DE3744468A1 - Anordnung zur erzeugung einer in stufen einstellbaren hohen spannung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung einer zwischen einem vorgegebenen Minimalwert und einem vorgegebenen Maximalwert in Stufen einstellbaren hohen Spannung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus der EP-A1-01 34 505 bekannt.

Anordnungen dieser Art werden beispielsweise als Hochspannungs- Gleichstromversorgungen insbesondere zur Erzeugung von Betriebsspannungen von über 1000 V für die unterschiedlichsten Anwendungen benötigt wie z. B. für Ionisationskammern, Geiger-Müller-Zählrohre, Sekundärelektronenvervielfacher, Kathodenstrahlröhren, Bildwandler, Röntgenbildverstärker, Röntgenröhren, Klystrons, Magnetrons, elektronenoptische Einrichtungen, Elektronenmikroskope, Elektrofilter, Schweiß- oder Sendeanlagen, Teilchenbeschleunigeranlagen, für die Materialprüfung und die Niederchlagstechnik oder auch für die Aufladung von Impulskondensatoren. Denkbar ist aber auch der Einsatz solcher Anordnungen als verlustarme Schaltverstärker z. B. in Modulationsverstärkern von Hochleistungssendern.

Bei der bekannten Anordnung aus der EP-A1-01 34 505 sind mehrere Gleichspannungsquellen ausgangsseitig in Reihe geschaltet. Die Ausgangsspannung aller dieser Quellen ist konstant und beträgt U _B . Die Quellen sind durch Schaltelemente ein- und ausschaltbar. Dabei ist jede dieser Quellen mit einem ihrer beiden Ausgänge über eines der Schaltelemente und mit dem anderen Ausgang direkt an eine Diodenkaskade angeschlossen, und zwar so, daß zwischen den beiden Anschlußpunkten einer solchen Quelle jeweils mindestens eine der Dioden angeordnet ist. Die Dioden sind dabei so geschaltet, daß sie die zugehörige Gleichspannungsquellen überbrücken, wenn diese "ausgeschaltet" worden sind.

Zur Erzeugung der gewünschten Hochspannungswerte U₀ werden bei dieser Anordnung so viele der vorhandenen Gleichspannungsquellen durch Schließen der entsprechenden Schaltelemente "eingeschaltet", d. h. in Reihe geschaltet, daß die Summe ihrer Ausgangsspannungen ("Ist-Wert") dem gewünschten Spannungswert ("Soll-Wert") weitgehend entspricht.

Bei dieser Anordnung verbleibt in der Regel eine Abweichung des Ist-Wertes vom Soll-Wert aufgrund des durch die Konstanz der Ausgangsspannungen U _B bedingten Quantisierungsfehlers.

Dieser Fehler wird bei der bekannten Anordnung dadurch verringert, daß zusätzliche Gleichspannungsquellen mit binär gewichteten Ausgangsspannungen U _B/2, U _B/4, U _B/8 . . . ("Feinstufen") mit den anderen Gleichspannungsquellen mit der Ausgangsspannung U _B ("Grobstufen") bei Bedarf in Reihe geschaltet werden.

Diese Lösung hat den Nachteil, daß insbesondere bei Anwendungen mit zeitlich veränderlichen Soll-Werten der zu erzeugenden Hochspannung die Feinstufen im allgemeinen häufiger ein- und ausgeschaltet werden müssen als die Grobstufen, so daß die Feinstufen in diesen Fällen durch die höhere Zahl der Schaltvorgänge weitaus höher belastet wären als die Grobstufen. Dies gilt insbesondere dann, wenn die zeitlichen Schwankungen des Soll-Wertes um einen mittleren Wert gerade so gering ausfallen, daß fortlaufend nur die Feinstufen ein- und ausgeschaltet werden müssen, während sich der Schaltzustand der Grobstufen überhaupt nicht ändert.

Ein weiterer Nachteil ergibt sich insbesondere bei den Anwendungen, bei denen mit sehr vielen Grobstufen sehr hohe Spannungen zu erzeugen sind, da die Gleichspannungsquellen einer solchen Anordnung in der Praxis als Transformatorschaltungen mit jeweils einem primärseitig an das Wechselspannungs-Versorgungsnetz angeschlossenen Transformator mit sekundärseitig nachgeschaltetem Gleichrichter ausgebildet sind und die Transformatoren (bzw. deren Wicklungen) wegen der hohen Spannungswerte entsprechend aufwendig voneinander zu isolieren sind, was im allgemeinen mit einem erhöhten Platzbedarf insgesamt verbunden ist.

