DE2811908A1

DE2811908A1 - Anordnung mit einem transformator fuer sich sprungfoermig aendernde spannungen

Info

Publication number: DE2811908A1
Application number: DE19782811908
Authority: DE
Inventors: Pieter Van Dijk; Cornelis Willem Elenga; Alfred Johannes Van Der Zwart
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1977-03-30
Filing date: 1978-03-18
Publication date: 1978-10-12
Also published as: SE416165B; GB1560618A; CA1098584A; DE2811908C2; US4176310A; JPS53122725A; FR2386113B1; NL7703425A; IT7821632A0; AU3446378A; FR2386113A1; JPS6214989U; SE7803431L; IT1093719B; ES468303A1

Description

-X-

. ·3 PHN 8732

R. V. Philips' ßb8i!anG:;]i2j^r::';?n, Eindhoven ° veen/cb

2811908 ¹·⁹·¹⁹⁷⁷

Anordnung mit einem Transformator für sich, sprungförmig ändernde Spannungen.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung

mit einem Transformator für sich sprungförmig ändernde Spannungen.

Ein Nachteil bei derartigen Anordnungen

ist es, dass eine der Primärseite des Transformators zugeführte, sich sprungförmig ändernde Spannung (beispielsveiee ein einziger Spannungssprung oder eine Rechteckspannung) 1_0 an der sekundären Seite eine gedämpfte Schwingung verursacht, Dies ist vorwiegend die Folge der Streuinduktivität und der Streukapazität des Transformators.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs erwähnten Art derart

809841/068 9

-Z- '"' PHN 8732

verbessern, dass dieser Nachteil zum grössten Teil beseitigt ist. Die erfindungsgemässe Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass in eine Leitung an der Primärseite des Transformators zumindest ein induktives Element aufgenommen ist, dessen Induktivität

einige Male grosser ist als die Streuinduktivität des Transformators, und das mit einem oder mehreren gleichrichtenden Elementen eine Schaltung bildet, die die Eigenschaft hat, dass bei der Umkehrung des Vorzeichens 1© . der Spannung zwischen den Anschlussklemmen dieser Schaltung der Strom durch das (die) induktive(n) Elemente) nicht die Richtung wechselt.

Eine Ausführungsform der erfindungs-

gemässen Anordnung, die ausser für einen einzigen Spannungssprung auch für eine Rechteckpannung den oben erwähnten Nachteil beseitigt, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung den Strom in beiden Richtungen nahezu gleich gut leitet.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Rechteckschaltung eines

Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemässen Anordnung, und zwar eine Hochspannungsversorgung für eine Röntgenröhre.
Fig. 2 ein Ersatzschema für einen

809841/0689

-2- PHN 8732

in der Anordnung nach. Fig. 1 benutzten Hochspannungstransformator,

Fig. 3 ein Spannungs-Zeitdiagramm

zur Veranschaulichung der Nachteile des in Fig. 2 dargestellten Transformators,

Fig. K bis 6 eine Anzahl von Ausführungsbeispielen von Schaltungen zur Beseitigung dieser Nachteile,

Fig. 7 ein Spannungs-Zeitdiagramm, das zu einer Abwandlung der erfindungsgemässen Anordnung gehört,

und Fig. 9 ein Ausführungsbeispiel einer

Schaltung zur Verwirklichung des Spannungs-Zeitdiagramm nach Fig. 8.

In Fig. 1 ist 1 ein Gleichrichter, der über die Anschlussklemmen 3 und 5 mit dem Lichtnetz verbunden werden kann und eine (vorzugsweise regelbare) Gleichspannung zu einem Umformer 7 liefert, der die Gleichspannung in eine Rechteckspannung mit einer Frequenz beispielsweise von 200 Hz umsetzt. Diese Rechteckspannung wird über eine Schaltung 9> die weiter unten erläutert wird, der Primärseite eines Hochspannungstransformators 11 zugeführt, dessen Sekundärseite über einen Brückengleichrichter 12 mit einer Röntgenröhre 13 verbunden ist. Die vom Transformator 11 hochtrans-

809841/0689

->* £ PHN 8732

2811308

formierte und vom Bruckenglexchricliter 12 gleichgerichtete Rechteckspannung bildet die Hochspannung für die Röntgenröhre 13.

