DE2543387C2

DE2543387C2 - Schaltbares Hochspannungsnetzgerät

Info

Publication number: DE2543387C2
Application number: DE2543387A
Authority: DE
Inventors: Michael Howard Bethel Conn. Kalamanash
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1974-09-30
Filing date: 1975-09-29
Publication date: 1985-03-07
Also published as: US3906333A; GB1519998A; IE43340L; IE43340B1; FR2286539B1; BR7506300A; JPS5161218A; DK146289B; CA1036219A; DK396475A; BE833814A; NL7511304A; IT1039965B; DK146289C; NL183557B; NL183557C; LU73461A1; DE2543387A1; FR2286539A1

Description

Die Erfindung betrifft ein geschaltetes Hochspannungsnetzgerät der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Es wird als bekannt vorausgesetzt, ein Hochspannungsnetzteil in Reihenschaltung mit der Sekundärwicklung eines Hochspannungs-Aufwärtstransformators zu verwenden, so daß der Primärwicklung des Aufwärtstransformators zugeführte Signale als Hochspannung zu der Spannung des Hochspannungsnetzteils addiert oder von derselben subtrahiert werden. Solche Anordnungen sind jedoch in der Verwendbarkeit auf die Hochspannungsumschaltung mit ausgeglichenem Tastverhältnis (bei dem die Dauer der positiven und negativen Halbwellen immer gleich ist) begrenzt oder es muß sich um Anordnungen handeln, die ein festes Tastverhältnis und einen Primärwicklungsschalttreiber haben, der für einen Gleichspannungswert von null bei dem festen Tastverhältnis sorgt.

Bei einem bekannten geschalteten Hochspannungsnetzgerät der eingangs genannten Art (Funk-Technik 1968, Nr. 1, S. 21 -23, Bild 3 und Bild 4) ist der mit der Primärwicklung in Reihe geschaltete Kondensator an den Ausgang des als Wandler bezeichneten Hochspannungs-Gleichspannungs-Netzteils angeschlossen. Dieser Wandler lädt den Kondensator auf etwa 320 V auf. Der als Thyristor ausgebildete Schalttreiber zündet dann und entlädt den Kondensator über die Primärwicklung des Hochspannungs-Aufwärtstransformators. Über die Sekundärwicklung des Aufwärtstransformators wird dabei die Hochspannung erzeugt, die hier die Ausgangsspannung einer Zündanlage ist. Wenn der Kondensator nur auf eine Spannung von 230 V aufgeladen wird, liefert die Sekundärwicklung des Aufwärtstransformators eine entsprechend niedrigere Sekundärspannung. Während der gesamten Zündperiode der Zündanlage bleibt der Wandler abgeschaltet, so daß der Kondensator nur durch Energierückgewinnung über eine Diode geladen wird. Bei diesen als Hochspannungs-Kondensator-Zündanlage ausgebildeten bekannten Hochspannungsnetzgerät ist es weder möglich noch vorgesehen, die von dem Aufwärtstransformator abgegebene Hochspannung bei beliebigem Tastverhältnis (d. h. beliebiger relativer Einschaltdauer des Thyristors) zu beeinflussen oder in ihrem Mittelwert konstantzuhalten. Bei einer Zündanlage spielt das keine Rolle, weil der Aufwärtstransformato^r auch noch bei niedrigerer Spannung an dem Kondensator eine ausreichende Zündspannung liefert. Eine solche Anordnung wäre aber nicht zur Spannungsversorgung einer Last geeignet, die eine Spannung konstanten Wertes benötigt, wie beispielsweise eine Katodenstrahlröhre.

Weiter ist bereits ein Gleichstromübertrager mit variablem Übersetzungsverhältnis bekannt (DE-OS 18 04 430), bei dem Teil-Sekundärwicklungen mit Hilfe von steuerbaren Ventilen zugeschaltet werden können, um das Übersetzungsverhältnis zu ändern, nachdem an die Primärwicklung angeschlossene Schalter durch einen Frequenz-Generator umgeschaltet worden sind. Ein Steuergerät steht mit dem Frequenz-Generator in Verbindung und erhält von letzterem die Umschaltzeitpunkte. In dem Steuergerät kann eine relative zeitliche Verzögerung für den Schaltzeitpunkt der steuerbaren Ventile gegenüber dem Umschaltzeitpunkt auf der Primärseite eingestellt werden. Das Verhältnis der Zeitverzögerung zur Schaltperiode auf der Primärseite ist ein Maß für die Veränderung des Übersetzungsverhältnisses. In diesem Fall sind somit zwar Mittel zur Verknüpfung eines Steuersignals mit einer zu steuernden Einrichtung vorgesehen, diese Anordnung ist jedoch ebenfalls nicht zur Spannungsversorgung einer Last geeignet, die eine Spannung konstanten Wertes benötigt, wie beispielsweise eine Katodenstrahlröhre.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein geschaltetes Hochspannungsnetzgerät der eingangs genannten Art so auszubilden, daß es sowohl auf Gleichspannungswertänderungen als auch auf Wechselspannungswertänderungen anspricht und dabei mit im wesent'ichen beliebigem Tastverhältnis arbeitet.

