DE3840385A1 - Stromversorgungsanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsanordnung, die einen eingehenden Gleichstrom in einen Wechselstrom umwandelt und diesen einer Last bzw. einem Verbraucher zuführt.

Eine herkömmliche Stromversorgungsanordnung dieser Art umfaßt einen Zerhackerkreis, der einen Gleichstrom durch EIN/AUS-Umschaltung in einen pulsierenden Strom umwan­ delt und dessen Impulspegel durch Änderung des EIN/AUS- bzw. Tastverhältnisses einstellt und den pulsierenden Strom zu einem Ausgangs-Gleichstrom glättet, und einen dem Zerhackerkreis nachgeschalteten Wechselrichterkeis (inverter circuit), welcher das Ausgangssignal vom Zer­ hackerkreis in einen Wechselstrom umwandelt, indem er dieses Ausgangssignal einer EIN/AUS-Umschaltung mit einem Tastverhältnis von 50% unterwirft. Normalerweise liegt das Tastverhältnis des Zerhackerkreises bei 50% oder darunter, wobei der letztere während des Teils der Pe­ riode, in welcher der Wechselrichterkreis (EIN- oder) durchgeschaltet bzw. geschlossen ist, leitend gemacht bzw. durchgeschaltet oder geschlossen wird. Die Schalt­ frequenz des Zerhackerkreises ist allgemein auf ein ganz­ zahliges Vielfaches der Schaltfrequenz des Wechselrich­ terkreises eingestellt. Sofern die Schaltfrequenz des Zerhackerkreises auf dieselbe Schaltfrequenz wie die des Wechselrichterkreises oder auf weniger als das Doppelte dieser letzteren Schaltfrequenz eingestellt ist, wird der Zerhackerkreis dann, wenn sich seine Ein- oder Durchschaltdauer bzw. Schließzeit geringfügig verschiebt, während der Durchschalt- oder Schließzeit des Wechsel­ richterkreises nicht leitend gemacht (durchgeschaltet), so daß dem Wechselrichterkreis vom Zerhackerkreis keine Spannung zugeführt wird. Hierdurch wird der Betrieb des Wechselrichterkreises instabil. Da der Wechselrichter­ kreis weiterhin vom zweiarmigen Typ ist bzw. zwei Zweige hat, tritt bei einer geringfügigen Verschiebung der Schließzeit des Zerhackerkreises eine gewisse Diffe­ renz in dem (der) auf die einzelnen Arme bzw. Zweige des Wechselrichterkreises verteilten Strom oder Leistung auf, wodurch der Betrieb des Wechselrichterkreises eben­ falls instabil wird.

