is understood that other high-voltage cascades or voltage multiplier can be used.

In einer Weiterbildung der Schaltung ist das Spannungsbegrenzungsmittel zwischen einen Ausgangknoten einer ersten Stufe der n-stufigen Hochspannungskaskade und ein Bezugspotential, beispielsweise Masse, eingeschleift.In a development of the circuit is the voltage limiting means between an output node of a first stage of the n-stage high voltage cascade and a reference potential, such as ground, looped.

In einer Weiterbildung der Schaltung ist n = 6.In a development of the circuit is n = 6.

In einer Weiterbildung der Schaltung liegt der einstellbare Spannungspegel in einem Bereich von 200 V bis 1.500 V, insbesondere in einem Bereich von 300 V bis 1.300 V.In a development of the circuit is the adjustable voltage level in a range of 200 V to 1,500 V, in particular in a range of 300V to 1,300V.

Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich außer aus den Ansprüchen auch aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung, welche anhand der Zeichnung dargestellt sind. Hierbei zeigt die einzige Figur:Further Aspects and advantages of the invention will become apparent the claims also from the following description preferred embodiments of the invention, which are shown with reference to the drawing. Here is the only figure:

Figur eine Schaltung zur Erzeugung einer Hochspannung mit einstellbarem Spannungspegel.figure a circuit for generating a high voltage with adjustable Voltage level.

Die Figur zeigt eine Schaltung zur Erzeugung einer Hochspannung UHV mit einstellbarem Spannungspegel.The FIG. 1 shows a circuit for generating a high voltage UHV with adjustable voltage level.

Die Schaltung umfasst einen Hochspannungstransformator 10 mit einer Primärwicklung 10a und einer Sekundärwicklung 10b. Die Sekundärwicklung 10b des Transformators 10 ist mit einem Eingang bzw. Eingangsanschlüssen 21 einer n-stufigen Hochspannungskaskade 20 elektrisch verbunden, wobei an einem Ausgang bzw. Ausgangsanschlüssen 22 der Hochspannungskaskade 20 die Hochspannung UHV ansteht. Die gezeigte Hochspannungskaskade 20 ist als Cockcroft-Walton-Generator 20 ausgeführt und weist bevorzugt sechs Stufen auf, d. h. n = 6.The circuit includes a high voltage transformer 10 with a primary winding 10a and a secondary winding 10b , The secondary winding 10b of the transformer 10 is with an input or input terminals 21 an n-stage high-voltage cascade 20 electrically connected, wherein at an output or output terminals 22 the high voltage cascade 20 the high voltage UHV is pending. The high voltage cascade shown 20 is as a Cockcroft-Walton generator 20 executed and preferably has six stages, ie n = 6.

Ein Hochspannungsregler 30 ist dazu ausgebildet, die Hochspannung UHV auf einen einstellbaren Spannungspegel zu regeln. Hierzu wird ein Istwert der Hochspannung UHV gemessen und mit einem Hochspannungssollwert UHV_SOLL verglichen. Eine hochfrequente Wechselspannung Uin am Ausgang des Hochspannungsreglers 30 wird in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen Ist- und Sollwert als Stellgrößenausgabe bezüglich ihrer Amplitude eingestellt, wobei die Primärwicklung 10a mit der hochfrequenten Ausgangsspannung Uin des Reglers 30 beaufschlagt wird. Die Frequenz der Spannung Uin kann beispielsweise in einem Frequenzbereich von ca. 1 kHz bis 50 kHz liegen. Die theoretische, maximale Hochspannung UHV, ohne Spannungsbegrenzungseingriff, berechnet sich wie folgt: UHV = Uin,peak·ü·n·2,wobei Uin,peak eine Amplitude der Spannung Uin, ü ein Übersetzungsverhältnis des Transformators 10 und n die Anzahl der Stufen bezeichnet.A high voltage regulator 30 is designed to regulate the high voltage UHV to an adjustable voltage level. For this purpose, an actual value of the high voltage UHV is measured and compared with a high voltage setpoint UHV_SOLL. A high frequency AC voltage Uin at the output of the high voltage regulator 30 is set as a function of a difference between the actual and setpoint as a control value output with respect to their amplitude, wherein the primary winding 10a with the high-frequency output voltage Uin of the regulator 30 is charged. The frequency of the voltage Uin may be, for example, in a frequency range of about 1 kHz to 50 kHz. The theoretical, maximum high voltage UHV, without voltage limiting intervention, is calculated as follows: UHV = Uin, peak · ü · n · 2, where Uin, peak is an amplitude of the voltage Uin, ü is a transformation ratio of the transformer 10 and n denotes the number of stages.

