DE3112280A1

DE3112280A1 - Vorrichtung zur spulenerregung fuer die erzeugung pulsfoermiger felder konstanter staerke

Info

Publication number: DE3112280A1
Application number: DE19813112280
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Dönig
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-03-27
Filing date: 1981-03-27
Publication date: 1982-10-07
Also published as: GB2095940B; US4470095A; GB2095940A

Description

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SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen:

Berlin und München VPA 81 P 3 0 3 2 DE

Vorrichtung zur Spulenerregung; für die Erzeugung pulsförmiger Felder konstanter Stärke

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines pulsförmigen Feldes konstanter Stärke durch Erregung einer über Leistungshalbleiter gespeisten Spule« Für viele Anwendungsfälle, z.B. für ein Gerät zur Zeugmatographie oder andere medizinische Diagnosen, werden Stromversorgungen benötigt, die pulsförmige Felder konstanter Stärke erzeugen. Der Aufbau des Feldes, d.h.

das Hochfahren des erregenden Stromes, muß dabei in sehr kurzen Einschaltdauern erfolgen, die z.B. nur etwa 100 us betragen sollen.

Zur Erzeugung derartiger pulsfö'rmiger Felder soll gemäß der Erfindung eine Vorrichtung geschaffen werden, durch die der Erregerstrom einer Spule innerhalb sehr kurzer Dauer hochgefahren und dann bis zum Ende des Pulses möglichst verlustarm auf konstanter Höhe gehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß eine erste, gegenüber einer Bezugsleitung auf höherer Spannung liegende Speiseleitung und eine zweite, gegenüber der Bezugsleitung auf niedrigerer Spannung liegende Speiseleitung vorgesehen ist. Die Spule ist einerseits mittels eines zum Hochfahren des Stromes einschaltbaren und nach der kurzen Hochlaufdauer wieder sperrbaren Leistungshalbleiters aus der auf höherer Spannung liegenden Speiseleitung und ferner mittels eines während der PuIsdauer auf konstantem Strom steuerbaren Leistungsthyristors aus der auf niedrigerer Spannung liegenden Speiseleitung gespeist. Ferner ist eine Freilaufdiode für den Spulenstrom vorgesehen.
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Das Hochfahren des Erregerstron.es mittels der hohen Speisespannung sowie das Abklingen des Stromes über die Freilaufdiode kann dadurch mit hoher Übererregung durchgeführt werden. Während der Pulsdauer selbst entstehen durch die Speisung mit der niedrigen Speisespannung verhältnismäßig geringe· Verluste, wobei zudem über die Stromregelung die Feldstärke sehr genau (z.B. - 0,k fo) geregelt werden kann.

Sollen Pulse erzeugt werden, bei denen die Richtung der Feldstärke alterniert, so können jeweils zweite Leistungshalbleiter und Leistungstransistoren verwendet werden, durch die die Spule mit umgekehrter Stromrichtung erregt wird. Die Regelung des Stromes während der Pulsdauer kann dadurch erfolgen, daß der regelbare Leistungstransistor in dem zur auf niedrigerer Spannung liegenden Speiseleitung führenden Spulenanschluß angeordnet ist, es kann aber auch an dieser Stelle ein zünd- und sperrbaren Halbleiterventil verwendet werden und der Spulenstrom dadurch geregelt werden, daß der Leistungstransistor in dem zur Bezugsleitung führenden Spulenanschluß angeordnet ist. Dies ist besonders vorteilhaft, da dann die Steuerspannung für den Leistungshalbleiter gegen ein festes Bezugspotential zu bestimmen ist, während bei der vorher erwähnten Anordnung springende Bezugspotentiale am Spulenanschluß auftreten.

