DE3218535A1 - Hochspannungserzeuger, insbesondere zur speisung einer roentgenroehre - Google Patents
Hochspannungserzeuger, insbesondere zur speisung einer roentgenroehreInfo
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Description
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PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH „ £.. PHD 82-059
"Hochspannungserzeuger, insbesondere zur Speisung einer
Röntgenröhre"
Die Erfindung betrifft einen Hochspannungserzeuger, insbesondere zur Speisung einer Röntgenröhre, mit einer
Resonanz-Wechselrichteranordnung, bei der zwei Primärwicklungen einer Hochspannungs-Transformatoranordnung über
Schalter abwechselnd von den Umladeströmen einer Kondensatoranordnung durchflossen werden.
Ein solcher Hochspannungserzeuger ist Gegenstand der älteren deutschen Anmeldung P 30 46 413.2 (Fig. 2b). Die Ströme
1i) durch die beiden Primärwicklungen sind dabei einander
gleich, so daß bei symmetrischem Aufbau der Transformatoranordnung die mittels daran angeschlossener Gleichrichterschaltungen
erzeugten positiven bzw. negativen Potentiale am Ausgang des Hochspannungserzeugers dem Betrage nach einander
gleich sind. Das bleibt auch so, wenn die beiden Potentiale der Kathode bzw. der Anode einer Röntgenröhre zugeführt
werden, deren Anodenstrom dem Kathodenstrom entspricht, wenn auch die Hochspannung aufgrund des relativ großen Innenwiderstandes
des Hochspannungserzeugers abnimmt.
Neuerdings gibt es jedoch auch Röntgenröhren, deren Kathodenstrom vom Anodenstrom abweicht, weil ein Teil des
Stromes durch die Kathode über den geerdeten Metallkolben abfließt. Schließt man eine solche Röntgenröhre an einen
solchen Hochspannungserzeuger an, ergibt sich eine unsymmetrische Belastung und - trotz symmetrischer Aufteilung
der Leerlaufspannung - eine unsymmetrische Aufteilung
von Anoden- und Kathodenspannung, so daß z.B. die
Anodenspannung +60 kV und die Kathodenspannung -40 kV
30
(gegenüber Masse) beträgt.
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- Ji - PEiD 82-059
In der Anmeldung P 30 43 632.9 ist daher ein Hochspannungserzeuger
beschrieben, der zwei unabhängig voneinander steuerbare Wechselrichter umfaßt, so daß die Anodenspannung
und die Kathodenspannung relativ zueinander sowie deren Summe schnell entsprechend den jeweiligen Erfordernissen
eingestellt werden können. Die Änderung der von den beiden Wechselrichtern erzeugten Spannungen erfolgt dabei durch
Änderung der Schaltfrequenz, mit denen die in den Wechselrichtern enthaltenen Schalter ein- und ausgeschaltet werden.
^ Aufgrund dieser unterschiedlichen Arbeitsfrequenzen der
beiden Wechselrichter ergibt sich jedoch eine relativ starke überlagerte Hochspannungswelligkeit durch Schwebungen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Hochspannungserzeuger der eingangs genannten Art so
auszugestalten, daß die beiden darin enthaltenen Resonanz-Wechselrichter jeweils mit der gleichen Schaltfrequenz
betrieben werden und daß sie gleichwohl unterschiedliche
Spannungen bzw. unterschiedliche Leistungen erzeugen. 20
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Kondensatoranordnung so angeordnet ist, daß sie von den Strömen durch jede der beiden Primärwicklungen durchflossen
wird, und daß eine vorzugsweise steuerbare Verzögerungs-
anordnung vorgesehen ist zur einstellbaren Verzögerung der Schaltimpulse für die Schalter derart, daß die Ströme durch
die Primärwicklungen zu unterschiedlichen Zeiten zu fließen beginnen.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß bei einem
Resonanz-Wechselrichter die Amplitude des Stromes durch die damit verbundene Primärwicklung von der Energie abhängt, die
zu dem Zeitpunkt, zu dem der Stromfluß durch eine der
Primärwicklungen beginnt (weil der dazugehörige Schalter 35
JZ I ■ öO ÖO
-^- PHD 82-059
- H-
geschlossen wird), in der Kondensatoranordnung gespeichert ist. Wird nun der Schalter für die eine Primärwicklung mit
einer gewissen Verzögerung gegenüber dem Schalter für die andere Primärwicklung geschlossen, dann fließt in der einen
Primärwicklung ein kleinerer Stromimpuls als in der anderen Primärwicklung, so daß auch die Energie, die über die eine
Primärwicklung übertragen wird, kleiner ist. Der Unterschied ist um so ausgeprägter, je größer die Verzögerung ist. Die
Schaltfrequenz ist jedoch für beide Wechselrichter gleich (die Schaltimpulse sind lediglich gegeneinander zeitlich
versetzt), so daß sich keine überlagerte Welligkeit ergibt. Auch der Aufwand für einen erfindungsgemäßen Hochspannungserzeuger
ist verhältnismäßig gering, weil nur eine Kondensatoranordnung erforderlich ist.