Gemäß einem Lösungsvorschlag aus der EP-A1-01 34 505 kann der Gesamt-Platzbedarf für die Transformatoren dadurch verringert werden, daß die Transformatoren der einzelnen Stufen zu einem Transformator mit einer Primärwicklung und einer der Anzahl der Stufen entsprechenden Zahl von Sekundärwicklungen zusammengefaßt werden. Allerdings wird die bei diesem Multiwicklungs-Transformator erzielte Verringerung des Platzbedarfs gegenüber der Lösung mit Einzeltransformatoren mit einem noch höheren Isolationsaufwand erkauft.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei gleicher Einstellgenauigkeit der zu erzeugenden Hochspannung eine gleichmäßigere Belastung der einzelnen Stufen ermöglicht. Darüber hinaus sollte die Zahl der erforderlichen Transformatoren in dieser Anordnung möglichst gering sein. Der Wirkungsgrad der Anordnung sollte zudem in etwa vergleichbar sein mit dem Wirkungsgrad der bekannten Anordnung.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sowie eine bevorzugte Anwendung der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß die Ausgangsspannungen der einzelnen Gleichspannungsquellen unabhängig voneinander jeweils zwischen einem vorgegebenen Minimalwert (in der Regel 0 Volt) und einem vorgegebenen Maximalwert in Stufen einstellbar sind.

In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß in der Transformatorschaltung der jeweiligen Gleichspannungsquelle eine mehrstufige Spannungsvervielfachungsanordnung nach Greinacher vorgesehen ist, deren einzelne Stufen über entsprechende Ausgangsleitungen so mit der Diodenkaskade verbunden sind, daß zwischen benachbarten Ausgangsleitungen sich jeweils mindestens eine der Dioden befindet und daß die Ausgangsleitungen alle oder alle bis auf eine jeweils mindestens ein Schaltelement enthalten.

Unter einer Spannungsvervielfachungsanordnung nach Greinacher wird gemäß dem Lehrbuch von Arnold Roth, "Hochspannungstechnik" (Springer Verlag, Wien, 1965), Seite 668-672, eine Schaltung verstanden, die auf der Spannungsverdopplungsschaltung nach Villard beruht und die im wesentlichen aus zwei Reihenschaltungen von Kondensatoren besteht, die über eine Reihenschaltung von Dioden miteinander verbunden sind, wobei die eine Reihenschaltung von Kondensatoren als Schubsäule und die andere als Glättungssäule dient. Die Speisung der beiden Säulen erfolgt über einen Transformator, der primärseitig an ein Versorgungsnetz und sekundärseitig an diese Vervielfachungsschaltung angeschlossen ist, wobei die sekundärseitig anliegende Wechselspannung die Eingangsspannung für die Spannungsvervielfachungsanordnung ist, die gleichgerichtet und auf den 2n-fachen Wert vervielfacht wird, wobei n die Anzahl der Stufen der Spannungsvervielfachungsanordnung ist (eine solche Stufe besteht im einfachsten Fall aus einem Schubkondensator, einem Glättungskondensator und zwei Gleichrichterdioden).

In einer bevorzugten Ausführungsform dieses Ausführungsbeispiels sind nicht nur die einzelnen Gleichspannungsquellen, sondern auch die Stufen der einzelnen Spannungsvervielfachungsanordnungen in den Gleichspannungsquellen gleich ausgebildet, so daß nicht nur die Ausgangsspannung insgesamt, sondern auch die Ausgangsspannungen der einzelnen Gleichspannungsquellen zwischen ihrem Maximalwert Û _B und beispielsweise 0 Volt in äquidistanten Schritten einstellbar sind.

Die Vorteile der Erfindung bestehen vor allem darin, daß nicht mehr zwischen Grobstufen und Feinstufen unterschieden wird, sondern daß jede Stufe sowohl als Grobstufe mit der maximalen Ausgangsspannung Û _B als auch als Feinstufe mit der Ausgangsspannung m/nÛ_B arbeiten kann, wobei n die Zahl der Stufen in der entsprechenden Spannungsvervielfachungsanordnung insgesamt und m die Zahl der aktiven, d. h. der eingeschalteten Stufen der Spannungsvervielfachungsanordnung sind mit 0m n. Damit können die Gleichspannungsquellen der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß einem an die entsprechende Anwendung optimal angepaßten Schaltschema so betrieben, d. h. ein- und ausgeschaltet werden, daß eine gleichmäßige Belastung aller Stufen erreicht wird.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Tatsache, daß durch die Verwendung von mehrstufigen Spannungsvervielfachungsanordnungen nach Greinacher die Zahl der Einzel- Transformatoren bzw. die Zahl der Transformatorenwicklungen insgesamt und damit auch der Platzbedarf für diese Bauelemente insgesamt verringert werden kann.

