DE3541618A1

DE3541618A1 - Vorrichtung zum erzeugen einer gleichstrom-hochspannung fuer eine roentgenroehre

Info

Publication number: DE3541618A1
Application number: DE19853541618
Authority: DE
Inventors: Akira Ootawara Tochigi Tsuchiya
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-11-26
Filing date: 1985-11-25
Publication date: 1986-06-05
Also published as: DE3541618C2; US4710860A

Description

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Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Gleichstrom-Hochspannung zur Anlegung an eine Röntgenröhre. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Gleichstrom-Hochspannungsgenerator unter Verwendung eines Reihenresonanz-Brückenwechselrichters zur Verwendung bei einem diagnostischen oder Untersuchungs-Röntgengerät.

Auf dem Gebiet von Untersuchungs-Röntgengeräten ist die Erzeugung stabiler Röntgenstrahlen außerordentlich wichtig. Eine grundsätzliche Möglichkeit für eine stabile Röntgenstrahlenerzeugung besteht in der ständigen Anlegung einer stabilen Gleichstrom-Hochspannung, die keine Welligkeitsanteile enthält, an eine Röntgenröhre. Ein entsprechender Gleichstrom-Hochspannungsgenerator unter Verwendung eines Reihenresonanz-Brückenwechselrichters ist z.B. aus der US-PS 4 225 788 bekannt.

Der bisherige Gleichstrom-Hochspannungsgenerator bewirkt ein Gleichrichten und Glätten einer von einer Stromversorgung (im allgemeinen einer Netzstromquelle) gelieferten Wechselspannung zur Lieferung einer Gleichspannung. Die erhaltene Gleichspannung wird durch in Reihe geschaltete erste und zweite Thyristoren abwechselnd umgeschaltet, und die Schaltspannungen werden einem Resonanzkreis aus einem mit der Primärwicklung eines Transformators in Reihe geschalteten Resonanzkondensator eingespeist, wodurch gedämpfte Schwingung induziert wird. Auf diese Weise wird von der in der Sekundärwicklung des Transformators induzierten Wechselspannung eine Gleichstrom-Hochspannung für eine Röntgenröhre erhalten. 35

Die Größe (level) der Röntgenröhrenspannung im Gleichstrom-Hochspannungsgenerator kann durch Änderung der Durchschaltperioden von erstem und zweitem

Thyristor geändert werden. Bei Änderung der Röntgenröhrenspannung durch Änderung der Durchschaltperioden der Thyristoren treten jedoch die im folgenden beschriebenen Probleme auf. Die Fig. 1 und 2 zeigen Wellenformdarstellungen zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen einem Gate-Impuls der Thyristoren und dem beim Schalten von erstem und zweitem Thyristor über eine Transformatorwicklung fließenden Strom.

in Fig. 1 bezeichnen die Buchstaben a und b jeweils den im Durchschaltzustand von erstem bzw. zweitem Thyristor fließenden Strom. Ein schraffierter Bereich stellt dabei den Strom dar, der aufgrund der gedämpften Schwingung des Reihenresonanzkreises in einer entgegengesetzten Richtung fließt.

Wenn gemäß Fig. 1 die Wiederholungsperioden von an die Gate-Elektroden von erstem und zweitem Thyristor angelegten Gate-Impulsen GPl bzw. GP2 kurz sind (bei maximaler Durchschaltfrequenz), fließt Strom ständig über die Primärwicklung des Transformators. Infolgedessen wird die Röntgenröhrenspannung erhöht, und die in dieser höheren Spannung enthaltenen Welligkeitsanteile nehmen vergleichsweise ab.

Wenn jedoch die Wiederholungsperioden der an die Gate-Elektroden der beiden Thyristoren angelegten Gate-Impulse GPl und GP2 gemäß Fig. 2 lang sind (bei Mindest-Durchschaltfrequenz), fließt der Strom xntermittierend durch die Primärwicklung des Transformators. Die Röntgenröhrenspannung wird daher niedrig. Darüber hinaus steigen in dieser niedrigeren Spannung enthaltene Welligkeitsanteile im Vergleich zur höheren Röntgenröhrenspannung an.

Wenn daher die Röntgenröhrenspannung durch Änderung der Durchschaltperioden (turn-on periods) der beiden

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Thyristoren variiert wird, nehmen bekanntlich die Welligkeitsanteile mit abnehmender Röntgenröhrenspannung zu. Im Fall eines hohen Welligkeitsanteils in dieser Spannung verringert sich die von der Röntgenröhre erzeugte Röntgenstrahlendosis, so daß eine einwandfreie Röntgenaufnahme nicht erzielt werden kann; dies ist besonders nachteilig bei der Mammographie, die in einem niedrigen Rontgenrohrenspannungsbereich durchgeführt wird.

Ein anderes ernstliches Problem besteht darin, daß der Änderungsbereich der Röntgenröhrenspannung in Abhängigkeit von der Last, d.h. einer Röntgenröhrenschaltung, verschieden sein kann. Fig. 3 veranschaulicht den Regel- oder Änderungsbereich (variable range) einer Röhrenspannung (kV) in Abhängigkeit von einer Durchschaltperiode ( T ) des (der) genannten Thyristors (Thyristoren) unter Zugrundelegung der jeweiligen Röhrenströme als Parameter. Gemäß Fig. 3 wird der Spannungs-Änderungsbereich mit abnehmendem Röhrenstrom, d.h. in einem Zustand niedriger Last, z.B. bei Durchleuchtung, schmäler. Bei einem großen Röhrenstrom, d.h. in einem Hochlastzustand, z.B.

bei der Röntgen-Radiographie, erweitert sich dagegen der Röhrenspannungs-Änderungsbereich.

