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" Hilfsspannungsquelle zur Versorgung von auf
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Hochspannungspotential liegenden elektrischen SChaltungen " Die Erfindung
betrifft eine Hilfsspannungsquelle zur Versorgung von auf Hochspannungspotential
liegenden elektrischen Schaltungen, insbesondere von Steuer-, Meß- und Regelschaltungen,
für eine mit der Hochspannung versorgte Elektronenstrahlkanone, die eine durch einen
Heizstromkreis beheizbare Katode für die Erzeugung eines Elektronenstrahls aufweist
und mit einer im Heizstromkreis liegenden Spannungsversorgungseinrichtung versehen
ist, die einen Wechselstrombereich aufweist und deren Ausgangsstrom regelbar ist.
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Die Verwendung von Hilfsspannungsquellen für den genannten Zweck ist
bekannt. Hilfsspannungsquellen dienen beispielsweise zur Versorgung der Anode einer
Regelröhre, einer Heizstromversorgung dieser Röhre oder generell zur Versorgung
der Elektronik dieser Röhre, einer Meßelektronik für die Strahlstrom-Istwert-Erfassung
etc.
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Durch die DE-PS 15 65 145 ist eine Elektronenstrahlkanone mit mehreren
Regelkreisen bekannt, die mit Hilfs- oder Bezugsspannungsquellen ausgestattet sind.
Diese Hilfsspannungsquellen befinden sich jedoch nahezu auf Erdpotential, so daß
eine Hilfsspannungsquelle auf Hochspannungspotential nicht zur Verfügung steht.
Die bekannte Lösung besitzt keinerlei elektrische Schaltung für Steuer-, Meß- und
Regelzwecke, die auf Hochspannungspotential liegt, so daß eine hierfür notwendige
Hilfsspannung nicht erforderlich ist.
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Durch die DE-PS 24 60 424 ist gleichfalls eine Elektronenstrahl kanone
mit Regeleinrichtungen bekannt, die auf Hochspannungspotential liegende Regel- und
Stellglieder aufweist. Ober die Versorgung dieser Regel- und Stellglieder mit einer
Hilfsspannung schweigt sich die betreffende Schrift aus; bei einer praktischen Ausführungsform
der bekannten Regelanordnung bestehen die Hilfsspannungsquellen aus einem mit dem
Netz verbundenen Trenntransformator mit einer Sekundärwicklung, dem ein weiterer
Transformator mit mehreren Sekundärwicklungen nachgeschaltet ist. Die Ausgänge dieser
Sekundärwicklungen sind Spannungsreglern aufgeschaltet bzw. mit dem Heizstromkreis
der Regelröhren
verbunden. Dieser zusätzliche Trenntransformator,
der für hohe Potentialdifferenzen von beispielsweise 150 kV oder darüber ausgelegt
ist, muß entsprechend isoliert werden und ist damit schwer, groß und teuer. Ein
weiterer Trenntransformator ist in jedem Falle für die Katodenheizung erforderlich,
so daß die bekannte Anordnung mindestens zwei Trenntransformatoren bedingt. Unter
dem Begriff "Trenntransformator" werden solchen Transformatoren verstanden, die
aufgrund ihrer besonderen Bauform Potentialdifferenzen von mindestens 10 kV widerstehen
können.
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Die Anordnung von Regelschaltungen und Stellgliedern auf Hochspannungspotential
ist deswegen wünschenswert, weil hiermit ein Regelverhalten mit besonders kurzer
Zeitkonstante herbeigeführt werden kann.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Aufwand durch
Wegfall des für hohe Potentialdifferenzen isolierten Trenntransformators zu verringern
und dennoch mindestens eine Hilfsspannung auf hohem Potential zur Verfügung zu haben.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bezüglich der eingangs angegebenen
Hilfsspannungsquelle erfindungsgemäß dadurch, daß im Wechselstrombereich des Heizstromkreises
der Katode die Primärwicklung eines Stromwandlers liegt, dessen mindestens eine
Sekundärwicklung über einen Gleichrichter mit einem Parallel-Regler verbunden ist,
an dessen Ausgang die Hilfsspannung ansteht.
