DE3239337C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hilfsspannungsquelle zur Versorgung von auf Hochspannungspotential liegenden elektrischen Schaltungen, insbesondere von Steuer-, Meß- und Regel­ schaltungen, für eine mit der Hochspannung versorgte Elektronenstrahlkanone, die eine durch einen Heizstromkreis beheizbare Kathode für die Erzeugung eines Elektronenstrahls aufweist und mit einer im Heizstromkreis liegenden Spannungs­ versorgungseinrichtung versehen ist, die einen Wechselstrom­ bereich aufweist und deren Ausgangsstrom regelbar ist.

Die Verwendung von Hilfsspannungsquellen für den genannten Zweck ist bekannt. Hilfsspannungsquellen dienen beispiels­ weise zur Versorgung der Anode einer Regelröhre, einer Heiz­ stromversorgung dieser Röhre oder generell zur Versorgung der Elektronik dieser Röhre, einer Meßelektronik für die Strahlstrom-Istwert-Erfassung etc.

Durch die DE-PS 15 65 145 ist eine Elektronenstrahlkanone mit mehreren Regelkreisen bekannt, die mit Hilfs- oder Bezugs­ spannungsquellen 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.

Durch die DE-PS 24 60 424 ist gleichfalls eine Elektronen­ strahlkanone mit Regeleinrichtungen bekannt, die auf Hochspannungspotential liegende Regel- und Stellglieder aufweist. Über die Versorgung dieser Regel- und Stell­ glieder mit einer Hilfsspannung schweigt sich die betreffende Schrift aus; bei einer praktischen Ausführungsform der bekannten Regelanordnung bestehen die Hilfsspannungs­ quellen aus einem mit dem Netz verbundenen Trenntransformator mit einer Sekundärwicklung, dem ein weiterer Transformator mit mehreren Sekundärwicklungen nachgeschaltet ist. Die Ausgänge dieser Sekundärwicklungen sind Spannungsregler 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 Trenn­ transformator ist in jedem Falle für die Kathodenheizung erforderlich, so daß die bekannte Anordnung mindestens zwei Trenntransformatoren bedingt. Unter dem Begriff "Trenntransformator" werden solchen Transformatoren ver­ standen, die aufgrund ihrer besonderen Bauform Potential­ differenzen von mindestens 10 kV widerstehen können.

Die Anordnung von Regelschaltungen und Stellgliedern auf Hochspannungspotential ist deswegen wünschenswert, weil hiermit ein Regelverhalten mit besonders kurzer Zeit­ konstante herbeigeführt werden kann.

Aus der DE-OS 29 18 426 ist es bei Elektronenstrahl­ verdampfern bekannt, im Strahlstromkreis einen Strom- wandler vorzusehen, der mit einem Schaltkreis verbunden ist, durch den bei Auftreten von Kurzschlüssen im Elektronenstrahlver- dampfer die an diesem anliegende Hochspannung gesperrt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Hilfsspannungsquelle der eingangs genannten Art anzugeben, bei der der Aufwand durch Wegfall des für hohe Potentialdifferenzen isolierten Trenntransformators verringert ist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bezüglich der eingangs angegebenen Hilfsspannungsquelle erfindungsgemäß dadurch, daß im Wechselstrombereich des Heizstromkreises der Kathode die Primärwicklung eines Stromwandlers liegt, dessen mindestens eine Sekundärwicklung über einen Gleich­ richter mit einem Parallel-Regler verbunden ist, an dessen Ausgang die Hilfsspannung ansteht.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird erreicht, daß der ohnehin auf Hochspannungspotential liegende Heizstromkreis der Kathode als Quelle für die Hilfsspannung herangezogen werden kann, ohne daß es eines ausgesprochenen Trenntrans­ formators für die Versorgung der gleichfalls auf Hochspannungs­ potential liegenden Steuer-, Meß-und Regelschaltungen bedarf. Hierbei ist von Bedeutung, daß der im Heizstromkreis fließende Strom nur innerhalb bestimmter Grenzen Ver­ änderungen unterliegt. Bei Elektronenstrahlkanonen für Schmelz- und Verdampfungszwecke wird der Heizstrom zur Regelung des Emissionsstroms der Kanone gezielt beein­ flußt. Bei Elektronenstrahlkanonen für Schweißzwecke wird der Ausgangsstrom der Spannungsversorgungseinrichtung für den Kathoden-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.

