DE2419946C2 - Schaltungsanordnung zum Stellen einer Leistung - Google Patents

Description

elektrischen Parametern nur der Strom gemessen zu werden, der proportional zu der am Widerstand anfallenden Spannung ist. Der Mullipliziereinrichtung wird dann an beiden Steuereingängen ein dem Strom entsprechendes Signal zugeführt und quadriert. τ

Es kann zweckmäßig sein, daß der Impulsgenerator Impulse wechselnder Polarität erzeugt. Aus Stabilitätsgründen ist es dann notwendig, aaß die nach Beendigung eines Steuerimpulses noch gelieferte Energie bei jeder Polarität getrennt integriert und m gespeichert wird und daraus der Anfangswert für den nächsten Impuls gleicher Polarität gebildet wird, wozu die gleiche Integrierschaltung verwendet werden kann, die lediglich zwei Speicher enthält. Impulse mit wechselnder Polarität lassen sich nämlich über Übertra- ] gen mit dem Widerstand koppeln, wie es beispielsweise bei Diagnostik-Röntgenröhren notwendig ist, da bei diesen die Kathode Hochspannungspotential führen und elektronische Schaltungen auf Hochspannungspotential durch Röhren-Hochvakuumdurchschläge gefahrdet sind. Der Übertrager gewähl leistet dann eine galvanische Trennung zwischen der elektronischen Schaltung und der Kathode.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt _·■-,

F i g. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

F i g. 2 den zeitlichen Verlauf von Steuerspannung und Verbraucherstrom,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer Integrierschal- ;,, lung mit Anfangswertbildung und -Übernahme,

Fig.4 das Prinzipschaltbild und das Ersatzschaltbild einer potentialfreien Stromübertragung.

In Fig. 1 wird in einem Netzgerät t, bestehend aus Transformator, Gleichrichter- und Siebschaltung, eine r> geglättete Gleichspannung Uo, die auch ungeregelt sein kann, als Versorgungsspannung für einen Impulsgenerator 2 erzeugt, in diesem Impulsgenerator 2 wird die Spannung Ua entsprechend den in einer Schaltung 4 erzeugten Steuersignalen U_$l in Spannungsimpulsc U\ gesteuerter Dauer umgeformt, die in diesem Ausführungsbeispiel mit wechselnder Polarität über einen hochspannungsfesten ersten Übertrager 5 an einen Widerstand 6, der hier als Kathode einer Röhre 7 dargestellt ist, gelangen. Der zeitliche Verlauf der mit v> konstanter Frequenz /=-, aber mit steuerbarer

Impulsdauer f_s erzeugten Steuersignale U₅, und des im Kathodenkreis fließenden Heizstromes i ist in F i g. 2 dargestellt. Der Heizstrom /, der infolge der unvermeidliehen Induktivitäten und des nicht idealen Schaltverhaltens der Transistoren im Impulsgenerator 2 gegenüber den Steuersignalen (Λ, verzerrt ist, wird durch eine Meßeinrichtung 8 gemessen und in ein elektrisches Signal umgesetzt. Dieses Signal gelangt in geeigneter Normierung auf eine Mullipliziereinrichtung 9 und deren Ausgangssignal U_q wird einer Integrierschaltung

10 zugeführt und in dieser integriert.

Das Ausgangssignal t//der Integrierschaltung 10 wird in einen Komparator 11 mit einem Sollwert Ur t,o verglichen. Bei Gleichheit erzeugt dieser Komparator

11 ein Abschaltsignal Uk, das den Steuerimpuls des Steuersignals U„ beendet und damit den Impuls U\ des Impulsgenerators 2 abschaltet. Dies geschiehl zum Zeitpunkt J₅. Da aber, wie in F i g. 2 dargestellt, auch t,, nach diesem Zeitpunkt t_s in der ersten Halbperiode (bzw. nach den entsprechenden Abschaltzeitpunkten der folgenden Halbperioden) durcn den Widerstand 6 (Kathode) noch ein Heizstrom ϊφΟ fließt, wird die Integration bis zum Beginn der nächsten Halbperiode fortgeführt, d. h. praktisch solange, bis der Heizstrom i bis auf nahezu Null abgeklungen ist Dieser Endwert des Ausgangssignals U_r der Integrierschaltung 10 muß bei Beginn der nächsten Halbperiode gespeichert werden, damit daraus bei der übernächsten Halbperiode, bei der wieder ein Impuls gleicher Polarität erzeugt wird, der Anfangswert für die Integrierschaltung 10 gebildet werden kann.