Da im Wechselrichterkreis für Niederfrequenzbetrieb ein größerer Transformator eingesetzt werden muß, sollte der Wechselrichterkreis mit einer höheren Frequenz betrieben werden, um ihn kompakt zu halten. Aus diesem Grund wird angestrebt, die Schaltfrequenz des Wechselrichterkreises zu erhöhen. In diesem Fall muß der Zerhackerkreis mit oder auf einer Frequenz betrieben werden, die ein ganz­ zahliges Vielfaches der Schaltfrequenz des Wechselrich­ terkreises beträgt. Die Betriebsfrequenz des Zerhacker­ kreises wird aber durch die Schaltfähigkeit oder -lei­ stung der in diesem Kreis verwendeten Schalterelemente begrenzt. Eine Erhöhung der Frequenz des Wechselrichter­ kreises wird also durch die Schaltfrequenz des Zerhacker­ kreises beeinflußt und begrenzt, so daß die Frequenz des Wechselrichterkreises nicht auf die gewünschte Größe er­ höht werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer Strom­ versorgungsanordnung, bei welcher die Schaltfrequenz des Wechselrichterkreises auf die maximale Schaltfrequenz des Zerhackerkreises erhöht werden kann, obgleich der Wechsel­ richterkreis dem Zerhackerkreis nachgeschaltet ist, und die zudem kompakt ausgebildet sein kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung zum Umwandeln eines Eingangs-Gleichstroms in Wechselstrom und Liefern des Wechselstroms zu einer Last bzw. einem Verbraucher, um­ fassend einen eine Ausgangsklemme aufweisenden Zerhacker­ kreis zum (Um-)Schalten des Gleichstroms zwecks Einstellung des Stroms und einen mit der Ausgangsklemme des Zerhacker­ kreises verbundenen Wechselrichterkreis zum Schalten eines Ausgangs(signals) des Zerhackerkreises zwecks Lieferung eines Ausgangswechselstroms zur Last, erfindungsgemäß ge­ löst durch eine Steuereinheit zum Steuern der Schaltvor­ gänge von Zerhacker- und Wechselrichterkreis in der Weise, daß die Schaltfrequenz des Zerhackerkreises gleich der Schaltfrequenz des Wechselrichterkreises eingestellt und eine EIN- oder Schließzeit des Zerhackerkreises mit einer EIN- oder Schließzeit des Wechselrichterkreises synchroni­ siert ist.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Er­ findung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein (Block-)Schaltbild zur Darstellung des Auf­ baus einer Stromversorgungsanordnung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein detailliertes Schaltbild einer bei der An­ ordnung nach Fig. 1 verwendeten Steuerschal­ tung und

Fig. 3 ein Signalwellenformdiagramm zur Verdeutlichung der Arbeitsweise der Steuerschaltung.

Gemäß Fig. 1 wird die Wechselstromleistung einer Wechsel­ stromquelle 1 durch einen Gleichrichterblock D 1 gleichge­ richtet und durch einen Elektrolytkondensator C 1 zu einem Gleichstrom geglättet, der einem Zerhackerkreis 5 einge­ speist wird. Der Zerhackerkreis 5 umfaßt ein erstes Schalterelement SW 1, eine Schwungrad-Diode D 2 und eine Spule L 1. Der dem Zerhackerkreis 5 eingespeiste Gleich­ strom wird an eine Klemme des ersten Schalterelements SW 1 angelegt oder angekoppelt, dessen andere Klemme mit einer Kathode der Diode D 2 und der einen Seite der Spule L 1 verbunden ist. Die Anode der Diode D 2 ist mit der Minusklemme des Elektrolytkondensators C 1 verbunden.

Die als Ausgangsklemme des Zerhackerkreises 5 dienende andere Seite der Spule L 1 ist mit einer Mittelanzapfung einer Primärwicklung 2 a eines Transformators 2 verbunden, wobei ein Kondensator C 2 zu dieser Primärwicklung 2 a parallelgeschaltet ist. Die Primärwicklung 2 a ist an der einen Seite mit einer Klemme eines zweiten Schalter­ elements SW 2 und an der anderen Seite mit einer Klemme eines dritten Schalterelements SW 3 verbunden. Die ande­ ren Klemmen (oder Anschlüsse) der Schalterelemente SW 2 und SW 3 sind zusammen an die genannte Minusklemme des Elektro­ lytkondensators C 1 angeschlossen. Die Schalterelemente SW 2 und SW 3, der Kondensator C 2 und der Transformator 2 bilden einen Wechselrichterkreis 6 vom Spannungsschwing­ typ. Infolge des abwechselnden Schließens der Schalter­ elemente SW 2 und SW 3 wandelt der Wechselrichterkreis 6 Gleichstrom in Wechselstrom als sein(e) Ausgangssignal oder -leistung um.