Fig. 2 zeigt ein Ersatzschema des Hochspannungstransformators 11, der aus einem Idealtransformator 15 besteht, dessen Primärwicklung die Streuinduktivität 19 und der Kupferwiderstand 17 in Reihe und die Streukapazität 21 parallel geschaltet ist, die vorwiegend aus der Sekundärwbklung herrührt. Wenn den Eingangsklemmen 23 und 25 einer derartigen Schaltung eine sich sprungförmlg von 0 nach U ändernde Spannung u. (siehe Fig. 3) zugeführt wird, führt die an den Ausgangsklemmen 29 und 31 erscheinende Spannung TJ eine gedämpfte Schwingung um ihren endgültigen Wert aus.

Dieser Verlauf ist mit Hilfe der gestrichelt dargestellten Kurve TJ in Fig. 3 qualitativ dargestellt. Diese Erscheinung wird dadurch verursacht, dass beim Aufladen der Kapazität 21 durch den die Streuinduktivität 19 durchfliessenden Ladestrom magnetische Energie in der Streuinduktivität· gespeichert wird, die später zu einer zusätzlichen Aufladung der Kapazität führt.

In vielen Fällen ist ein Spannungsverlauf gemäss der Kurve TJ nicht zulässig. So verursacht-ein derartiger Verlauf beispielsweise zu hohe Spannungen an der Röntgenröhre 13 in der in Fig. 1 dar-

809841/0689

-s,- ~\, PHN 8732

2B1190R

gestellten Schaltung, wodurch dieser Röhre beschädigt werden kann. Es ist daher erwünscht, die Schwingungen an den Ausgangsklemmen 29 und 31 möglichst zu vermeiden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass dafür gesorgt wird, dass für das zusätzliche Aufladen der Streukapazität kein Strom verfügbar ist. Die Röntgenröhre 13 nimmt im Spannungsgebiet, in dem ihre Betriebsspannung liegt, einen nahezu konstanten, von der Betriebsspannung unabhängigen Strom auf. Sie verhält sich als Belastung des Transformators 11 also als eine (negative) Stromquelle. Wenn man nunmehr dafür sorgt, dass der Strom an der Primärseite des Transformators 11 ebenfalls konstant bleibt, ist für das zusätzliche Aufladen der Streukapazität kein Strom verfügbar und behält die Sekundärspannung ihren gewünschten Wert. Um dies zu erreichen, ist die Schaltung 9 in die Anschlussleitung an der Primärseite des Transformators 11 aufgenommen.

Ein erstes Ausführungsbeispiel dieser Schaltung ist in Fig. K dargestellt. Die Ausführung eignet sich insbesondere zum Unterdrücken von Schwingungen, wenn die Eingangsspannung aus einem einzigen Spannungssprung besteht, wie er in Fig. 3 mit U. angegeben ist. Die Schaltung besitzt Eingangsklemmen 35 und 37 und besteht in diesem Beispiel aus einer Spule 39 j der ein Gleichrichter (Diode) kl so parallel

80-9841/0689

. PHN 8732

geschaltet ist, dass seine Durchlassrichtung von der Klemme 23 zur Eingangsklemme 35 gerichtet ist. Venn den Klemmen 35 und 37 ein Spannungssprung zugeführt wird, wobei die Klemme 35 positiv ist, leitet die Diode 4i nicht, so dass der ganze Aufladestrom für die Kapazität 21 die Spule 39 durchfliesst. Die Induktivität der Spule 39 ist bedeutend grosser als die Streuinduktivität 19 (beispielsweise zehnmal bis hundertmal grosser), so dass die magnetische Energie zum grössten Teil in dieser Spule gespeichert wird. •In dem Augenblick, in dem die Spannung an der Klemme 23 die Spannung an der Klemme 35 übersteigt, wird die Diode 41 leitend, so dass die Energie in der Spule über diese Diode abgeleitet werden kann. Diese Energie ist also zum Erzeugen von Schwingungen nicht verfügbar. Hierfür kommt nur die in dei- Streuinduktivität 19 gespeicherte Energie in Betracht, die jedoch ein derartig Heiner Bruchteil der magnetischen Gesamtenergie ist, dass bedeutsame Schwingungen nicht auftreten.

