DE3833148A1 - Hochspannungserzeuger fuer eine roentgenroehre - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungserzeuger für eine Röntgenröhre mit einer Umrichterschaltung zum Gleichrichten und Verstärken einer Wechselspannung.

Fig. 1 zeigt einen typischen Hochspannungserzeuger nach dem Stand der Technik.

Der Hochspannungserzeuger enthält: eine Wechselspannungs­ quelle 2; eine Umrichterschaltung 3, die von der Wechsel­ spannungsquelle 2 eine Wechselspannung empfängt und gleich­ richtet, die gleichgerichtete Spannung zerhackt, die zer­ hackte Spannung verstärkt und diese gleichrichtet, um eine an die Röntgenröhre 4 anzulegende Gleich-Hochspannung zu erzeugen; und eine selbsttätige Regelschaltung 15 zum Über­ wachen der von der Umrichterschaltung 3 erzeugten Gleich­ strom-Hochspannung und zum Steuern des Schaltbetriebs der Umrichterschaltung 3.

Die Umrichterschaltung 3 enthält: eine Eingangs-Gleichrich­ terschaltung 6, die die von der Spannungsquelle 2 gelie­ ferte Wechselspannung gleichrichtet; einen Verstärkungs­ transformator T mit einer Primärwicklung N 1, deren neutra­ ler Punkt über einen Zerhackertransistor TR 1 an einen Aus­ gangsanschluß (Pluspol) der Gleichrichterschaltung 6 ange­ schlossen ist, und deren beide Enden über Wechselrichter­ transistoren TR 2 und TR 3 abwechselnd an den anderen Aus­ gangsanschluß (Minuspol) der Gleichrichterschaltung 6 ge­ schaltet werden, und mit Sekundärwicklungen N 2 und N 3, an denen Wechselstrom-Hochspannungen erzeugt werden; Ausgangs- Gleichrichterschaltungen 7 a und 7 b, die die Wechselstrom- Hochspannungen gleichrichten und Gleichstrom-Hochspannungen erzeugen; Spannungsteilerwiderstände R 1 und R 2, die in Reihe zwischen dem positiven und dem negativen Ausgangsan­ schluß der Gleichrichterschaltung 7 a liegen; Spannungstei­ lerwiderstände R 3 und R 4, die in Reihe zwischen dem positi­ ven und dem negativen Ausgangsanschluß der Gleichrichter­ schaltung 7 b liegen, wobei der positive Ausgang der Gleich­ richterschaltung 7 b und der negative Ausgangsanschluß der Gleichrichterschaltung 7 a zusammengeschaltet sind; eine Röhrenstrom-Detektorschaltung 8, die an den positiven Aus­ gang der Gleichrichterschaltung 7 a gekoppelt ist, welche an die Anode der Röntgenröhre 4 angeschlossen ist; und eine Kathodenheizschaltung 9, die zwischen dem negativen Ausgang der Ausgangs-Gleichrichterschaltung 7 b, die an einen Katho­ denanschluß der Röntgenröhre 4 angeschlossen ist, und dem anderen Anschluß der Kathode der Röntgenröhre 4 liegt.

Die Röhrenstrom-Detektorschaltung 8 erfaßt den durch die Röntgenröhre 4 fließenden Strom und steuert die Kathoden­ heizschaltung 9 nach Maßgabe des erfaßten Röhrenstroms. Demzufolge wird die Temperatur der Kathode der Röntgenröhre 4 so geregelt, daß der Röhrenstrom einen Sollwert annimmt. In Fig. 1 sind die Steuersignalleitungen durch gestrichelte Linien angedeutet.

Die Regelschaltung 15 enthält: eine Röhrenspannungs-Detek­ torschaltung 10, die an den Verbindungpunkt der Widerstände R 1 und R 2 und den Verbindungspunkt der Widerstände R 3 und R 4 angeschlossen ist und eine Gleich-Hochspannung fest­ stellt, die der Röntgenröhre 4 eingeprägt wird. Dies ge­ schieht durch Erfassen einer Spannung, die durch die Wider­ stände R 1 bis R 4 von der Gleich-Hochspannung abgeteilt wird; und eine Zerhackersteuerung 11, die den Zerhacker­ transistor TR 1 nach Maßgabe der von der Röhrenspannungs-De­ tektorschaltung 10 festgestellten Röhrenspannung steuert.