Der Parallel-Regler, häufig auch als Shunt-Regler bezeichnet, hat die Wirkung, daß eine Änderung der Ausgangs­ belastung keine oder keine merklichen Rückwirkungen auf die Quelle bzw. die Eingangsspannung hat. Da der Eingangs­ kreis 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 Kathode, unterbleibt. Jede Ver­ änderung der Strahlparameter wie Spannung oder Strom hätte letztendlich eine Veränderung des Arbeitsverfahrens zur Folge, für das der Elektronenstrahl eingesetzt wird. Ganz besonders empfindlich auf Änderungen der Strahlparameter reagieren Elektronenstrahlkanonen für Schweißzwecke, da ge­ änderte Schweißparameter der Qualität der Schweißnaht unter Umständen abträglich sind.

Im einfachsten Fall kann der Parallel-Regler aus einer Zener-Diode bestehen, wenn geringfügige Rückwirkungen auf die Quelle tolerierbar sind.

Die Hilfsspannungen, von denen hier die Rede ist, liegen im Bereich der Kleinspannungen, schliessen also Spannungen von beispielsweise 15 oder 24 V ein. Es kann dabei gemäß einer Weiterbildung der 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. Durch die größere Windungszahl können hierbei je nach Bedarf höhere Hilfsspannungen erzielt werden, die bei­ spielsweise zwischen 0,5 und 2,0 kV liegen können. Der­ artige 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.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind in den übrigen Unteransprüchen beschrieben.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachfolgend anhand der einzigen Figur näher erläutert, die beispielhaft den Einsatz bei einer Elektronenstrahl-Schweiß­ kanone zeigt.

In der Figur ist eine Elektronenstrahl-Schweißmaschine 1 nur sehr schematisch dargestellt. Sie enthält eine Vakuum­ kammer 2 mit einem Werkstückträger 3 und einem Werkstück 4, welches das Gegenpotential für einen von einer Elektronen­ strahlkanone 5 emittierten Elektronenstrahl 6 darstellt. Das Werkstück 4 ist ebenso wie die Vakuumkammer 2 an Masse gelegt und bildet, relativ gesehen, die Anode für den Elektronenstrahl 6.

Die Elektronenstrahlkanone 5 enthält einen Wehnelt-Zylinder 7 und eine durch Stromdurchfluß direkt beheizte Kathode 8. Die Kathode 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.

Zur Kathode 8 gehört ein Heizstromkreis 9, der seine Leistung über einen üblichen Trenntransformator 10 und einen vorge­ schalteten Heizungsregler 11 bezieht. Im Heizstromkreis 9 liegt weiterhin ein Symmetrierglied 12, welches Elemente für die Gleichrichtung und Glättung des Heizstromes enthält. Der Aufbau solcher Symmetrierglieder ist Stand der Technik, so daß sich ein weiteres Eingehen hierauf erübrigt.

Das Symmetrierglied 12 besitzt einen Ausgang 13 für die Erfassung des Strahlstrom-Ist-Wertes, der an einem Meßwider­ stand 14 abgegriffen werden kann. Der Meßwert wird über Leitungen 15 und 16 einer Meßwert-Erfassungsschaltung 17 zugeführt, zu der ein Spannungs-Frequenz-Wandler 18 ge­ hört.

Der Ausgang 13 ist über eine weitere Leitung 19 einem Stell­ glied 20 für die Wehnelt-Spannung aufgeschaltet, das seiner­ seits über eine Leitung 21 mit dem Wehnelt-Zylinder 7 ver­ bunden ist. Dem Stellglied 20 ist ein Frequenz-Spannungs- Wandler 22 vorgeschaltet, auf dessen Funktion nachstehend noch näher eingegangen wird.

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 Gleich­ richter bei Elektronenstrahlkanonen für Schmelz- und Verdampfungszwecke in der Regel nicht vorhanden ist, so daß in diesem Falle der Wechselstrombereich 23 den gesamten Heizstromkreis 9 darstellt.

Im Wechselstrombereich 23 liegt die Primärwicklung 24 eines Stromwandlers 25, dessen Sekundärwicklung 26 einem Gleichrichter 27 aufgeschaltet ist. Dieser Gleichrichter, der für Schmelzzwecke auch mit Glättungsmitteln ausge­ stattet 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. Die auf diese Weise erzeugte Hilfsspannung ist die Ver­ sorgungsspannung für die vorgenannten, nachgeschalteten Elemente.