Diese Aufgabe ist durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei dem geschalteten Hochspannungsnetzgerät nach der Erfindung wird mit den Gleichspannungen an dem Kondensator das Hochspannung-Gleichspannungs-Netzteil über dessen Steuereingang beeinflußt, wodurch sich bei beliebigen Tastverhältnissen eine Hochspannungsgleichstromumschaltung durchführen läßt und wodurch sich Gleichspannungswertänderungen über das Hochspannungsnetzgerät programmieren lassen. Bei dem geschalteten Hochspannungsnetzgerät nach der Erfindung läßt sich im Gegensatz zu der eingangs erwähnten bekannten Kondensator-Zündanlage dadurch, daß der an der Sekundärwicklung des Aufwärtstransformators anliegenden Spannung eine an die Primärwicklung des Aufwärtstransformators angelegte niedrige Gleichspannung überlagert wird, die Ausgangsspannung des Hochspannungsnetzgerätes beeinflussen.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 hat der Aufwärtstransformator zwei Sekundärwicklungen, von denen jede mit einem Hochspannungs-Gleichspannungs-Netzteil in Reihe geschaltet ist, wobei jedes Hochspannungs-GIeichspannungs-Netzfil durch die Gleichspannung gesteuert wird, welche an dem mit der Primärwicklung des Aufwärtstransformators in Reihe geschalteten Kondensator aufgebaut wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher ic beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild eines geschalteten Hochspannungsnetzgerätes nach der Erfindung,

F i g. 2 ein Diagramm, welches in dem Hochspannungsnetzgerät nach Fig. 1 auftretende Spannungen zeigt, und

F i g. 3 ein Blockschaltbild eines geschalteten Hochspannungsnetzgerätes, das zwei Hochspannungs-Gleichspannungs-Netzteile aufweist.

Ein in F i g. 1 dargestelltes geschaltetes Hochspannungsnetzgerät enthält ein Hochspannungs-GIeichspannungs-Netzteil 10, dessen Ausgang 12 mit einer Sekundärwicklung 14 eines Hochspannungs-Aufwärtstransformators 16 in Reihe geschaltet ist, dessen Primärwicklung 18 zwischen dem Schalttreiber 20 und einem an Masse angeschlossenen Kondensator 22 liegt. Die Sekundärwicklung 14 ist über einen Dämpfungswiderstand 23 an eine Anode einer Katodenstrahlröhre 24 angeschlossen, welche in F i g. 1 als Last in Form eines großen Kondensators 26 dargestellt ist. Die Hochspannung an dem Ausgang 12 wird an einem großen Filterkondensator 28 aufgebaut, und zwei Widerstände 30,32 bilden einen Spannungsteiler, der eine Rückkopplungsspannung liefert, welche über einen Widerstand 34 an einen invertierenden Steuereingang 36 eines Differenz-Verstärkers 38 angelegt wird, der das Eingangssignal an einem Gleichspannungswandler 40 und dadurch die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 40 an dessen Ausgang 12 steuert. Der Differenzverstärker 38 hat einen weiteren Eingang 42, der mit einer Referenzspannungsquelle 44 verbunden ist, die eine Referenzspannung Vref liefert. Die Spannung an dem Kondensator 22 wird in einem Verstärker 49 invertiert, durch zwei als Spannungsteiler geschaltete Widerstände 46, 48 geteilt und über eine Leitung 50 an den Steuereingang 36 des Differenzverstärkers 38 eingelegt.