Die Transformatoranordnung könnte grundsätzlich aus zwei voneinander getrennten Transformatoren mit je einem
Eisenkern bestehen. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht jedoch darin, daß die Transformatoranordnung
zwei auf den gleichen Kern gewickelte Primärwicklungen aufweist, die mit entgegengesetztem
Wickelsinn in Serie geschaltet sind. Hierbei ist also nur ein Eisenkern erforderlich.
2^ Im einfachsten Fall besteht die Kondensatorano^dnung nur aus
einem einzigen Kondensator, dessen einer Anschluß mit Masse und dessen anderer Anschluß mit dem Verbindungspunkt zweier
Primärwicklungen verbunden ist, deren andere Anschlüsse über
je zwei im Gegentakt steuerbare Schalter mit einer positiven und einer negativen Gleichspannung verbindbar sind. Die
positive und die negative Gleichspannung kann mit Hilfe eines Gleichrichters erzeugt werden, der zwei in Serie
geschaltete Elekrolytkondensatoren umfaßt, deren gemeinsamer Verbindungspunkt an Masse angeschlossen ist. Diese
Ausführungsform weist jedoch verschiedene Nachteile auf.
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- β - PHD 82-059
S-
Diese Nachteile werden bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch vermieden, daß die Kondensatoranordnung
zwei in Serie geschaltete Kondensatoren umfaßt, daß der Serienschaltung zwei Serienschaltungen aus je zwei im Gegentakt
schaltbaren Schaltern sowie eine Gleichspannungsquelle parallelgeschaltet ist, und daß die Primärwicklung zwischen
den Verbindungspunkten je einer aus zwei Schaltern bestehenden Serienschaltung einerseits und dem Verbindungspunkt der
beiden Kondensatoren andererseits eingeschaltet sind. 10
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Hoch-Spannungserzeugers,
Fig. 1a die technische Realisierung der Schalter in Fig. 1, Fig. 2 eine dafür geeignete Hochspannungs-Transformatoranordnung.
In Fig. 1 ist mit 1 eine Metallkolben-Röntgenröhre
bezeichnet, deren Metallkolben geerdet ist, deren Anode an eine positive Hochspannung und deren Kathode an eine
negative Hochspannung (gegenüber Masse) angeschlossen ist. Der aus der Kathode emittierte Strom fließt zum Teil über
die Anode, zum Teil aber auch über den Metallkolben. Der Kathodenstrom ist bei einer derartigen Röntgenröhre daher
größer als der Anodenstrom. Der Röntgenröhre 1 ist ein Glättungskondensator 2 parallelgeschaltet. Außerdem ist die
Anode mit dem positiven Ausgang einer ersten Gleichrichter-
brücke 3 verbunden, während die Kathode mit dem negativen
Ausgang einer zweiten Gleichrichterbrücke 4 verbunden ist. Die jeweils anderen Ausgänge der Gleichrichterbrücken 3
und 4 sind mit Masse verbunden. Die Wechselspannungseingänge der Gleichrichterbrücken 3 und 4 sind an Sekundär-
wicklungen 5 bzw. 6 angeschlossen, die magnetisch mit
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Λ-
Primärwicklungen 7 bzw. 8 gekoppelt sind.
Die beiden Primärwicklungen 7 und 8 sind miteinander verbunden und der gemeinsame Verbindungspunkt ist mit dem
Verbindungspunkt zweier gleich großer Kondensatoren 9 und verbunden. Der Serienschaltung dieser beiden Kondensatoren
ist eine Gleichspannungsquelle 11 parallelgeschaltet sowie eine erste Serienschaltung zweier elektronischer Schalter
71, 72 und eine zweite Serienschaltung 81 und 82. Der nicht mit der Primärwicklung 8 verbundene Anschluß der Primärwicklung
7 ist mit dem Verbindungspunkt der beiden Schalter 71 und 72 verbunden, während der entsprechende Anschluß der
Primärwicklung 8 mit dem Verbindungspunkt der beiden
Schalter 81 und 82 verbunden ist.
