DE2928301A1 - Anordnung zur leistungssteuerung eines hochspannungs-elektronenstrahlerzeugers - Google Patents

Description

3. Juli 1979 79506

LEYBOLD-HERAEUS GmbH
Bonner Straße 504

5000 Köln - 51

" Anordnung zur Leistungssteuerung eines Hochsρannungs-Elektronenstrahl erzeuge rs "

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Leistungssteuerung eines Hochspannungs-Elektronenstrahlerzeugers mit einer Katode und einer der Katode zugeordneten Steuerelektrode, mit einem auf Erdpotential liegenden Regler und Impulsgenerator zur Erzeugung von zur Nullinie symmetrisch verlaufenden Reckteck-Spannungsimpulsen, für deren übertragung in den auf Hochspannungspotential liegenden Teil der Anordnung ein Hochspannungs-Isoliertransformator mit einer im wesentlichen auf Erdpotential liegenden Primärwicklung und einer auf Hoch-Spannungspotential liegenden Sekundärwicklung vorhanden ist, die an einen Zweiweggleichrichter angeschlossen ist, der über eine als Filter wirkende Schaltungsanordnung mit passiven Elementen mit der Katode und der Steuerelektrode verbunden ist.

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Steueranordnungen der vorstehend beschriebenen Art werden auf vielen Gebieten der Elektronenstrahltechnik, vornehmlich aber zum Schmelzen, Schweißen, Bearbeiten und Verdampfen von Werkstoffen aller Art mittels Elektronenstrahlen» vorzugsweise unter Vakuum verwendet. Um die Intensität eines Elektronenstrahls zu verändern, kann entweder die Heizleistung der Glühkatode, die Vorspannung der Steuerelektrode u.nd/oder die angelegte Beschleunigungsspannung variiert werden.

Bei HochspannurigselektronenstrahTerzeugern, die im-allgemein e.ti mi.t eiüef Aoodenspannung oberhalb ZO Kilovolt betrieben werden und die daher bei gegebener Leistung einen relativ geringen Strahls'tröm aufweisen, ist in der Nähe der Katode eine zyHnde^fOrmige 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 variable, negative S'partnung angelegt, die das Austreten der Elektronen in Richtung zur Anöde je nach Größe dieser Steuerspannung mehr oder we.niger unterdrückt. Die Spannungshöhe zur sicheren Sperrung des Elektronenstrahlerzeuger liegt je nach Ausführung der Steuerelektrode bei 1 - 2 kV. Bei nahezu gleichem Potential von Katode und Steuerelektrode wird der maximale Strahlstrom erreicht.

Durch die DE*AS 11 31 760 ist eine Anordnung der eingangs beschriebenen Art bekannt, bei der die Steuerelektrode periodisch

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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 Elektronenstrahls beeinflußt werden. Bei dem vorbekannten System wird jedoch keine Gleich-Spannungskomponente 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 Material stärken beim Verdampfen etc.

Eine kontinuierlich sich ändernde oder konstante Gleichspannung kann auch durch die vorzeichengerechte Aneinanderreihung von rechteck- und/oder trapezförmigen Impulsen erreicht werden, bei denen dann die Hüllkurve der Impulse maßgebend ist.

Durch die DE-OS 25 14 805 ist eine Anordnung zur Leistungssteuerung von Hochspannungs-Elektronenstrahlerzeugern nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, die von dem Prinzip der Aneinanderreihung von Rechteckimpulsen auf der Sekundärseite des Hochspannungstransformators Gebrauch macht

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Dort ist der Trenntransformator auf der Niederspannungsseite mit einer Tdrtiärwicklung ausgestattet, und die auf der Hochspannungsseite liegende, als Filter wirkende Schaltungsanordnung ist als RC-Glied ausgeführt. Die Tertiärspule hat den Nachteil, daß sie nur für Frequenzen bis maximal etwa 1 kHz geeignet ist. Das RC-Glied hat ein zu langsames Zeitverhalten, was darauf zurückzuführen ist, daß sich zwei Forderungen diametral entgegenstehen. £inmal wird eine geringe Restwel1igkeit der Hochspannung gefordert, die eine große Kapazität des Kondensatdr's bedingt. Auf der anderen Seite wird eine geringe* Ansprechzeit bezüglich des Regel vernal tens verlangf, eine Forderung, die nur durch eine kleine Kapazität des- Kondensators verwirklicht werden kann. Das Filter bestimmt in jedem Falle die Restwel1igkeit der Hochspannung. Für die geforderten hohen Regelgeschwindigkeiten bzw. zu übertragenden Frequenzen ist die bekannte Anordnung ungeeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine schnell ansprechende Anordnung mit geringer Restwel1igkeit der Spannung für die kontinuierliche Steuerung der Leistung eines Hochspannungs-Elektronenstrahlerzeugers anzugeben, bei der die als Stellgröße dienende Steuerspannung über einen Isoliertransformator übertragen werden kann, ohne daß aktive Bauelemente wie Transistoren, Röhren oder Hi1 fs spannungen auf der Hochspannungsseite erforderlich sind.

