DE2811908C2

DE2811908C2 - Anordnung mit einem Transformator für sich sprungförmig ändernde Spannungen

Info

Publication number: DE2811908C2
Application number: DE2811908A
Authority: DE
Inventors: Pieter Van Dijk; Cornelis Willem Elenga; Alfred Johannes Van Der Eindhoven Zwart
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1977-03-30
Filing date: 1978-03-18
Publication date: 1981-12-17
Also published as: SE7803431L; ES468303A1; JPS53122725A; IT1093719B; DE2811908A1; IT7821632A0; GB1560618A; CA1098584A; JPS6214989U; FR2386113B1; FR2386113A1; NL7703425A; US4176310A; AU3446378A; SE416165B

Description

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 (beispielsweise ein einziger Spannungssprung oder eine Rechteckspannung) 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 zu verbessern, daß dieser Nachteil zum größten Teil beseitigt ist. Die erfindungsgemäße Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß zum Unterdrücken der durch sprungförmige Spannungsänderungen hervorgerufenen Überschwingungen in eine Anschlußleitung an der Primärseite des Transformators ein induktives Element aufgenommen ist, dessen Induktivität wenigstens zehnmal größer ist als die Streuinduktivität und das mit einem oder mehreren gleichrichtenden Elementen eine Schaltung bildet, die die Eigenschaft besitzt, daß beim Umkehren des Vorzeichens der Spannung zwischen ihren Anschlußklemmen der Strom durch das (die) induktive(n) Element(e) die Richtung nicht wechselt

Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, die außer füi einen einzigen Spannungssprung auch für eine Rechteckspannung den obenerwähnten Nachteil beseitigt, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung den Strom in beiden Richtungen nahezu gleich gut leitet

Es sei an dieser Stelle erwähnt, daß aus der DE-AS 11 38 ö22 eine mit Gleichstrom gespeiste Anordnung bekannt ist, die nur Widerstände, Schalter und induktive Elemente enthält Dabei ist eine weitere Induktivität vorgeschaltet die ein schnelleres Ein- oder Abschalten der induktiven Impedanzen (Relais) bewirken solL Es wird dabei nicht die Speisespannung ein- und ausgeschaltet, sondern es wird eine Impedanz einem Stromkreis zu- oder abgeschaltet Die vorgeschaltete Induktivität speichert Energie, damit die einzuschaltende Induktivität diese gespeicherte Energie ausnutzen kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Rechteckschaltung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung, und zwar eine Hochspannungsversorgung für eine Röntgenröhre,

F i g. 2 ein Ersatzschema für einen in der Anordnung nach F i g. I benutzten Hochspannungstransformator,

F i g. 3 ein Spannungs-Zeitdiagramm zur Veranschaulichung der Nachteile des in Fig.2 dargestellten Transformators,

F i g. 4 bis 6 eine Anzahl von Ausführungsbeispielen von Schaltungen zur Beseitigung dieser Nachteile,

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

Fig.9 ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung zur Verwirklichung des Spannungs-Zeitdiagramms nach Fig. 8.

In F i g. I 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 hochtransformierte und vom Brükkengleichrichter 12 gleichgerichtete Rechteckspannung bildet die Hochspannung für die Röntgenröhre 13.

F i g. 2 zeigt ein Ersatzschrma 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 Sekundärwicklung herrührt. Wenn den Eingangsklemmen 23 und 25 einer derartigen Schaltung eine sich sprungförmig von 0 nach U_m ändernde Spannung u,- (siehe F i g. 3) zugeführt wird, führt die an den Ausgangsklemmen 29 und 31 erscheinende

Spannung U_u eine gedämpfte Schwingung um ihren endgültigen Wert aus. Dieser Verlauf ist mit Hilfe der gestrichelt dargestellten Kurve U₁₁ in F i g. 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 Fallen ist ein Spannungsverlauf gemäß der Kurve Uu nicht zulässig. So verursacht ein derartiger Verlauf beispielsweise zu hohe Spannungen an der Röntgenröhre 13 in der in F i g. 1 dargestellten Schaltung, wodurch diese 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 isu 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 eliie (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 F i g. 4 dargestellt Die Ausführung eignet sich insbesondere zum Unterdrücken von Schwingungen, wenn die Eingangsspannung aus einem einzigen Spannungssprung besteht wie er in F i g. 3 mit U, angegeben ist Die Schaltung besitzt Eingangsklemmen 35 und 37 und besteht in diesem Beispiel aus einer Spule 39, der ein Gleichrichter (Diode) 41 so parallel geschaltet ist, daß seine Durchlaßrichtung von der Klemme 23 zur Eingangsidemme 35 gerichtet ist Wenn den Klemmen 35 und 37 ein Spannungssprung zugeführt wird, wobei die Klemme 35 positiv ist leitet die Diode 41 nicht, so daß der ganze Aufladestrom für die Kapazität 21 die Spule 39 durchfließt Die Induktivität der Spule 39 ist bedeutend größer als die Streuinduktivität 19 (beispielsweise zehnmal bis hundertmal größer), 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 39 über diese Diode abgeleitet werden kann. Diese Energie ist also zum Erzeugen von Schwingungen nicht verfügbar. Hierfür kommt nur die in der Streuinduktivität 19 gespeicherte Energie in Betracht die jedoch ein derartig kleiner Bruchteil der magnetischen Gesamtenergie ist, daß bedeutsame Schwingungen nicht auftreten.