Der Spannungs-Frequenz-Wandler 18 besitzt einen nicht näher bezeichneten potentialfreien, d. h. nicht-elektrischen Ausgang, der gleichzeitig den Eingang einer potentialtrennenden Übertragerstrecke 31 darstellt, die zusammen mit ihrer Wirkungsrichtung durch einen Pfeil symbolisiert wird. Eine derartige Übertragerstrecke kann als Lichtleiter ausgebildet sein oder durch ein System aus optischen oder akustischen Sendern und Empfängern gebildet werden. Als übertragende Energieform kann beispielsweise Licht­ strahlung (Infrarot) oder Ultraschall dienen. Am Ende der Übertragungsstrecke 29 befindet sich ein Frequenz- Spannungs-Wandler 32 mit einem nun wieder elektrischen Ausgang 33, der einem Strahlstrom-Regler 34 aufgeschaltet ist. Im Strahlstromregler wird das am Ausgang 33 an­ stehende Signal mit einem Sollwert w₁ verglichen und das daraus gebildete Regelsignal einem Spannungs-Frequenz- Wandler 35 zugeführt, von dem es wiederum über eine potentialtrennende Übertragerstrecke 36 dem Frequenz- Spannungs-Wandler 22 zugeführt wird. Auch diese Über­ tragerstrecke 36 wird ebenso wie ihre Wirkungsrichtung durch einen Pfeil symbolisiert.

Die Wandler 32 und 35 liegen ebenso wie der Strahlstrom­ regler 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 nicht­ elektrische 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 Übertragerstrecken 31 und 36 überbrücken die Potential­ differenz zum Hochspannungspotential.

Es ergibt sich auf diese Weise, daß der am Ausgang 13 bzw. am Meßwiderstand 14 abgegriffene Wert für den Strahlstrom noch auf der Hochspannungsseite verarbeitet werden kann und wahlweise dort oder am Ende der Übertragerstrecke 31 auf Erdpotential einem Endzweck zugeführt werden kann, wie beispielsweise zur Anzeige des Meßwertes oder zur Um­ setzung in eine Stellgröße mittels des Strahlstromreglers 34. Auch die Kathodenspannung kann auf die gezeigte Weise abge­ griffen und zur Anzeige gebracht werden.

Im unteren Teil der Figur ist ein Stromwandler 25a darge­ stellt, 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 wesent­ lich größere Windungszahl, so daß hier beispielsweise leistungslos eine Spannung von 1 kV erzeugt werden kann, die dem Stellglied 20 für die Wehnelt-Spannung aufge­ schaltet ist. Auf diese Weise wird der bereits vorhandenen hohen Kathodenspannung eine Spannung überlagert, die gegen­ über der Kathodenspannung nochmals um 1 kV negativ ist. Durch Variation dieser Spannung mittels des Stellgliedes 20 kann der Strahlstrom 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 gleichfalls auf Hochspannungspotential befindliche Hilfsspannungs­ quelle, die aus den Bauelementen 25, 27 und 28 besteht.

Claims (5)

1. Hilfsspannungsquelle zur Versorgung von auf Hochspannungs­ potential liegenden elektrischen Schaltungen, insbe­ sondere von Steuer-, Meß- und Regelschaltungen, für eine mit der Hochspannung versorgte Elektronenstrahl­ kanone, die eine durch einen Heizstromkreis beheizbare Kathode für die Erzeugung eines Elektronenstrahls auf­ weist und mit einer im Heizstromkreis liegenden Spannungsversorgungseinrichtung versehen ist, die einen Wechselstrombereich aufweist und deren Ausgangsstrom regelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Wechsel­ strombereich (23) des Heizstromkreises (9) der Kathode (8) die Primärwicklung (24) eines Strom­ wandlers (25, 25a) liegt, dessen mindestens eine Sekundärwicklung (26) über einen Gleichrichter (27) mit einem Parallelregler (28) verbunden ist, an dessen Ausgang (29) die Hilfsspannung ansteht.

2. Hilfsspannungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ausgang des Parallelreglers (28) als Versorgungsspannung mit einer Meßwert-Erfassungsschaltung (17) für den Strahlstrom-Istwert verbunden ist.

3. Hilfsspannungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ausgang des Parallelreglers (25) als Ver­ sorgungsspannung mit einem Stellglied (20) für die Wehnelt-Spannung einer Elektronenstrahl-Schweiß­ kanone (5) verbunden ist.

4. Hilfsspannunqsquelle nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ausgang des Parallelreglers (28) als Versorgungsspannung einem Spannungs-Frequenz-Wandler (18) aufgeschaltet ist und daß der Ausgang des Spannungs- Frequenz-Wandlers über eine potentialtrennende Über­ tragerstrecke (31) dem Eingang eines Strahlstrom­ reglers (34) aufgeschaltet ist.

5. Hilfsspannungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Stromwandler (25a) eine zweite Sekundär­ wicklung (37) mit einer mehrfach größeren Windungszahl aufweist, die über einen weiteren Gleichrichter (38) und einen weiteren Parallelregler (39) einem Stellglied (20) für die Wehnelt-Spannung aufgeschaltet ist.