Üblicherweise werden Gleichspannung/Gleichspannung-Wandler und andere Phasenregler unter Verwendung eines Thyristors zur Änderung der Eingangsspannung eines Transformators für die Änderung der Röhrenspannung benutzt. In diesem Fall ist jedoch eine größere Zahl von Schaltungselementen im Spiel, woraus sich eine große, aufwendige Vorrichtung ergibt; zudem ist damit eine Geräuschentwicklung verbunden.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer kostengünstigen, kompakt gebauten Vorrichtung zum

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Erzeugen einer Gleichstrom-Hochspannung für eine Röntgenröhre, mit welcher eine Röntgenröhrenspannung vergleichsweise einfach über einen weiteren Bereich hinweg variiert werden kann.

Diese Vorrichtung soll dabei einen ausreichend großen Spannungs-Regel- oder -Änderungsbereich und eine stabile Röhrenspannung auch dann gewährleisten, wenn als Eingangsstromquelle eine Einphasen-Wechselspannungsversorgung mit einem großen Welligkeitsanteil verwendet wird.

Die genannte Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zum Erzeugen einer Gleichstrom-Hochspannung für eine Röntgenröhre erfindungsgemäß gelöst durch eine primäre Gleichrichtereinheit zum Gleichrichten einer niedrigen Wechselspannung zwecks Gewinnung einer niedrigen Gleichspannung, eine Brückenwechselrichtereinheit, umfassend einen Einphasen-Transformator mit Primär- und Sekundärwicklungen, ein über einen Strombegrenzer unter Bildung eines Reihenresonanzkreises mit der Primärwicklung in Reihe geschaltetes kapazitives Element, einen Brückenwechselrichterkreis mit schaltbaren Elementen zum Umwandeln oder Umrichten (inverting) der niedrigen Gleichspannung in eine pulsierende Niederspannung und einen Umschalt- oder Schaltregler zum Steuern der Durchschaltzeitpunkte oder -takte (timings) der schaltbaren Elemente, eine sekundäre Gleichrichtereinheit zum Gleichrichten einer durch die pulsierende Niederspannung in der Sekundärwicklung des Transformators induzierten hohen Wechselspannung in eine hohe Gleichspannung oder Gleichstrom-Hochspannung für die Röntgenröhre und eine zum Strombegrenzer der Brückenwechselrichtereinheit parallelgeschaltete Umschalt- oder Schalteinheit zur Änderung einer Größe der in der Primärwicklung induzierten pulsierenden Niederspannung

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durch Kurzschließen des Strombegrenzers, um damit die von der sekundären Gleichrichtereinheit gewonnene hohe Gleichspannung zu variieren. 5

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1, 2 und 3 graphische Darstellungen zur Verdeutlichung der Arbeitsweise eines bisherigen Thyristor-Brückenwechselrichters,

Fig. 4 ein Schaltbild einer Vorrichtung zum Erzeugen einer Gleichstrom-Hochspannung gemäß einer (ersten) Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 ein detailliertes Schaltbild des Umschalt- oder Schaltkreises bei der Schaltung nach

Fig. 4,

Fig. 6 und 7 graphische Darstellungen von Primärstrom-Wellenformen bei der Schaltung nach Fig. 4,

Fig. 8 ein Blockschaltbild des Reglers (controller) nach Fig. 4,

Fig. 9 ein Schaltbild einer Vorrichtung gemäß

einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 1OA bis IOD graphische Darstellungen der Wellenformen von durch die Vorrichtung gemaß Fig. 9 fließenden Strömen,

Fig. 11 ein Schaltbild zur Verdeutlichung der Ströme nach den Fig. 1OA bis IOD,

Fig. 12 eine Kennlinie der Röntgenröhrenspannung (kV) und der Schaltzeitpunkte oder -takte (timings),

Fig. 13 ein Schaltbild eines modifizierten Reihenresonanzkreises bei der Vorrichtung nach Fig. 9 und

Fig. 14 ein Schaltbild eines abgewandelten Reglers

(controller).

Die Fig. 1 bis 3 sind eingangs bereits erläutert worden.

Im folgenden ist eine erste Ausführungsform der Erfindung anhand von Fig. 4 beschrieben. Die Vorrichtung 100 zur Erzeugung einer Gleichstrom-Hochspannung besteht im wesentlichen aus den im folgenden angegebenen Bauteilen oder Elementen. Eine erste Gleichrichterbrücke 22 umfaßt einen Gleichrichterkreis 2 mit Brückengleichrichtern 2a - 2c und einen Filterkreis 3 mit in Reihe geschalteten Filterkondensatoren 3a und 3b. Ein Transformator 6 weist Primär- und Sekundärwicklungen 6a bzw. 6b auf. Ein Resonanzkondensator 5 ist zwischen die Primärwicklung 6a des Transformators 6 und einen Knoten- oder Verzweigungspunkt (node) zwischen den Kondensatoren 3a und 3b geschaltet und bildet einen Resonanzkreis in Kombination mit der Primärwicklung 6a oder einem als Strombegrenzer wirkenden Widerstand 30. Ein Brückenkreis 20 umfaßt Dioden 13 und 15 sowie Thyristoren • 12 und 14, die in Brückenschaltung angeordnet sind, und liefert das Ausgangssignal von der Gleichrichter-

gg brücke 22 zum Resonanzkreis in vorbestimmten Intervallen. Eine Steuerung oder ein Regler (controller) 19 liefert Treiberimpulse zu den Thyristoren des (Brücken-)Kreises 20 und zu einem noch näher zu be-

schreibenden ümschalt- oder Schaltkreis 31, der zum Widerstand 30 als Strombegrenzer, der seinerseits zum genannten Resonanzkreis in Reihe geschaltet ist, parallelgeschaltet ist. Ein erster Detektor 16 (z.B. ein Stromtransformator) erfaßt den über die Primärwicklung 6a fließenden Strom bzw. greift diesen ab. Ein Strom/Spannung- bzw. I/V-Wandler 17 wandelt den Meßstrom des Detektors 16 in ein Spannungssignal um.