Es versteht sich, dass in der Figur lediglich eine schematische Darstellung des Hochspannungsreglers 30 gezeigt ist, wobei der Fachmann bei Bedarf der Fachliterator konkrete, detaillierte Realisierungen eines Hochspannungsreglers entnehmen kann.It is understood that in the figure, only a schematic representation of the high-voltage regulator 30 is shown, wherein the skilled person if necessary the specialist literator can take concrete, detailed implementations of a high voltage regulator.

Zur Begrenzung des Spannungspegels der Hochspannung UHV auf einen maximal zulässigen Spannungspegel ist ein vom Hochspannungsregler 30 unabhängiges Spannungsbegrenzungsmittel 40 vorgesehen, das dazu ausgebildet ist, einen Spannungspegel an einem Ausgangsknoten 23 einer ersten Stufe 24-1 der Hochspannungskaskade 20 – und folglich auch einen Spannungspegel der ausgegebenen Hochspannung UHV – auf einen Maximalwert zu begrenzen. Hierzu umfasst das Spannungsbegrenzungsmittel 40 drei parallel geschaltete Zener-Dioden 41, 42 und 43, die zwischen den Ausgangsknoten 23 der ersten Stufe 24-1 der n-stufigen Hochspannungskaskade 20 und ein Bezugspotential in Form von Masse GND eingeschleift sind. Die Zener-Spannungen der Zener-Dioden 41, 42 und 43 betragen beispielsweise jeweils 200 V.To limit the voltage level of the high voltage UHV to a maximum allowable voltage level is one of the high voltage regulator 30 independent voltage limiting device 40 provided, which is adapted to a voltage level at an output node 23 a first step 24-1 the high voltage cascade 20 - And consequently also a voltage level of the output high voltage UHV - to limit to a maximum value. This includes the voltage limiting means 40 three parallel zener diodes 41 . 42 and 43 between the parent nodes 23 the first stage 24-1 the n-stage high voltage cascade 20 and a reference potential in the form of ground GND are looped. Zener voltages of Zener diodes 41 . 42 and 43 For example, each 200 V.

Der mittels des Reglers 30 einstellbare Spannungspegel der Hochspannung UHV liegt in einem Bereich von 200 V bis 1.500 V. Bei einem Versagen des Reglers 30 wird die Hochspannung UHF auf einen Maximalwert begrenzt, beispielsweise 2000 V, und zwar unabhängig davon, mit welcher Spannung Uin die Primärwicklung 10a des Transformators 10 beaufschlagt wird. Der Maximalwert hängt von der Zener-Spannung der Zener-Dioden 41, 42 und 43 und der Anzahl n der Stufen ab, da die Spannung am Ausgangsknoten 23 der ersten Stufe 24-1 auf die Zener-Spannung begrenzt ist.The by means of the regulator 30 adjustable voltage level of the high voltage UHV is in a range of 200 V to 1,500 V. In case of failure of the regulator 30 the high voltage UHF is limited to a maximum value, for example 2000 V, regardless of what voltage Uin the primary winding 10a of the transformer 10 is charged. The maximum value depends on the zener voltage of the Zener diodes 41 . 42 and 43 and the number n of stages since the voltage at the output node 23 the first stage 24-1 is limited to the Zener voltage.