Insgesamt wird durch den Wegfall gesonderter Feinstufen und die Verringerung der Zahl der erforderlichen Einzeltransformatoren (die selbstverständlich in der bekannten Weise ebenfalls zu einem Transformator mit einer Primärwicklung und einer der Zahl der Gleichspannungsquellen entsprechenden Zahl der Sekundärwicklungen zusammengefaßt werden können) sowie durch die Möglichkeit einer gleichmäßigeren Belastung aller Stufen der bauliche Aufwand für die erfindungsgemäße Lösung gegenüber der bekannten Lösung bei in etwa gleichem Wirkungsgrad deutlich verringert.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1-4 ein- bzw. dreiphasige Ausführungsformen der bekannten Grundschaltungen zur Spannungsverdopplung nach Liebenow-Greinacher (Fig. 1-2) und nach Greinacher (Fig. 3-4),

Fig. 5 prinzipielle Spannungs-Zeitverlaufe der Eingangsspannung u _E , der Anoden-Kathoden-Spannung U _D der ersten Diode und der Ausgangsspannung U _A der bekannten Spannungsverdopplungsschaltung nach Greinacher gemäß Fig. 3,

Fig. 6 eine erste einphasige Ausführungsform zur Spannungsvervielfachung basierend auf der Grundschaltung zur Spannungsverdopplung nach Liebenow-Greinacher,

Fig. 7 eine zweite bekannte einphasige Ausführungsform zur Spannungsvervielfachung basierend auf der Grundschaltung zur Spannungsverdopplung nach Greinacher,

Fig. 8-9 zwei bekannte dreiphasige Ausführungsformen zur Spannungsvervielfachung basierend auf der Grundschaltung zur Spannungsverdopplung nach Greinacher,

Fig. 10 eine bekannte vorteilhafte Ausführungsform der Spannungsvervielfachungsanordnung nach Greinacher gemäß Fig. 7 zur Verringerung der Welligkeit der Ausgangsspannung,

Fig. 11 eine bekannte vorteilhafte symmetrische Ausführungsform der Spannungsvervielfachungsanordnung nach Greinacher gemäß Fig. 7 ebenfalls zur Verringerung der Welligkeit der Ausgangsspannung,

Fig. 12 eine bekannte vorteilhafte Ausführungsform der Spannungsvervielfachungsanordnung nach Greinacher mit mehreren in Reihe geschalteten Anordnungen gemäß Fig. 11,

Fig. 13-14 bekannte vorteilhafte Möglichkeiten zur Kompensation von störenden Parallelkapazitäten in den Stufen der Spannungsvervielfachungsanordnungen nach Greinacher,

Fig. 15-18 bekannte Ausführungsformen ein- bzw. dreiphasiger halbgesteuerter Spannungsvervielfachungsanordnungen nach Greinacher,

Fig. 19-21 vorteilhafte Ausführungformen der Gleichspannungsquellen der erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 22 ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung mit mehreren in Reihe geschalteten Anordnungen gemäß Fig. 21 und einem nachgeschalteten Tiefpaßfilter,

Fig. 23 einen typischen Spannungs-Zeitverlauf der Ausgangsspannung der erfindungsgemäßen Anordnung.

Die in der Fig. 1 gezeigten bekannten einphasigen Grundschaltung zur Spannungsverdopplung nach Liebenow- Greinacher enthält einen Transformator mit einer Sekundärwicklung 10 (die Primärwicklung wurde in dieser Figur wie auch in den folgenden Figuren mit Ausnahme der Fig. 22 der Übersichtlichkeit halber fortgelassen), zwei Dioden 2 und 3 sowie zwei Kondensatoren 4 und 5. An den Ausgangsklemmen 6 und 7 liegt eine Gleichspannung an, deren Wert doppelt so hoch ist wie der Maximalwert der an der Sekundärwicklung 10 des Transformators anliegenden Eingangsspannung. In Fig. 2 ist die entsprechende dreiphasige Grundschaltung zur Spannungsverdopplung nach Liebenow-Greinacher gezeigt.

In Fig. 3 ist die entsprechende bekannte einphasige Grundschaltung zur Spannungsverdopplung nach Greinacher gezeigt. Auch sie enthält einen Transformator mit einer Sekundärwicklung 10, zwei Dioden 2 und 3 sowie zwei Kondensatoren 4 und 5, wobei hier der Kondensator 4 als Schubkondensator und der Kondensator 5 als Glättungskondensator dient. In Fig. 5 sind prinzipielle Spannungs- Zeitverläufe der an der Sekundärwicklung 10 anliegenden Eingangsspannung u _E , der Anoden-Kathoden-Spannung U _D der ersten Diode 2 sowie der Ausgangsspannung U _A zwischen den beiden Ausgangsklemmen 6 und 7 gezeigt.