Die Schaltung nach Fig. h kann sowohl für positive als auch für negative Spannungssprünge (oder für Rechteckspannungen) dadurch geeignet gemacht werden, dass zwischen die Klemmen 37 und 25 die gleiche Parallelschal ung einer Spule und einer Diode wie zwischen den Klemmen 35 und 23 aufgenommen

809841/OS89

-7- PHN 8732

. 3

wird. Vorzugsweise wird man jedoch die Schaltung 9 so ausführen, dass alle Elemente zwischen die Klemmen 35 und 23 aufgenommen sind. Ein Beispiel einer Schaltung, bei der dies der Fall ist, und die dennoch für Rechteckspannungen geeignet ist, ist in Fig. 5 dargestellt.

Die Schaltung 9 enthält hier eine Spule 43, die mit einer Diode 45 sowie eine Spule 47 die mit einer Diode 49 in Serie geschaltet ist. Diese beiden Serienkreise sind derart parallel geschaltet, dass die Dioden antiparallel stehen, d_eh. ihre Durchlassrichtungen sind entgegengesetzt gerichtet. Die Spulen 43 und 47 sind weiter über einen Ferromagnetkern 51 magnetisch miteinander gekoppelt, wobei die ¥ickelrichtungen der Spulen so gewählt sind, dass entgegengesetzt gerichtete Ströme in den Spulen gleichgerichtete magnetische Felder im Kern erzeugen. Die Wirkung dieser Schaltung ist wie folgt. Wenn eine Rechteckspannung den Klemmen 35 und zugeführt wird, ist beispielsweise zunächst die Klemme 35 positir. In diesem Fall leitet die Diode 45 und lädt sich die Kapazität 21 über die Spule 43 auf. Wenn die Spannung an der Klemme 23 die Spannung an der Klemme überschreitet, wird die Diode 49 leitend, so dass durch die im Kern 5I gespeicherte magnetische Energie ein umlaufender Strom die Spulen 43 und 47 und die Dioden 49 und 35 durchfliesst. Die gespeicherte Energie trägt

809841/0 6-8 9

-£- " PHN 8732

AO

also nicht zu einem weiteren Aufladen der Kapazität 21 bei. Da auch in diesem Fall die Induktivität der Spulen 43 und 47 viel grosser als die Streuinduktivität 19 gewählt wird, werden keine wesentlichen Schwingungen auftreten.

Wenn nach einiger Zeit die Spannung an den Klemme 35 und 37 umkippt, so dass die Klemme 35 negativ wird, leitet die Diode 4-5 nicht mehr und die Kapazität 21..vwird über die Spule 47 umgekehrt augeladen, bis die Spannungen an den Klemmen 23 und 35 wiederum gleich sind, wonach erneut ein umlaufender Strom entsteht. Dieser Zyklus wiederholt sich in jeder Periode der zugeführtan Rechteckspannung. Aus obiger Beschreibung ist ersichtlich, dass die Stromrichtung in den beiden Spulen 43 und 47 immer gleich gleibt und die Stromstärke keine grossen Änderungen aufweist. Dadurch ist die Schaltung trotz der grossen Induktivität schnell genug, um eine zugeführte Rechteckspannung von einigen hundert Hz nahezu unverzerrt dur chzulas s en.

Bei der in Fig. 5 dargestellten

Ausführungsform der Schaltung 9 werden zwei Spulen 43 und 47 benötigt. Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform, die preisgünstiger ist, weil sie nur eine Spule 53 enthält.

Zwar sind hierbei vier Dioden 55> 57» 59 und 61 ver-

809841/0689

S- , PHN 8732

281130Β

wendet, aber die zwei zusätzlichen Dioden sind preisgünstiger als eine Spule» Die vier Dioden sind so geschaltet, dass sie einen Brückengleichrichter bilden, wobei die Spule 53 mit den Gleich-Spannungsanschlüssen 63 und 65 verbunden ist_s während die Wechselspannungsanschlüsse durch die in der Anschlussleitung des Transformators 11 befindlichen Klemmen 35 und 23 gebildet werden»

Wenn die Klemme 35 positiv ist in bezug auf die Klemme 23 _s sind die Dioden 55 und 57 leitend, und der Strom durchfliesst über diese Dioden die Spule 53 vom Anschluss63 zum Anschluss 65» Wenn die Klemme 23 in bezug auf die Klemme 35 positiv ist, leiten.die beiden anderen Dioden 59 und 61, aber die Stromrichtung in der Spule 53 ist ungeändert. •Auch in diesem Fall bleibt also die magnetische Energie im Spulenkern gespeichert, und wird nicht für Schwingungen verbraucht«

Abhängig von den Werten der Induktivität der Spulen kj, hl oder 53 (L₁), 19 (L_p), des Widerstandes 17 (β) und der Kapazität 21 (c) kann bei den beschriebenen Schaltungen noch eine Komplikation araftreten, die an Hand der Fig« 7 näher erläutert wird.