Die Schaltung nach Fig.4 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 Parallelschaltung einer Spule und einer Diode wie zwischen den Klemmen 35 und 23 aufgenommen wird. Vorzugsweise wird man jedoch die Schaltung 9 so ausführen, daß al'.e Elemente zwischen die Klemmen 35 und 23 aufgenommen sind. Ein Beispiel einer Schaltung, bei der dies der rail 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 mil einer Diode 49 in Serie geschaltet ist. Diese beiden Serienkreise sind derart parallel geschaltet, daß die Dioden antiparallel stehen, d. h., ihre Durchlaßrichtungen sind entgegengesetzt gerichtet. Die Spulen 43 und 47 sind weiter über einen Ferromagnetkern 51 magnetisch miteinander gekoppelt, wobei die Wickelrichtungen 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 37 zugeführt wird, ist beispielsweise zunächst die Klemme 35 positiv. 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 35 überschreitet wirti die Diode 49 leitend, so daß durch die im Kern 51 gespeicherte magnetische Energie ein umlaufender Strom die Spulen 43 und 47 und die Dioden 49 und 35 durchfloßt Die gespeicherte Energie trägt also nicht zu einem weiteren Aufladen der Kapazität 21 bei. Da auch in diesem Fall die Induktivität der Spulen 43 und 47 viel größer als die Streuinduktivität 19 gewählt wird, werden keine wesentlichen Schwingungen auftreten.

Wenn nach einiger Zeit die Spannung an den Klemmen 35 und 37 umkippt, so daß die Klemme 35 negativ wird, leitet die Diode 45 nicht mehr, und die Kapazität 21 wird über die Spule 47 umgekehrt aufgeladen, bis die Spannungen an den Klemmen 23 und 35 wiederum gleich sind, wonach erneut ein umlaufen der Strom entsteht Dieser Zyklus wiederholt sich in jeder Periode der zugeführten Rechteckspannung. Aus obiger Beschreibung ist ersichtlich, daß die Stromrichtung in den beiden Spulen 43 und 47 immer gleich bleibt 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 durchzulassen.

Bei der in F i g. 5 dargestellten Ausführungsform der Schaltung 9 werden zwei Spulen 43 und 47 benötigt F i g. 6 zeigt eine Ausführungsform, die preisgünstiger ist weil sie nur eine Spule 53 enthält Zwar sind hierbei vier Dioden 55, 57, 59 und 61 verwendet 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 Gleichspannungsanschlüssen 63 und 65 verbunden ist, 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, sind die Dioden 55 und 57 leitend, und der Strom durchflieOt über diese Dioden die Spule 53 vom Anschluß 63 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 isc 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 43,47 oder 53 (Li).¹⁹ CM· ^des Widerstandes 17 (R)vma der Kapazität 21 (Qkann bei den beschriebenen Schaltungen noch eine Komplikation auftreten, die an Hand der F i g. 7 näher erläutert wird.

Es sei angenommen, daß in einem bestimmten

Augenblick sowohl die F.ingangsspannung //, (die Spannung zwischen den Klemmen ^ΊΛ und 37, in der Fig. 7 als ausgezogene Kurve dargestellt) als auch die Ausgangsspannung (/„ (die Spannung an der Röhre 13. in F i g. 7 gestrichelt dargestellt) gleich - U„, ist. Zum ί Zeitpunkt U geht U₁ nach + /C Durch die Kapazität C des Kondensators 21 folgt {/„diesem Sprung mit einiger Verzögerung und erst zum Zeitpunkt f> ist sie gleich + Um. Über der Serienschaltung von Li und Li liegt also in einiger Zeit nach U eine Spannung U_n,- U,_h wodurch n> in L\ und L? ein Strom / aufgebaut wird. Dieser Strom ist der schraffierten Oberfläche 67 in Y i g. 7 proportional, da die Gleichung gilt:

τ\

[U... I J

(I)

Ab dem Zeitpunkt l, lauft dieser Strom durch die :< Spule 53 und die Diodenbrücke um. Wenn die Spannung (/, wiederum von + U_n, nach - U_n, umgeschaltet wird, geschieht das gleiche, so daß der umlaufende Strom immer größer wird. Schließlich stellt sich ein Gleichgewicht ein, wobei der Stromanstieg bei jeder Umschal- .'Ί tung gleich dem Stromabfall zwischen zwei Umschaltungen ist. Dieser Stromabfall ΔΙ wird durch die Spannung U, über L\ nach folgender Forme! bestimmt:

Al -

τ S^Uldl-

(2)

Hierin ist T die Periode der rechteckförmigen r> Eingangsspannung U₁.