Als Leistungshalbleiter und Halbleiterventile können abschaltbare Thyristoren verwendet werden oder normale Thyristoren, denen eine Löscheinrichtung, vorzugsweise eine gemeinsame Löscheinrichtung, zugeordnet ist. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Leistungs-Feldeffekttransistoren (Leistungs-FET), die in Vorwärtsrichtung sperrbar sind und eine über die Steuerspannung regelbare Verstärkung besitzen, in Rückwärtsrichtung jedoch eine Diodenkennlinie aufweisen. Derartige Lei-

stungs-FET sind unter dem eingetragenen Warenzeichen SIPMOS der Firma Siemens im Handel. Diese Transistoren können nicht nur als Leistungstransistoren zur Regelung des Stromes während der Pulsdauer verwendet werden, sondern auch vorteilhaft als Leistungshalbleiter und nalbleiterventile, bei denen jeweils eine entgegengesetzt gepolte Freilaufdiode integriert ist und die durch konstante Steuerspannung während der Pulsdauer (digitale Steuerbefehle) ein- und abgeschaltet werden. 10

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Anhand von 5 Figuren und Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert.

In den Figuren ist die Spule 1 jeweils mit ihrem einen Ende 2 mit der auf höherer Spannung (z.B. 250 v) liegenden Speiseleitung 3 und der auf niedrigerer Spannung (z.B. 30 V) liegenden Gleichspannungs-Speiseleitung h verbunden, während das andere Spulenende 5 mit der gemeinsamen, auf Bezugspotential (z.B. 0 V) liegenden Bezugsleitung 6 verbunden ist.

Nach Fig. 1 führt ein erster Leistungshalbleiter 7 von der auf der höheren Spannung liegenden Bezugsleitung 3 zum einen Spulenende 2. Das andere Spulenende kann z.B. direkt mit der Bezugsleitung 6 verbunden sein. Der Leistungshalbleiter 7 ist zum Hochfahren des Stromes einschaltbar und nach einer kurzen Hochlaufdauer, z.B. bei Erreichen eines Stromsollwertes i*, wieder sperrbar, wie durch den Grenzwertmelder 8 und entsprechend gesteuerte Schalter in Fig. 1 symbolisch dargestellt ist. Es kann sich dabei z.B. um einen abschaltbaren Thyristor handeln, dessen Ein- und Abschalteingang wegen des springenden Potentials am Spulenanschluß 2 über eine

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z.B. mittels Optokopplern 9 potientialgetrennte Ansteuerung 9a angesteuert werden.

Von der auf niedrigerer Spannung liegenden Speiseleitung h führt ein erster Leistungstransistor 10, dom vorzugsweise eine Diode 11 in Reihe geschaltet ist, zum Spulenanschluß 2. Über ein Meilglied 12 kann der Spulenstrom erfaßt werden, so daß bei Erreichen des Stromsollwertes gleichzeitig mit dem Befehl zum Sperren des Leistungs-Halbleiters 7 der Stromfluß durch den gesteuerten ersten Thyristor 10 einsetzt, wobei das Steuersignal für den ersten Transistor 10 aus einem Regelvergleich mit dem vorgegebenen, konstanten Istwert i* gebildet werden kann (Regler Ik). Auch für den Transistor 10 ist in der Regel eine potentialfreie Ansteuerung und für den Regler Ik ein potentialfreies Netzteil 15 vorgesehen. Das Ende eines Pulses wird durch entsprechende Sperrung des Steuersignals für den Transistor 10 eingeleitet, wobei der Spulenstrom über die Freilaufdiode 13 rasch abklingt.

Gemäß Fig. 2 kann diese Ausführung so ergänzt werden, daß auch eine Umkehr der Feldrichtung möglich ist. Auch hierbei führt der erste einschalt- und sperrbare Leistungshalbleiter 7 von der Leitung 3 auf den Spulenanschluß 2 und der erste Leistungstransistor 10 von der Speiseleitung k zum Spulenanschluß 2, Vom anderen Spulenende 5 führt ein mit dem Einschaltimpuls für den Leistungshalbleiter 7 zündbares Ventil 20, In analoger Weise ist für die umgekehrte Stromführungsrichtung ein zweiter, an die Speiseleitung k angeschlossener Leistungstransistor 22, dem wiederum eine Diode 23 in Reihe geschaltet sein kann, zum Spulenanschluß 5 sowie ein zündbares Ventil 24t vom Spulenanschluß 2 zur Bezugsleitung 6. Der Freilauf des Spulenstromes kann dadurch erfolgen, daß jeweils antiparallel zu den Ventilen 20 und 2k zwei Freilaufdioden 25 und 26 geschaltet sind, so daß für jede Stromführungs-

