DE2514805A1

DE2514805A1 - Anordnung zur leistungssteuerung von hochspannungs-elektronenstrahlerzeugern

Info

Publication number: DE2514805A1
Application number: DE19752514805
Authority: DE
Inventors: Fried Wilh Dipl Ing Thomas; Gernot Dipl Ing Thorn
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1975-04-04
Filing date: 1975-04-04
Publication date: 1976-10-07
Also published as: FR2306524B3; JPS51131999A; DE2514805B2; DE2514805C3; US4045707A; GB1489543A; FR2306524A1

Description

HANS ZAPFE 25H8Q5 PATENTANWALT

D -605 OFFENBACH (MAIN) KAISERSTRASSE 9 BUNDESKHPUBiIK DEUTSCHLAND

TELEFON (06 11) SS 27 21

27. März 1975· Z_ap/Han

Akte: 755o4

LEYBOLD-HERAEUS GmbH & Co. KG 5ooo KÖLN 51 Bonner Straße 5o4

'* Anordnung zur Leistungssteuerung von Hoehspannungs-Elektronenstrahierzeugern "

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Leistungssteuerung von Hoehspannungs-Elektronenstrahlerzeugern mit einer Katode und einer der Katode zugeordneten Steuerelektrode, bestehend aus einen Hochspannungs-Isoliertransformator , mit Prieär- und Sekundärwicklung für die Versorgung der Steuerelektrode mit einer Steuerspannung und mit einer dem Isoliertransforeator auf der Primärseite vorgeschalteten Einrichtung zur Erzeugung von in der Amplitude modulierbaren Rechteckimpu1sen.

6.09841/0613 _ ₂ _

25U8Q5

Elektronenstrahlerzeuger der vorstehend beschriebenen Art werden auf vielen Gebieten der Technik, vornehmlich aber zum Schmelzen, Schweißen, Bearbeiten und Verdampfen von Werkstoffen aller Art, vorzugsweise unter Vakuum, verwendet. Um die Intensität eines Elektronenstrahls zu verändern, kann entweder die Heizleistung der Glühkatode, die Vorspannung der Steuerelektrode und/oder die angelegte Beschleunigungsspannung vai'iiert werden.

Bei Hochspannungselektronenstrahlerzeugern, die im allgemeinen mit einer Anodenspannung oberhalb 2o Kilovolt betrieben werden und die daher bei gegebener Leistung einen relativ geringen Strahlstrom aufweisen, ist in der Nähe der Katode eine zylinderförmige Steuerelektrode angeordnet, die häufig auch als Wehnelt-Zylinder bezeichnet wird. Mit dieser Steuerelektrode ist es möglich, den Strahlstrom zwischen 0 und 100% zu verändern. Zu diesem Zweck wird an die Steuerelektrode eine gegenüber der Katode in ihrer Amplitude variablen, negativen Spannung angelegt, die das Austreten der Elektronen in Richtung zur Anode je nach Größe dieser Steuerspannung mehr oder weniger unterdrückt. Die Spannungshöhe zur sicheren Sperrung des Elektronenstrahlerzeugers liegt je nach Ausführung der Steuerelektrode bei einigen Kilovolt. Bei gleichem Potential von Katode und Steuerelektrode wird der maximale Strahlstrom erreicht.

Durch die DT-AS 1 131 76o ist eine Anordnung der eingangs beschriebenen Art vorbekannt, bei der die Steuerelektrode periodisch mit Impulsen beaufschlagt wird, die einer Gleichvorspannung überlagert sind. Hierdurch soll erreicht werden, daß der Elektronenstrahl intermittierend eingeschaltet wird. Es handelt sich mithin um ein ständiges Aus- und Einschalten eines Elektronenstrahles jeweils konstanter Leistung, wobei der Leistungspegel allerdings veränderbar ist. Die Leistung kann dabei auch durch die relative Einschaltdauer des Elek-

