DE2514805B2 - Anordnung zur leistungssteuerung von hochspannungs-elektronenstrahlerzeugern - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Leistungssteuerung eines Hochspannungs-Elektronenstrahlerzeugers mit einer Kathode und einer der Kathode zugeordneten Steuerelektrode, bei der von einem auf Erdpotential liegenden Impulsgenerator Rechteck-Spannungsimpulse abgegeben werden, die mit Hilfe eines Hochspannungs-lsoliertransformators mit einer im wesentlichen auf Erdpotential liegenden Primärwicklung und einer auf Hochspannungspotential liegenden Sekundärwicklung in den auf Hochspannungspotential liegenden Teil der Anordnung übertragen werden.

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 Glühkathode, die Vorspannung der Steuerelektrode und/oder die angelegte Beschleunigungsspannung variiert werden.

Bei Hochspannung.selektronenstrahlerzeugern.die im allgemeinen mit einer Anodenspannung oberhalb 20 Kilovolt betrieben werden und die daher bei gegebener Leistung einen relativ geringen Strahlstrom aufweisen, ist in der Nähe der Katode eine zy'inderförmige Steuerelektrode angeordnet, die häufig auch als Wehnelt-Zylinder bezeichnet wird. Mit dieser Steuerelektrode ist es möglich, den Strahlstrom zwischen 0 fts und 100% zu verändern. Zu diesem Zweck wird an die Steuerelektrode eine gegenüber der Katode in ihrer AmDÜtude variable, negative 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 Elektronenstrahlerzeuger liegt je nach Ausführung der Steuerelektrode bei einigen Kilovolt. Bei gleichem Potential von Katode und Steuerelektrode wird der maximale Sirahlstrom erreicht.

Durch die DT-AS U 31 760 ist eine Anordnung der eingangs beschriebenen Art bekannt, bei der die Steuerelektrode p.eriodisch 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 Leistungspeg;el allerdings veränderbar ist. Die Leistung kann dabei auch durch die relative Einschaltdauer des Elektronenstrahls beeinflußt werden. Bei dem vorbekannten System wird jedoch keine Gleichspannungskomponente der Steuerspannung auf die Steuerelektrode übertragen, so daß keine kontinuierliche Leistungssteuerung des Elektronenstrahlerzeuger 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 Isoliertransformatcrs begrenzt, und zwar auf etwa 50 bis 100 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 Insoliertransformators einwandfreie Rechteckimpulse vorgegeben werden. Die Ursache ist auf das dynamische Verhalten der magnetischen Koppelung der beiden Kreise innerhalb des Transformators zurückzuführen. Es handelt 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 vorliegenden Erfindung dadurch, daß der Hochspannungs-Isoliertransformator auf der auf Erdpotential liegenden Seite eine Kontrollwicklung aufweist, das die Anordnung einer auf Erdpotential liegenden Steuereinrichtung enthält, der außer dem Sollwert des Strahlstroms auch die an der Kontrollwicklung abgegriffene Spannung zugeführt wird, daß die vom Impulsgenerator abgegebenen Spannungssignale in der Steuereinrichtung so verändert werden, daß die an der Sekundärwicklung abgegriffene Spannung Reckteckverlauf aufweist, daß die Sekundärwicklung an einem Zweiweggleichrichter angeschlossen ist und die Ausgänge des Zweiweggleichrichters mit der Kathode und der Steuerelektrode verbunden sind.

Durch die Eingabe der Ausgangsspannung der

Kontrollwicklung in den Verstärker wird erreicht, daß die Kurvenform der Impulse auf der Primärscite in der Weise beeinflußt wird, daß die Spannung auf der Sekundärseite und an der Tertiärwicklung genau der gewünschten Rechteckspannung entspricht. Die Kontrollwicklung dient nämlich dazu, ein Spannungssignal zu gewinnen, das demjenigen auf der Sekundärseite des Transformators entspricht. Durch einen Vergleich dieser Spannung mit dem vorgegebenen Rechtecksignal wird durch entsprechende Verstärkung ein Regelvorgang bewirkt, der die Xurvenform 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 '5 entstehende Gleichspannung besteht aus eine^- 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 Impulse zur Nullinie symmetrisch verlaufende Rechteckimpulse sind, hat den Zweck, daß die einzelnen Impulse sich — im Gegensatz zum Stande der Technik — lückenlos aneinanderreihen. Durch den Zweiweg-Gleichrichter 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 Kathodenpotential 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 Hochspannungsseite 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 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 bei 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 zum Zweiweg-Gleichrichter ein flC-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 10 ein Hochspannungs-Elektro· nenstrahlerzeuger bezeichnet, der aus einem an Masse liegenden Gehäuse 11, einer Katode (Glühkatode) 12 und einer Steuerelektrode (Wehnelt-Zylinder) 1.3 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 eines Durchführungsisolators 17 durch das Gehäuse 11 hindurchgeführt. Eine Beschleunigungsanode 18 ist Teil des Gehäuses. Aufgrund der dargestellten — bekannten — Anordnung wird bei entsprechender Spannungsbaufschlagung ein Elektronenstrahl 19 gebildet, der für die einleitend beschriebenen Zwecke verwendet werden kann.

