DE3833148C2 - Hochspannungserzeuger für eine Röntgenröhre - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungserzeuger für eine Röntgenrohre 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 Röntgenrohre 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 Gleichrich­ terschaltung 6, die die von der Spannungsquelle 2 gelie­ ferte Wechselspannung gleichrichtet; einen Hochspannungs­ transformator T mit einer Primärwicklung N1, deren neutra­ ler Punkt über einen Zerhackertransistor TR1 an einen Aus­ gangsanschluß (Pluspol) der Gleichrichterschaltung 6 ange­ schlossen ist, und deren beide Enden über Wechselrichter­ transistoren TR2 und TR3 abwechselnd an den anderen Aus­ gangsanschluß (Minuspol) der Gleichrichterschaltung 6 ge­ schaltet werden, und mit Sekundärwicklungen N2 und N3, an denen Wechselstrom-Hochspannungen erzeugt werden; Gleichrichterschaltungen 7a und 7b, die die Wechselstrom- Hochspannungen gleichrichten und Gleichstrom-Hochspannungen erzeugen; Spannungsteilerwiderstände R1 und R2, die in Reihe zwischen dein positiven und dem negativen Ausgangsan­ schluß der Gleichrichterschaltung 7a liegen, Spannungstei­ lerwiderstände R3 und R4, die in Reihe zwischen dem positi­ ven und dem negativen Ausgangsanschluß der Gleichrichter­ schaltung 7b liegen, wobei der positive Ausgang der Gleich­ richterschaltung 7b und der negative Ausgangsanschluß der Gleichrichterschaltung 7a zusammengeschaltet sind; eine Röhrenstrom-Detektorschaltung 8, die an den positiven Aus­ gang der Gleichrichterschaltung 7a gekoppelt ist, welche an die Anode der Röntgenröhre 4 angeschlossen ist; und eine Kathodenheizschaltung 9, die zwischen dein negativen Ausgang der Ausgangs-Gleichrichterschaltung 7b, die an einen Katho­ denanschluß der Röntgenrohre 4 angeschlossen ist, und dem anderen Anschluß der Kathode der Röntgenrohre 4 liegt.

Die Röhrenstrom-Detektorschaltung 8 erfaßt den durch die Röntgenröhre 4 fliegenden 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 Verbindungspunkt der Widerstände R1 und R2 und den Verbindungspunkt der Widerstände R3 und R4 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 R1 bis R4 von der Gleich-Hochspannung abgeteilt wird; und eine Zerhackersteuerung 11, die den Zerhacker­ transistor TR1 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 TR1 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 dein 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 TR1 und an den Wechselrichter­ transistoren TR2 und TR3 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.

Die US-PS 4 439 868 zeigt in Übereinstimmung mit dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1 einen Hochspannungserzeuger, bei dem der Voreinstellsignalgeber Bestandteil der Regelschaltung ist. Das Ausgangssignal des Voreinstellsignalgebers wird mit dem von der Detektoreinrichtung erfaßten Ist-Spannungs­ signal der Röntgenröhre verglichen, wobei die durch den Vergleich gewonnene Spannung verstärkt wird, um einen mög­ lichst raschen Anstieg der Röhrenspannung zu erreichen.

Das Ausgangssignal des die Soll-Spannung mit der Ist-Span­ nung vergleichenden und die gewonnene Spannung verstärken­ den Vergleichers wird auf einen Impulsbreitenmodulator ge­ geben, der über ein als Zerhackerschaltung ausgebildetes Stellglied den Betrieb des Wechselrichters regelt.

Bei diesem bekannten Hochspannungserzeuger spielt es offen­ bar keine Rolle, daß durch die anfänglich sehr geringe Ist- Röhrenspannung und die dementsprechend hohe Abweichung zwi­ schen Soll-Spannung und Ist-Spannung eine zu einem hohen Stromfluß führende starke Ansteuerung der Bauelemente des Wechselrichters erfolgt; denn die durch den Spannungsver­ gleich gewonnene Differenzspannung wird noch verstärkt, um einen möglichst raschen Anstieg der Röhrenspannung zu er­ reichen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Hochspan­ nungserzeugers der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebe­ nen Art, der in der Lage ist, in der Anlaufphase ohne das Auftreten von Überschwingern der Gleich­ spannung einen raschen Anstieg der Röhrenspannung zu erreichen.

