DE2928301C2 - Anordnung zur Leistungssteuerung eines Hochspannungs-Elektronenstrahlerzeugers - Google Patents

Description

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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 einem Impulsgenerator zur Erzeugung von zur Nullinie symmetrisch verlaufenden Rechteck-Spannungsimpulsen, für deren Übertragung * in den auf Hochspannungspotential liegenden Teil der Anordnung ein Hochspannungs-Isoliertränsformator 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.

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 und/oder die angelegte Beschleunigungsspannung variiert werden,

Bei Hochspannungs-Elektronenstrahlerzeugern, 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 zylinderförmige 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 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 Elektronenstrahlerzeugers liegt je nach Ausführung der Steuerelektrode bei 1 —2 kV. Bei nahezu gleichem Potential von Katode und Steuerelektrode wird der maximale Strahlstroir. erreicht.

Durch die DE-AS 11 31 760 ist eine Anordnung zur Leistungssteuerung eines derartigen Hochspannungs-Elektronenstrahlerzeugers bekannt, bei der die Steuerelektrode von einem Impulsgenerator über einen -.äoliertransformator periodisch 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 Leistungspcgcl 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 Elektronenstrahlerzeugers 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 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 8C5 ist tin= Allordnung zur Leistungssteuerung von Hochspannungs-Elektronenstrahlerzeugern der eingangs genannten Art bekannt, die von dem Prinzip der Aneinanderreihung von Rechteckimpulsen auf der Sekundärseite des Hochspannungstransformators Gebrauch macht.

Dort ist der Isoliertransformator auf der Niederspannungsseite mit einer Tertiärwicklung ausgestattet, und die auf der Hochspannungsseite liegende, als Filter wirkende Schaltungsanordnung ist als /?C-Glied ausgeführt. Die Tertiärspule hat den Nachteil, daß sie nur für Frequenzen bis maximal etwa I kHz geeignet ist. Das ÄC-GIied hat ein zu langsames Zeitverhalten, was derauf zurückzuführen ist, daß sich zwei Forderungen diametral entgegenstehen. Einmal wird eine geringe Restwelligkeit der Hochspannung gefordert, die eine große Kapazität des Kondensators bedingt. Auf der anderen Seite wird eine geringe Ansprechzeit bezüglich des Regelverhaltens verlangt, eine Forderung, die nur durch eine kleine Kapazität des Kondensators verwirklicht werden kann. Das Filter bestimmt in jedem Falle die Restwelligkeit der Hochspannung, Für die geforderten hohen Regelgeschwindigkeiten bzw. zu übertragenden Frequenzen ist die bekannte Anordnung ungeeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie schnell anspricht und eine geringe Restwelligkeit der Hochspannung aufweist, ohne daß, wie auch bei der

Anordnung der eingangs genannten Art, aktive Bauelemente wie Transistoren, Röhren oder Hilfsspannungen auf der Hochspannungsseite erforderlich sind.

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 rwei parallel zur Strecke Katode-Steuerelektrode bzw. Zvv eiweggleichrichter gelegten Kundensatoren ist, wobei sich die Resonanzfrequenzen der LC-Glieder etwa wie 2 :1 verhalten.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist im Anspruch 2 gekennzeichnet.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird ein schneiles Ansprechen und eine geringe Restwelligkeit der Hochspannung erreicht ohne daß aktive Bauelemente wie Transistoren, Röhren und etwaige Hilfsspannungen auf der Hochspannungsseite erforderlich sind. Die Größe des abgeschirmten, auf Katodenpotential liegenden Gehäuses für die Steuerungsanordnung wird minimal Dies ist ein niehi zu unterschätzender Vorteil, da es häufig an dem erforderlichen Raum iür die Unterbringung von elektrischen Einrichtungsteilen fehlt.

Die erfindunsgemäße 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 schnell und verzerrungsfrei. Das erzeugte Steuersignal weist dabei im allgemeinen eine extrem geringe Welligkeit auf. j5

Die Auslegung des Impulsgenerator gemäß Gattungsbegriff in der Weise, daß die Impulse zur Nullinie symmetrisch verlaufende Rechteckimpulse sind, hat den Zweck, daß die einzelnen Impulse sich lückenlos aneinanderreihen. Durch den Zweiweg-Gleichrichter w wird erreicht, daß die auf der Sekundärseite des Transformators erscheinenden Impulse abwechselnd positiver und negativer Polarität zu der ununterbrochenen Impulsreihe gleicher Polarität umgewandelt wird.

Die vom Impulsgenerator gelieferten Rechteckimpulse werden vor ihrer Eingabe in einen 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 in vorstehend angegebene VVeise auf der Hochspannungsseite des Isoliertransformators wiedergewonnen wird und nach Gieichrichtung und Glättung die Steuerspannung für die Steuerelektrode bildet.

Die dabei auftretenden Lücken zwischen den Einzelimpulsen werden durch die als Filter wirkende Schaltungsanordnung geschlossen. Die verwendeten Schaltungselemente sind dabei so ausgelegt, daß zwar eine Glättung der Steuerspannung erfolgt, jedoch keine wesentliche Einbuße der Steuergeschwindigkeit desao 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 b5 Anordnung und ihre Wirkungsweise wird nachfolgend anhand der Figur näher erläutert.