Wie aus Fig. 5 hervorgeht, ist auch hier die Ausgangs- Gleichspannung U _A doppelt so groß wie der Maximalwert û _E der Eingangsspannung u _E . In Fig. 4 ist die entsprechende dreiphasige Grundschaltung zur Spannungsverdopplung nach Greinacher gezeigt.

Während die Grundschaltung nach Liebenow-Greinacher gemäß Fig. 1 und 2 prinzipiell auf den Fall der Spannungsverdopplung beschränkt ist, kann die Grundschaltung nach Greinacher gemäß Fig. 3 und 4 prinzipiell auf beliebige Fälle der Spannungsvervielfachung ausgedehnt werden. Dies wird besonders durch einen Vergleich der Fig. 6 und 7 deutlich, die bekannte Spannungsvervielfachungsanordnungen zeigen.

Während die Anordnung in Fig. 6 aus n kompletten Grundschaltungen (10, 20, 30, 40, 50) . . . (19, 29, 39, 49, 59) zur Spannungsverdopplung nach Liebenow-Greinacher besteht, die zur Erzeugung einer Spannung mit dem 2n-fachen Wert des Maximalwerts û _E der Eingangsspannung u _E zwischen den Ausgangsklemmen 6, 7 ausgangsseitig in Reihe geschaltet sind, zeigt Fig. 7 eine aus n Stufen (20, 30, 40, 50) . . . (29, 39, 49, 59) bestehende Grundschaltung A zur Spannungsvervielfachung nach Greinacher mit einem gemeinsamen Transformator 1, mit der ebenfalls zwischen den Ausgangsklemmen eine Spannung erzeugt wird, die den 2n-fachen Wert von û _E hat.

Üblicherweise werden die in Reihe geschalteten Schubkondensatoren 40-49 in abgekürzter Form "Schubsäule" genannt, die in Reihe geschalteten Glättungskondensatoren 50-59 entsprechend "Glättungssäule".

In den Fig. 8 und 9 sind bekannte dreiphasige Ausführungsformen einer solchen Grundschaltung zur Spannungsvervielfachung nach Greinacher am Beispiel der Spannungsvervielfachung gezeigt, wobei in Fig. 9 in vorteilhafter Weise die Glättungssäulen der einzelnen Phasen 50, 51 bzw. 52, 53 bzw. 54, 55 gemäß Fig. 8 zu einer gemeinsamen Glättungssäule 50 und 51 zusammengefaßt sind. Bei ohmsch- induktiver Last an den Ausgangsklemmen 6 und 7 kann es von Vorteil sein, eine Freilaufdiode 8 zwischen den Ausgangsklemmen 6 und 7 vorzusehen.

In den Fig. 10 und 11 sind bekannte vorteilhafte Weiterbildungen der Grundschaltung zur Spannungsvervielfachung nach Greinacher zur Verringerung der Welligkeit in der Ausgangsspannung zwischen den Ausgangsklemmen 6 und 7 gezeigt.

Die Anordnungen in Fig. 10 enthalten zwei Schubsäulen 40, 42, 44, 46, 48 und 41, 43, 45, 47, 49, die über entsprechende Diodenkaskaden 20, 30 . . . 28, 38 und 21, 31 . . . 29, 39 mit der gemeinsamen Glättungssäule 50-54 parallel geschaltet sind.

Im Unterschied zur Grundschaltung gemäß Fig. 7 sind die beiden Schubsäulen hier an die beiden Enden der Sekundärwicklung 10 des Eingangstransformators angeschlossen, während die Glättungssäule über eine Mittelanzapfung an die Sekundärwicklung angeschlossen ist (Walter Heilpern: "Kaskadengeneratoren zur Partikelbeschleunigung auf 4 MeV", Helv. Phys. Acta, 28 [1955], S. 485-491).

Die Anordnung in Fig. 11 unterscheidet sich von der Grundschaltung gemäß Fig. 7 durch ihren symmetrischen Aufbau, der sich nach Arnold Roth: "Hochspannungstechnik" (Springer-Verlag, Wien, 1965), S. 668-672, besonders zur Reihenschaltung mehrerer solcher Anordnungen eignet (siehe Fig. 12).