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Wie Fig. 1a zeigt, enthält jeder Schalter einen Thyristor, dem eine Diode mit umgekehrter Durchlaßrichtung parallelgeschaltet
ist. Bei den beiden in Serie geschalteten Schaltern 71 und 72 bzw. 81 und 82 haben die darin enthal-
tenen Thyristoren jeweils die gleiche Durchlaßrichtung, und zwar so, daß mit dem Pluspol der Gleichspannungsquelle 11
die Anoden und mit dem Minuspol der Gleichspannungsquelle die Kathoden der Thyristoren verbunden sind.
Jeweils eine der Primärwicklungen 7 bzw. 8 und die zugehörigen Schalter 71, 72 bzw. 81, 82 sowie die Kondensatoren
9 und 10 bildet einen Resonanz-Wechselrichter, bei dem abwechselnd die Schalter 71 und 72 geöffnet bzw. geschlossen
werden. Wenn z.B. der Schalter 71 geschlossen wird, fließt
ein Strom durch die Wicklung 7, der sich auf die Kondensatoren 9 und 10 aufteilt und diese in entgegengesetztem
Sinn umlädt, so daß die Gesamtspannung über den Kondensatoren konstant bleibt (wobei die Kondensatorspannungen
einzeln größer werden können als die vom Gleichspannungs-
erzeuger 11 gelieferten Spannungen). Nach einer Halbschwin-
JIΊ 8 b '3 b
- fr"- PHD 82-059
gung, deren Dauer von der Streuinduktivität der Primärwicklung 7 (die Hauptinduktivität wird durch die Belastung
auf der Hochspannungsseite praktisch kurzgeschlossen) sowie von der Kapazität der Kondensatoren 9 und 10 abhängt, geht
der Strom durch Null, so daß der in dem Schalter 71 enthaltene Thyristor erlischt, wobei aber noch Strom über die in
dem Schalter enthaltene Diode fließt. Der im Schalter 72 enthaltene Thyristor wird geschlossen, nachdem der im
Schalter 71 enthaltene Thyristor erloschen ist, wobei ein Strom in der entgegengesetzten Richtung wie bei der ersten
Halbschwingung durch die Primärwicklung fließt, der sich wiederum auf die beiden Kondensatoren 9 und 10 aufteilt und
diese in entgegengesetzter Richtung umlädt. Am Ende dieser Halbschwingung erlischt der im Schalter 72 enthaltene
Thyristor, wonach der Schalter 71 wieder geschlossen werden kann usw.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltung sind beide Wechselrichter gleichzeitig im Betrieb, so daß die Kondensatoren
9 und 10 durch die Strome über die Primärwicklungen 7 und 8 jeweils in gleicher Richtung umgeladen werden.
Wurden die beiden Schalter 71 und 81 jeweils gleichzeitig
eingeschaltet und ebenso anschließend die Schalter 72 und 82, dann ware die Leerlaufhochspannung an den Ausgängen der
Gleichrichter 3 und 4 jeweils einander gleich. Da der Kathodenstrom aber größer ist als der Anodenstrom der Röntgenröhre
1, wäre die Kathodenspannung niedriger als die Anodenspannung, was für den Betrieb einer derartigen Röntgenröhre
ungünstig ist. Aus diesem Grund wird der Schalter 71 etwas später geschlossen als der korrespondierende Schalter 81 und
ebenso anschließend der Schalter 72 etwas später als der Schalter 82.