Da bei dieser Ausführungsform ein(e) Last oder Verbrau­ cher mit Gleichstrom gespeist wird, ist an die Ausgangs­ stufe des Wechselrichterkreises 6 ein Gleichrichter ange­ schlossen. Insbesondere sind dabei die beiden Seiten einer Sekundärwicklung 2 b des Transformators 2 über einen Gleichrichterdiodenblock D 4 an ein(e) Last oder Verbraucher 3 angeschlossen. Letztere(r) kann eine Rönt­ genröhre bei einem Röntgenuntersuchungsgerät sein, wobei eine gleichgerichtete Ausgangsspannung des Diodenblocks D 4 zwischen Anode und Kathode (oder Heizfaden) der Rönt­ genröhre angelegt wird. Die an die Röntgenröhre angelegte Spannung wird durch einen Spannungsteilerwiderstand usw. abgegriffen und als Lastinformation zu einer Steuerschal­ tung 4 rückgekoppelt.

Die Steuerschaltung 4 steuert die EIN/AUS-Schaltvorgänge des Schalterelements SW 1 des Zerhackerkreises 5 und der Schalterelemente SW 2 und SW 3 des Wechselrichterkreises 6. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Schaltfre­ quenzen der Schalterelemente SW 1-SW 2 jeweils auf glei­ che Größe eingestellt, und die EIN- oder Schließdauer bzw. -zeit des Schalterelements SW 1 des Zerhackerkreises 5 ist so eingestellt, daß ihr mittlerer Zeitpunkt (middle timing) mit dem Zeitpunkt oder Takt (timing) koinzidiert, zu dem die Schließzeit des Schalterelements SW 2 des Wech­ selrichterkreises 6 auf die Schließzeit des Schalterele­ ments SW 3 umgeschaltet wird.

Fig. 2 zeigt den genauen Aufbau der Steuerschaltung 4, die einen Wechselrichtersteuerkreis 7, einen Zerhacker­ steuerkreis 8 und einen Rückkopplungskreis 15 umfaßt. Der Wechselrichtersteuerkreis 7 enthält einen Oszillator zur Erzeugung eines Schaltsteuersignals a einer konstanten Frequenz für das zweite Schalterelement SW 2 des Wechsel­ richterkreises 6 und eines weiteren Schaltsteuersignals b für das dritte Schalterelement SW 3 des Wechselrichter­ kreises 6. Das letztere Signal b besitzt die gleiche Frequenz wie das erstere Signal a, jedoch mit invertier­ ter Phase.

Der Zerhackersteuerkreis 8 weist einen Dreieckwellenge­ nerator 13 zum Erzeugen eines Dreieckswellenformsignals e auf der Grundlage eines der Schaltsteuersignale a und b (im vorliegenden Fall des Signals b) vom Wechselrichter­ steuerkreis 7 sowie einen Komparator 11 zum Vergleichen dieses Dreieckswellenformsignal e mit einem Zerhacker­ tastverhältnissignal f vom Rückkopplungskreis 15 auf. Dieser Kreis 8 liefert ein Schaltsteuersignal g für das erste Schalterelement SW 1 des Zerhackerkreises 5. Der Dreieckswellen- bzw. Sägezahngenerator 13 enthält einen Operationsverstärker 9, einen Widerstand R 1, über den das Schaltsteuersignal b vom Wechselrichtersteuerkreis 7 der einer Eingangsklemme des Operationsverstärkers 9 zugeführt wird, einen Widerstand R 2, über den eine Bezugs­ spannung V 1, d.h. der Mittelwert aus den (hohen bzw. niedrigen) Pegeln "H" und "L" des Schaltsteuersignals b, der anderen Eingangsklemme des Operationsverstärkers 9 zugeführt wird, und einen Integrator 14 zur Durchfüh­ rung der Integration des Ausgangssignals d des (Opera­ tions-)Verstärkers 9. Der Operationsverstärker 9 besitzt eine Funktion zum Verstärken des Schaltsteuersignals b. Der Integrator 14 umfaßt einen Eingangswiderstand R 3, einen Operationsverstärker 10, einen Kondensator C 3 so­ wie Widerstände R 4 und R 5; der Kondensator C 3 und der Widerstand R 5 sind zwischen einer Eingangsklemme und einer Ausgangsklemme des Operationsverstärkers 10 parallelgeschaltet, während der Widerstand R 4 zwischen die andere Eingangsklemme des Verstärkers 10 und ein Massepotential geschaltet ist.