Es sei angenommen, daß der Schalttreiber 20 an der Primärwicklung 18 die in Fig. 2 links oben gezeigte Spannung einprägt. Weil es unmöglich ist, daß sich eine Gleichspannung an der Primärwicklung 18 sofort aufbaut, ist es auch unmöglich, daß ein Gleichspannungsmittelwert an der Primärwicklung aufrechterhalten bleibt. Deshalb wird an dem Kondensator 22 eine positive Spannung V₁. aufgebaut, die die mittlere negative Spannung ausgleicht, welche daraus resultiert, daß die Primärwicklung 18 des Aufwärtstransformators um einen mittleren Spannungswert von null arbeitet. Da die Sekundärwicklung 14 eine Spannung mit derselben Wellenform wie die Primärwicklung bilden wird, wird deren Spannung von einem negativen auf einen positiven Wert schwingen, falls sie nicht korrigiert wird. Bei dem hier beschriebenen geschalteten Hochspannungsnetzgerät erfolgt eine solche Korrektur dadurch, daß die Spannung V₁. an dem Kondensator 22 über den Widerstand 46 und den invertierenden Verstärker 49 an den Eingang 36 des Differenzverstärkers 38 angelegt wird, welcher eine positive Verschiebung einer äquivalenten Hochspannung an dem Ausgang des Gleichspannungswandlers 40 bewirkt Die Verstärkung ab dem Eingang des Differenzverstärkers 38 bis zu dem Ausgang 12 des Gleichspannungswandlers 40 sollte daher in bezug auf Spannungen an dem Kondensator 22 gleich dem Aufwärtswindungsverhältnis des Aufwärtstransformators 16 sein. Wenn der Aufwärtstransformator 16 ein Aufwärtswindungsverhältnis von eins zu tausend hat, wird daher eine Spannungsänderung von 5 V von der Primärwicklung 18 eine Spannungsänderung von 5 kV an der Sekundärwicklung 14 ergeben, wobei aber der unkorrigierte Spannungshub an der Sekundärwicklung 14 von —2 kV bis +3 kV reichen würde.

Wenn aber andererseits das Tastverhältnis geändert wird, wie es in der rechten Hälfte von F i g. 2 dargestellt ist, dann wird versucht, eine sogar noch größere positive Gesamtspannung an der Primärwicklung 18 einzuprägeii, was bewirkt, daß die Spannung an der Primärwicklung von —3 V bis +2 V schwingt und daß die Spannung an der Sekundärwicklung 14 zwischen —3 kV und + 2 kV schwingt. In der Ausführungsform nach Fig. 1 bewirkt das, daß an dem Kondensator 22 eine Spannung von +3 V gebildet wird. Wenn angenommen wird, daß der Gleichspannungswandler 40 eine Nennausgangsspannung von 10 kV hat, so würde diese Hochspannung, falls sie nicht korrigiert wird, über den Widerstand 23 an die Katodenstrahlröhre 24 angelegt werden und von 8 kV auf 13 kV (linke Seite von F i g. 2) oder von 7 kV auf 12 kV (rechte Seite von F i g. 2) schwingen, je nach dem Tastverhältnis des Eingangssignals. Weil jedoch die Spannung an dem Kondensator 22 an den Differenzverstärker 38 angelegt wird, wird die Spannung von +2 V oder +3 V nach der doppelten Invertierung durch den invertierenden Verstärker 49 und den Differenzverstärker 38 in +2 kV bzw. +3 kV umgewandelt, so daß die mittlere Spannung an der Sekundärwicklung 14 wieder

10 kV beträgt und von 5 kV bis 15 kV schwingt.
Indem Hochspannungs-Gleichspannungs· Netzteil 10

können die Widerstände 30 und 32 in dem Verhältnis von 1000 :1 stehen. Der Dämpfungswiderstand 23 sollte zumindest eine kritische Dämpfung und besser noch eine Überdämpfung bewirken, um Schwingungen bei verschiedenen Schaltfrequenzen und Tastverhältnissen zu verhindern. Auf diese Weise ist es möglich, Schaltfrequenzen von 250 Hz bei Spannungsschwingungen von 7 kV von Spitze zu Spitze mit einer Primärwicklung 18 von 172 Windungen und einer Sekundärwicklung 14 von

11 083 Windungen zu erreichen.

Weil der Gleichspannungswandler 40 in negativer Richtung ausschwingen kann (wegen des unipolaren Verhaltens desselben, das sich aufgrund der darin enthaltenen Gleichrichter ergibt), kann jeder geeignete Gleichspannungswert an die Primärwicklung 18 angelegt und an dem Kondensator 22 aufgebaut werden, um an den Differenzverstärker 38 angelegt zu werden, wie es oben mit Bezug auf mittlere Gleichspannungswerte beschrieben ist, die aus Änderungen im Tastverhältnis resultieren. Das heißt, wenn der gesamte Betriebsspannungswert von 10 kV (der Nennausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 40) auf 12 kV erhöht werden soll, kann jeder angelegten Spannungsschwingung ein Gleichspannungswert von 2 V überlagert werden, was in dem hier beschriebenen Beispiel zu einer Erhöhung der Nennausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 40 um 2 kV führt.