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Die Wirkung dieser Maßnahme läßt sich dadurch erklären, daß bei einem Resonanzkreis, dessen Elemente durch Schließen
eines Schalters miteinander verbunden werden, die sich ergebende Stromschwingung durch die Induktivität um so
größer ist, je größer die kapazitiv gespeicherte Energie beim Schließen des Schalters ist. Zu dem Zeitpunkt, zu dem
Schalter 71 geschlossen wird, ist schon ein Teil der in den Kondensatoren 9 und 10 gespeicherten Energie über den
Schalter 81 auf die Primärwicklung 8 übergegangen, woraus resultiert, daß der Stromimpuls in der Primärwicklung 7
kleiner ist als in der Primärwicklung 8. Da die Schaltfrequenz für beide Wechselrichter jedoch gleich ist, bedeutet
das, daß die über die Primärwicklung 7 übertragene Energie kleiner ist als die Energie, die über die Primär-
wicklung 8 übertragen wird. Infolgedessen wird die Leerlaufspannung
am Ausgang des Gleichrichters 4 (bezogen auf Masse) dem Betrage nach größer als die Leerlaufspannung am Ausgang
3. Dieser Unterschied ist um so ausgeprägter, je größer die zeitliche Verzögerung zwischen dem Schließen des Schalters
81 und des Schalters 71 bzw. des Schalters 82 und des Schalters 72 ist. Die Verzögerungen können dabei so gewählt
werden, daß bei Belastung durch die Röntgenröhre 1 Anoden- und Kathodenspannung einander gleich sind und sogar so groß,
daß die Kathodenspannung größer wird als die Anodenspannung, 25
was in bestimmten Betriebszuständen von Vorteil sein kann.
Der Aufbau der Schaltung zur Steuerung der Schalter 71...82
ist vereinfacht ebenfalls in Fig. 1 dargestellt. Danach
werden die Schalter 71, 72, 81 und 82 in dieser Reihenfolge 30
durch ünd-Glieder 7 10, 720, 810 und 820 gesteuert, die über
nicht näher dargestellte Impulsformer - Start- bzw. weil die Schalter Thyristoren enthalten - Zündimpulse für
die zugeordneten Schalter liefern. Die Start- bzw. Zündimpulse werden von einem spannungsgesteuerten Rechteckoszillator
12 geliefert, dessen Frequenz doppelt so
J Z Ί 8 b 3 b
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hoch ist wie die Frequenz der Start- bzw. Zund impulse. Die
Ausgangsiinpulse des Oszillators 12 worden dem Eingang einer bistabilen Kippschaltung 13 zugeführt, die jeweils durch
eine bestimmte Planke, z.B. die positive, gekippt wird, die dem 0-1-übergang entsprechen möge. Der eine Ausgang der
bistabilen Kippschaltung 13 ist mit je einem Eingang der Und-Glieder 710 und 810 verbunden, während der andere dazu
komplementäre Ausgang der bistabilen Kippschaltung 13 mit je einem Eingang der Und-Glieder 720 bzw. 820 verbunden ist.
Die Ausgangsimpulse des Oszillators 12 werden darüber hinaus noch je einem weiteren Eingang der Und-Glieder 810 und
zugeführt, während die entsprechende Eingänge der Und-Glieder 710 und 720 mit dem Ausgang eines vorzugsweise
elektronisch steuerbaren Verzögerungsgliedes 14 verbunden sind, dessen Eingang mit dem Ausgang des Oszillators 12
verbunden ist.
Infolge der Steuerung der Und-Glieder durch die bistabile Kippschaltung 13 ist die Frequenz der Impulse am Ausgang der
Und-Glieder nur noch halb so groß wie die Oszillatorfrequenz. Die Impulse an den Ausgängen der Schaltungen
und 820 sind um eine halbe Schaltperiode gegeneinander versetzt, weil diese von je einem der komplementären
Ausgänge der bistabilen Kippschaltung gesteuert werden. Das gleiche gilt für die Impulse der Und-Glieder 710, 720,
jedoch sind diese zumindest aber ihre Vorderflanke (0-1-Übergang) gegenüber den Impulsen der Und-Glieder 810
bzw. 820 um die durch das Verzögerungsglied 14 eingeführte Verzögerungszeit versetzt, weil diese Und-Glieder nicht
direkt an den Ausgang des Oszillators 12 angeschlossen sind, sondern über das Verzögerungsglied 14. Eine Änderung der
Oszillatorfrequenz hat eine gleichsinnige Änderung der Spannung an der Röntgenröhre zur Folge. Es ist möglich, die
verschiedenen Röhrenspannungen und Röhrenströmen zugeord-
neten Werte der Oszillatorfrequenz und der Verzogerungszeit
JZ I O Ό J
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in einem Festwertspeicher zu speichern und damit das Verzögerungsglied bzw. den Oszillator zu steuern.