richtung jeweils ein Freilaufkreis (1, 20, 6, 25 bzw. 1, 24, 6, 26) entsteht. Es ist auch möglich, als Ventile 20, 24 zum Abschalten der Erregung sperrbare Ventile zu verwenden und die Freilaufdioden antiparallel zu den Leistungstransistoren iO, 22 zu schalten, wobei während des Abklingens des Stromes die Leistungstransistoren vorübergehend noch in stromführendem Zustand angesteuert werden, so daß Leistungstransistor, Speiseleitung 4 und Freilaufdiode jeweils einen Freilaufkreis ergeben. Insbesondere ist es auch möglich, wie anhand von Fig. 4 gezeigt werden wird, sowohl den Ventilen 20, 24 wie auch den Leistungstransistoren 10, 22 bzw. den Leistungshalbleitern 7» 21 jeweils eine Freilaufdiode antiparallel zu schalten, so daß eine llückspeisung des Stromes in die Leitung 3 bzw. 4 stattfindet.

Ein zu dem bei Fig. 1 erläuterten Fall entgegengesetzt gerichtetes Feld kann nun durch Aufschalten eines entsprechenden Sollwertes - i* auf den Regler 28 und entsprechendes Ansteuern von 21 und 22 erzeugt werden, wobei für den Regler 28 ein eigenes Netzteil 29 und für den Leistungshalbleiter 21 eine eigene potentialfreie Ansteuerung verwendet ist.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel führt gemäß Fig.3 von der auf höherer Spannung liegenden Speiseleitung 3 zwar ebenfalls der erste Leistungshalbleiter 7 zum Spulenende 2, jedoch führt von der auf niedrigerer Spannung liegenden Speiseleitung 4 ein nach Sperren des ersten Leistungshalbleiters zündbares üalbleiterventil 30 zum Spulenanschluß 2. Der dem Leistungshalbleiter 10 in den Fig. 1 und 2 entsprechende Leistungshalbleiter 31 führt vom Spulenanschluß 5 zur Bezugsleitung 6. Zum Beenden eines Pulses kann der Strom aus der Speiseleitung durch Sperren von 30 und/oder 31 beendet werden. Für den Freilauf des Spulenstromes kann, entsprechend der Diode 13

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in Fig. 1, eine Frei laufdiode vorgesehen sein, es ergeben sich aber auch die bereits geschilderton Möglichkeiten, z.B. durch zwei Frei laufdioden 32, 33 in eine Speiseleitung rüekzuspeisen. Die Ansteuerung der einzelnen Elemente erfolgt analog zu den Fig. 1, 2 und ist in Fig. 3 im einzelnen nicht dargestellt.

Wie bereits erwähnt, kommen als Ilalblei terventile und Leistungshalbleiter insbesondere abschaltbare Thyristoren in Frage. Es können aber auch normale Thyristoren verwendet werden, denen eine Löscheinrichtung zugeordnet ist. Insbesondere kann vorteilhaft den Thyristoren ein gemeinsamer Löschkreis zugeordnet werden. Dies ist in Fig. 4, die im übrigen Fig. 2 entspricht, durch den Löschkondensator 40 mit der in Reihe liegenden Löschspule 41 sowie der Antiparallelschaltung der Thyristoren 42 und 43 dargestellt. Wird der Thyristor 42 gleichzeitig mit dem Leistungshalbleiter 7 gezündet, so lädt sich der Kondensator 40 auf und der Thyristor 42 erlischt wieder.