Der Kondensator 5, der Transformator 6, der Kreis 20, der Regler 19, der Detektor 16 und der Wandler 17 bilden einen Reihenresonanz(typ)-Brückenwechselrichter 21. Eine zweite Gleichrichterbrücke 23 enthält einen Bruckengleichrichterkreis 7 zum Gleichrichten einer in der Sekundärwicklung 6b des Transformators 6 induzierten Spannung und einen Kondensator 8 zum Filtern des Ausgangssignals des Kreises 7. über Hochspannungskabel 10a und 10b wird die Ausgangsgleichspannung der Gleichrichterbrücke 23 an eine Anode 9a und einen Heizfaden 9b einer Röntgenröhre 9 angelegt. Ein zweiter Detektor 11 erfaßt die Röntgenröhrenspannung bzw. greift diese ab.

Der zweite Detektor 11 umfaßt Widerstände lla und lib, die zwischen der Ausgangsklemme der Gleichrichterbrücke 23 und Masse miteinander in Reihe geschaltet sind. Der Detektor 11 erfaßt (mißt) die Spannung durch Teilung der Röntgenrohrenspannung mittels der Widerstände lla und 11b und steuert den Regler 19 nach Maßgabe des Meßergebnisses an.

Ein Beispiel für den erwähnten ümschalt- oder Schaltkreis 31 ist nachstehend anhand von Fig. 5 im einzelnen beschrieben. Der Schaltkreis 31 wird durch kreuzgekoppelte Hochgeschwindigkeits-Thyristoren 3IA und 31B gebildet. An die Gate-Elektroden 32A und 32B der Thyristoren 3lA bzw. 31B werden Gate-Impulse GP3 mit

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zweckmäßigen, noch zu beschreibenden Takten (timings) in Übereinstimmung mit positiver und negativer Polung dieser Thyristoren angelegt. Wenn nämlich der Primärstrom von der Seite des Resonanzkondensators 5 zur Seite der Primärwicklung 6a fließt, werden die Gate-Impulse GP3 der Elektrode 32A des Thyristors 31A aufgeprägt. Wenn der Primärstrom in entgegengesetzter Richtung fließt, werden die Gate-Impulse GP3 im zweckmäßigen Takt bzw. zum gewünschten Zeitpunkt an die Elektrode 32B des anderen Thyristors 31B angelegt, so daß letzterer dadurch durchgeschaltet wird.

Die Arbeitsweise der in den Fig. 4 und 5 dargestellten Vorrichtung 100 zum Erzeugen einer Gleichstrom-Hochspannung ist nachstehend näher erläutert.

Zunächst sei die Arbeitsweise einer entsprechenden bisherigen Vorrichtung betrachtet, bei welcher der Widerstand 30 als Strombegrenzer nicht mit dem Reihenresonanzkreis in Reihe geschaltet ist. Wenn dabei einfach durch Betätigung des Schaltkreises 31 ein Kurzschlußkreis (short circuit) gebildet wird, wird die Schaltung gemäß der Erfindung der bisherigen Schaltungsanordnung äquivalent. Da eine Möglichkeit zur Bildung eines Kurzschlußkreises durch gleichzeitiges und kontinuierliches Durchschalten der Thyristoren 3IA und 3IB auf diese Weise an sich bekannt ist, kann auf eine nähere Beschreibung verzichtet werden. Die von der Wechselspannungsversorgung 1 gelieferte Eingangswechselspannung wird durch die Gleichrichterbrücke 22 in eine Gleichspannung umgewandelt und dem Brückenkreis 20 eingespeist. Die Thyristoren 12 und 14 im Kreis 20 werden auf noch näher zu beschreibende Weise abwechselnd in Abhängigkeit von Gate-Impulsen GPl und GP2 geschaltet, die durch den Regler 19 mit vorbestimmten Frequenzen erzeugt werden.

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Wenn der Thyristor 12 zuerst durchgeschaltet wird, fließt der auf der Gleichspannung vom Kondensator 3a beruhende Strom in der Primärwicklung 6a während (bestimmten) Halbperioden (Durchlaßrichtung) durch den Thyristor 12. Der Thyristor 12 wird sodann durch die durch den Kondensator 5 und die Primärwicklung 6a bestimmte gedämpfte Schwingung gesperrt (wobei, streng genommen, die Sekundärwicklungsseite des Transformators ebenfalls einen Einfluß ausübt), und der Strom der folgenden Halbperioden (Rückwärts- oder Sperrichtung) fließt durch die Diode 13. Wenn somit der Thyristor 12 einmal durchgeschaltet ist, fließt der Primärstrom für eine Periode in der Primärwicklung 6a.

Wenn der Thyristor 14 durchgeschaltet ist oder wird, fließt auf ähnliche Weise der Primärstrom für eine Periode in der Primärwicklung 6a. Die Fließrichtung des Stroms ist jedoch derjenigen bei durchgeschaltetem Thyristor 12 entgegengesetzt, wobei der Strom der pulsierenden Niederspannung die Primärstrom-Wellenformen gemäß Fig. 1 und 2 zeigt.