In den Fig. 13 und 14 sind Weiterbildungen der Grundschaltungen zur Spannungsvervielfachung nach Greinacher im Ausschnitt gezeigt, die der Reduzierung der Brummspannung dienen, indem die schädlichen Parallelkapazitäten 240, 250, 340, 350 in Fig. 14 bzw. 260 in Fig. 13 der entsprechenden Dioden 24, 25, 34, 35 in Fig. 14 bzw. 26 in Fig. 13 durch zusätzliche Induktivitäten 520 in Fig. 14 bzw. durch zusätzliche Induktivitäten 262, jeweils in Reihe mit einer zusätzlichen Kapazität 261 geschaltet, in Fig. 13 kompensiert werden (Wagner: "Stromversorgung elektronischer Schaltungen und Geräte" [R. v. Deckers Verlag G. Schenck, Hamburg, 1964], S. 637-638).

In den Fig. 15 bis 18 schließlich sind die Grundschaltungen zur Spannungsverdopplung nach Greinacher gemäß Fig. 3 und 4 in bekannter Weise als halbgesteuerte Schaltungen mit jeweils einem steuerbaren Thyristor-Ventil pro Phase ausgebildet (3 in Fig. 15, 30-32 in Fig. 16; 2 in Fig. 17, 20-22 in Fig. 18), mit denen die Ausgangsspannung zwischen den Ausgangsklemmen 6, 7 zwischen 0 und ihrem Maximalwert (Fig. 15, 16) bzw. im Verhältnis 1 : 2 zur Spannung U _D gemäß Fig. 5 (Fig. 17, 18) stetig verändert werden kann, wobei allerdings die Geschwindigkeit der Spannungsänderung nicht beliebig schnell ist, sondern durch die Frequenz der Versorgungsspannung nach obenhin begrenzt ist (Werner Lücking: "Kurzgefaßte Einführung in die Stromrichtertechnik" [Technische Rundschau Hallwag, Bern, 1983], S. 76-81).

Weitere Einzelheiten zur Theorie und Praxis der Schaltungen zur Spannungsvervielfachungen nach Greinacher sind dem Artikel von E. Baldinger: "Kaskadengeneratoren" in S. Flügge: "Handbuch der Physik", Band XLIV: "Instrumentelle Hilfsmittel der Kernphysik" (Springer, Berlin, 1959), S. 1-63, zu entnehmen.

In Fig. 19 bis 21 sind vorteilhaften Ausführungsformen einer Gleichspannungsquelle B gemäß der Erfindung gezeigt.

In Fig. 19 ist eine Grundschaltung A zur Spannungsvervielfachung nach Greinacher beispielhaft mit vier Stufen (20, 30, 40, 50) bzw. (21, 31, 41, 51) bzw. (22, 32, 42, 52) bzw. (23, 33, 43, 53) gemäß Fig. 7 gezeigt. Die einzelnen Stufen sind auf der Seite der Glättungssäule 50-53 über Ausgangsleitungen 800-840 mit einer Diodenkaskade 90-97 verbunden. Die Ausgangsleitungen 810-840 sind jeweils durch ein Schaltelement 81-84 unterbrechbar, die Ausgangsleitung 800 enthält kein Schaltelement. Mit U _B ist die Ausgangsspannung zwischen den Ausgangsklemmen 6 und 7 bezeichnet. Die Versorgung der Gleichspannungsquelle geschieht über einen Transformator, dessen Sekundärwicklung 10 in der Figur gezeigt ist.

Die erfindungsgemäße Gleichspannungsquelle B ist "ausgeschaltet" (d. h. U _B=0), wenn alle Schaltelemente 81-84 geöffnet sind. Sie ist "eingeschaltet" (d. h. U _B≠0), wenn eines und nur eines der Schaltelemente 81-84 geschlossen ist. Je nachdem, ob dabei das Schaltelement 84 oder 83 oder 82 oder 81 geschlossen ist, beträgt die Ausgangsspannung zwischen den Ausgangsklemmen 6 und 7 im Idealfall Û _B oder 3/4 Û _B oder 1/2 Û _B oder 1/4 Û _B (vorausgesetzt die Stufen der Schaltung A sind alle gleich). Die Funktion der Dioden 90-97 besteht darin, die "ausgeschalteten" Stufen der Gleichspannungsquelle B zu überbrücken.

Mit dieser Anordnung läßt sich somit eine Ausgangsspannung U _B realisieren, die zwischen 0 und Û _B in Stufen von 1/4 Û _B einstellbar ist. Dabei muß die Spannungsfestigkeit des Schaltelements 84 größer oder gleich sein Û _B (an die übrigen Schaltelemente werden geringere Anforderungen hinsichtlich der Spannungsfestigkeit gestellt). Dies beschränkt die maximal erreichbare Ausgangsspannung U _B bei Verwendung von abschaltbaren Halbleitern wie Bipolartransistoren oder Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGT) oder MOS-Feldeffekttransistoren oder Abschalt(GTO)- Thyristoren oder Static-Induction-Thyristoren oder von Kombinationen dieser Bauelemente bei den heute erhältlichen Bauelementen auf Werte unterhalb 10 kV.