Zum Löschen des als Leistungshaibleiter 7 verwendeten Thyristors kann ein Zündimpuls auf den Thyristor 43 gegeben werden. Durch Vertauschung der Rollen der Thyristoren 42 und 43 ist auch das Löschen des Thyristors 21 möglich. Für den Freilauf können, wie bereits erwähnt, die vier Dioden 25, 26, 44, 45 verwendet werden.

Die Schaltung läßt sich erheblich vereinfachen, wenn anstelle der Leistungshalbleiter, Ilalbleiterventile und Leistungstransistoren die erwähnten Leistungs-Feldeffekt-Transistoren, die in Rückwärtsrichtung eine Diodenkennlinie besitzen, verwendet werden. Dies sei anhand von Fig. 5 dargestellt, die eine Erweiterung der Fig. 3 für eine Umkehr der Feldrichtung darstellt und deren mit Fig. 3 gemeinsame Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.

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Entsprechend dem Leistungshalbleiter 7 und dem Ventil am SpulenanschlufJ 2 führen von der Bezugs leitung 3 ein Leistungshalbleiter 50 und von der Bezugsleitung 4 ein Ventil 51 zum Spulenanschluß 5. Entsprechend dem Leistungstransistor 31 führt ferner ein Leistungstransistor 52 vom Spulenanschluli 2 zur Bezugsleitung 6. Bei Verwendung normaler Thyristoren wären ferner mindestens zwei Preilaufdioden vorzusehen, von denen die eine dem ersten Halbleiter, Leistungstransistor oder Ilalbleiterventil und die zweite dem zweiten Leistungshalbleiter, Leistungstransistor oder Ilalbleiterventil antiparallel zu schalten ist. Da jedoch in diesem Fall anstelle von Thyristoren Leistungs-Feldeffekttrnnsistoren verwendet werden, die bereits antiparallele Dioden integriert haben (wie durch den Pfeil im Transistor-Symbol angedeutet ist), sind gesonderte Freilaufdioden nicht erforderlich. Werden vielmehr diese Leistungs-FET mit digitalen Steuersignalen angesteuert, so erfüllen sie die Funktion eines zünd- und sperrbaren Leistungshalbleiters bzw. (sofern ihnen eine in Stromführungsrichtung gepolte Diode nachgeschaltet ist) eines zünd- und sperrbaren Halbleiterventils.

Die Anordnung nach Fig. 5 steuert den Strom durch Ansteuerung der FET 31 und 52 mittels der Regler 56, 57, während durch die Anordnung der Dioden 5^ und 55 die digital angesteuerten FET 30, 51 als Ventile arbeiten. Schaltet man die Dioden 54, 55 in Reihe mit den in diesem Fall mit digitalen Signalen anzusteuernden FET 31 und 52 und ordnet die Regler 56, 57 den FET 30, 51 zu, so kann man dem Strom zwar auch konstant einregeln, jedoch hat die in Fig. 5 gezeigte Anordnung den Vorteil, daß die Regler 56, 57 gegen das feste Bezugspotential der Bezugsleitung 6 arbeiten und somit keine Potentialtronnung und keine getrennten Netzteile erforderlich sind. Die potentialfreie Ansteuerung der Elemente 7, 30, 50 und 51 kann auf einfache Weise durch

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Übertrager erfolgen, denen ein konstantes über die Dauer eines Pulses anliegendes Digital-Signal ohne großen Aufwand vorgegeben wird. Dadurch wird der gesamte Bauteilaufwand gering.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