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

Im folgendem wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an­ hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltskizze eines Hochspannungserzeugers für eine Röntgenröhre, von der die Erfindung ausgeht,

Fig. 2 eine Schaltskizze eines 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 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 R1 und R2 sowie an den Verbindungspunkt der Wi­ derstände R3 und R4 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 R1 bis R4 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 TR1, 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) R11 bis R1n, 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 R11 bis R1n gelieferten Analogspannungen sind derart bestimmt, daß, wenn die Zerhackersteuerung 11 den Zerhackertransistor TR1 auf der Grundlage der von den veränderbaren Widerstän­ den erzeugten Analogspannung steuert, der Transistor TR1 und die Wechselrichtertransistoren TR2 und TR3 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. Deinzufolge läuft der Betrieb des Zerhackertransistors TR1 auf der Grundlage einer fest­ stehenden Impulsbreite (Tastverhältnis), so daß eine Über­ lastung des Zerhackertransistors TR1 sowie der Wechselrich­ tertransistoren TR2 und TR3 vermieden wird. Da das Vorein­ stellsignal nach Maßgabe des Zustands der Ausgangsgröße ausgewählt wird, wird die der Röntgenröhre 4 seitens der Gleichrichterschaltungen 7a und 7b 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 TR1 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 lädt 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 (5)

1. Hochspannungserzeuger für eine Röntgenröhre, um­ fassend:

• a) eine erste Gleichrichtereinrichtung (6), die eine von einer Wechselspannungsquelle gelieferte Wechselspannung gleichrichtet,
• b) einen Wechselrichter (TR1-TR3, T), der die Gleichspannung von der ersten Gleichrichtereinrichtung (6) in eine Wechselspannung umsetzt und diese verstärkt,
• c) eine zweite Gleichrichtereinrichtung (7a, 7b), die die transformierte Wechselspannung vom Wechselrichter (TR1-TR3, T) in eine an die Röntgenröhre (4) anzulegende Gleichspannung umsetzt,
• d1) eine Regelschaltung (15) mit einer Detektorein­ richtung (10), die die Ausgangsspannung der zweiten Gleich­ richtereinrichtung (7a, 7b) erfaßt und ein der erfaßten Spannung entsprechendes Signal als Rückkopplungssignal an
• d2) eine Zerhackersteuerung (11) gibt die ein Stellsignal an den Wechselrichter (TR1-TR3, T) liefert, und
• e) einen Voreinstellsignalgeber (12), der ein einer konstanten Spannung entsprechendes Signal erzeugt, da­ durch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung einen Selektor (13) aufweist, dessen beide Eingänge an die Detektoreinrichtung (10) und den Voreinstellsignalgeber (12) und dessen Ausgang an die Zerhacker- Steuerung (11) angeschlossen ist, und der der Zerhackersteuerung (11) bei Betriebsbeginn das Ausgangssignal des Voreinstell­ signalgebers (12) und danach das Ausgangssignal der Detek­ toreinrichtung (10) zuführt.

2. Hochspannungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Selektor (13) auf ein Ausgangssignal der Detektoreinrichtung anspricht, um ein Ausgangssignal des Voreinstellsignalgebers (12) auszugeben, wenn das Ausgangssignal der Detektoreinrichtung (10) unter­ halb eines Bezugswerts liegt, und um ein Ausgangssignal der Detektoreinrichtung (10) auszugeben, nachdem das Ausgangs­ signal der Detektoreinrichtung den Bezugswert erreicht hat.

3. Hochspannungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung (15) den Schaltbetrieb des Wechselrichters (TR1-TR3, T) auf der Grundlage des Ausgangssignals der Detektoreinrichtung (10) regelt, nachdem seit dem Betriebsbeginn eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist.

4. Hochspannungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Voreinstellsignalgeber (12) mehrere Potentiometer (R11-R1n) zum Erzeugen von unterschiedlichen Spannungen entsprechenden Signalen und einen Analogschalter (14) zum Auswählen eines der Potentio­ meter aufweist.

5. Hochspannungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Voreinstellsignalgeber (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 ent­ sprechende Analogspannung.