In der Figur ist mit IC ein Hochspannungs-Elektronenstrahlerzeuger bezeichnet, der aus einem &n 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 15 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 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 Rechtimpulse 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 Gleichspannungssignai erhält, welches von einer Kompensationseihrichtung 33 geliefert wird.

Der Kompensationseinrichtung 33 wird über die Leitung 23 eine Steuerspannung und über die Leitung 34 die Regelabweichung der Hochspannung zugeführt Diese wird aufgrund eines Spannungsteilers 52 mit dem Fußwiderstand 53 über eine Additionsstelle 56a und einen Verstärker 56h gebildet Auf die Additionsstelle wird über die Klemme 56c der Hochspannungssollwert aufgeschaltet Die Teile 56a, 566 und 56c entfallen, wenn die Welligkeit der Hochspannung gering ist Die Kompensationseinrichtung 33 besteht im wesentlichen aus der Zusammenschaltung einer Summierstelle 54 und einem Regeiverstärker 55 mit Proportional-Verhalten. Aufgabe dieser Kompensationseinrichtung ist die Erfassung einer evtl. gegebenen Hochspannungswelligkeit und eine damit verbundene Störwertaufschaltung zur Beeinflussung des Strahlstromes. Dadurch wird erreicht, daß eine durch die Hochspannung verursachte Welligkeit des Strahlstromes vermindert wird.

Di>.- Steuerspannung wird von einer Regeleinrichtung 24 geliefert, die ähnlich aufgebaut ist, wie die Kompensationseinrichtung 33, d. h. eine Summierstelle 54a und einen Regelverstärker 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 Sollwer te und Impulse aus externen Funktionsgeneratoren geiegt werden. Durch einen Vergleich der Eingangsgrößen 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 2" einem Verstärker 29 aufgeschaltet ist. Die Höhe der an der Leitung 28 liegenden Rechteckspannung ist dabei stets so groß, daß Stromsollwert und Stromistwert des Strahlsiromes übereinstimmen. In dem Verstärker 29 wird die erforderliche Leistung erzeugt, die der Primärwicklung 31 eines Isoliertrans'ormators 32 über einen Trenntransformator 49 aufgeschaltet ist Der Trenntransformator 49 hat die Aufgabe, Überspannungsimpulse, die

bei Kurzschlüssen im Strahlerzeuger 10 erzeugt werden, vom Versiiirker 29 fernzuhalten.

Der Isoliertransformator 32 besitzt eine Sekundärwicklung 35, die über Leitungen 36 mit einem /".weiweg-GIeichrichter 37 verbunden ist. In dieser werden die Ausgangsimpulse des Isoliertransformators 32 gleichgerichtet, wobei aufgrund der Auslegung des Inipulsgenerators 20 eine Reihe von Impulsen entsteht, deren Hüllkurve dem Ausgangssignal der Regeleinrichtung 24 bzw. Kompensationseinrichtung 33 entspricht. Das Ausgangssignal des Zweiweg-Gleichrichters 37 wird über die Leitung 16 der 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 Katodc-Steuerelektrode 12/13 bzw. Zweiweg-Gleichrichter 37 gelegten Kondensatoren 41/42 ist, wobei sich die Resonanzfrequenzen der Z-C-Glieder etwa wie 2 :1 verhalten.

Der Kondensator 45 und die Drossel 40, die beide eines der Z.C-Glieder 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 vom Strahlerzeuger 10 kommen, wohingegen der Kondensator 41 ein sogenannter Ladekondensator ist. Parallel zur Schallungsanordnung 39 liegt ein Widerstand 47, der im Zusammenhang mit dem Kondensator 42 die Einschalt- bzw. Impulsflanken-Zeit bestimmt. Parallel zum Widerstand 47 ist eine schnellschaltende Schutzdiode 46 in Sperrichtung geschaltet, die bei einem Kurzschluß in dem Strahlerzeuger — 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 39 ist über den Widerstand 48 und eine Leitung 50 sowie eine weitere Leitung 38 der Steuerelektrode 13 einerseits und der Katode 12 andererseits aufgeschaltet.

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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Leistungssteuerung eines Hochspannungs-EIektronenstrahlerzeugers mit einer Katode und einer der Katode zugeordneten Steuerelektrode, mit einem auf Erdpotential liegenden Regler und einem Impulsgenerator zur Erzeugung von zur Nullinie symmetrisch verlaufenden Rechteck-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 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-Giiedern (40/45 und 43/44) in Verbindung mit mindestens zwei parallel zur Strecke Katode-Steuerelektrode (12/13) bzw. Zweiweggleichrichter (37) gelegten Kondensatoren (41/42) ist, wobei sich die Resonanzfrequenzen der LC-Glieder etwa wie 2:1 verhalten.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den parallel zur Strecke Katode-Steuerelektrode (12,13) liegenden Kondensatoren (41/42) eine Schutzdiode (46) angeordnet ist.