Die Anordnung zur Leistungssteuerung besitzt einen Impulsgenerator 20, der in der Weise ausgeführt ist, daß die Impulse zur Nullinie symmetrisch verlaufende Rechteckimpulse von konstanter Amplitude und konstanter Frequenz sind. Die Frequenz liegt beispielsweise bei 10 kHz. 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 Vergleichseiiirichtung 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 einem Zweiweg-Gleichrichter 37 verbunden ist. In dieser werden die Ausgangsimpulse des Isoliertransformators 32 gleichgerichtet, wobei aufgrund der Auslegung des Impulsgenerators 20 eine lückenlose Reihe von Impulsen entsteht, deren Hüllkurve dem Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung 24 entspricht. Das Ausgangssignal des Zweiweg-Gleichrichters 37 ist über die Leitung 16 sowie eine weitere Leitung 38 der Steuerelektrode 13 einerseits und der Kathode 12 andererseits aufgeschaltet. Parallel zur Zweiweg-Gleichrichter 37 ist ein /?C-Glied 39 angeordnet, welches aus einem ohmschen Widerstand 40 und einem Kondensator 41 besteht. Der Kondensator 41 dient nur dazu, Schaltspitzen zu kappen, während der Widerstand 40 bewirkt, daß die Steuerspannung für die Steuerelek-

trode 13 des Strahlerzeugers mit einem niedrigen Innenwiderstand auftritt, wodurch die elektrostatische Aufladung der Steuerelektrode 13 verhindert wird. Der Isoliertransformator 32 besitzt zusätzlich eine Kontroll· wicklung 42, die zusammen mit der Primärwicklung 31 auf der Priniärseite des Transformators angeordnet ist. Die Ausgangsspannung der Tertiärwicklung 42 ist über einen Vcrstellwiderstand 43 und eine Leitung 44 gleichfalls dem Verstärker 29 aufgeschaltet. Die dadurch gebildete Rückführung dient in Verbindung mit der Kontrollwicklung 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 Kontrollwicklung 42 dient da/u, eine Spannung, wie sie ähnlich auf der Sekundärseile des Transformators auftritt, zu gewinnen Durch einen Vergleich dieser Spannung mit den über die Leitung 28 angelieferten Impulsen wird durch der Verstarker 29 ein Regelvorgang bewirkt, der die Kurvenform der Primärspannung am Isoliertransforma tor 32 so beeinflußt, daß die Spannung an det KontrollwiL-klung exakt der Impulsspannung an dei Leitung 28 entspricht. Hierdurch wird auf dei

,o Sekundärseite ebenfalls ein gleicher Spannungsverlaul erzeugt, der in dem Zweiweg-Gleichrichter 37 in einv Gleichspannung umgesetzt wird, die als Hüllkurve vor lückenlos aneinandergereihten Einzelimpulsen interpre tiert werden kann. Das der Hüllkurve entsprechende Spannungssignal dient zur Beaufschlagung des Steuer Zylinders 13, wie oben angegeben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Leistungssteuerung eines Hochspannungs-Elektronenstrahlerzeugers mit einer Kathode und einer der Kathode zugeordneten Steuerelektrode, bei der von einem auf Erdpotential liegenden Impulsgenerator Rechteck-Spannungsimpulse abgegeben werden, die mit Hilfe eines Hochspannungs-Isoliertransformators mit einer im wesentlichen auf Erdpotential liegenden Primärwicklung und einer auf Hochspannungspotentail liegenden Sekundwärwicklung in den auf Hochspannungspotential liegenden Teil der Anordnung übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochspannungs-lsoliertransformator auf der auf Erdpotential liegenden Seite eine Kontrollwicklung aufweist, daß die Anordnung eine auf Erdpotential liegende Steuereinrichtung enthält, der außer dem Sollwert des Strahlstroms auch die an der Kontrollwicklung abgegriffene Spannung zugeführt wird, daß die vom Impulsgenerator abgegebenen Spannungsimpulse in der Steuereinrichtung so verändert werden, daß die an der Sekundärwicklung abgegriffene Spannung Rechteckverlauf aufweist, daß die Sekundärwicklung an einem Zweiweggleichrichter angeschlossen ist und die Ausgänge des Zweiweggleichrichters mit der Kathode und der Steuerelektrode verbunden sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Zweiweggleichrichter (37) ein RC-GWed (39) kleiner Zeitkonstante angeordnet ist.