Es versteht sich, dass neben dem gezeigten Cockcroft-Walton-Generator 20 auch andere Spannungsvervielfacherschaltungen verwendet werden können, bei denen ein vom Hochspannungsregler 30 unabhängiges Spannungsbegrenzungsmittel ein Ansteigen der Hochspannung UHV über einen maximal zulässigen Wert verhindert. Das Spannungsbegrenzungsmittel 40 kann bei geeigneter Dimensionierung auch die Spannung an der Primärwicklung 10a, die Spannung an der Sekundärwicklung 10b oder an einem beliebigem weiteren Knoten innerhalb der n-stufigen Hochspannungskaskade begrenzen.It is understood that, in addition to the Cockcroft-Walton generator shown 20 Also other Spannungsvervielfacherschaltungen can be used, in which one of the high voltage regulator 30 independent voltage limiting means prevents the high voltage UHV from rising above a maximum allowable value. The voltage limiting device 40 can also be the voltage at the primary winding with suitable dimensioning 10a , the voltage at the secondary winding 10b or at any other node within the n-stage high voltage cascade.

Die gezeigten Ausführungsformen ermöglichen eine zuverlässige Begrenzung der Hochspannung UHV auf einen maximalen Pegel bei einem Versagen des Hochspannungsreglers 30.The embodiments shown enable a reliable limitation of the high voltage UHV to a maximum level in the event of a failure of the high voltage regulator 30 ,

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • - DIN EN 60079-11 [0003] - DIN EN 60079-11 [0003]

Claims (7)

Schaltung zur Erzeugung einer Hochspannung (UHV) mit einstellbarem Spannungspegel, mit – einem Transformator (10) mit einer Primärwicklung (10a) und einer Sekundärwicklung (10b), – einer n-stufigen Hochspannungskaskade (20), wobei die Sekundärwicklung (10b) des Transformators (10) mit einem Eingang (21) der Hochspannungskaskade (20) elektrisch verbunden ist und an einem Ausgang (22) der Hochspannungskaskade (20) die Hochspannung (UHV) ansteht, und – einem Hochspannungsregler (30), der die Hochspannung (UHV) auf den einstellbaren Spannungspegel regelt, gekennzeichnet durch – ein vom Hochspannungsregler (30) unabhängiges Spannungsbegrenzungsmittel (40), das dazu ausgebildet ist, einen Spannungspegel an der Primärwicklung (10a), der Sekundärwicklung (10b) und/oder an einem Ausgangsknoten (23) einer Stufe (24-1) der Hochspannungskaskade (20) auf einen Maximalwert zu begrenzen.Circuit for generating a high voltage (UHV) with adjustable voltage level, comprising - a transformer ( 10 ) with a primary winding ( 10a ) and a secondary winding ( 10b ), - an n-stage high-voltage cascade ( 20 ), the secondary winding ( 10b ) of the transformer ( 10 ) with an input ( 21 ) of the high voltage cascade ( 20 ) is electrically connected and at an output ( 22 ) of the high voltage cascade ( 20 ) the high voltage (UHV) is present, and - a high-voltage regulator ( 30 ), which regulates the high voltage (UHV) to the adjustable voltage level, characterized by - one of the high voltage regulator ( 30 ) independent voltage limiting means ( 40 ), which is adapted to a voltage level at the primary winding ( 10a ), the secondary winding ( 10b ) and / or at an output node ( 23 ) of a stage ( 24-1 ) of the high voltage cascade ( 20 ) to a maximum value. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungsbegrenzungsmittel mindestens eine Zener-Diode (41–43) umfasst.Circuit according to Claim 1, characterized in that the voltage limiting means comprise at least one zener diode ( 41 - 43 ). Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zener-Spannung der mindestens einen Zener-Diode 200 V beträgt.Circuit according to Claim 2, characterized the zener voltage of the at least one zener diode is 200V. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die n-stufige Hochspannungskaskade ein n-stufiger Cockcroft-Walton-Generator (20) ist.Circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the n-stage high-voltage cascade is an n-stage Cockcroft-Walton generator ( 20 ). Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungsbegrenzungsmittel zwischen einen Ausgangsknoten (23) einer ersten Stufe (24-1) der n-stufigen Hochspannungskaskade und ein Bezugspotential (GND) eingeschleift ist.Circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the voltage limiting means is connected between an output node ( 23 ) a first stage ( 24-1 ) of the n-stage high voltage cascade and a reference potential (GND) is looped. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass n gleich sechs ist.Circuit according to one of the preceding claims, characterized in that n is equal to six. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der einstellbare Spannungspegel in einem Bereich von 200 V bis 1500 V liegt.Circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the adjustable voltage level in a range of 200V to 1500V.
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