Wenn der Primärstrom der pulsierenden Niederspannung in der Primärwicklung 6a fließt, wird eine hohe Wechselspannung in der Sekundärwicklung 6b induziert. Die induzierte Spannung wird durch den Gleichrichterkreis 7 gleichgerichtet und durch den Kondensator 8 gefiltert. Danach wird die gefilterte Spannung als Röntgenröhrenspannung zwischen Anode 9a und Heizfaden 9b der Röntgenröhre 9 angelegt.

Die Röntgenröhre 9 emittiert daraufhin Röntgenstrahlung. Da jedoch im allgemeinen eine Röntgenröhrenspannung ein Mehrfaches von 10 k~J und ein Röntgenröhrenstrom ein Mehrfaches von 100 μΑ betragen, fließt während der Röntgsnstrahlungsemission äugen-

blicklich oder kurzzeitig ein hoher Primärstrom von etwa mehreren 100 A (Spitzenwert) in der Primärwicklung 6a des Transformators 6.
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Im folgenden ist ein Fall beschrieben, in welchem gemäß einem Hauptmerkmal der Erfindung eine Parallelschaltung aus dem Widerstand 30 und dem Schaltkreis 31 zum Reihenresonanzkreis in Reihe eingeschaltet ist und der Einschalttakt des Schaltkreises 31 variiert wird. Wenn der Schaltkreis 31 abgeschaltet ist, besitzt der über die Primärwicklung 6a fließende Primär strom die in den Fig. 1 und 2 gezeigten analogen Stromwellenformen wie bei der bisherigen Schaltung. Dieser Primärstrom wird jedoch mehr oder weniger verringert, weil der Widerstand 30 an den Resonanzkreis angeschlossen ist. Der Widerstand 30 dient nämlich als Strombegrenzer; der Primärstrom besitzt daher die in den Fig. 6 und 7 gestrichelt eingezeichneten Wellenformen.

Wenn nun der Schaltkreis 31 eingeschaltet oder durchgeschaltet wird, umgeht der durch die Primärwicklung 6a fließende Primärstrom den Widerstand 30. Der resultierende Primärstrom besitzt die gleichen Wellenformen und Werte wie in Fig. 1 und 2, wie sie auch in Fig. 6 und 7 in strichpunktierten Linien eingezeichnet sind.

Es ist darauf hinzuweisen, daß Fig. 6 und 7 die Primärstrom-Wellenformen hoher und niedriger Durchschaltfrequenzen (d.h. kurzer und langer Perioden) entsprechend den Fig. 1 bzw. 2 veranschaulichen.

Wenn bei den Stromwellenformen gemäß Fig. 6 und 7 der Schaltkreis 31 zu einem willkürlichen Zeitpunkt oder mit einem willkürlichen Takt in einem Impuls der Wellenformen durchgeschaltet wird, erfährt die

Größe des Primärstroms augenblicklich eine Vergrößerung oder Verkleinerung (wie durch die schraffierten Bereiche angegeben). Wenn der Schaltkreis 31 deaktiviert wird, zeigt der Primärstrom die in gestrichelten Linien eingezeichneten Wellenformen. Wenn jedoch der Schaltkreis 31 zu einem willkürlichen Zeitpunkt oder Takt betätigt wird, gehen die Wellenformen auf die in strichpunktierten Linien eingezeichneten Wellenformen über. Wenn der Einschalttakt des Schaltkreises 31 variiert wird, kann der Pegel oder die Größe des Primärstroms (Effektivwert) variiert werden.

Wenn daher der Schaltkreis 31 in einem willkürlichen Takt (arbitrary timing) in einem Impuls der Primärstrom-Wellenform betätigt wird, kann (damit) die Ausgangswechselspannung, d.h. die Röntgenröhrenspannung, eingestellt werden. Die vom Regler 19 gelieferten Gate-Impulse GPl und GP2 werden durch eine Schaltung gemäß Fig. 8 um T Sekunden verzögert, wodurch der Ansteuerimpuls GP3 für den Schaltkreis 31 erhalten wird. Diese Verzögerungszeit (Laufzeit) kann durch Änderung einer Zeitkonstante eines mit einem monostabilen Multivibrator verbundenen CR-Kreises beliebig eingestellt werden.

Wie erwähnt, kann die Röntgenröhrenspannung durch Änderung der Durchschaltperioden der Thyristoren 12 und 14 oder durch Steuerung des Einschalttakts des Schaltkreises 31 variiert werden. Bei der ersteren (in der bisherigen Vorrichtung angewandten) Methode steigen jedoch die Welligkeitsanteile in der Röntgenröhrenspannung an. Erfindungsgemäß werden daher die Wiederholungsperioden der an die Gate-Elektroden der Thyristoren 12 und 14 angelegten Gate-Impulse GPl bzw. GP2 so kurz wie möglich gewählt, so daß die Thyristoren nahe der maximalen Durchschaltfrequenzen

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betreibbar sind. Der Einschalttakt (switch-on timing) des Schaltkreises 31 wird daher bevorzugt nach der letztgenannten Methode gesteuert, um damit die Röntgenrohrenspannung zu variieren. Mittels einer Kombination beider Methoden kann der Regel- oder Änderungsbereich der Röntgenrohrenspannung zusätzlich erweitert werden.

Die Wirkungsweisen der Vorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform sind nachstehend zusammengefaßt.