In dieser Schaltung steuert die Zerhackersteuerung 11 die Einschaltzeit (das Tastverhältnis) eines an den Zer­ hackertransistor TR 1 gelegten Schaltimpulssignals nach Maß­ gabe der erfaßten Röhrenspannung. Dadurch wird erreicht, daß selbst dann, wenn die Wechselspannung der Wechselspan­ nungsquelle 2 schwankt, die Röhrenspannung aufgrund der Rückkopplung durch die Regeleinrichtung auf dem gewünsch­ ten, konstanten Wert gehalten wird. Aus diesem Grund leidet die Schaltung aber auch an gewissen Nachteilen während des Betriebsbeginns: Beim Betriebsbeginn ist die Röhrenspannung sehr klein und beträgt fast 0 Volt. Dies bedeutet, daß die erfaßte Röhrenspannung (Istwert) deutlich von der Soll­ spannung abweicht. Dies hat zur Folge, daß die Zerhacker­ steuerung 11 eine stark erhöhte Einschaltzeit des Schaltim­ pulssignals erzeugt. Daraus resultiert, daß Spannung und Strom am Zerhackertransistor TR 1 und an den Wechselrichter­ transistoren TR 2 und TR 3 möglicherweise zweimal so groß sind wie die Nennspannung bzw. der Nennstrom. Um Beschädi­ gungen durch Überlastungen zu vermeiden, müssen diese Tran­ sistoren also entsprechende Betriebskenngrößen aufweisen.

Um die oben aufgezeigten Nachteile zu vermeiden, wurde ver­ sucht, den Zerhackertransistor während einer gewissen Zeit nach dem Betriebsbeginn mit einem Schaltimpulssignal fester Impulsbreite (mit festem Tastverhältnis) zu betreiben, ohne einen Regelbetrieb durchzuführen, um anschließend auf gere­ gelten Betrieb umzuschalten. Dabei kann jedoch die ge­ lieferte Gleich-Hochspannung ein unzureichendes Anstiegs­ verhalten aufweisen. Es kann insbesondere zu lange dauern, bis die ausgegebene Gleichspannung in den Bereich hoher Ausgangsleistung (hohe Spannung und hoher Strom) gelangt, während andererseits beim Zustand geringer Ausgangsleistung die erzeugte Gleichspannung einen Überschwinger aufweisen kann.

Wie aus der obigen Diskussion hervorgeht, besteht bei der herkömmlichen Einrichtung das Problem, daß die Transistoren der Umrichterschaltung möglicherweise überlastet werden oder daß die Anstiegszeit der erzeugten Gleichspannung zu stark verlängert wird bzw. Überschwinger auftreten, abhän­ gig von den Bedingungen oder Vorgaben für das Ausgangssig­ nal.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Hochspan­ nungserzeugers für eine Röntgenröhre, der mit einer Umrich­ terschaltung zum Gleichrichten und Verstärken einer Wech­ selspannung ausgestattet ist und in der Lage ist, eine Überlastung der Transistoren in der Umrichterschaltung ebenso zu vermeiden wie eine Verlängerung der Anstiegszeit einer Ausgangs-Gleichspannung sowie das Auftreten von Über­ schwingern der Gleichspannung.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Er­ findung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an­ hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsskizze eines Hochspan­ nungserzeugers für eine Röntgenröhre, von welcher die Erfindung ausgeht,

Fig. 2 eine Schaltungsskizze eines erfindungs­ gemäßen Hochspannungserzeugers für eine Röntgenröhre,

Fig. 3 eine Ausgestaltung eines Voreinstell­ signalgebers,

Fig. 4 und 5 Kennliniendiagramme der Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 6 eine weitere Ausgestaltung des Vorein­ stellsignalgebers.