Es sei angenommen, dass in einem

BO984 1 /0 68

- H)- - PHN 8732

bestimmten Augenblick sowohl die Eingangsspannung U. (die Spannung zwischen den Klemmen 35 und 37» in der Fig. 7 als ausgezogene Kurve dargestellt) als auch die Aus gang s spannung TJ (die Spannung an der Röhre 13» in Fig. 7 gestrichelt dargestellt) gleich -U ist.

Zum

Zeitpunkt t₁ geht U. nach +U . Durch die Kapazität

C des Kondensators 21 folgt U diesem Sprung mit einiger Verzögerung und erst zum Zeitpunkt t„ ist sie gleich +U . Über der Serienschaltnng von L₁ und L„ liegt also in einiger Zeit nach t^ eine Spannung U - U , wodurch in L₁ und L„ ein Strom I aufgebaut wird. Dieser Strom ist der schraffierten Oberfläche 67 in Fig. 7 proportional, da die Gleichung gilt:

1 I = τ

J (^Um-^Un)^dt (1)

Ab dem Zeitpunkt t_ läuft dieser Strom durch die Spule 53 und die Diodenbrücke um. ¥enn die Spannung U.

wiederum von +U nach -U umgeschaltet wird, geschieht m m jo

das gleiche, so dass der umlaufende Strom immer grosser wird. Schliesslich stellt sich ein Gleichgewicht ein, wobei der Stromanstieg bei jeder Umschaltung gleich dem Stromabfall zwischen zwei Umschaltungen ist. Dieser Stromab fall Δ I wird durch die Spannung U₁. über L₁ nach

i-f I

folgender Formel bestimmt :

B09841/0689

1 *^τ

_L Γ

PHN 8732

Hierin ist T die Periode der rechteckförmigen Eingangs spannung U..

Die Praxis hat herausgestellt, dass der umlaufende Strom viele Male grosser sein kann als der durch die Röhre 13 aufgenommene Strom. In diesem Fall arbeitet L₁ nicht mehr als eine Stromquelle zur Grosse des Belastungsstroms, so dass der Nutzeffekt der Schaltung 9 zumindest teilweise verloren geht.

Es wird klar sein, dass der umlaufende Stromüeiner gemacht werden kann, indem I kleiner oder Δ I grosser gemacht wird. Aus (2) ist ersichtlich, dass letzteres durch Vergrösserung von U_T erreicht werden kann, d.h. indem mit der Spule 53 eine Serienschaltung einer Anzahl von Dioden oder eine Diode mit einem Serienwiderstand parallel geschaltet wird. Dies führt jedoch in vielen Fällen zu unzulässig hohen Verlusten« Eine bessere Lösung ist daher, I zu verkleinern. An Hand der Fig. 8 wird erläutert, wie das erreicht werden kann.

Nach diesem Verfahren wird U. nicht

gleich von-U nach +U , sondern von -U nach Null umgem m m

schaltet. Gleichzeitig wird der Eingang des Transformators kurzgeschlossen. R, L„ und C bilden dabei einen Parallelschwingkreis. Die Spannung U über C kommt

809841/0689

-yt- PHN 8732

^1M 2811308

sinusförmig von -U auf einen Wert +U , der etwas niedriger ist als +U . Der Unterschied zwischen U

m m

und JJ_n ist von der Güte Q des Schwingkreises abhängig. Zum Zeitpunkt t„ ist der Maximalwert +U_r erreicht, wird der Kurzschluss beseitigt und gleichzeitig die Eingangs spannung U. Λοη Null nach +U gebracht. Dadurch erreicht auch die Ausgangsspannung mit einiger Verzögerung +U , wobei wiederum ein Strom I¹ in L₁ aufgebaut wird. Dieser Strom ist jetzt jedoch der schaffierten Oberfläche 69 in Fig. 8 proportional und daher bedeutend kleiner als der Strom I nach (i). Es wird klar sein, dass das beschriebene Verfahren nur den bezweckten Effekt hat, wenn die Güte Q des Schwingkreises gross genug ist (bedeutend grosser als 1).