Fig. 2 zeigt eine Ansicht des Hochspannungs-Transformators.
Auf einem geschlossenen Eisenkern 15 sind die beiden Primärwicklungen 7 und 8 in einigem Abstand voneinander
angeordnet, so daß dazwischen nur eine relativ lose magnetische Kopplung besteht. Darüber sind die zugehörigen
Sekundärspulen 5 bzw. 6 geschoben, so daß die Kopplung zwischen einer Primärwicklung , z.B. 8, und der jeweils
anderen Sekundärwicklung (5) nur sehr schwach ist. Auf diese Weise hat man mit nur einem Eisenkern im wesentlichen die
Vorteile zweier getrennter Transformatoren mit gesonderten Eisenkernen. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, müssen die Primärwicklungen
7 und 8 mit entgegengesetztem Wickelsinn gewickelt werden, damit (z.B. nach dem Fließen der Schalter
und 81) nicht die Gleichspannungsquelle durch die Parallelschaltung der beiden Wicklungen, die dann einen sehr
niedrigen Blindwiderstand hat, und einen Kondensator (10)
kurzgeschlossen wird. Obwohl die Erfindung am Beispiel eines Hochspannungserzeugers für die Speisung einer Röntgenröhre
beschrieben wurde, ist es auch möglich, andere Verbraucher daran anzuschließen, die unterschiedliche
positive und negative Hochspannungspotentiale benötigen oder
die entsprechenden Anschlüsse unterschiedlich belasten und die über einen Gleichrichter mit der Transformatoranordnung
gekoppelt sind.
Es kann auch erwünscht sein, die Schaltimpulse für die
Schalter 81 und 82 gegenüber den Schaltimpulsen für die Schalter 71 und 72 zu verzögern. In diesem Fall müßte die
Verzögerungsschaltung statt zwischen den Oszillator 12 und die Eingänge der Und-Glieder 710 und 720 zwischen den
Oszillator und die Eingänge der Und-Glieder 810 und 820 geschaltet sein. Wenn bei dem Hochspannungserzeuger in
JZ I
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bestimmten Betriebszuständen die Anoclenspannung und in
anderen Betriebszuständen die Kathodenspannung großer sein soll, müssen in jeder der beiden Verbindungen Verzögerungsschaltungen sein, deren Verzögerung je nach Bedarf gesteuert
5 wird. Es kann aber auch eine Umschaltvorrichtung benutzt werden, die die Verzögerungsschaltung jeweils in eine der
beiden Verbindungen einschaltet und die jeweils andere Verbindung direkt durchschaltet.
Leersei te
Claims (3)
- - 1/T - PHD 82-059PATENTANSPRÜCHE:(ΐ .J Hochspannungserzeuger, insbesondere zur Speisung einer Röntgenröhre, mit einer Resonanz-Wechselrichteranordnung, bei der zwei Primärwicklungen einer Hochspannungs-Transfor-matoranordnung über Schalter abwechselnd von den Umlade-5strömen einer Kondensatoranordnung durchflossen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoranordnung (9, 10) so angeordnet ist, daß sie von den Strömen durch jede der beiden Primärwicklungen (7, 8) durchflossen wird, und daß eine vorzugsweise steuerbare Verzögerungsanordnung (14) vorgesehen ist zur Verzögerung der Schaltimpulse fur die Schalter (71, 72) derart, daß die Ströme durch die Primärwicklungen (7, 8) zu unterschiedlichen Zeiten zu fließen beginnen.
- 2. Hochspannungserzeuger nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Transformatoranordnung zwei auf den gleichen Kern gewickelte Primärwicklungen aufweist, die mit entgegengesetztem Wickelsinn in Serie geschaltetsind.
20 - 3. Hochspannungserzeuger nach einem der Ansprüche 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoranordnung zwei in Serie geschaltete Kondensatoren (9, 10) umfaßt, daß derSerienschaltung zwei Serienschaltungen aus je zwei im Gegentakt schalbaren Schaltern (71, 72 bzw. 81, 82) sowie eine Gleichspannungsquelle (11) parallelgeschaltet ist, und daß die Primärwicklungen (7 bzw. 8) zwischen den Verbindungspunkten je einer aus zwei Schaltern (71, 72 bzw. 81, 82) bestehenden Serienschaltung einerseits und dem Verbindungspunkt der beiden Kondensatoren (9, 10) andererseits eingeschaltet sind.
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