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Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird erreicht, daß der
ohnehin
auf Hochspannungspotential liegende Heizstromkreis der Katode als Quelle für die
Hilfsspannuno herangezogen werden kann, ohne daß es eines ausgesprochenen Trenntransformators
für die Versorgung der gleichfalls auf Hochspannungspotential liegenden Steuer-,
MeS und Regelschaltungen bedarf.
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Hierbei ist von Bedeutung, daß der im Heizstromkreis fliessende Strom
nur innerhalb bestimmter Grenzen Veränderungen unterliegt. Bei Elektronenstrahlkanonen
für Schmelz- und Verdampfungszwecke wird der Heizstrom zur Regelung des Emissionsstroms
der Kanone gezielt beeinflußt. Bei Elektronenstrahlkanonen für Schweißzwecke wird
der Ausgangsstrom der Spannungsversorgungseinrichtung für den Katoden-Heizstromkreis
in der Regel auf einen konstanten Wert geregelt. In diesem Sonderfall wird der Emissionsstrom
über den Wehnelt-Zylinder geregelt, der gleichfalls unter Hochspannung steht. Einzelheiten
werden im Rahmen der Detailbeschreibung noch näher erläutert.
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Der Parallel-Regler, häufig auch als Shunt-Realer bezeichnet, hat
die Wirkung, daß eine Anderung der Ausgangsbelastung keine oder keine merklichen
Rückwirkungen auf die Quelle bzw. die Eingangsspannung hat. Da der Eingangskreis
mit einem konstanten Strom betrieben wird, führt dies zu dem Vorteil, daß die ansonsten
belastungsabhängig eintretende änderung der Strahlleistung, bedingt durch den geänderten
Heizstrom der Katode, unterbleibt. Jede Veränderung der Strahl parameter wie Spannung
oder Strom hätte letztendlich eine Veränderung des Arbeitsverfahrens zur Folge,
für das der Elektronenstrahl eingesetzt wird. Ganz besonders empfindlich auf Anderunsen
der Strahlparameter reagieren Elektronenstrahlkanonen für Schweißzwecke, da ge-
änderte
Schweißparameter der Qualität der Schweißnaht unter Umst-änden abträglich sind.
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Im einfachsten Fall kann der Parallel-Regler aus einer Zener-Diode
bestehen, wenn geringfügige Rückwirkungen auf die Quelle tolerierbar sind.
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Die Hilfsspannungen, von denen hier die Rede ist, liegen im Bereich
der Keinspannungen, schliessen also Spannungen voh beispielsweise 15 oder 24 V ein.
Es kann dabei gemäß der weiteren Erfindung besonders vorteilhaft sein, wenn der
Stromwandler eine zweite Sekundärwicklung mit einer mehrfach größeren Windungszahl
aufweist, die über einen weiteren Gleichrichter und einen weiteren Parallelregler
dem Stellglied für die Wehnelt-Spannung aufgeschaltet ist.
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Durch die größere Windungszahl können hierbei je nach Bedarf höhere
Hilfsspannungen erzielt werden, die beispielsweise zwischen 0,5 und 2,0 kV liegen
können. Derartige Spannungen können ohne weiteres für die leistungslose Regelung
verwendet werden, wie sie beispielsweise bei Schweißkanonen für die Regelung der
Wehnelt-Spannung und damit des Emissionsstromes erforderlich sind.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind
in den Ubrigen Unteransprüchen beschrieben.
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Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachfolgend
anhand der einzigen Figur näher erläutert, die beispielhaft den Einsatz bei einer
Elektronenstrahl-Schweißkanone zeigt.