Diese Beschränkung ist in dem nächsten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Gleichspannungsquelle B gemäß Fig. 20 aufgehoben. Diese Schaltung unterscheidet sich von der der Fig. 19 nur dadurch, daß beispielhaft in der Ausgangsleitung 840 vier gleichartige Schaltelemente 841-844, in der Ausgangsleitung 830 entsprechend drei Schaltelemente 831-833 und in der Ausgangsleitung 820 entsprechend zwei Schaltelemente 821-822 in Reihe geschaltet sind, während in der Ausgangsleitung 810 nur ein Schaltelement 811 und in der Ausgangsleitung 800 kein Schaltelement vorhanden ist. Durch diese Maßnahme ist hier der Dynamikbereich der Ausgangsspannung etwa vervierfacht worden, nämlich von U _B : 0-Û _B auf etwa U _B : 0-4 Û _B (bei N in Reihe geschalteten Schaltelementen in der Ausgangsleitung 840 bzw. N-1 in der Leitung 830 usw. wäre der Dynamikbereich entsprechend etwa N-fach vergrößert worden).

Das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Gleichspannungsquelle B in Fig. 21 schließlich enthält eine 4stufige symmetrische Spannungsvervielfachungsanordnung A nach Greinacher gemäß Fig. 11. Da hier die Speisung der Schubsäule 40-43 und der Glättungssäule 50-53 von der Mitte her erfolgt, ist es zweckmäßig, jede der Ausgangsleitungen 800-840 mit einem Schaltelement 80-84 zu versehen und zur Erzeugung von U _B=1/4 Û _B die Schaltelemente 80 und 81 (oder alternativ hierzu 80 und 83), von U _B=1/2 Û _B die Schaltelemente 80 und 82 (oder 80 und 84), von U _B=3/4 Û _B die Schaltelemente 83 und 82 (oder 81 und 84) und von U _B= Û _B die Schaltelemente 82 und 84 zu schließen, wobei in allen vier Fällen die jeweils nicht genannten Schaltelemente geöffnet sind.

Das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung in Fig. 22 enthält mehrere in Reihe geschaltete erfindungsgemäße Gleichspannungsquellen B 1-B 9 gemäß Fig. 21, denen ausgangsseitig ein Tiefpaßfilter zur Glättung der gestuften Ausgangsspannung U _s nachgeschaltet ist. Die Transformatoren der einzelnen Gleichspannungsquelle B 1-B 9 sind hier zu einem Transformator 1 mit einer an das Wechselspannungs- Versorgungsnetz angeschlossenen Primärwicklung 100 und einer der Anzahl der Gleichspannungsquellen B 1-B 9 entsprechenden Zahl von Sekundärwicklungen 101-109 zusammengefaßt. In einer bevorzugten Anwendung ist diese Schaltung als Modulationsverstärker in einem Sender, insbesondere in einem amplitudenmodulierten Sender mit anodenmodulierter Endstufe verwendbar. In diesem Fall dient die erfindungsgemäße Anordnung als Senderstromversorgung, die durch eine entsprechende Ansteuerung der Schaltelemente in der erfindungsgemäßen Gleichspannungsquelle B 1-B 9 durch das niederfrequente Eingangs- oder Modulationssignal eine bereits gemäß diesem Eingangssignal schwingende Betriebsspannung U _S in quantisierter Form für die anodenmodulierte Endstufenröhre erzeugt, die im nachgeschalteten LC-Tiefpaßfilter geglättet wird, so daß an den Ausgangsklemmen der Schaltung gemäß Fig. 22 die gewünschte Modulationsspannung U _D in analoger Form anliegt.

In Fig. 23 schließlich ist ein Zeitverlauf der Ausgangsspannung U _S der erfindungsgemäßen Anordnung gezeigt, wie er beispielsweise für einen Modulationsverstärker gemäß Fig. 22 eines Senders typisch ist. Beispielhaft wurde dabei angenommen, daß die Anordnung aus zwölf erfindungsgemäßen Gleichspannungsquellen B 1-B 12 besteht, die alle eine maximale Ausgangsspannung Û _{B 1}=Û _{B 2} . . . =Û _{B 12}=Û _B erzeugen und die jeweils aus drei gleichen Stufen aufgebaut sind.