609841/0613 -

"■ «j —

-3- 25U805

tronenstrahls beeinflußt werden. Bei dem vorbekannten System wird jedoch wegen des vorhandenen Isoliertransformators keine Gleichspannungskomponente der Steuerspannung auf die Steuerelektrode übertragen, so daß keine kontinuierliche Leistungssteuerung des Elektronenstrahterzeugers möglich ist. Eine kontinuierliche Leistungssteuerung ist jedoch für verschiedene Zwecke erforderlich, z.B. für das Hochfahren der Leistung beim Schweißen am Beginn und am Ende einer Schweißnaht, beim Schweißen von Werkstücken mit unterschiedlichen Materialstärken etc. Die Impulsfrequenz ist außerdem nach unten durch die Bandbreite des Isolxertransformators begrenzt, und zwar auf etwa 5o bis loo Hz. Die vorbekannte Anordnung gestattet vor allem aber keine verzerrungsfreie übertragung der Impulse durch den Isoliertransformator an der unteren-Grenze des zu übertragenden Frequenzbandes. Vielmehr wird dort auf der Sekundärseite eine mit wachsenden Impulszeiten zunehmende "Dachschräge" auftreten, obwohl auf der Primärseite des Isoliertransformators einwandfreie Rechteckimpulse vorgegeben werden. Die Ursache ist auf das dynamische Verhalten •der magnetischen Koppelung der beiden Kreise innerhalb des Trans-5.£r:i*taators zurückzuführen. Es bandelt sich somit um eine im Grunde unvermeidbare Eigenschaft magnetisch gekoppelter Kreise.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung für die kontinuierliche, wahlweise impulsartige Steuerung der Leistung eines Hochspannungs-Elektronenstrahlerzeugers anzugeben, bei der die Steuersignale über einen Isoliertransformator verzerrungsfrei übertragen werden können, so daß keine aktiven Bauelemente wie Transistoren, Röhren und keine Hilfsspannungen auf der Hochspannungsseite erforderlich sind.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ,erfolgt gemäß der vor-

609841/0613 _ ₄_

2514 80b

liegenden Erfindung dadurch, daß der Impulsgenerator in der Weise ausgelegt ist, daß die Impulse zux* Nullinie symmetrisch verlaufende Rechteckimpulse sind, daß der Isoliertransforinator auf der Primärseite mit einer Tertiärwicklung versehen ist, daß der Primärwicklung ein Verstärker vorgeschaltet ist, dessen Eingang die Ausgangsspannung der Tertiärwicklung aufgeschaltet ist, und daß der Sekundärwicklung eine Gleichrichterbrücke nachgeschaltet ist.

Durch die Eingabe der Ausgangsspannung der Tertiärwicklung in den Verstärker wird erreicht, daß die Kurvenform der Impulse auf der Primärseite in der Weise beeinflußt wird, daß die Spannung auf der Sekundärseite und an der Tertiärwicklung genau der gewünschten Rechteckspannung entspricht. Die Tertiärwicklung dient nämlich dazu, ein Spannungssignal zu gewinnen, das demjenigen auf der Sekundärseite des Transformators entspricht. Durch einen Vergleich dieser Spannung mit deia vorgegebenen Rechtecksignal wird durch entsprechende Verstärkung ein Regelvorgang bex^irkt, der die Kurvenform der Primärspannung in dem vorstehend aufgezeigten Sinne verändert. Hierdurch wird auf der Sekundärseite eine Rechteckspannung erzeugt, die in einem Zweiweg-Gleichrichter in eine Gleichspannung umgesetzt wird. Die so entstehende Gleichspannung besteht aus einer Vielzahl aneinandergereihter Rechtecke und ist im allgemeinen ohne weitere Glättung für die Steuerung des Elektronenstrahlerzeuger verwendbar. Die Hüllkurve der nebeneinander gereihten Rechtecke entspricht dabei dem eigentlichen Steuersignal bzw. der Steuerspannung.

Die Auslegung des Impulsgenerators in der Weise, daß die

6098U /0613 " ⁵ "

25H805

Impulse zur Nullinie symmetrisch verlaufende Rechteckinpulse sind, hat den Zweck, daß die einzelnen Impulse sich - im Gegensatz zum Stande der Technik - lückenlos aneinanderreihen. Durch die Gleichrichterbrücke wird erreicht, daß die auf der Sekundärseite des Transformators erscheinenden Impulse abwechselnd positiver und negativer Polarität zu der ununterbrochenen Impulsreihe gleicher Polarität umgewandelt wird.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung werden aktive Bauelemente wie Transistoren, Röhren und etwaige Hilfsspannungen auf der Hochspannungsseite überflüssig. Die Größe des abgeschirmten, auf Katodenpotential liegenden Gehäuses für die Steuerungsanordnung wird minimal. Dies ist ein nicht zu unterschätzender Vorteil, da es häufig an dem erforderlichen Raum für die Unterbringung von elektrischen Einrichtungsteilen fehlt.