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Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der eingangs beschriebenen Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch, daß die Schaltungsanordnung eine LC-Kombination aus mindestens zwei in Reihe geschalteten LC-Gliedern in Verbindung mit mindestens zwei parallel zur Strecke Katode-Steuerelektrode bzw. Zweiweggleichrichter gelegten Kondensatoren ist, wobei sich die Resonanzfrequenzen der LC-Glieder etwa wie 2:1 verhalten.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung werden aktive Bauelemente wie Transistoren, Röhren und etwaige Hi1fsspannungen 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 Räum für die Unterbringung voti elektrischen Einricn tungsten Ten fehlt. -

Die erfindungsgemäße Lösung gestattet dabei nicht nur eine kontinuierliche Steuerung der Leistung eines Hochspannungsei ektronenstrahlerzeugers , 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 schnell und verzerrungsfrei Das erzeugte Steuersingal weist dabei im allgemeinen eine extrem geringe Welligkeit auf.

Die Auslegung des Impulsgenerators gemäß Gattungsbegriff

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in der Weise, daß die Impulse zur NuI linie symmetrisch verlaufende Rechteckimpulse sind, hat den Zweck, daß die einzelnen Impulse sich lückenlos aneinanderreihen. Durch den Zweiweg-Gleich riehter wird erreicht, daß die auf der Sekundärseite des Transformators erscheinenden Impulse abwechselnd positiver und negativer Polarität zu der ununterbrochenen Impulsreihe gleicher Polarität umgewandelt wi rd.

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 wiedergewonnen wird und nach Gleichrichtung und Glättung die Steuerspannung für die Steuerzylinder bildet.

Die dabei auftretenden Lücken zwischen den Einzelimpulsen werden durch die erfindungsgemäße, als F i 1 terAvi rkende Schaltungsanordnung geschlossen. Die verwendeten Schaltungselemente sind dabei so ausgelegt, daß zwar eine Glättung der Steüerspannung erfolgt, jedoch keine wesentliche Ein--_ büße der Steuergeschwindigkeit des Strahlstromes auftritt. Da die Lücken in der Impulsreihe im wesentlichen die doppelte Frequenz der Frequenz des Impulsgenerators aufweisen, ist das Filter als Sperrfilter aufgebaut.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung und

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ihre Wirkungsweise wird nachfolgend anhand der Figur näher erläutert.

In der Figur ist mit 10 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 durch das Gehäuse 11 hindurchgeführt. Die Zuleitung 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 Spannungsbeaufschlagung ein Elektronenstrahl 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 Recktimpulse von konstanter Amplitude und konstanter Frequenz sind. Die Frequenz liegt beispielsweise bei 20 kHz. Dem Impulsgenerator ist über eine Leitung 21 ein Multiplizierer 22 nachgeschaltet, der über die Leitung 30 ein Gleichspannungssignal erhält, welches von einer" !Compensationseinrichtung 33 geliefert wird.

Der Kompensationseinrichtung 33 wird über die Leitung 23 eine Steuerspannung und über die Leitung 34 die Regelab-

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weichung der Hochspannung zugeführt. Diese wird aufgrund eines Spannungsteilers 52 mit dem Fußwiderstand 53 über eine Additionsstelle 56a und einen Verstärker 56b gebildet. Auf die Additionsstelle wird über die Klemme 56c der Hochspannungssollwert aufgeschaltet. Die Teile 56a, 56b und 56c können entfallen, wenn die Wenigkeit der Hochspannung gering ist. Die Kompensationseinrichtung 33 besteht im wesentlichen aus der Zusammenschaltung einer Summierstelle 54 und einem Regel verstärker 55 mit Proportional-Verhalten. Aufgabe dieser Kompensationseinrichtung ist die Erfassung einer evtl. gegebenen Hochspannungswel1igkeit und eine damit verbundene Störwertaufschaltung zur Beeinflussung des Strahlstromes. Dadurch wird erreicht, daß eine durch die Hochspannung verursachte Welligkeit

des Strahlstromes vermindert wird. ;

Die Steuerspannung wird von einer Regeleinrichtung 24 geliefert, die ähnlich aufgebaut ist, wie die Kompensatiönseinrichtung 33, d.h. eine Summierstelle 54a und einen Regel verstärker 55a besitzt, der jedoch ein PI- oder PID-Verhalten aufweist. Der Regeleinrichtung ist über eine Anschlußklemme 26 eine von einem Potentiometer gelieferte Sollwertspannung aufgeschaltet, während der Istwert des Strahlstromes an eine Eingangsklemme 27 gelegt ist. Die Erfassung des Strahlstromes erfolgt durch eine der bekannten Methoden und ist in der Figur nicht näher dargestellt. An die Eingangsklemme 25 können wahlweise Sollwerte und Impulse aus externen Funktionsgeneratoren gelegt werden. Durch einen Vergleich der Eingangsgrößen

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der Regeleinrichtung 24 entsteht eine stetig variable Steuerspannung, welche 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 Iso-1iertransformators 32 über einen Trenntransformator 49 aufgeschaltet ist. Der Trenntransformator 49 hat die Aufgabe, Überspannungsimpulse, die bei Kurzschlüssen im Strahlerzeuger 10 erzeugt werden, vom Verstärker 29 fernzuhalten.