Der Rückkopplungskreis 15, der ein typischer, hauptsäch­ lich durch einen Operationsverstärker 16 gebildeter Diffe­ rentialverstärker ist, verstärkt die Differenz zwischen der Lastinformation, die ein Meßsignal V 3 für die an der Last 3 anliegende Spannung (das Meßsignal der Anoden- Kathodenspannung, wenn die Last 3 eine Röntgenröhre ist) darstellt, und einem Spannungseinstell- oder -vorgabe­ signal (Bezugsgröße) V 2, umn damit das Zerhackertast­ verhältnis-Steuersignal f zu liefern.

Im folgenden ist die Arbeitsweise der Anordnung mit dem beschriebenen Aufbau erläutert.

Fig. 3 veranschaulicht die Wellenformen der Haupt-Signale a-f gemäß Fig. 2, wobei auf der waagerechten Achse die Zeit und auf der lotrechten Achse die Spannung aufgetra­ gen sind. Die Wechselstrom-Ausgangsleistung oder -spannung von der Wechselstromquelle 1 wird durch den Gleichrich­ terblock D 1 gleichgerichtet und durch den Kondensator C 1 zu einem Gleichstrom geglättet, der dann dem Zerhacker­ kreis 5 eingespeist wird. Das Schaltausgangssignal des Schalterelements SW 1 im Zerhackerkreis 5 wird dem Wechsel­ richterkreis 6 zugeführt, in welchem eine Wechselspannung (Hochspannung) an der Sekundärwicklung 2 b des Transfor­ mators 2 durch den abwechselnden Schaltvorgang der Schal­ terelemente SW 2 und SW 3 nach Maßgabe der Steuersignale a und b induziert wird. Diese induzierte Spannung wird über den Diodenblock D 4 zur Last (zum Verbraucher) 3 ge­ liefert.

Der Zerhackersteuerkreis 8 verstärkt zunächst das Schalt­ steuersignal b vom Wechselrichtersteuerkreis 7 zur Bil­ dung des Signals d, auf dessen Grundlage dann der Kreis 8 das Dreieckswellenformsignal e mit der gleichen Frequenz wie das Signal d erzeugt. Da das Schaltsteuersignal b ein Tastverhältnis von 50% aufweist, besitzt das Drei­ eckswellenformsignal e sowohl im Anstiegs- als auch im Abfallzustand jeweils die gleiche Neigung. Sodann ver­ gleicht der Zerhackersteuerkreis 8 das Dreieckswellen­ formsignal e mit dem Zerhackertastverhältnis-Steuersignal f, welches die Differenz zwischen dem Meßsignal V 3 für die an die Last 3 angelegte Spannung und dem Spannungs­ vorgabesignal (Bezugsgröße) V 2 darstellt, und er gibt als Schaltsteuersignal g für den Zerhackerkreis 5 ein solches Impulssignal aus, das den (niedrigen) Pegel "L" aufweist, wenn das Dreieckswellenformsignal e größer ist als das Zerhackertastverhältnis-Steuersignal f. Sofern die ein­ zelnen Schalterelemente SW 1, SW 2 und SW 3 geschlossen wer­ den, wenn die Steuersignale g, a und b den Pegel "L" auf­ weisen, wird oder ist die Frequenz, bei welcher das Schal­ terelement SW 1 des Zerhackerkreises 5 schließt, gleich der Frequenz eingestellt, bei welcher die Schalterelemen­ te SW 2 und SW 3 des Wechselrichterkreises 6 schließen, und die Durchschalt- oder Schließzeit (ON duration) des Schalterelements SW 1 ist oder wird so eingestellt, daß ihr mittlerer Zeitpunkt mit dem Zeitpunkt oder Takt über­ einstimmt, zu dem die Schließzeit oder -dauer des Schal­ terelements SW 2 auf die Schließzeit des Schalterelements SW 3 (um)geschaltet wird. Mit anderen Worten: jede Hälfte t der Schließzeit des Schalterelements SW 1 des Zerhacker­ kreises 5 überlappt (überschneidet) die Schließzeit des betreffenden Schalterelements SW 2 oder SW 3 des Wechsel­ richterkreises 6. Die Impulsbreite des Zerhackersteuer­ signals g wird durch den Pegel des Zerhackertastverhält­ nis-Steuersignals f in der Weise gesteuert, daß Strom entsprechend dem Spannungsvorgabesignal V 2 zur Last ge­ liefert wird. Auch wenn das Tastverhältnis des Zerhacker­ steuersignals g variiert, verändert sich die angegebene Beziehung zwischen den Schaltzyklen von Zerhackerkreis und Wechselrichterkreis nicht.