Die eine Gleichstrom-Hochspannung erzeugende Vorrichtung 100 umfaßt eine Gleichrichterbrücke zur Lieferung einer Gleichspannung durch Gleichrichten und Filtern einer Eingangswechselspannung, einen Reihenresonanz-Brückenwechselrichter und einen Hochspannungstransformator zum Anlegen eines Ausgangssignals vom Brückenwechselrichter an eine Röntgenröhre. Der Brückenwechselrichter enthält den Transformator, einen Kondensator, der zusammen mit der Primärwicklung des Transformators einen Resonanzkreis bildet, einen Brückenkreis zum Anlegen der Gleichspannung an den Resonanzkreis in vorbestimmten Intervallen und einen Regler zur Lieferung von Ansteuerimpulsen zum Brückenkreis zwecks Steuerung eines Zufuhrzeitpunkts oder -takts der Gleichspannung vom Brückenkreis zum Resonanzkreis. Ein Widerstand ist mit dem Resonanzkreis in Reihe eingeschaltet, und ein Umschalt- oder Schaltkreis ist zum Widerstand parallelgeschaltet. Die Vorrichtung 100 zeichnet sich dadurch aus, daß die Gleichstrom-Röhrenhochspannung deshalb, weil ein Einschaltzeitpunkt oder -takt des Schaltkreises um eine willkürliche Zeit von einem Zufuhrzeitpunkt der Ansteuerimpulse zum Brückenkreis verzögert werden kann, ohne die Einführung von Wellig-

keitsanteilen innerhalb eines weiten Bereichs variiert werden kann.

Im folgenden ist anhand von Fig. 9 eine eine Gleichstrom-Hochspannung erzeugende Vorrichtung 200 gemäß einer zweiten Ausführungsform beschrieben.

In Fig. 9 sind den Elementen von Fig. 4 entsprechende oder ähnliche Teile mit denselben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet.

Im Reihenresonanzkreis aus dem Kondensator 5 und der Primärwicklung 6a des Transformators 6 ist eine Induktivität bzw. Drossel 50 eingeschaltet. Der Umschalt- oder Schaltkreis 31 ist zur Primärwicklung 6a parallelgeschaltet. Da der Schaltkreis 31 den anhand der Fig. 4 und 5 beschriebenen Aufbau besitzt, braucht er vorliegend nicht näher erläutert zu werden.

Die Arbeits- oder Wirkungsweise der Vorrichtung 200 gemäß der zweiten Ausführungsform ist nachstehend anhand der WellenformdarStellungen von Fig. 1OA bis IOD erläutert.

Bei der eine Gleichstrom-Hochspannung erzeugenden Vorrichtung 200, die einer bisherigen Vorrichtung äquivalent ist, bei welcher der zur Primärwicklung

gQ 6a des Transformators 6 parallelgeschaltete Schaltkreis 31 nicht durchgeschaltet ist, wird eine von der Stromversorgung 1 gelieferte Eingangswechselspannung durch die Gleichrichterbrücke 22 in eine Gleichspannung umgewandelt und an den Thyristor-

gc Brückenkreis 20 angelegt. Dabei werden die Thyristoren 12 und 14 in Abhängigkeit von den Ansteuerimpulsen vorbestimmter Frequenzen abwechselnd geschaltet, um

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an der Primärwicklung 6a eine pulsierende Niederspannung zu erzeugen.

Wenn der Thyristor 12 zu einem vorbestimmten Zeitpunkt zuerst durchgeschaltet wird, fließt der auf der Gleichspannung vom Kondensator 3a beruhende Strom während einer (bestimmten) Halbperiode (Durchlaßrichtung) über den Thyristor 12 in der Primärwicklung 6a. Sodann wird der Thyristor 12 durch die vom Kondensator 5 und der Primärwicklung 6a bestimmte gedämpfte Schwingung gesperrt (wobei, streng genommen, die Sekundärwicklung 6b des Transformators und die Drossel 50 ebenfalls einen Einfluß ausüben), und der Strom in der folgenden Halbperiode (Rückwärts- oder Sperrichtung) fließt über die Diode 13. Wenn mithin der Thyristor 12 einmal durchgeschaltet ist, fließt der Primärstrom für eine Periode in der Primärwicklung 6a.

Wenn auf ähnliche Weise der Thyristor 14 zu einem vorbestimmten Zeitpunkt durchgeschaltet wird, fließt der Primärstrom für eine Periode in der Primärwicklung 6a (vgl. Fig. IOD). Die Stromflußrichtung ist jedoch derjenigen bei durchgeschaltetem Thyristor 12 entgegengesetzt.

Wenn der Primärstrom in der Primärwicklung 6a fließt, wird in der Sekundärwicklung 6b eine hohe Wechselspannung induziert. Letztere wird durch den Kreis 7 gleichgerichtet und durch den Kondensator 8 gefiltert. Anschließend wird die gefilterte hohe Gleichspannung als Röntgenröhrenspannung zwischen Anode 9a und Heizfaden 9b der Röntgenröhre 9 angelegt.

Die Röntgenröhre 9 emittiert daher Röntgenstrahlung.

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Da jedoch, wie erwähnt, die Röntgenröhrenspannung ein Mehrfaches von 10 kV und der Röntgenröhrenstrom ein Mehrfaches von 100 μΑ betragen, fließt augenblicklich oder kurzzeitig der hohe Primärstrom von etwa mehreren 100 A (Spitzenwert) während der Röntgenstrahlungsemission in der Primärwicklung 6a des Transformators 6.