Dazu wird in der in F i g. 3 ausführlicher dargestellten Integrierschaltung 10 eine umschaltbare Speichereinrichtung 20 vorgesehen, in der die Endwerte der Integration zweier aufeinanderfolgender Halbperioden gespeichert werden können. Diese besteht hier aus zwei Kondensatoren 25 und 26, die über Schalter 28 und 29 mit dem Ausgang eines als Integrator geschalteten invertierenden Verstärkers 24 verbunden sind, der gleichzeitig den Ausgang der Integrierschaltung 10 darstellt. Ferner sind die Kondensatoren 25 und 26 über einen Umschalter 27 mit einem als Spannungsfolger geschalteten Differenzverstärker 21 verbunden, der die Belastung der Kondensatoren 25, 26 möglichst gering halten soll. In einer Summaiionsstufe 22 wird mittels Widerständen und einem weiteren Differenzverstärker die Differenz zwischen dem Sollwert Ur und der Spannung des gerade durch den Umschalter 27 angeschalteten Kondensators 25, 26 gebildet. Durch Umschalten eines Schalters 23 erscheint dieser Wert mit umgekehrter Polarität am Ausgang des invertierenden Verstärkers 24. da beide Widerstände Ro gleich groß und so niederohmig sind, daß sie mit einem integrierkondensator d nur eine kleine Zeitkonstante haben und ihm daher die Spannung am Ausgang der Summationsstufe 22 mit umgekehrter Polarität als Anfangswert der Integration aufprägen. Die Schalter 23, 27, 28 und 29 werden zweckmäßig als Halbleiterschalter ausgebildet und von einer Impulssteuerung 12 angesteuert. Diese Ansteuerung erfolgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in folgender Weise.

Die dargestellten Schalterstellungen mögen dem Zustand am Ende der vorhergehenden Halbperiode entsprechen, so daß der Kondensator 25 den Endwert der Integration dieser vorhergehenden Halbperiode enthält. Dies möge die ersie Halbperiode bis zum

Zeitpunkt - in Fig.2 sein. Unmittelbar vor Beginn der

neuen Halbperiode wird der Schalter 28 geöffnet und der Schalter 23 geschlossen. Dadurch wird die Differenz zwischen der Spannung am Kondensator 26 und dem Sollwert Ur als Anfangswert auf den Integrierkondensator G übertragen. Mit Beginn der neuen Halbperiode wird der Schalter 23 wieder geöffnet, so daß die Integrierschaltung 10 vom Anfangswert ausgehend das Zeitintegral der vom Multiplizierer 9 kommenden Ausgangssignale U_q bildet und als Ausgangssignal U/ abgibt. Wenn das Ausgangssignal U/der Integrierschaltung 10 den Sollwert Ur erreicht, erzeugt der Komparator 11 ein Abschaltsignal Uk, das sich auf die Integrierschaltung 10 aber nicht auswirkt.

Zu einem beliebigen Zeitpunkt innerhalb dieser Halbperiode, zweckmäßigerweise aber bereits am Anfang, wird der Schalter 29 geschlossen, so daß der Kondensator 26 am Ende der Halbperiode den Endwert der Integration enthält. Ebenfalls zu einem beliebigen Zeitpunkt innerhalb dieser Halbperiode ist der Umschalter 27 umgeschaltet worden, so daß die Summaiionsstufe 22 nun über den Differenzverstärker 21 die