Zunächst soll anhand der Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochspannungserzeugers beschrieben wer­ den, wobei in Fig. 2 für gleiche Teile wie in Fig. 1 ent­ sprechende Bezugszeichen verwendet sind.

Die Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 2 enthält: eine Umrichterschaltung 3, die zwischen einer Wechselspannungs­ quelle 2 und einer Röntgenröhre 4 liegt und dazu dient, eine von der Wechselspannungsquelle 2 abgegebene Wechsel­ spannung gleichzurichten, die gleichgerichtete Spannung zu zerhacken, die zerhackte Spannung zu verstärken und diese dann wieder gleichzurichten, um eine an die Röntgenröhre 4 anzulegende Gleich-Hochspannung zu erzeugen; und eine selbsttätige Regelschaltung 15, die derart ausgelegt ist, daß sie die von der Umrichterschaltung 3 erzeugte Gleich- Hochspannung überwacht, um den Zerhackerbetrieb der Umrich­ terschaltung 3 zu regeln. Die Umrichterschaltung hat den gleichen Aufbau wie in Fig. 1.

Die Besonderheiten der Erfindung liegen in der Ausgestal­ tung der Regelschaltung 15. Diese enthält eine Röhrenspan­ nungs-Detektorschaltung 10, die an den Verbindungspunkt der Widerstände R 1 und R 2 sowie an den Verbindungspunkt der Wi­ derstände R 3 und R 4 gekoppelt ist, um ein Signal zu lie­ fern, welches einer Spannung entspricht, die durch Teilung der der Röntgenröhre 4 aufgeprägten Gleich-Hochspannung mit Hilfe der Widerstände R 1 bis R 4 gewonnen wird. Ein Vorein­ stellsignalgeber 12 erzeugt entsprechend einer voreinge­ stellten Spannung ein Stell- oder Steuersignal. Ein Selek­ tor 13 spricht auf einen Ausgangswert der Röhrenspannungs- Detektorschaltung 10 an, um selektiv entweder das Ausgangs­ signal der Röhrenspannungs-Detektorschaltung 10 oder ein Ausgangssignal des Voreinstellsignalgebers 12 auszugeben. Eine Zerhackersteuerung 11 legt zur Steuerung ein Impulssi­ gnal an einen Zerhackertransistor TR 1, dessen Impulsbreite (Tastverhältnis) abhängt vom Wert des Ausgangssignals des Selektors 13.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, besteht der Voreinstellsignalge­ ber 12 aus mehreren veränderbaren Widerständen (Potentio­ metern) R 11 bis R 1 n, die verschiedene Analogspannungen er­ zeugen, und einem Analogschalter 14, der einen der verän­ derbaren Widerstände auswählt, um eine entsprechende Ana­ logspannung abzugreifen.

Die Amplituden der von den veränderbaren Widerständen R 11 bis R 1 n gelieferten Analogspannungen sind derart bestimmt, daß, wenn die Zerhackersteuerung 11 den Zerhackertransistor TR 1 auf der Grundlage der von den veränderbaren Widerstän­ den erzeugten Analogspannung steuert, der Transistor TR 1 und die Wechselrichtertransistoren TR 2 und TR 3 nicht über­ lastet werden, d.h.: Spannung und Strom übersteigen nicht die Nennleistung der Transistoren, und die Umrichter-Aus­ gangsspannung steigt stetig an, ohne Verlängerung ihrer An­ stiegszeit und ohne das Auftreten von Überschwingern.

Beim Betrieb wird der Analogschalter 14 zunächst so ge­ schaltet, daß ein optimal geeigneter Widerstand der verän­ derbaren Widerstände entsprechend dem Ausgangszustand aus­ gewählt wird. Wenn die Spannungsquelle 2 eingeschaltet wird, wird an die Umrichterschaltung 3 eine Wechselspannung geliefert, um an die Röntgenröhre 4 eine Gleich-Hochspan­ nung zu legen, so daß diese Röntgenstrahlen emittiert.