Die vom Impulsgenerator gelieferten Rechteckimpulse werden vor ihrer Eingabe in den Verstärker zweckmäßig mit einem Wert multipliziert, der in einer Vergleichsschaltung durch Vergleich des Sollwertes mit einem Istwert gewonnen wird. Hierdurch ergibt sich eine amplitudenmodulierte Trägerfrequenz, die auf die vorstehend angegebene Weise auf der Hochspannungseite des Isoliertransformators völlig unverzerrt wiedergewonnen wird und nach Gleichrichtung die Steuerspannung für den Steuerzylinder bildet. Die Flankensteilheit der einzelnen Impulse entspricht dabei praktisch der Flankensteilheit der primärseitigen Rechteckimpulse·

Die erfindungsgemäße Lösung gestattet dabei nicht nur eine kontinuierliche Steuerung der Leistung eines Hochspannungselektronenstrahlerzeugers, sondern wahlweise auch eine impulsartige Steuerung, falls beispielsweise beim Schweißen

609841/0613

mittels Elektronenstrahl ein Impulsbetrieb gefordert wird. Die Übertragung sowohl kontinuierlicher als auch einzelner Impulse erfolgt dabei völlig verzerrungsfrei. Das erzeugte Steuersignal weist dabei im allgemeinen keine Welligkeit auf, wie dies be.i anderen übertragungsformen von Signalen geschieht. In der Regel kann dabei auf Glättungsmittel verzichtet werden. Lediglich dann, wenn es darum geht, etwaige Schaltspitzen zu kappen, kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung parallel zur Gleichrichterbrücke ein RC-Glied kleiner Zeitkonstante angeordnet sein.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung und ihre Wirkungsweise wird nachfolgend anhand;der Figur näher erläutert.

In der Figur ist mit Io ein Hochspannungs-Elektronenstrahlerzeuger bezeichnet, der aus einem an Masse liegenden Gehäuse 11, einer Katode (Glühkatode) 12 und einer Steuerelektrode (Wehnelt-Zylinder) 13 besteht. Die Katode 12 wird über die Klemmen 14 mit einem Heizstrom versorgt. Die Zuleitungen sind mittels eines Durchführungsisolators 15 durch das Gehäuse 11.hindurchgeführt. Die Zuleitung 16 zur Steuerelektrode 13 ist mittels eineß Durchführungsisolators 17 durch das Gehäuse 11 hindurchgeführt. Eine Beschleunigungsanode 18 ist Teil des Gehäuses. Aufgrund der dargestellten - bekannten - Anordnung wird bei entsprechender Spannungsbeaufschlagung ein Elektronenstrahl 19 gebildet, der für die einleitend beschriebenen Zwecke verwendet werden kann.

Die Anordnung zur Leistungssteuerung besitzt einen Impulsgenerator 2o, der in der Weise ausgeführt ist, daß die Impulse zur Nullinie symmetrisch verlaufende Rechteckimpulse von konstanter Amplitude und konstanter Frequenz

609841/06 13

251480b

sind. Die Frequenz liegt beispielsweise bei 10WIz. Dem Impulsgenerator ist über eine Leitung 21 ein Multiplizierer 22 nachgeschaltet, der über die Leitung 23 ein Gleichspannungssignal erhält, welches von einer Vergleichseinrichtung 24 geliefert wird. Der Vergleichsein*· richtung ist über eine Anschlußklemme 25 eine von einem Potentiometer gelieferte Sollwertspannung aufgeschaltet, während der Istwert des Strahlstromes an eine Eingangsklemme 26 gelegt ist. Die Erfassung des Strahlstromes erfolgt durch eine der bekannten Methoden und ist in der Figur nicht näher dargestellt. An die Eingangsklemme 27 können wahlweise Sollwerte aus externen Funktionsgeneratoren gelegt werden. Durch einen Vergleich der Eingangsgrößen der Vergleichseinrichtung 24 entsteht ein gegebenenfalls schwankendes Spannungssignal, welches die spätere Hüllkurve für die Impulsreihe bildet. Im Multiplizierer 22 wird ein amplitudenmoduliertes Steuersignal gebildet, welches über eine Leitung 28 einem Verstärker 29 aufgeschaltet ist. Die Höhe der an der Leitung 28 liegenden Rechteckspannung ist dabei stets so groß, daß Stromsollwert und Stromistwert des Strahlstromes übereinstimmen. In dem Verstärker 29 wird die erforderliche Leistung erzeugt, die der Primärwicklung 31 eines Isoliertransformators 32 aufgeschaltet ist. Eine Rückführleitung 33 mit einem Verstellwiderstand 34 dient dazu, den Verstärkungsgrad des Verstärkers 29 einzustellen.