1/ Vorrichtung zum Erzeugen eines pulsfcrmigen Feldes konstanter Stärke, durch Erregen einer über Leistungs- ~) halbleiter gespeisten Spule, dadurch gekennzeichnet, daß eine gegenüber einer Bezugsleitung (6) auf höherer Spannung (z.B. 250 V) liegende erste Speiseleitung (3) und eine gegenüber der Bezugsleitung (6) auf niedrigerer Spannung (30 V) liegende zweite Speiseleitung (k) vorgesehen ist, daß die Spule (l) mittels eines zum Hochfahren des Stromes einschaltbaren und nach einer kurzen Hochlaufdauer wieder sperrbaren ersten Leistungshalbleiters (7) aus der auf höherer Spannung liegenden Speiseleitung (3) und bis zum Pulsende mittels eines auf konstantem Strom (i*) steuerbaren ersten Leistungstransistors (11) aus der auf niedrigerer Spannung liegenden Speiseleitung (h) gespeist ist und daß eine Freilaufdiode (13) für den Spulenstrom vorgesehen ist (Fig. 1).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit Umkehrung der Feldrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß in Stromführungsrichtung der erste Leistungshalbleiter (7) von der auf höherer Spannung liegenden Speiseleitung (3) und der erste Leistungstransistor (ll) von der auf niedrigender Spannung liegenden Speiseleitung (4) zum einen Spulenanschluß (2) führt, daß ein zweiter Leistungshalbleiter (21) von der auf höherer Spannung liegenden Speiseleitung (3) und ein zweiter Leistungstransistor (22) von der auf niedrigerer Spannung liegenden Speiseleitung (k) zum anderen Spulenende (5) führt und daß mindestens zwei Frei laufdioden (25> 26) vorgesehen sind, von denen die eine dem ersten Leitungshalbleiter, Leistungstransistor oder Halbleiterventil und die zweite dem zweiten Leistungshalbleiter, Leistungstransistor oder Halbleiterventil antiparallel geschaltet ist (Fig. 2).
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Stromführungsrichtung der erste Leistungshalbleiter (7) von der auf höherer Spannung liegenden Speiseleitung (3) und ein nach Sperren des ersten Leistungshalbleiters (?) zündbares Halbleiterventil (3O) von der auf niedrigerer Spannung liegenden Speiseleitung (k) zum einen Spulenende (2) führt und daß der erste Leistungstransistor (31) von dem anderen Spulenanschluß (5) zur Bezugsleitung (6) führt (Fig. 3). 10
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß ein zweiter Leistungstransistor (52) von der Bezugsleitung (6) zum einen Spulenende (2) führt, daß ein zweiter Leistungshalbleiter

(50) von der auf höherer Spannung liegenden Speiseleitung (3) und ein zweites zündbares Halbleiterventil (51) von der auf niedrigerer Spannung liegenden Speiseleitung (k) zum anderen Spulenanschluß (5) führen und daß wenigstens zwei Freilaufdioden vorgesehen sind, von denen die eine dem ersten Leistungshalbleiter, Halbleiterventil oder Leistungstransi stör und die zweite dem zweiten Leistungshalbleiter, Halbleiterventil bzw. Leistungstransistor antiparallel geschaltet ist (Fig. 5).
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis k, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile und/oder Leistungshalbleiter abschaltbare Thyristoren sind (Fig. 1, 2, 3).
6. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder k, dadurch gekennzeichnet , daß die Leistungshalbleiter nicht-abschaltbare Thyristoren sind und ein gemeinsamer, der Spule paralleler Löschkreis (kO bis k"5) vorgesehen ist (Fig. k).

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7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Leistungshalbleiter (7, 50) und Ilalbleiterventile (30, 51) Leistungs-Feldeffekttransistoren verwendet werden, die durch einen Steuerimpuls konstanter Jlöhe (Digitalimpuls) angesteuert sind und daß den als Ilalbleiterventilen dienenden Leistungs-Feldeffekttransistoren (30, 51) jeweils eine in Strorafuhrungsrichtung gepolte Diode (5S 55) in Reihe geschaltet ist (Fig. 5). 10
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß als Leistungstransistoren (31, 52) und als Leistungsfeldeffekttransistoren (7, 50, 30, 51) Leistungsfeldeffekttransistoren verwendet werden, denen antiparallele Dioden integriert sind.