Die Praxis hat herausgestellt, daß der umlaufende Strom viele Male größer sein kann als der durch die Röhre 13 aufgenommene Strom. In diesem Fall arbeitet Li nicht mehr als eine Stromquelle zur Größe des 4<i Belastungsstroms, so daß der Nutzeffekt der Schaltung 9 zumindest teilweise verloren geht. Es wird klar sein, daß der umlaufende Strom kleiner gemacht werden kann, indem /kleiner oder Δ /größer gemacht wird. Aus (2) ist ersichtlich, daß letzteres durch Vergrößerung von J-. Ui 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. / zu *> verkleinern. An Hand der F i g. 8 wird erläutert, wie das erreicht werden kann.

Nach diesem Verfahren wird U, nicht gleich von - U_n, nach + Um. sondern von - U_n, nach Null ungeschaltet. Gleichzeitig wird der F.ingang des Transformators kurzgeschlossen. R. Li und C bilden dabei einen Parallelschwingkreis. Die Spannung U₁₁ über C kommt sinusförmig von — U_n, auf einen Wert + f/,·. der etwas niedriger ist als + U_n. Der Unterschied zwischen Ll_n, und L'rist von der Güte (?des Schwingkreises abhängig. Zum Zeitpunkt (ι ist der Maximalwert + i/< erreicht, wird der Kurzschluß beseitigt und gleichzeitig die F.ingangsspannung U, von Null nach + U_n, gebracht. Dadurch erreicht auch die Ausgangsspanniing mit einiger Verzögerung + U_n, wobei wiederum ein Strom /'in Li aufgebaut wird. Dieser Strom ist jetzt jedoch der schraffierten Oberfläche 69 in Fig. 8 proportional und daher bedeutend kleiner als der Strom /nach (i). Es wird klar sein, daß das beschriebene Verfahren nur den bezweckten Effekt hat. wenn die Güte Q des Schwingkreises grob genug ist (bedeutend größer als I). In der Praxis ist jedoch eben in den hauen, bei denen der in F i g. 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 F i g. 8 beschriebene Verfahren durchgeführt werden kann. Der Umformer 7 (siehe Fig. I) enthält im allgemeinen vier Schalter 71, 73, 75, 77 (beispielsweise Thyristoren), die zum Umsetzen der Gleichspannung des Gleichrichters 1 in einer Rechteckspannung in einer von einer Steuereinheit geregelten Reihenfolge geöffnet und geschlossen werden. Die Steuereinheit ist in F i g. 9 nicht dargestellt, um die Figur nicht unnötig kompliziert zu machen. Weiter ist in F i g. 9 die Schaltung 9 vor dem Umformer statt hinter dem Umformer angeordnet. Dies ist für die Durchführung des Verfahrens nach Fig.8 nicht wesentlich wichtig, aber bietet den Vorteil, 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 fi (Fig. 8) wird der Schalter 75 geöffnet und der Schalter 77 geschlossen. Der Transformator 11 ist jetzt kurzgeschlossen. Der Belastungsstrom, der die Spule 79 durchfloß, läuft jetzt durch die Spule 79 und die Diode 81 um; die Spannung über die Spule 79 ist somit etwa gleich Null. Zum Zeitpunkt h 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.

Hierzu 2 Bhitt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mit sprungförmig sich ändernden Spannungen gespeiste Anordnung mit einem Transformator, der eine Streuinduktivität und eine Streukapazität aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Unterdrücken der durch sprungförmige Spannungsänderungen hervorgerufenen Uberschwingungen in eine Anschlußleitung an der Primärseite des Transformators (11) ein induktives Element (39) aufgenommen ist, dessen Induktivität wenigstens zehnmal größer ist als die Streuinduktivität (19) und das mit einem oder mehreren gleichrichtenden Elementen (41) eine Schaltung (9) bildet, die die :s Eigenschaft besitzt, daß beim Umkehren des Vorzeichens der Spannung zwischen ihren Anschlußklemmen der Strom durch das (die) induktivein) Element(e) (39) die Richtung nicht wechselt

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, aaß 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) antipardlel geschaltet und die Spulen (43, 47) magnetisch miteinander gekoppelt und derart gewickelt sind, daß entgegengesetzt gerichtete Ströme gleichgerichtete magnetische Felder erzeugen.

4. Anordung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (9) aus einer Gleichrichterbrücke besteht, wobei eine Spule (53) mit den Gleichspannungsanschlüisen (S3, 65) verbunden ist, und daß die Wechselspannungsanschlüsse der Schaltung (23, 35) in die Anschlußleitung des Transformators (11) aufgenommen sind (F i g. 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 (13) ausgeführt ist.