Im folgenden sei ein Fall betrachtet, in welchem der mit der Primärwicklung 6a des Transformators 6 in Reihe geschaltete Schaltkreis 31, als Hauptmerkmal der Erfindung, betätigt wird. Wenn der Schaltkreis 31 abgeschaltet ist oder sperrt, fließt der Primärstrom, wie beschrieben, über die Primärwicklung 6a. Wenn dagegen der Schaltkreis 31 eingeschaltet oder durchgeschaltet ist, umgeht der Primärstrom die Primärwicklung 6a, so daß in der Sekundärwicklung 6b des Transformators 6 keine Spannung induziert wird. Da die Drossel 50 mit dem Schaltkreis 31 in Reihe geschaltet ist, kann in diesem Fall der Strom in einem Kurzschlußzustand der Primärwicklung 6a bis zu einem gewissen Grad gepuffert werden, so daß eine Beschädigung der Schaltkreiselemente verhindert werden kann. Dies bedeutet, daß die Drossel 50 als Strombegrenzer wirkt.

Wenn daher der Schaltkreis 31 zu einem willkürlichen oder beliebigen Zeitpunkt in einem Impuls der Primärstromwellenform, z.B. zu einem Zeitpunkt Tl, durchgeschaltet wird, erhält der Primärstrom die Wellenform gemäß Fig. IOC. Wenn weiterhin der Schaltkreis 31 zu einem Zeitpunkt T2 durchgeschaltet wird, erhält der Primärstrom die Wellenform gemäß Fig. IOD, wobei die Ausgangsspannung, d.h. die Röntgenröhrenspannung, gesteuert bzw. eingestellt werden kann. Ein solcher Gate-Impuls GP3 oder GP4 kann erhalten werden durch Verzögern eines ODER-Glied-Signals der

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vom Regler 19 gemäß Fig. 8 gelieferten Ansteuerimpulse GPl und GP2 um T Sekunden durch einen monostabilen Multivibrator.
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Die jeweiligen Stromwellenformen gemäß Fig. 1OA bis IOD gehen aus Fig. 11 hervor. Der durch die Primärwicklung 6a fließende Strom entspricht Il oder II¹ (Sperrstrom), und der durch den Schaltkreis 31 fließende Strom entspricht 12 oder I2¹. Ein Summenstrom I ist daher gleich Il + 12 oder II¹ + 12'.

Wie aus der graphischen Darstellung von Fig. 12 hervorgeht, kann der Einschalt- oder Durchschaltzeitpunkt des Schaltkreises 31 beliebig zwischen 0 und TO gewählt oder eingestellt werden; infolgedessen kann die Röhrenspannung (kV) in einem weiten Bereich variiert werden.

Wie vorstehend beschrieben, kann die Röntgenröhrenspannung durch Änderung der Durchschaltperioden der Thyristoren 12 und 14 oder durch Steuerung des Einschaltzeitpunkts des Schaltkreises 31 variiert werden. Wie erwähnt, werden bei der ersten Möglichkeit Welligkeitsanteile oder -komponenten vergrößert. Die Wiederholungsintervalle der den Gate-Elektroden der Thyristoren 12 und 14 aufgeprägten Ansteuerimpulse GPl bzw. GP2 werden daher so kurz wie möglich eingestellt, und diese Thyristoren werden nahe der maximalen Durchschaltfrequenzen angesteuert. Der Einschaltzeitpunkt oder -takt des Schaltkreises 31 wird demzufolge bevorzugt mittels der zuletzt genannten Möglichkeit gesteuert. Der Regel- oder Änderungsbereich der Röntgenröhrenspannung kann mittels einer Kombination beider Möglichkeiten zusätzlich erweitert werden, während auch eine Stabilisierung mittels Rückkopplung von Spannungsteilerwiderständen lla und 11b vorteilhaft ist. In jedem Fall werden gewünschte

Daten von einem im Regler 19 vorgesehenen Mikroprozessor (μ-CPU) zur Ermöglichung einer optimalen Steueroperation gewonnen.
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Im folgenden ist die Arbeitsweise der Vorrichtung 200 gemäß der zweiten Ausführungsform zusammenfassend erläutert.

Die Vorrichtung 200 zum Erzeugen einer Gleichstrom-Hochspannung enthält einen Reihenresonanz-Brückenwechselrichter, der seinerseits den Transformator mit der Primärwicklung, an der eine niedrige Gleichspannung anliegt, einen zusammen mit der Primärwicklung des Transformators einen Reihenresonanzkreis bildenden Kondensator, einen Thyristor-Brückenkreis zum Anlegen einer niedrigen Gleichspannung an den Resonanzkreis in vorbestimmten Intervallen und einen Regler zur Lieferung von Ansteuerimpulsen zum Thyristor-Brückenkreis zwecks Steuerung eines Zufuhrzeitpunkts oder -takts der Gleichspannung aufweist. Die Vorrichtung 200 ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Induktivität oder Drossel als Strombegrenzer in Reihe mit dem Reihenresonanzkreis eingeschaltet und ein Schaltkreis parallel zur Primärwicklung des Transformators geschaltet ist, um damit die Gleichstrom-Hochspannung für die Röntgenröhre zu variieren.

Selbstverständlich ist die Erfindung keineswegs auf die vorstehend dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern verschiedenen Änderungen und Abwandlungen zugänglich.

Im Fall der Drossel 50, die mit dem Reihenresonanzkreis in Reihe geschaltet ist, sind beispielsweise zwei Drosseln 52 und 53 mit entgegengesetzten Wicklungsrichtungen in Reihe zwischen Reihenkreise ge-

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schaltet, die jeweils aus einem Thyristor 12 (oder 14) und einer Diode 13 (oder 15) bestehen, wobei ein Knotenpunkt zwischen den Reihenkreisen an den Reihenresonanzkreis angeschlossen ist. In diesem Fall besitzt eine di/dt-Aushaltegröße der Thyristoren 12 und 14 Redundanz. Wenn die Wicklungsrichtungen der Drosseln einander entgegengesetzt sind, wird der bei Entstehung eines Kurzschlußkreises fließende Primärstrom im Vergleich zur zweiten Ausführungsform bis zu einem gewissen Grad gepuffert. Auf diese Weise kann eine Beschädigung der Schaltkreiselemente verhindert werden.