Spannung des Kondensators 25 erhält, die bei der vorhergehenden Halbperiode erzeugt wurde. Kurz vor Beginn der zum Zeitpunkt T beginnenden nächsten Halbperiode wird der Schalter 29 wieder geöffnet (der Schalter 28 ist noch geöffnet), und der Schalter 23 wird ■> geschlossen, um dem Integrierkondensator Q den Anfangswert aufzuprägen. Da dieser Anfangswert die Differenz zwischen der Spannung am Kondensator 25 und dem Sollwert Ur ist und andererseits das Ausgangssignal Ui der Integrierschaltung 10 das an den ι ο betreffenden Kondensator 25 gelegt war, bei Erreichen des Sollwertes Ur das Abschaltsignal Uk ausgelöst hat, ist der Anfangswert also der Teil der Energie, die dem Widerstand nach dem Abschaltsignal Uk noch zugeführt wurde. Dieser Teil könnte auch dadurch gemessen r> werden, daß mit dem Abschaltsignal Uk die Integrierschaltung 10 auf Null gesetzt und dann zunächst nur diesen Anteil integrieren würde. Da das Nullsetzen aber eine endliche Zeit dauert, kann dadurch ein merklicher Fehler entstehen, der bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel dadurch vermieden wird, daß das Einstellen auf den Anfangswert kurz vor Beginn einer Halbperiode erfolgt, wo also praktisch kein zu integrierendes Signal vorhanden ist.

Mit Beginn der nächsten Halbperiode wird dann wieder der Schalter 23 geöffnet, sowie zu einem beliebigen Zeitpunkt während dieser Halbperiode der Schalter 28 geschlossen und der Umschalter 27 umgeschaltet, und es beginnt ein neuer Zyklus von 2 Impulsen U\ entgegengesetzter Polarität-. Die Anfangswertbildung und deren Übernahme wird also für positive und negative Impulse U\ getrennt vorgenommen, was durch die beiden Kondensatoren 25 und 26 in der Speichereinrichtung 20 erfolgt. Dies ist notwendig, denn bei direkter Übernahme der Restenergie eines Impulses U\ als Anfangswert für den nächsten Impuls U\ mit entgegengesetzter Polarität würde dieser verkürzt, wodurch der übernächste Impuls U\ mit ursprünglicher Polarität verlängert würde usw. Das könnte zu einer erheblichen Gleichstromkomponente führen, welche aber über den ersten Übertrager 5 nicht übertragen werden kann.

Der Aufbau des Komparators 11 und der Impulssteuerung 12 ergibt sich aus deren bisher beschriebenen Funktion und braucht daher nicht weiter erläutert zu « werden. Es sei lediglich erwähnt, daß zwischen den einzelnen Steuersignalen ίΛ,εϊη Mindestabstand vorgesehen ist, um Überschneidungen in den Durchschaltzeiten der Leistungstransistoren im Impulsgenerator 2 zu vermeiden.

Der Beginn der Steuersignale U_st wird durch einen Taktgenerator 13 gesteuert, der ein Taktsignal Ut erzeugt. Die Pulsfrequenz des Taktgenerators 13 kann einstellbar vorgesehen werden, um die Stellgeschwindigkeit dieses von der Versorgungsspannung und von Vorwiderständen unabhängigen Leistungsstellgliedes, die durch die für Abtastsysteme charakteristische Verzögerungszeiten von maximal einer Periodendauer begrenzt wird, festzulegen.

Eine Meßeinrichtung 8 zur direkten Messung des dem Widerstand 6 zugeführten Stromes ist im Falle einer Röntgenröhre, bei der die Heizung auf Hochspannungspotential liegt, schwierig zu realisieren, da ein hochspannungsfester Meßwandler mit vernachlässigbarem Magnetisierungsstrom erforderlich wäre. Zweckmäßig wird daher in dem mit dem Impulsgenerator 2 j? verbundenen Primärkreis des ersten Übertragers 5 ein \ zweiter Übertrager 31 eingefügt, der auf der Sekundär- % seite mit einem Widerstand R_B belastet ist. Der ;' Eingangswiderstand der Multipliziereinrichtung 9 wird dagegen als hoch angenommen (F i g. 4a). Ein Widerstand Rv möge den u. a. durch das Zuleitungskabel gebildeten Vorwiderstand darstellen. Fig.4b ist ein Ersatzschaltbild der wesentlichen Teile der Schaltung nach F i g. 4a, wobei die sekundären Lasten des ersten Übertragers 5 und des zweiten Übertragers 31 jeweils auf die Primärseite transformiert sind, was durch das Zeichen ' an den Bezugszeichen angedeutet ist. L₁ ist die Hauptinduktivität des ersten Übertragers 5. und Li die Hauptinduktivität des zweiten Übertragers 31.