In diesem Beispiel ist die Höhe der Ausgangsspannungen U _{B 1} . . . U _{B 12} der einzelnen Gleichspannungsquellen B 1-B 12 abhängig vom Modulationsgrad m, und zwar so, daß bestimmten Modulationsgradbereichen a, b, c (in der Figur beispielhaft a : m=66% . . . 100%; b : m=33% . . . 66%; c : m=0% . . . 33%) jeweils eine der vorgesehenen Abstufungen Û _B, 2/3 Û _B bzw. 1/3 Û _B in den Ausgangsspannungen der Gleichspannungsquellen B 1-B 12 zugeordnet ist (in der Figur beispielhaft a : U _{B 1} . . . U _{B 12}=Û _B ; b : U _{B 1} . . . U _{B 12}=2/3 Û _B ; c : U _{B 1} . . . U _{B 12}= 1/3 U _B), so daß sich hier auf einfache Art vorteilhaft eine an sich bekannte modulationsgradabhängige Trägersteuerung realisieren läßt.

Es versteht sich, daß die Erfindung mit fachmännischem Wissen aus- und weitergebildet sowie an die verschiedenen Anwendungen angepaßt werden kann, ohne daß dies hier näher erläutert werden müßte.

So ist es z. B. möglich, die Ausgangsspannungen U _Bi der einzelnen Gleichspannungsquellen Bi unterschiedlich (z. B. binär gewichtet) zu wählen oder teilweise unterschiedlich (z. B. bei der Mehrzahl der Gleichspannungsquellen gleich und nur bei den restlichen Gleichspannungsquellen binär gewichtet) zu wählen.

Auch ist es möglich, die einzelnen Stufen der Spannungsvervielfachungsanordnungen nach Greinacher innerhalb der erfindungsgemäßen Gleichspannungsquellen unterschiedlich auszubilden (z. B. derart, daß die an den Glättungskondensatoren abgreifbaren Teilspannungen der einzelnen Stufen binär gewichtet sind).

Ferner ist es möglich, die hier beschriebenen einphasigen Anordnungen gemäß der Erfindung dreiphasig auszuführen.

Schließlich ist es auch denkbar, die einzelnen Stufen der Spannungsvervielfacheranordnungen nach Greinacher in den erfindungsgemäßen Gleichspannungsquellen in an sich bekannter Weise (Fig. 15-18) halbgesteuert auszuführen, um zusätzlich die Möglichkeit zu eröffnen, in dem durch die Frequenz der Speisespannung gesetzten zeitlichen Rahmen die Höhe der maximalen Ausgangsspannung U _B bzw. ihrer vorgesehenen Abstufungen stetig verändern zu können.

Claims (18)

1. Anordnung zur Erzeugung einer zwischen einem vorgegebenen Minimalwert und einem vorgegebenen Maximalwert in Stufen einstellbaren hohen Spannung, mit mehreren ausgangsseitig in Reihe geschalteten und durch in den Ausgangsleitungen angeordnete Schaltelemente einzeln ein- und ausschaltbaren Gleichspannungsquellen, welche ausgangsseitig jeweils durch mindestens eine Überbrückungsdiode einer Überbrückungsdiodenkaskade überbrückt sind und welche eine im Vergleich zum Maximalwert der zu erzeugenden hohen Spannung geringere Ausgangsspannung erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannungen (U _{B 1}- U _{B 9}) der einzelnen Gleichspannungsquellen (B 1-B 9) unabhängig voneinander jeweils zwischen einem vorgegebenen Minimalwert und einem vorgegebenen Maximalwert in Stufen einstellbar sind (Fig. 22, 23). 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - daß die Gleichspannungsquellen (B) jeweils eine aus mehreren Stufen (20, 30, 40, 50; 21, 31, 41, 51; 22, 32, 42, 52; 23, 33, 43, 53) bestehende Spannungsvervielfachungsanordnung (A) nach Greinacher enthalten mit mindestens einer als Schubsäule dienenden ersten Reihenschaltung von Kondensatoren (40-43), mindestens einer als Glättungssäule dienende zweiten Reihenschaltung von Kondensatoren (50-53), einer die Schubsäule (40-43) mit der Glättungssäule (50-53) verbindenden Reihenschaltung von Dioden (20-23, 30-31) und einem mit seiner Sekundärwicklung (10) an die Schubsäule (40-43) bzw. Glättungssäule (50-53) bzw. Reihenschaltung der Dioden (20-23, 30-31) angeschlossenen Transformator zur Versorgung der Spannungsvervielfachungsanordnung (A) (Fig. 19-21);

- daß die Stufen (20, 30, 40, 50; 21, 31, 41, 51; 22, 32, 42, 52; 23, 33, 43, 53) einer solchen Spannungsvervielfachungsanordnung (A) jeweils zwei Ausgangsleitungen (800-840) aufweisen und daß direkt benachbarte Ausgangsleitungen von direkt benachbarten Stufen zu einer Ausgangsleitung (810; 820; 830) zusammengefaßt sind (Fig. 19-21);