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In der Figur ist eine Elektronenstrahl-Schweißmaschine 1 nur sehr
schematisch dargestellt. Sie enthält eine Vakuumkammer 2 mit einem Werkstückträger
3 und einem Werkstück 4, welches das Gegenpotential für einen von einer Eletronenstrahl
kanone 5 emittierten Elektronenstrahl 6 darstellt.
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Das Werkstück 4 ist ebenso wie die Vakuumkammer 2 an Masse gelegt
und bildet, relativ gesehen, die Anode für den Elektronenstrahl 6.
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Die Elektronenstrahlkanone 5 enthält einen Wehnelt-Zylinder 7 und
eine durch Stromdurchfluß direkt beheizte Katode 8.
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Die Katode 8 befindet sich auf hohem negativen Potential von 150 kV,
und der Wehnelt-Zylinder läßt sich auf ein noch größeres negatives Potential einstellen,
wodurch die Strahl leistung entsprechend veränderbar ist.
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Zur Katode 8 gehört ein Heizstromkreis 9, der seine Leistung über
einen üblichen Trenntransformator 10 und einen vorgeschalteten Heizungsregler 11
bezieht. Im Heizstromkreis 9 liegt weiterhin ein Symmetrierglied 12, welches Elemente
für die Gleichrichtung und Glättung des Heizstromes enthält.
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Der Aufbau solcher Symmetrierglieder ist Stand der Technik, so daß
sich ein weiteres Eingehen hierauf erübrigt.
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Das Symmetrierglied 12 besitzt einen Ausgang 13 für die Erfassung
des Strahlstrom-Ist-Wertes, der an einem Meßwiderstand 14 abgegriffen werden kann.
Der Meßwert wird über Leitungen 15 und 16 einer Meßwert-Erfassungsschaltung 17 zugeführt,
zu der ein Spannungs-Frequenz-Wandler 18 gehört.
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Der Ausgang 13 ist über eine weitere Leitung 19 einem Stell-
glied
20 für die Wehnelt-Spannung aufgeschaltet, das seinerseits über eine Leitung 21
mit dem Wehnelt-Zylinder 7 verbunden ist. Dem Stellglied 20 ist ein Frequenz-Spannungs-Wandler
22 vorgeschaltet, auf dessen Funktion nachstehend noch näher eingegangen wird.
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Der Heizstromkreis 9 besitzt einen Wechselstrombereich 23, mit dem
derjenige Teil des Stromkreises bezeichnet wird, der vor dem im Symmetrierglied
-12 vorhanden Gleichrichter liegt. Es wird bemerkt, daß ein derartiger Gleichrichter
bei Elektronenstrahl kanonen für Schmelz- und Verdampfungszwecke in der Regel nicht
vorhanden ist, so daß in diesem Falle der Wechselstrombereich 23 den gesamten Heizstromkreis
9 darstellt.
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Im Wechselstrombereich 23 liegt die Primärwicklung 24 eines Stromwandlers
25, dessen Sekundärwicklung 26 einem Gleichrichter 27 aufgeschaltet ist. Dieser
Gleichrichter, der fUr Schmelzzwecke auch mit Glättungsmitteln ausgestattet sein
kann, ist einem Parallel-Regler 28 ( Shunt-Regler) aufgeschaltet, der im einfachsten
Fall aus einer Zener-Diode bestehen kann. Der Ausgang 29 des Parallel-Reglers 28
ist in Parallelschaltung dem Spannungs-Frequenz-Wandler 18, dem Frequenz-Spannungs-Wandler
22 und -dem Stellglied 20 für die Wehnelt-Spannung aufgeschaltet.
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Die auf diese Weise erzeugte Hilfsspannung ist die Versorgungsspannung
für die vorgenannten, nachgeschalteten Elemente.
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Der Spannungs-Frequenz-Wandler 18 besitzt einen nicht näher bezeichneten
potentialfreien, d.h. nicht-elektrischen Ausgang,
der gleichzeitig
den Eingang einer potentialtrennenden Obertragerstrecke 31 darstellt, die zusammen
mit ihrer Wirkungsrichtung durch einen Pfeil symbolisiert wird.