Aus dem Ersatzschaltbild nach F i g. 4b ist zu erkennen, daß der Strom /' gleich dem Strom /,, vermindert um den Magnetisierungsstrom durch die Hauptinduktivität L\ des ersten Übertragers 5 ist. Um den Strom /' auf die Sekundärseite des zweiten Übertragers 31 richtig abzubilden, muß auch der Strom VRB, der durch den Widerstand R'b fließt, entsprechend vermindert werden. Dies kann leicht dadurch erreicht werden, daß die Zeitkonstanten

^und £

durch entsprechende Einstellung des Widerstandes Rb gleich gemacht werden. Dann ist die Meßspannung Urb in F i g. Aa. dem zu messenden Strom /proportional.

Bei Änderungen des Vorwiderstandes R_v ändert sich auch die betreffende Zeitkonstante, so daß der Abgleich verlorengeht. Es entsteht dann ein relativer Fehler, der von dem Verhältnis der Änderung des Vorwiderstands R_v zur Summe beider Widerstände abhängt, wobei dieses Verhältnis aber klein ist Darüberhinaus geht dieser Fehler für Taktfrequenzen des Taktgenerators 13, deren Periodendauer wesentlich kleiner als die genannten Zeitkonstanten der Übertrager ist, gegen Nuii.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Stellen der an einen elektrischen Widerstand abgegebenen Leistung ·"> durch Steuerung der Impulsbreite von in einem Impulsgenerator erzeugten, dem Widerstand zugeführten Impulsen elektrischer Energie, die eine Meßeinrichtung für die die Leistung bestimmenden Parameter besitzt und diese in elektrische Signale m umsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Multipliziereinrichtung (9) diese Signale miteinander multipliziert und deren Ausgangssignal (U_q) einer Integrierschaltung (10) zuführt, daß das Ausgangssignal (Ui) der Integrierschaltung (10) bei Γ: Erreichen eines Sollwertes (Ur) in einem Komparator (II) ein Abschaltsignal (Uk) zum Abschalten des Impulse,·; (U\) des von einer Impulssteuerung (12) gesteuerten Impulsgenerators (2) erzeugt, und daß die Integrierschaltung (10) das nach dem Beginn des 2» Abschaltsignals (Uk) von der MeOeinrichtung (8) stammende und von der Multipliziereinrichtung (9) gelieferte Ausgangssignal (U_q) integriert und zur Bildung eines Anfangswertes für das Ausgangssignal (Ui) der Integrierschaltung (10) bei Beginn des 2^r> nächsten Impulses (Ut) speichert.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (8) nur den den Widerstand (6) durch fließenden Strom (i)\n ein elektrisches Signal umsetzt und daß die Multiplizier- )o einrichtung (9) dieses Signal quadriert.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Taktsignale (Ur) eines in der Frequenz steuerbaren Taklgenerators (13) den Beginn eines Impulses (Ut) festlegen. J >

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz des Ausgangssignals (Ui) und des Sollwertes (Ur) bei Beginn eines Impulses (U) den Anfangswert für die Integrierschaltung (10) bilden. -¹¹¹

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator (2) Impulse (Ut) wechselnder Polarität erzeugt und daß die Integrierschaltung (10) das am Ende eines Impulses (Ut) gebildete ■<> Ausgangssignal (Ui) abwechselnd in einem von zwei Speichern (25, 26) speichert und aus dem Signal des jeweils anderen Speichers (25, 26) den Anfangswert für den nächsten Impuls (U) bildet.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch ό gekennzeichnet, daß zur potentialfreien Übertragung der Impulse (Ut) der Widerstand (6) über einen ersten Übertrager (5) mit dem Impulsgenerator (2) gekoppelt ist, daß in dem mit dem Impulsgenerator (2) verbundenen Primärkreis des ersten Übertragers (5) der Primärkreis eines zweiten Übertragers (31) eingeschaltet ist, dessen Sekundärseite das umgesetzte elektrische Signal abgibt und dessen sekundärseitige Last (R_B) so eingestellt ist, daß die Zeitkonstante aus seiner primärseitigen Hauptin- f>o duktivität (L₂) und der auf die Primärseite transformierten sekundärseitigen Last gleich der Zeitkonstanten aus der primärseitigen Hauptinduktivität (Lt) des ersten Übertragers (5) und der Summe der auf die Primärseite transformierten Widerstände ·>■"> (Rv, Ri) ist.