Ersichtlicherweise ist die Erfindung keineswegs auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern ver­ schiedenen Änderungen und Abwandlungen zugänglich. Bei­ spielsweise kann anstelle einer mit Gleichstrom (DC power) arbeitenden Röntgenröhre ein(e) mit Wechselstrom arbeitende(r) Last oder Verbraucher 3 angewandt werden.

Da das (Um-)Schalten des Zerhackerkreises, wie beschrie­ ben, in Synchronismus mit dem Schalten des Wechselrich­ terkreises gesteuert wird, können die Schaltvorgänge beider Kreise mit gleicher Frequenz erfolgen, obgleich der Wechselrichterkreis dem Zerhackerkreis nachgeschal­ tet ist. Damit kann die Notwendigkeit dafür vermieden werden, die Schaltfrequenz des Zerhackerkreises gleich groß wie oder größer als das Doppelte der Schaltfrequenz des Wechselrichterkreises einstellen zu müssen. Die Schaltfrequenz des Wechselrichterkreises kann mithin auf die Grenze der Schaltfrequenz (oder -fähigkeit) der Schalterelemente erhöht werden, wodurch der Hochfrequenz­ einsatz und die Kompaktheit des Wechselrichterkreises begünstigt werden.

Claims (9)

1. Anordnung zum Umwandeln eines Eingangs-Gleichstroms in Wechselstrom und Liefern des Wechselstroms zu einer Last bzw. einem Verbraucher, umfassend
einen eine Ausgangsklemme aufweisenden Zerhackerkreis (5) zum (Um-)Schalten des Gleichstroms zwecks Einstellung des Stroms und
einen mit der Ausgangsklemme des Zerhackerkreises verbundenen Wechselrichterkreis (6) zum Schalten eines Ausgangs(signals) des Zerhackerkreises zwecks Lieferung eines Ausgangswechselstroms zur Last, gekennzeichnet durch
eine Steuereinheit (4) zum Steuern der Schaltvorgänge von Zerhacker- und Wechselrichterkreis in der Weise, daß die Schaltfrequenz des Zerhackerkreises gleich der Schaltfrequenz des Wechselrichterkreises eingestellt und eine EIN- oder Schließzeit des Zerhackerkreises mit einer EIN- oder Schließzeit des Wechselrichterkreises synchronisiert ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (4) Einrichtungen aufweist, um einen mittleren Zeitpunkt der Schließzeit des Zerhackerkreises mit einem EIN/AUS-Schließtakt des Wechselrichterkreises koinzidieren zu lassen.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (4) umfaßt:
eine Einheit (7) zum Erzeugen eines Wechselrichter­ steuersignals einer konstanten Frequenz für das Steuern der Schaltvorgänge oder -operation des Wechselrichter­ kreises,
eine Einheit (13) zum Erzeugen eines Dreieckswellen­ formsignals in Synchronismus mit dem Wechselrichter­ steuersignal,
eine Einheit (11) zum Vergleichen des Dreieckswellen­ formsignals mit einem Signal (f) eines vorbestimmten Pegels und
eine Einheit (8) zum Erzeugen eines Zerhackersteuer­ signals für die Steuerung der Schaltvorgänge des Zer­ hackerkreises nach Maßgabe eines Ergebnisses des Ver­ gleichs des Dreieckswellenformsignals mit einem Signal eines vorbestimmten Pegels durch die Vergleichereinheit.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal (f) des vorbestimmten Pegels ein Signal ist, das eine Differenz zwischen einer erfaßten oder Meßgröße (V 3) des der Last zugeführten Stroms und einer Sollgröße (V 2) des der Last zuzuführenden Stroms repräsentiert.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichterkreis (6) von einem Spannungsschwin­ gertyp ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichterkreis (6) zwei abwechselnd durch­ schaltbare oder schließbare Schalterelemente (SW 2, SW 3), einen mit den Ausgangssignalen von den beiden Schalter­ elementen gespeisten Transformator (2) und einen zu einer Primärwicklung des Transformators parallelgeschal­ teten Kondensator (C 2) aufweist.