Beim Start des Betriebs ist die von der Röhrenspannungs-De­ tektorschaltung 10 gelieferte Ausgangsspannung niedrig, mit dem Ergebnis, daß der Selektor 13 ein Ausgangssignal des Voreinstellsignalgebers 12 auswählt und dieses der Zer­ hackersteuerung 11 zuführt. Demzufolge läuft der Betrieb des Zerhackertransistors TR 1 auf der Grundlage einer fest­ stehenden Impulsbreite (Tastverhältnis), so daß eine Über­ lastung des Zerhackertransistors TR 1 sowie der Wechselrich­ tertransistoren TR 2 und TR 3 vermieden wird. Da das Vorein­ stellsignal nach Maßgabe des Zustands der Ausgangsgröße ausgewählt wird, wird die der Röntgenröhre 4 seitens der Gleichrichterschaltungen 7 a und 7 b aufgeprägte Gleich-Hoch­ spannung in ihrer Anstiegskennlinie nicht abträglich beein­ flußt, so wie es in Fig. 4 durch gestrichelte Linien ange­ deutet ist, und es wird weiterhin kein Überschwinger er­ zeugt, so wie es durch die gestrichelte Linie in Fig. 5 an­ gedeutet ist. In den Fig. 4 und 5 bedeuten die ausgezogenen Linien die Kennlinie gemäß dem oben beschriebenen Aus­ führungsbeispiel der Erfindung.

Die ausgegebene Gleich-Hochspannung nimmt stetig nach und nach zu. Wenn sie einen vorbestimmten Wert in der Nähe der Nennspannung (Röhrenspannung) erreicht, beispielsweise 70% der Nennspannung erreicht, wird der Schalter 13 umgeschal­ tet, um das Ausgangssignal der Röhrenspannungs-Detektor­ schaltung 10 auszuwählen. Demzufolge wird die Umrichter­ schaltung 3 anschließend im geregelten Betrieb arbeiten. Der Zerhackertransistor TR 1 führt die Zerhackersteuerung auf der Grundlage der Impulsbreite (des Tastverhältnisses) durch, die sich mit der Röhrenspannung (Ausgangsspannung der Umrichterschaltung 3) ändern kann.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung wird bei Betriebsbeginn die Zerhackersteuerung auf der Grundlage der konstanten Impulsbreite durchgeführt, während die Schaltsteuerung mit veränderlicher Impulsbreite (Regel­ betrieb) auf der Grundlage des Ausgangssignals des Röhren­ spannungs-Detektors erfolgt, nachdem das Ausgangssignal der Umrichterschaltung einen Bezugswert erreicht hat. Aus die­ sem Grund wird eine Überlastung der Transistoren der Um­ richterschaltung ebenso vermieden wie eine Beeinträchtigung der Anstiegszeit sowie das Auftreten eines Überschwingers. Da außerdem die Röhrenspannung rasch ansteigt, kann unmit­ telbar mit einer Datenerfassung begonnen werden, die Be­ strahlungszeit mit Röntgenstrahlen läßt sich reduzieren, und man vermeidet einen unnötigen Energieverbrauch.

Die Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene Ausfüh­ rungsbeispiel beschränkt. Zum Beispiel kann das Umschalten der Schaltsteuerung von konstanter Impulsbreite auf Regel­ betrieb mit veränderlicher Impulsbreite unter Verwendung eines Zeitgebers erfolgen anstatt unter Heranziehung der erfaßten Röhrenspannung. Weiterhin kann der Voreinstellsi­ gnalgeber 12 mit Softstartschaltungen ausgestattet sein, die jeweils durch einen Kondensator und einen Widerstand gebildet sind, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Alternativ kann der Voreinstellsignalgeber einen Speicher zum Spei­ chern voreingestellter Datenwerte und einen Digital-Analog- Umsetzer enthalten.