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 Reihe von Impulsen entsteht, deren Hüllkurve dem Ausgangssignal ''O der Regeleinrichtung 24 bzw. Kompensationseinrichtung 33 entspricht. Das Ausgangss.i gnal des Zweiweg-Gleichrichters wird über die Leitung 16 als Filter wirkenden Schaltungsanordnung 39 zugeführt, die eine LC-Kombination aus mindestens zwei in Reihe geschalteten LC-Gliedern 40/45 und 43/44 in Verbindung mit mindestens zwei parallel zur Strecke Katode-Steuerelektrode 12/13 bzw. Zweiweg-Gleichrichter 37 gelegten Kondensatoren 41/42 ist, wobei sich die Resonanz-

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frequönzeri der LC-Gl feder etwa wie 2:1 verhalten.

Der Kondensator 45 und die Drossel 40, die beide eines der .LC-Slieder bilden, stellen einen Sperrkreis für die Grundwelle dar, die trotz Zweiweg-Gleichrichtung durch Unsymmetrien auftritt.

Der Kondensator 44 und die Drossel 43, die beide das andere LC-Glied bilden, stellen einen Sperrkreis für die erste Oberwelle dar. Der Kondensator 42 am Ausgang dient lediglich zum Abkappen von Überspannungsspitzen, die van Strahlerzeuger 10 kommen, wohingegen der Kondensator 41 ein sogenannter Ladekondensator ist. Parallel zur Schaltungsanordnung 39 liegt ein Widerstand 47, der im Zusammenhang mit dem Kondensator 42 die Einschalt- bzw. Impulsflanken-Zeit bestimmt. Parallel zum Widerstand 47 ist eine schnei 1-schaltende Schutzdiode 46 in Sperrichtung geschaltet, die bei einem Kurzschluß in der Kanone - hierbei liegt an der Steuerelektrode 13 Massepotential - die Anordnung 39 und den Zweiweg-Gleichrichter 37 schützt. Der Widerstand 48 dämpft und begrenzt in diesem Fall den Diodenstrom. Die Widerstände 47 und 48 bewirken weiterhin, daß die Steuerspannung für-die Steuerelektrode 13 des Strahlerzeugers mit einem niedrigen Innenwiderstand auftritt, wodurch die elektrostatische Aufladung der Steuerelektrode 13 verhindert wird. Das Ausgangssignal der Schaltungsanordnung ist über den Widerstand 48 und eine Leitung 50 sowie eine weitere Leitung 38 der Steuerelektrode 13 einerseits und der Katode 12 andererseits aufgesehaltet. ^:

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Der Erfindungsgegenstand eignet sich in hervorragender Weise auch für die Beaufschlagung der Anordnung mit impulsbreitenmodulierten Rechteck-Spannungsimpulsen mit konstanter Wiederholungsfrequenz, zumal bei diesen die Grundwelle besonders stark ausgebildet ist.

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Claims (2)

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   PATENTANSPRÜCHE:

   Anordnung zur Leistungssteuerung eines Hochspannungs-ETektronenstrahlerzeugers mit einer Katode und einer der Katode zugeordneten Steuerelektrode, mit_einem auf -Erdpotential liegenden■ .Regler-und Impulsgenerator zur Erzeugung von zur NuI linie symmetrisch verlaufenden Rechteck-Spannungsimpulsen, für deren übertragung i n· deri auf Hochspannungspotential liegenden Teil der Anordnung ein Hochspannungs-Isoliertransformator mit einer im wesentlichen auf Erdpotential liegenden Primärwicklung und einer auf Hochspannungspotential liegenden Sekundärwicklung vorhanden ist, die an einen Zweiweggleichrichter angeschlossen ist, der über eine als Filter wirkende Schaltungsanordnung mit passiven Elementen mit der Katode und der Steuerelektrode verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (39) eine LC-Kombination aus mindestens zwei in Reihe geschalteten LC-Gliedern (40/45 und 43/44) in Verbindung mit mindestens zwei parallel zur Strecke Katode-Steuerelektrode (12/13) bzw. Zweiweggleich-. richter (37) gelegten Kondensatoren (41/42) ist, wobei sich die Resonanzfrequenzen der LC-Glieder etwa wie 2:1 verhalten.
2. 2. Anordnung nach Anspruch I₅ dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den Ladekondensatoren (41/42) eine Schutzdiode (46) angeordnet ist.

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