7. Röntgenröhren-Ansteuer- bzw.-Speiseanordnung, umfassend
einen eine Ausgangsklemme aufweisenden Zerhackerkreis (5) zum Schalten eines Gleichstroms,
einen an die Ausgangsklemme des Zerhackerkreises an­ geschlossenen Wechselrichterkreis (6) zum Schalten eines Ausgangssignals oder -stroms des Zerhackerkreises zum Ab­ geben eines Ausgangswechselstroms einer gewünschten oder Soll-Frequenz und
eine Einheit (D 4) zum Gleichrichten eines Ausgangs­ signals oder -stroms des Wechselrichterkreises und zum Anlegen des Ausgangssignals oder -stroms an eine Rönt­ genröhre, gekennzeichnet durch
eine Schaltimpulserzeugungseinheit zur Lieferung von Schaltsteuerimpulsen zu Zerhacker- und Wechselrichter­ kreis in der Weise, daß eine Schaltfrequenz des Zer­ hackerkreises einer Schaltfrequenz des Wechselrich­ terkreises gleich eingestellt ist und ein mittlerer Zeitpunkt einer EIN- oder Schließzeit des Zerhacker­ kreises mit einem EIN/AUS-Schließtakt des Wechselrichter­ kreises koinzidiert, sowie
eine Steuereinheit (15) zum Erfassen oder Messen des an die Röntgenröhre angelegten Stroms und zum Steuern eines Tastverhältnisses des zum Zerhackerkreises ge­ lieferten Schaltsteuerimpulses nach Maßgabe des Erfas­ sungs- oder Meßergebnisses.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltimpulserzeugungseinheit umfaßt:
eine Einheit (7) zum Erzeugen eines Wechselrichter­ steuersignals einer konstanten Frequenz für die Steue­ rung des Schaltens des Wechselrichterkreises,
eine Einheit (13) zum Erzeugen eines Dreieckswellen­ formsignals in Synchronismus mit dem Wechselrichter­ steuersignal,
eine Einheit (11) zum Vergleichen des Dreieckswellen­ formsignals mit einem Signal, das eine Differenz zwi­ schen einer Meßgröße des der Röntgenröhre zugespeis­ ten Stroms und einer Sollgröße des der Röntgenröhre zuzuspeisenden Stroms repräsentiert, und
eine Einheit (8) zum Erzeugen eines Zerhackersteuer­ signals für die Steuerung des Schaltens des Zerhacker­ kreises nach Maßgabe eines durch die Vergleichereinheit gelieferten Ergebnisses des Vergleichs des Dreieckswel­ lenformsignals mit einem Signal, das eine Differenz zwischen einer Meßgröße des der Röntgenröhre zugespeis­ ten Stroms und einer Sollgröße des der Röntgenröhre zu­ zuspeisenden Stroms repräsentiert.

9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichterkreis (6) von einem Spannungsschwin­ gertyp ist.