Gemäß Fig. 14 kann ein Regler 80 zur Lieferung von Umschalt-Gate-Impulsen GP3 und GP4 verwendet werden. Der Regler 80 verwendet die Meßspannung vom zweiten Detektor 11 zur Messung oder Erfassung der Anodenspannung und vermag die Röhrenspannung (kV) zu stabilisieren.

Im Regler 80 wird eine zweite Meßspannung (einer der Röhrenspannung proportionalen Größe) vom Detektor 11 mit einer Bezugsgröße "Vref" in einem Komparator 81 verglichen. Das Vergleichsergebnis wird durch einen Spannung/Frequenz-Wandler 82 in eine entsprechende Frequenz umgesetzt. Die Schwingausgangsfrequenz eines Oszillators 83 wird durch die Ausgangsspannung mit der umgesetzten Frequenz synchronisiert. Auf diese Weise wird das Schwingausgangssignal einer vorbestimmten Frequenz einem Phasensteuerzähler 84 zugeführt. Außerdem wird ein Zählerausgangssignal, das durch Verzögerung eines Ausgangssignals von einem ersten Phasenzähler 85 in einen Verzögerungszähler 86 erhalten wird, ebenfalls dem Zähler 84 zugeführt. Infolgedessen werden die Impulse GP3 und GP4 zu den gewünschten Zeitpunkten bzw. mit den gewünschten Takten erzeugt. Der Zähler 85 liefert Gate-Impulse

GPl und GP2 für die Thyristoren 12 und 14.

Wenn die Röhrenspannung, wie vorher beschrieben, zum Einstellen eines Schaltzeitpunkts oder -takts rückgekoppelt wird, kann eine stabilere Röhrenspannung erhalten werden, während Welligkeitsanteile erheblich verringert werden können.

Wie vorstehend beschrieben, ist erfindungsgemäß der Umschalt- oder Schaltkreis parallel zur Primärwicklung des Transformators oder zum Strombegrenzer geschaltet, und ein Strombegrenzer ist in Reihe zum Reihenresonanzkreis eingefügt. Auf diese vergleichsweise einfache Weise kann die Röntgenröhrenspannung in einem weiten Bereich variiert werden, und zwar nicht nur mittels einer Zeit- oder Taktsteuerung einer Gleichspannung zum Reihenresonanzkreis, sondern auch mittels einer Einschalttaktsteuerung für einen Schaltkreis. Die Welligkeitsanteile der Röntgenröhrenspannung steigen infolgedessen nicht so stark an, und die Schaltungselemente können durch den Strombegrenzer vor Beschädigung geschützt werden. Mit der Erfindung wird damit eine stabil arbeitende, kostensparende und kompakt gebaute Vorrichtung zum Erzeugen einer Gleichstrom-Hochspannung realisiert.

Claims

Patentansprüche

/1/. Vorrichtung (100) zum Erzeugen einer Gleichstrom-Hochspannung für eine Röntgenröhre (9), gekennzeichnet durch

eine primäre Gleichrichtereinheit (22) zum Gleichrichten einer niedrigen Wechselspannung zwecks Gewinnung einer niedrigen Gleichspannung,

eine Bruckenwechselrichterexnheit (21), umfassend einen Einphasen-Transformator (6) mit Primär- und Sekundärwicklungen (6a; 6b), ein über einen Strombegrenzer (30) unter Bildung eines Reihenresonanzkreises mit der Primärwicklung (6a) in Reihe geschaltetes kapazitives Element (5), einen Brückenwechselrichterkreis (20) mit schaltbaren Elementen ^ (12, 14) zum Umwandeln oder ümrichten (inverting) V der niedrigen Gleichspannung in eine pulsierende ι Niederspannung und einen Umschalt- oder Schaltregler (19) zum Steuern der Durchschaltzeitpunkte oder -takte (timings) der schaltbaren Elemente (12, 14),
eine sekundäre Gleichrichtereinheit (23) zum Gleichrichten einer durch die pulsierende Niederspannung in der Sekundärwicklung (6b) des Transformators (6) induzierten hohen Wechselspannung in eine hohe Gleichspannung oder Gleichstrom-Hochspannung für die Röntgenröhre (9) und

eine zum Strombegrenzer (30) der Brückenwechselrichtereinheit (21) parallelgeschaltete Umschalt- oder Schalteinheit (31) zur Änderung einer Größe der in der Primärwicklung (6b) induzierten pulsierenden Niederspannung durch Kurzschließen des Strombegrenzers (30), um damit die von der sekundären Gleichrichtereinheit (23) gewonnene hohe Gleichspannung zu variieren.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltregler (19) Schaltimpulse für die Schalteinheit (31) nach Maßgabe der Ein- oder Durchschaltzeitpunkte oder -takte der schaltbaren Elemente (12, 14) mittels einer vorbestimmten Zeitverzögerung erzeugt, wobei der Grad der Zeitverzögerung so änderbar ist, daß die Größe der pulsierenden Niederspannung variiert wird.
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3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bruckenwechselrichterkrexs durch einen Thyristor-Brückenwechselrichter (12, 14), bei dem Schwungrad-Dioden (13, 15) mit den betreffenden Thyristoren (12, 14) kreuzgekoppelt sind, gebildet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinheit durch kreuzgekoppelte Hochgeschwindigkeits-Thyristoren (31A, 31B) gebildet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine erste Detektoreinheit mit einem Stromtransformator (16) zum Erfassen oder Abgreifen der pulsierenden Niederspannung (an) der Primärwicklung (6a) und einem Strom/Spannung-Wandler (17) zum Umwandeln eines Stromsignals des Stromtransformators (16) in ein Spannungssignal, das zur Steuerung der Schaltzeitpunkte oder -takte (switching timings) an den Schaltregler (19) angelegt wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zweiten Detektor (11) zum Erfassen oder Abgreifen der von der sekundären Gleichrichtereinheit (23) gelieferten hohen Gleichspannung zwecks