In der Praxis ist jedoch eben in den Fällen, bei denen der in Fig. 7 beschriebene Nachteil am deutlichsten auftritt, auch Q ziemlich gross, so dass das beschriebene Verfahren tatsächlich eine bedeutende Verbesserung ergibt.

· In Fig. 9 ist ein Beispiel einer Schaltung dargestellt, mit der das in Fig. 8 beschriebene Verfahren durchgeführt werden kann. Der Umformer (siehe Fig. 1) enthält im allgemeinen vier Schalter 7I5 73j 75» 77 (beispielsweise Thyristoren), die zum Umsetzen der Gleichspannung des Gleichrichters 1 in

809841/0 6-8

PHN 8732

**** f\ 0> *i «a g\ T% (Tfo

einer Rechteckspannung in einer von einer Steuereinheit geregelten Reihenfolge geöffnet und geschlossen werden. Die Steuereinheit ist in Fig. 9 nicht dargestellt, um die Figur nicht unnötig kompliziert zu machen. ¥eiter ist in Figo 9 die Schaltung 9 von dem Umformer statt hinter dem Umformer angeordnet. Dies ist 'für die Durchführung des Verfahrens nach Figo 0 nicht wesentlich wi isn't ig, aber bietet den Vorteil _s dass mit einer Spule 79 und einer Diode 81 ausgekommen werden kann.

Die Wirkung ist wie folgt»

Es sei angenommen, dass Schalter 73 und 75 geschlossen sind (der in Fig. 9 dargestellte Zustand)» Zum Zeitpunkt t₁ (Fig. 8) wird der Schalter 75 geöffnet und der Schalter 77 geschlossen. Der Transformator 11 ist je.tzt kurzgeschlossen« Der Belastungsstrom, der die Spule 79 durchfloss, läuft jetzt durch die Spule 79 und die Diode 81 \im| die Spannung über die Spule 79 ist somit etwa gleich Null» Zum Zeitpunkt t„ wird der Schalter 73 geöffnet-und der Schalter 71 geschlossen, wodurch die Eingangsspannung umgekehrt über den Transformator steht und die Kapazität 21 weiter auf die Eingangsspannung aufgeladen wird»

809841/

Claims

PHN 8732

PATENT AJJSPRUECHE

/1.) Anordnung mit einem Transformator

für sich sprungförmig ändernde Spannungen, dadurch gekennzeichnet, dass in eine Anschlussleitung an der Primärseite des Transformators (11) zumindest ein induktives Element (39) aufgenommen ist, dessen Induktivität einige Male grosser als die Streuinduktivität (19) des Transformators (ii) ist, und das mit einem oder mehreren gleichrichtenden Elementen (4i) eine Schaltung (9) bildet, die die Eigenschaft besitzt, dass beim Umkehren des Vorzeichens der Spannung zwischen den Anschlussklemmen (35 j 23) dieser Schaltung der Strom durch das(die) induktive(n) Elemente) (39) die Richtung nicht wechselt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, dass die Schaltung (9) den Strom in beiden Richtungen nahezu gleich gut leitet.
3· Anordnung nach Anspruch 2, dadurch

gekennzeichnet, dass die Schaltung (9) aus einer Parallelschaltung zweier mit je einer Diode (45 bzw. 49) in Serie geschalteter Spulen (43 bzw. 47) besteht, wobei die Dioden (45, 49) antiparallel geschaltet und die Spulen (43, k⁷/) magnetisch miteinander gekoppelt und derart gewickelt sind, dass entgegengesetzt gerichtete Ströme gleichgerichtete magnetische Felder erzeugen.

8098A1/0689

2, PHN 8732
4. Anordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (9) aus einer Gleichrichterbrücke besteht, wobei eine Spule (53) mit den Gleichspannungsanschlüssen (63» 65)

verbunden ist, und dass die ¥echselspannungsanschlüsse der Schaltung (23y 35) in die Anschlussleitung des Transformators (ii) aufgenommen sind (Fig. 6).
5. ■ Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung einen Umformer (7) zum Erzeugen einer Rechteckspannung mit einer Frequenz von einigen hundert Hertz enthält.
6. Anordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung als Hochspannungsgenerator für eine Röntgenröhre (i3) ausgeführt ist.

8U9841/0689