Claims (7)

1. Hochspannungserzeuger für eine Röntgenröhre, um­ fassend:

• - eine erste Gleichrichtereinrichtung (6), die eine von einer Wechselspannungsquelle gelieferte Wechselspannung gleichrichtet,
• - einen Wechselrichter (TR 1-TR 3, T), der die Gleichspannung von der ersten Gleichrichtereinrichtung (6) in eine Wechselspannung umsetzt und diese verstärkt,
• - eine zweite Gleichrichtereinrichtung (7 a, 7 b), die die verstärkte Wechselspannung vom Wechselrichter (TR 1- TR 3, T) in eine an die Röntgenröhre (4) anzulegende Gleich­ spannung umsetzt, und
• - eine Detektoreinrichtung (10), die die Ausgangs­ spannung der zweiten Gleichrichtereinrichtung (7 a, 7 b) er­ faßt und ein der erfaßten Spannung entsprechendes Signal erzeugt, gekennzeichnet durch
• - einen Voreinstellsignalgeber (12), der ein einer konstanten Spannung entsprechendes Signal erzeugt, und
• - eine Regeleinrichtung (15), die den Schaltbetrieb des Wechselrichters (TR 1-TR 3, T), bei Betriebsbeginn auf der Grundlage eines Ausgangssignals des Voreinstellsignal­ gebers (12) und danach auf der Grundlage des Ausgangssi­ gnals der Detektoreinrichtung (10) regelt.

2. Hochspannungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelein­ richtung (15) einen Selektor (13) aufweist, der an die Aus­ gänge der Detektoreinrichtung (10) und des Voreinstellsi­ gnalgebers (12) angeschlossen ist, und anspricht auf ein Ausgangssignal der Detektoreinrichtung, um ein Ausgangssi­ gnal des Voreinstellsignalgebers (12) auszugeben, wenn das Ausgangssignal der Detektoreinrichtung (10) unterhalb eines Bezugswerts liegt, und um ein Ausgangssignal der Detektor­ einrichtung (10) auszugeben, nachdem das Ausgangssignal der Detektoreinrichtung den Bezugswert erreicht hat, und daß eine Zerhackersteuerung (11) vorgesehen ist, die ein Schaltimpulssignal erzeugt, dessen Tastverhältnis auf der Grundlage eines Ausgangssignals des Selektors (13) bestimmt wird.

3. Hochspannungserzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechsel­ richter aufweist: einen Verstärkungstransformator (T) mit einer Primärwicklung (N 1), deren neutraler Punkt über einen Zerhackertransistor (TR 1) an einen Ausgangsanschluß der ersten Gleichrichtereinrichtung (6) angeschlossen ist, und deren beide Enden über Wechselrichtertransistoren (TR 2, TR 3) an den anderen Ausgangsanschluß der ersten Wechsel­ richtereinrichtung (6) angeschlossen sind, und mit einer Sekundärwicklung (N 2), die eine Wechsel-Hochspannung lie­ fert, wobei das Schaltimpulssignal an die Basis des Zer­ hackertransistors (TR 1) gelegt wird.

4. Hochspannungserzeuger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssi­ gnal des Voreinstellsignalgebers (12) derart festgelegt ist, daß, wenn auf der Grundlage des Ausgangssignals des Voreinstellsignalgebers (12) ein Schaltimpulssignal an den Zerhackertransistor (TR 1) gelegt wird, letzterer sowie die Wechselrichtertransistoren (TR 2, TR 3) nicht überlastet wer­ den und das Ausgangssignal des Wechselrichters stetig ohne Verlängerung seiner Anstiegszeit und das Auftreten eines Überschwingers ansteigt.

5. Hochspannungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelein­ richtung (15) den Schaltbetrieb des Wechselrichters (TR 1- TR 3, T) auf der Grundlage des Ausgangssignals der Detektor­ einrichtung (10) regelt, nachdem nach dem Betriebsbeginn eine gewisse Zeit verstrichen ist.

6. Hochspannungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorein­ stellsignalgeber (12) mehrere Potentiometer (R 11- R 1 n) zum Erzeugen von unterschiedlichen Spannungen entsprechenden Signalen und einen Analogschalter (14) zum Auswählen eines der Potentiometer aufweist.

7. Hochspannungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorein­ stellsignalgeber (12) aufweist: einen Digitalspeicher zum Speichern von unterschiedlichen Spannungen entsprechenden Daten und zum Ausgeben eines Datenwerts, und einen Umsetzer zum Umsetzen des von dem Speicher ausgegebenen Datenwerts in eine entsprechende Analogspannung.