- daß die Ausgangsleitungen (800-840) einer solchen Spannungsvervielfachungsanordnung (A) so an die Überbrückungsdiodenkaskade angeschlossen sind, daß zwischen direkt benachbarten Ausgangsleitungen (800, 810; 810, 820; 820, 830; 830, 840) jeweils mindestens eine Überbrückungsdiode (90, 91; 92, 93; 94, 95; 96, 97) geschaltet ist (Fig. 19-21);

- daß die Ausgangsleitungen (800-840) einer solchen Spannungsvervielfachungsanordnung (A) alle oder alle bis auf eine jeweils mindestens eines der Schaltelemente (81-84 in Fig. 19; 811, 821-822, 831-833, 841-844 in Fig. 20; 80-84 in Fig. 21) enthalten.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsquellen (B 1-B 9) gleich ausgebildet sind (Fig. 22). 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Stufen (20, 30, 40, 50; 21, 31, 41, 51; 22, 32, 42, 52; 23, 33, 43, 53) der Spannungsvervielfachungsanordnung (A) einer solchen Gleichspannungsquelle (B) gleich ausgebildet sind (Fig. 19-21).

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Schaltelemente (81-84 in Fig. 19, 80-84 in Fig. 21) in allen Schaltelemente enthaltenden Ausgangsleitungen (810-840 in Fig. 19; 800-840 in Fig. 21) einer solchen Spannungsvervielfachungsanordnung (A) gleich ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Schaltelemente (811, 821-822, 831-833, 841-844 in Fig. 20) sich von Stufe zu Stufe einer solchen Spannungsvervielfachungsanordnung (A) sukzessive erhöht.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Schaltelemente (811, 821-822; 831-833, 841-844) sich sukzessive um 1 erhöht.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (81-84 in Fig. 19; 811, 821-822, 831-833, 841-844 in Fig. 20; 80-84 in Fig. 21) abschaltbare Halbleiter, insbesondere Bipolartransistoren oder Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGT) oder MOS-Feldeffekttransistoren oder Abschalt(GTO)-Thyristoren oder Static-Induction-Thyristoren oder Kombinationen dieser Bauelemente sind.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden äußeren, nur zu einer Stufe gehörenden Ausgangsleitungen (800, 840) einer solchen Spannungsvervielfachungsanordnung (A) kein Schaltelement enthält (Fig. 19, 20).

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zur untersten Stufe (20, 30, 40, 50) gehörende äußere Ausgangsleitung (800) kein Schaltelement enthält (Fig. 19, 20).

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsvervielfachungsanordnungen (A) der einzelnen Gleichspannungsquellen (B) symmetrisch aufgebaut sind (Fig. 11, 12, 21, 22).

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation von Parallelkapazitäten (260) in den einzelnen Stufen (20-53) einer solchen Spannungsvervielfachungsanordnung (A) den in solchen Stufen (20-53) vorgesehenen Dioden (20-23, 30-33) jeweils eine Reihenschaltung aus Induktivität (262) und Kapazität (261) parallel geschaltet ist (Fig. 13).

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der in einer solchen Spannungsvervielfachungsanordnung (A) vorgesehene Schubteil zwei parallel geschaltete Reihenschaltungen von Kondensatoren (40, 42, 44, 46, 48; 41, 43, 45, 47, 49) enthält (Fig. 10).

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kondensatoren (40, 42, 44, 46, 48; 41, 43, 45, 47, 49) der beiden Reihenschaltungen Anschlußpunkte vorgesehen sind und daß die Anschlußpunkte (441, 451) der gleichen Stufe jeweils über eine Induktivität (520) verbunden sind (Fig. 14).

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die in solchen Spannungsvervielfachungsanordnungen (A) vorgesehenen Transformatoren (1) zu einem Transformator (1) mit einer Primärwicklung (100) und einer der Zahl der Gleichspannungsquellen (B 1-B 9) entsprechenden Anzahl von Sekundärwicklungen (101-109) zusammengefaßt sind (Fig. 22). 16. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Anordnung ausgangsseitig ein Tiefpaßfilter (L, C) nachgeschaltet ist (Fig. 22).

17. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung als Stromversorgung eines Modulationsverstärkers für einen Sender dient.

18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Ausgangsspannungen (U _{B 1}-U _{B 9}) der einzelnen Gleichspannungsquellen (B 1-B 9) vom Modulationsgrad (m) des durch den Modulationsverstärker zu modulierenden Signals dergestalt abhängt, daß bestimmten Modulationsgradbereichen jeweils eine der vorgesehenen Abstufungen in den Ausgangsspannungen (U _{B 1}-U _{B 9}) der Gleichspannungsquellen (B 1-B 9) zugeordnet ist (Fig. 23).