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Eine derartige Obertragerstrecke kann als Lichtleiter ausgebildet
sein oder durch ein System aus optischen oder akustischen Sendern und Empfängern
gebildet werden.
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Als übertragende Energieform kann beispielsweise Lichtstrahlung (Infrarot)
oder Ultraschall dienen. Am Ende der Obertragungsstrecke 29 befindet sich ein Frequenz-Spannungs-Wandler
32 mit einem nun wieder elektrischen Ausgang 33, der einem Strahistrom-Regler 34
aufgeschaltet ist. Im Strahlstromregler wird das am Ausgang 33 anstehende Signal
mit einem Sollwert wl verglichen und das daraus gebildete Regelsignal einem Sp-annungs-Frequenz-Wandler
35 zugeführt, von dem es wiederum über eine potentialtrennende Obertragerstrecke
36 dem Frequenz-Spannungs-Wandler 22 zugeführt wird. Auch diese Obertragerstrecke
36 wird ebenso wie ihre Wirkungsrichtung durch einen Pfeil symbolisiert.
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Die Wandler 32 und 35 liegen ebenso wie der Strahistromregler 34 auf
Erdpotential; sie werden durch weitere Hilfsspannungsquellen üblicher Bauart versorgt,
die der Einfachheit halber nicht dargestellt sind. In den Spannungs-Frequenz-Wandlern
18 und 35 werden die jeweils eingehenden elektrischen Signale (Spannungen) in nichtelektrische
Signale umgesetzt, deren Frequenz, Amplitude, Modulation etc. ein dem Spannungswert
proportionales Abbild darstellen. In den Frequenz-Spannungs-Wandlern 32 und 22 erfolgt
die umgekehrte Umsetzung in Spannungssignale. Die
Obertragerstrecken
31 und 36 überbrücken die Potentialdifferenz zum Hochspannungspotential.
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Es ergibt sich auf diese Weise, daß der am Ausgang 13 bzw.
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am Meßwiderstand 14 abgegriffene Wert für den Strahl strom noch auf
der Hochspannungsseite verarbeitet werden kann und- wahlweise dort oder am Ende
der Obertragerstrecke 31 auf Erdpotential einem Endzweck zugeführt werden kann,
wie beispielsweise zur Anzeige des Meßwertes oder zur Umsetzung in eine Stellgröße
mittels des Strahlstromreglers 34.
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Auch die Katodenspannung kann auf die gezeigte Weise abgegriffen und
zur Anzeige gebracht werden.
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Im unteren Teil der Figur ist ein Stromwandler 25a dargestellt, der
an die Stelle des Stromwandlers 25 gesetzt werden kann. Zum Unterschied vom Stromwandler
25 besitzt der Stromwandler 25a außer der Primärwicklung 24 und der ersten Sekundärwicklung
26 eine zweite Sekundärwicklung 37, die einem weiteren Gleichrichter 38 und einem
weiteren spannungsstabilisierten Parallel-Regler 39 aufgeschaltet ist. Die zweite
Sekundärwicklung 37 besitzt eine wesentlich größere Windungszahl, so daß hier beispielsweise
leistungslos eine Spannung von 1 kV erzeugt werden kann" die dem Stellglied 20 für
die Wehnelt-Spannung aufgeschaltet ist. Auf diese Weise wird der bereits vorhandenen
hohen Katodenspannung eine Spannung überlagert, die gegen-Uber der Katodenspannung
nochmals um 1 kV negativ ist.
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Durch Variation dieser Spannung mittels des Stellgliedes 20 kann der
Strahl strom in an sich bekannter Weise geregelt werden. Es ist erkennbar, daß auf
die angegebene Weise auf Hochspannungspotential auch die Wehnelt-Spannung erzeugt
und
geregelt werden kann, und zwar durch die gleichfall-s auf Hochspannungspotential
befindliche Hilfsspannungsquelle, die aus den Bauelementen 25, 27 und 28 besteht.