DE3438034A1 - Schaltnetzteil fuer die speisung einer induktivitaet - Google Patents
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Description
-
- Schaltnetzteil für die Speisung einer Induktivität
- Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil für die oberschwingungsarme Speisung einer Induktivität zur Erzielung eines vorbestimmten Stromverlaufes mit einer Brücke aus elektrischen Schaltern, in deren einer Diagonale die Induktivität liegt und an deren anderer Diagonale eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, sowie mit einer Steuervorrichtung zum Ansteuern der Schalter.
- Ein Schaltnetzteil dieser Art kann z. B. für die Speisung von Gradientenspulen in einem Kernspintomographiegerät zur Darstellung von Schnittbildern eines Patienten benutzt werden. Es bewirkt dabei einen zeitlichen Stromverlauf, wie er beispielsweise durch die Kurve in der Figur 1 dargestellt ist. Die Kurve zeigt, daß der Strom in der Cradientenspule zunächst linear ansteigt, dann einige Zeit konstant bleibt, danach abfällt und in seiner Richtung auch umgekehrt wird.
- Die Figur 2 zeigt ein Schaltnetzteil nach dem Stand der Technik zum Speisen einer Induktivität 1, die die Gradientenspule in einem Kernspintomographiegerät sein kann.
- Die Induktivität 1 liegt in der einen Diagonale einer Brücke aus Schalttransistoren 2, 3, 4, 5, die durch Dioden 6, 7, 8, 9 überbrückt sind. An der anderen Diagonale der Brücke 2 bis 5 liegt der Plus- bzw. Minuspol einer Gleichspannungsquelle.
- Zum Stromaufbau in der Induktivität 1 werden für die eine Stromrichtung beispielsweise die einander diagonal gegenüberliegenden Schalttransistoren 2 und 5 synchron periodisch getaktet. Bei leitenden Schalttransistoren 2, 5 verläuft der Stromfluß entsprechend dem Pfad 10 in Figur 2. Für die Erzeugung einer entgegengesetzten Stromrichtung werden bei nichtleitenden Schalttransistoren 2, 5 die Schalttransistoren 3, 4 synchron getaktet. Die Geschwindigkeit des Stromanstieges, wie er beispielsweise in der Figur 1 im ersten Teil der Kurve dargestellt ist, hängt dabei vom Puls-Pause-Verhältnis der Taktimpulse der Schalttransistoren 2, 5 bzw. 3, 4 ab.
- In den Schaltpausen, in denen alle Schalttransistoren 2 bis 5 nichtleitend sind, fließt der Strom in der Induktivität 1 wie folgt: Bei positiver Stromrichtung, d.h. vorher waren die Schalttransistoren 2, 5 leitend, entsprechend Pfad 11 in Figur 3 über die Dioden 7, 8; bei negativer Stromrichtung über die Dioden 6, 9.
- Beim erstmaligen Aufmagnetisieren der Induktivität 1 steigt der Strom bis zu einem bestimmten Wert an, der nach dem Nichtleitendwerden der Schalttransistoren 2, 5 aufgrund der ohm'schen Verluste im Pfad 1, 7, 8 und der Versorgungsspannung als Gegenspannung sehr schnell wieder abnimmt. Auf diesen Strom wird beim erneuten Einschalten der Schalttransistoren 2, 5 ein weiterer Strom aufaddiert. Nach jedem Umschalten der Schalttransistoren 2, 5 in den leitenden Zustand erfolgt demgemäß eine Stromerhöhung. Für den Stromaufbau gilt dabei folgende Gleichung: Für den Stromabbau bei gesperrten Schalttransistoren 2, 5 gilt die Gleichung: mit di mit = erste Ableitung des Spulenstromes nach der Zeit U = Versorgungsspannung UCE = Kollektor-Emitter-Spannung eines Schalttransistors UD = Flußspannung einer Diode UR = ohmscher Spannungsabfall an der Spule L = Induktivität der Spule Für die Taktung der Schalttransistoren 3, 4 gilt dasselbe bei umgekehrter Stromrichtung. Der Kurve 1 gemäß Figur 1 ist demgemäß ein Stromripple gemäß Figur 4 überlagert.
- Für die Ripple-Amplitude gilt dabei: Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaltnetzteil der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß die Ripple-Amplitude gegenüber dem geschilderten Stand der Technik wesentlich verringert ist.
- Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Steuervorrichtung so ausgebildet ist, daß für jede Stromrichtung in der Induktivität jeweils die beiden zwischen dem Plus- und dem Minuspol der Gleichspannungsquelle und der Induktivität einander diagonal gegenüberliegenden Schalter in der Weise angesteuert werden, daß für den Stromaufbau und das Stromdach einer dieser Schalter dauernd leitend und der zweite getaktet ist und für den Stromabbau nur ein Transistor schaltet, während der gegenüberliegende dauernd sperrt.
- Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Figuren 5 und 6 näher erläutert.
- Für den Stromaufbau und das Stromdach in der Induktivität 1 wird beispielsweise durch die Steuervorrichtung 13 bei dem Schaltnetzteil gemäß Figur 2 der Schalttransistor 2 dauernd in seinen leitfähigen Zustand geschaltet und der Schalttransistor 5 getaktet. Der Stromverlauf in der Induktivität 1 hängt dabei wieder vom Puls-Pausen-Verhältnis des Schalttransistors 5 ab. Da bei nichtleitendem Schalttransistor 5 der Laststrom in der Induktivität 1 auf einen Freilaufzweig 12 in Figur 5 ohne explizite Gegenspannung kommutiert, wird die Abnahme des Stromes in der Induktivität 1 nur durch die ohm'schen Verluste in dieser Induktivität 1 und die Spannungen UCE und UD bestimmt. Für negative Stromrichtungen wird dabei einer der Transistoren 3, 4 dauernd in seinen leitfähigen Zustand geschaltet und der andere dieser Schalttransistoren 3, 4 getaktet.
- Beim schnellen Abmagnetisieren der Induktivität 1 wird für die positive Stromrichtung der Schalttransistor 2, für die negative Stromrichtung der Schalttransistor 3 in seinen nichtleitenden Zustand umgeschaltet. Sind die Schalttransistoren 4, 5 ebenfalls gesperrt, so wird der Strom in der Induktivität 1 mit der Betriebsspannung U als Gegenspannung über die Dioden 7, 8 für die positive Stromrichtung und den Pfad 11 in Figur 3 und die Dioden 6, 9 für die negative Stromrichtung schnell abgebaut. Für ein geregeltes Abmagnetisieren wird der Transistor 5 (bzw. 4 bei negativer Stromrichtung) getaktet und der Transistor 4 (bzw. 5) leitet. Der Laststrom nimmt bei positiver Stromrichtung gemäß Figur 5 nur durch ohm'sche Verluste in der Induktivität 1 und durch UCE und UD bedingt ab. Bei negativer Stromrichtung verläuft er im unteren Brückenteil.
- Der Stromaufbau erfolgt bei der beschriebenen Ansteuerung der Schalttransistoren 2 bis 5 nach der Gleichung: der Stromabbau nach der Gleichung: Diese Gleichung zeigt, daß die Stromänderung wesentlich geringer ist als die Stromänderung bei dem Stromabbau gemäß Figur 3 und der zugehörigen Gleichung. Demgemäß ist der Stromripple entsprechend Figur 6 wesentlich geringer als entsprechend Figur 4. Für die Ripple-Amplitude gilt: Anhand eines praktischen Beispieles sei die beschriebene Ansteuerung der Schalttransistoren 2, 5 mit dem Stand der Technik verglichen. Für dieses Beispiel wird eine Betriebsspannung U von 200 V, eine Kollektor-Emitter-Spannung UCE der Schalttransistoren 2 bis 5 sowie ein Spannungsabfall UD an den Dioden von 1 V, ein ohm'scher Spannungsabfall UR an der Induktivität 1 von 10 V, eine Induktivität von 1 mH und eine Periodendauer T entsprechend Figuren 4 und 6 von 10 Ps zugrundegelegt. Für die Stromänderung hiSS ergibt sich dabei für den Stand der Technik ein Wert von 996 mA und für die beschriebene Ansteuerung der Schalttransistoren 2, 5 mit jeweils dauernd leitendem Schalttransistor 2 bzw. 3 und getaktetem Schalttransistor 4 bzw. 5 ein Wert von 113 mA.
- 1 Patentanspruch 6 Figuren - Leerseite -
Claims (1)
- Patentanspruch Schaltnetzteil für die Speisung einer Induktivität (1) zur Erzielung eines vorbestimmten Stromverlaufes mit einer Brücke aus elektronischen Schaltern (2 bis 5), in deren einer Diagonale die Induktivität (1) liegt und an deren anderer Diagonale eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, sowie mit einer Steuervorrichtung (13) zum Ansteuern der Schalter (2 bis 5), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Steuervorrichtung (13) so ausgebildet ist, daß für jede Stromrichtung in der Induktivität (1) jeweils die beiden zwischen dem Plus- und dem Minuspol der Gleichspannungsquelle und der Induktivität (1) einander diagonal gegenüberliegenden Schalter (z. B. 2, 5) in der Weise angesteuert werden, daß für den Stromaufbau und das Stromdach einer dieser Schalter (z. B. 2) dauernd leitend und der zweite getaktet ist und für den Stromabbau nur ein Transistor (z.B. 5) schaltet, während der gegenüberliegende (z. 8. 2) dauernd sperrt.
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