In F i g. 3 ist eine Modifizierung der Ausführungsform nach F i g. 1 dargestellt. Ein Hochspannungstransformator 16;) hai zwei Sekundärwicklungen 14;!. 14/> jeweils in Reihe mit einem entsprechenden Hochspannung!»-

Gleichspannungs-Netzteil 10a bzw. 106 und einem zugehörigen Dämpfungswiderstand 23a bzw. 23b. Die Schaltungsanordnung 10a, 14a, 23a speist die Anode 26 einer Katodenstrahlröhre, und die Schaltungsanordnung 106, 140, 236 speist eine elektrostatische Fokussiervorrichtung 51 der Katodenstrahlröhre. Die an dem Kondensator 22 aufgebaute Spannung wird durch den Verstärker 49 invertiert (was richtig ist, weil dem Kondensator kein Strom entnommen wird) und über die Spannungsteilerwiderstände 46, 48 und Trennwiderstände 52, 54 über Leitungen 56, 58 an die invertierenden Steuereingänge 36a bzw. 366 der Hochspannungs-Gleichspannungs-Netzteile 10a bzw. iOb angelegt. Die Trennwiderstände 52,54 trennen jede der beiden Schaltungsanordnungen von der Rückkopplung der anderen (vgl. Fig. i). jede der beiden Schaiiungsanördnungen, die der einen bzw. anderen Sekundärwicklung in F i g. 3 entspricht, arbeitet genau so, wie es oben mit Bezug auf F i g. 1 beschrieben worden ist.

Der Hochspannungsteil der Hochspannungsnetzgerate nach den Fig. 1 und 3 verbraucht im wesentlichen keine Energie, mit Ausnahme der kleinen Stromwärmeverluste in den Dämpfungswiderständen 23a, 236. Die größten Energieverluste treten deshalb in dem Schalttreiber 20 auf, der aber in herkömmlicher Technik so ausgebildet werden kann, daß diese Verluste minimal sind.

Zum Minimieren der Verlustleistung in dem Hochspannungs-Gleichspannungs-Netzteil als Folge von Änderungen der Hochspannungsausgangsgleichspannung wegen der an dem Kondensator 22 gebildeten Spannungen sollte ein Hochspannungs-Gleichspannungs-Netzteil benutzt werden, das mit geschalteter Spannungsregelung arbeitet. Statt dessen kann aber irgendein Hochspannungs-Gleichspannungs-Netzteil mit einem Steuereingang benutzt werden, dem ein Signal zugeführt wird, wie es von dem Rückkopplungszweig geliefert wird, der mit einem Abgriff nach F i g. 1 versehen ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

45

50

55

60

65

Claims

Patentansprüche:

1. Geschaltetes Hochspannungsnetzgerät mit einem Hochspannungs-Gleichspannungs-Netztcil (10), das einen Steuereingang (36) hat, mit einem Hochspannungs-Aufwärtstransformator (16), der eine Primärwicklung (18) und wenigstens eine Sekundärwicklung (14) aufweist und zwischen dem Hochspannungs-Gleichspannungs-Netzteil (10) und einer Last (26) angeordnet ist, wobei die Sekundärwicklung (14) in Reihe zwischen den Ausgang (12) des Hochspannungs-Gleichspannungs-Netzteils (10) und die Last (26) geschaltet ist, und mit einem mit der Primärwicklung (18) in Reihe geschalteten Kondensator (22), an welche Reihenschaltung ein Schalttreiber (20) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (46, 48, 49, 50) zum Anlegen von an dem Kondensator (22) aufgebauten Gleichspannungen (V₁) an den Steuereingang (36) des Hochspannungs-Gleichspannungs-Netzteils (10) vorgesehen ist, um die Ausgangsspannung unabhängig vom Tastverhältnis des Schalttreibers (20) konstantzuhalten.

2. Hochspannungsnetzgerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein weiteres Hochspannungs-Gleichspannungs-Netzteil (iOb) mit einem Steuereingang (36b), durch eine weitere Sekundärwicklung (14b) in Reihe zwischen dem Ausgang des weiteren Hochspannungs-Gleichspannungs-Netzteils (lOty und einer weiteren Last (51) und durch eine weitere Einrichtung (54, 58) zum Anlegen der an dem Kondensator (22) aufgebauten Gleichspannungen (V₁) an den Steuereingang (36b) des weiteren Hochspannungs-Gleichspannungs-Netzteils(10£>/