Lieferung eines Meßsignals zum Schaltregler (19), um damit die hohe Gleichspannung oder Gleichstrom-Hochspannung zu stabilisieren.
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7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strombegrenzer ein Widerstand (30) ist.

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8. Vorrichtung (200) zum Erzeugen einer Gleichstrom-Hochspannung für eine Röntgenröhre (9), gekennzeichnet durch

eine primäre Gleichrichtereinheit (22) zum Gleichrichten einer niedrigen Wechselspannung zwecks Gewinnung einer niedrigen Gleichspannung, eine Brückenwechselrichtereinheit (21), umfassend einen Einphasentransformator (6) mit Primär- und Sekundärwicklungen (6a; 6b), ein über einen Strombegrenzer (50) unter Bildung eines Reihenresonanzkreises mit der Primärwicklung (6a) in Reihe geschaltetes kapazitives Element (5), einen Brückenwechselrichterkreis (20) mit schaltbaren Elementen (12, 14) zum Umwandeln oder Umrichten (inverting) der niedrigen Gleichspannung in eine pulsierende Niederspannung und einen Umschalt- oder Schaltregler (19) zum Steuern der Durchschaltzeitpunkte oder -takte (timings) der schaltbaren Elemente (12, 14),
eine sekundäre Gleichrichtereinheit (23) zum Gleichrichten einer durch die pulsierende Niederspannung in der Sekundärwicklung (6b) des Transformators (6) induzierten hohen Wechselspannung in eine hohe Gleichspannung oder Gleichstrom-Hochspannung für die Röntgenröhre (9) und eine zur Primärwicklung (6a) des Transformators (6) parallelgeschaltete Schalteinheit (31) zur Änderung einer Größe der in der Primärwicklung

(.6a) induzierten pulsierenden Niederspannung durch Kurzschließen der Primärwicklung (6a) zum Variieren der von der sekundären Gleichrichtereinheit (23) gewonnenen hohen Gleichspannung.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltregler (19) Schaltimpulse für die Schalteinheit (31) nach Maßgabe der Ein- oder Durchschaltzeitpunkte oder -takte der schaltbaren Elemente (12, 14) mittels einer vorbestimmten Zeitverzögerung erzeugt, wobei der Grad der Zeitverzögerung so änderbar ist, daß die Größe der pulsierenden Niederspannung variiert wird.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Bruckenwechselrichterkreis durch einen Thyristor-Brückenwechselrichter (12, 14), bei dem Schwungrad-Dioden (13, 15) mit den betreffenden Thyristoren (12, 14) kreuzgekoppelt sind, gebildet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinheit durch kreuzgekoppelte Hochgeschwindigkeits-Thyristoren (31A, 3lB) gebildet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine erste Detektoreinheit mit einem Stromtransformator (16) zum Erfassen oder Abgreifen der pulsierenden Niederspannung (an) der Primärwicklung (6a) und einem Strom/Spannung-Wandler (17) zum Umwandeln eines Stromsignals des Stromtransformators (16) in ein Spannungssignal, das zur Steuerung der Schaltzeitpunkte oder -takte (switching timings) an den Schaltregler (19) angelegt wird.
13. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen zweiten Detektor (11) zum Erfassen oder Abgreifen der von der sekundären Gleichrichtereinheit (23) gelieferten hohen Gleichspannung zwecks Lieferung eines Meßsignals zum Schaltregler (19), um damit die hohe Gleichspannung oder Gleichstrom-Hochspannung zu stabilisieren.
14. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Strombegrenzer eine Induktivität oder Drossel (50) ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität oder Drossel durch zwei Drosselhälften (52, 53) gebildet ist, die mit zueinander entgegengesetzter Wicklungsrichtung in Reihe miteinander geschaltet sind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltregler (19) durch einen Impulsgenerator zur Erzeugung erster und zweiter Impulse mit einer Phasendifferenz, ein ODER-Glied zum Durchtasten der ersten und zweiten Impulse und einen monostabilen Multivibrator mit einem variablen Widerstands-Kondensatorkreis zum Erzeugen von ersten und zweiten Schaltimpulsen mit einer Phasendifferenz gebildet ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Detektor (11) zum Erfassen oder Abgreifen der von der sekundären Gleichrichtereinheit (23) gewonnenen hohen Gleichspannung zwecks Lieferung eines Meßsignals zwischen die sekundäre Gleichrichtereinheit (23) und den Schaltregler (19) geschaltet ist und daß der Schaltregler (19) durch eine Reihenanordnung aus einem Komparator (81), einem Spannung/Frequenz-

Wandler (82), einem Oszillator (83), ersten und zweiten Phasenzählern (84, 85) und einem Verzögerungskreis (86) gebildet ist, um für die schaltbaren Elemente (12, 14) Steuersignale und für die Schalteinheit (31) Schaltimpulse mit einer vorbestimmten Verzögerungszeit in bezug auf die Steuersignale, bezogen auf das Meßsignal, zu erzeugen.
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