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach den; Oberbegriff des Hauptanspruches. Eine solche Schaltungsanordnung ist aus der DE-OS 21 60 121 bekannt Bei der bekannten Schaltung erfaßt die Meßeinrichtung die Spannung und den Strom durch die Last_#in Form einer Gasentladungslampe. Vor dem Zünden der Gasentladungslampe wird die ihr zugeführte Spannung und nach dem Zünden der sie durciifließende Strom geregelt Die zugeführte elektrische Leistung kann damit nicht auf einem konstanten Wert gehalten werden, wenn der elektrische Widerstand schwankt

Bei verschiedenen Anwendungsfällen ist es erforderlich, die an einen elektrischen Widerstand abzugebende elektrische Leistung einzustellen und auf diesem eingestellten Wert konstant zu halten. Beispielsweise für die Heizung von Glühkathoden in Röntgenröhren, die im allgemeinen als Sättigungsdioden betrieben werden, d. h. bei denen der Emissionsstrom durch die Kathodentemperitur bestimmt wird, benötigt man ein Stellglied, um die für einen gewünschten Emissionsstrom erforderliche Kathodentemperatur einzustellen und konstant zu halten. Dabei ist aber zu berücksichtigen, daß bei konstanter Zufuhr elektrischer Energie die an den elektrischen Widerstand abgegebene Leistung nicht konstant ist, sondern von verschiedenen äußeren Einflußgrößen verändert wird. Bei Röntgenröhren ist beispielsweise der Einfluß des von der Zuleitungskabellänge abhängigen Vorwiderstandes und seiner Temperaturabhängigkeit auf die Kaihodentemperatur wesentlich. Weitere Einflußgrößen stellen etwa Schwankungen der Versorgungsspannung dar.

Bei Verwendung einer der bekannten verlustarmen Thyristor-Schaltungen zur Phasenanschnittsteuerung im Primärkreis ergeben sich infolge der dabei stark und mit niedriger Frequenz (100 Hz) schwankenden Momentanleistung periodische Kathodentemperaturschwankungen, die die Konstanz des Emissionsstromes beeinflussen. Außerdem ist dabei die Stellgeschwindigkeit durch die Netzfrequenz begrenzt. Bekannte Mittelfrequenz-Umrichterschaltungen mit steuerbarer Impulsbreite sind zwar verlustleistungsarm, schnell und erzeugen bei genügend hoher Frequenz vernachlässigbar kleine periodische Temperaturschwankungen, jedoch besitzen sie den Nachteil, daß die Leistung an der Kathode und damit die Kathodentemperatur von den Widerständen im Kathodenkreis abhängen. Ein weiterer Nachteil der bekannten Schaltungen ist außerdem, daß die Versorgungsspannung für den Leistungskreis vorstabilisiert sein muß, beispielsweise durch magnetische Wechselspannungsstabilisatoren.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schaltungsanordnung anzugeben, mittels der die an einen elektrischen Widerstand abgegebene Leistung unabhängig von Änderungen der Versorgungsspannung oder von vorhandenen oder sich ändernden Vorwiderständen eingestellt und konstant gehalten werden kann. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Durch die Erfindung wird ein einfacher Regelkreis gebildet, der die Auswirkungen äußerer Einflüsse nahezu ausschaltet und bei dem auch Verschiebungen und Verzerrungen der elektrischen Leistungsimpulse, die infolge der Leistungsinduktivitäten und des nicht idealen Schaltverhaltens der Transistoren in dem Impulsgenerator entstehen, berücksichtigt werden.

Da der Wert des Widerstandes in einem einmal eingestellten Arbeitspunkt als konstant angenommen werden kann, braucht von den leistunesbestimmenden