Der Isoliertransformator 32 besitzt eine Sekundärwicklung 35, die über Leitungen 36 mit einer Gleichrichterbrücke 37 verbunden ist. In dieser werden die Ausgangsimpulse des Isoliertransformators 32 gleichgerichtet, wobei aufgrund der

8 -

609841 /061 3

25H805

Auslegung des Impulsgenerators 2o eine lückenlose Reihe von Impulsen entsteht, deren Hüllkurve dem Ausgangssignal der Vergleichseinriclitung 24 entspricht. Das Ausgangssignal der Gleichrichterbrücke 37 ist über die Leitung 16 sowie eine weitere Leitung 38 der Stei'erelektrode 13 einerseits und der Katode 12 andererseits aufgeschaltet. Parallel zur Gleichrichterbrücke 37 ist ein RC-Glied 39 angeordnet, welches aus einem ohm'sehen Widerstand 4o und einem Kondensator 41 besteht. Der Kondensator 41 dient nur dazu, Schaltspitzen zu kappen, während der Widerstand 4o bewirkt, daß die Steuerspannung für die Steuerelektrode 13 des Strahlerzeugers mit einem niedrigen Innenwiderstand auftritt, wodurch die elektrostatische Aufladung der Steuerelektrode 13 verhindert wird» Der Isoliertransformator 32(besitzt zusätzlich eine Tertiärwicklung 42, die zusammen mit der Primärwicklung 31 auf der Primärseite des Transformators angeordnet ist. Die Ausgangsspannung der Tertiärwieklung ist über einen Verstellwiderstand 43 und eine Leitung 44 gleichfalls dem Verstärker 29 aufgeschaltet. Die dadurch gebildete Rückführung dient in Verbindung mit der Tertiärwieklung 42 dazu, die Kurvenform der über die Leitung 28 angelieferten Rechteckspannung formgetreu zu übertragen. Ohne diese Rückführung hätte ein Rechteckimpuls auf der Primärseite eine sogenannte "Dachschräge" des Impulses auf der Sekundärseite des Transformators 32 zur Folge. Die Tertiärwieklung 42 dient dazu, eine Spannung, wie sie ähnlich auf der Sekundärseite des Transformators: auf tritt, zu gewinnen. Durch einen Vergleich dieser Spannung mit den über die Leitung 28 angelieferten Impulsen v/ird durch den Verstärker 29 ein Regelvorgang bewirkt, der die Kurvenform der Primärspannung am Isoliertransformator 32 so beeinflußt, daß die Spannung an der Tertiärwieklung exakt der Impulsspannung an der Lei-

09841/0613 - 9 -

- 9 - " 2bU80b

tung 28 entspricht. Hierdurch wird auf der Sekundärseite ebenfalls ein gleicher Spannungsverlauf erzeugt, der in dem Brückengleichrichter 37 in eine Gleichspannung umgesetzt wird, die als Hüllkurve von lückenlos aneinandergereihten Einzelimpulsen interpretiert werden kann. Das der Hüllkurve entsprechende Spannungssignal dient zur Beaufschlagung des Steuerzylinders 13, wie oben angegeben.

6Ό 9 8 4 1 / 0 6 1 3

Claims

25H805

IJ Anordnung zur Leistungssteuerung von Hochspannungs-Elektronenstrahlerzeugern mit einer Katode und einer der* Katode zugeordneten Steuerelektrode, bestehend aus einem Hochspannungs-Isoliertransformator mit Primär- und Sekundärwicklung für die Versorgung der Steuerelektrode mit einer Steuerspannung und mit einem, dem Isoliertransformator auf der Primärseite vorgeschalteten Einrichtung zur Erzeugung von in der Amplitude modulierbaren Rechteckimpulsen, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator (2o) in der Weise ausgelegt ist, daß die Impulse zur Nullinie symmetrisch verlaufende Rechteckimpulse sind, daß der Isoliertransformator (32) auf der Primärseite mit einer Tertiärwicklung (42) versehen ist, daß der Primärwicklung (31) ein Verstärker (29) vorgeschaltet ist, dessen Eingang die Ausgangsspannung der Tertiärwicklung (42) aufgeschaltet ist, und daß der Sekundärwicklung (35) eine Gleichrichterbrücke (37) nachgeschaltet ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Gleichrichterbrücke (37) ein RC-Glied (39) kleiner Zeitkonstante angeordnet ist.

609841 /061 3