SE416165B - Anordning innefattande en transformator for stegvis varierande spenningar - Google Patents

Description

78031131-1 2 ritningarna, där: §i_g_1_ visar ett blookschema for ett utfóringsexempel på en anord- ning enligt uppfinningen, d.v.s. en högspänningseffektkälla för ett röntgenrör; ägg visar ett ekvivalent kopplingsschema fór en högspänningstrarisfomator ingående i anordningen i fig 1; QiLE visar ett spänning-tiddiagran för att illustrera nackdelarna med transformatorn i fig 2; fig 4-6 visar några utfdringsexempel på kretsar för eliminering av nämnda nackdelar; figl visar ett spänning-tiddiagram för de i fig 4-6 visade kretsarna; figå visar ett spännings-tiddiagram för ett modifierat utföringsexempel på anordningen enligt uppfinningen; och figg visar ett utföringsexempel på en lu-ets för realisering av spänning-tiddiagrammet i fig 8.

Hänvisningsbeteckriingen 1 i fig 1 anger en likriktare som kan anslutas till nätet via anslutningsklännnorna 5,5 och som avger en (företrädesvis variabel) lik- spänning till en omvandlare 7 scm omvandlar likspänningen till en fyrkantvâgspänning med en frekvens av exempelvis 200 Hz. Denna iyrkantvågspänning påföres, via en krets 9 sun kornmer att beskrivas nedan, primärsidan av en högspänningstrarlsformator 11, vars sekundärsida, via en brygglikriktare 12, är kopplad till ett röntgenrör 13.

Evrkantvågspärmngen sun upptrarisformeras av transformatorn 11 och likriktas av brygglilcriktaren 12, bildar högspënningen fór röntgenröret 13.

Fig 2 visar ett ekvivalent kopplingsschema för högspänningstransformatorn 11, vilket schema innefattar en ideal transformator 15 vars primärlindning 'är seriekopp- lad med läckinduktansen 19 och kopparresistansen 17, samt parallellt med den parasi- tiska kaipacitansen 21 som huvudsakligen härrör från sekundärlindningen. On spän- ningen Ui (se fig 3) som stegvis varierar från O till Um, påfóres ingångskläm- morna 23 och 25 hos en sådan krets, så utför spänningen Uu på utgångsklämmorna 29,31 en dämpad svängning kring sitt slutvärde. Denna variation är kvalitativt re- presenterad genan den streckade kurvforrnen Uu i fig 5. Detta fenomen har sin grund i att under uppladdningen av kapacitansen21, scm en följd av laddningsströmmen ge- nan läckinduktansen 19, magnetisk energi lagras i läckinduktansen, vilken energi medför ytterligare uppladdning av kapacitansen i ett senare skede.

Man inser att ett spänningsförlopp enligt kurvformen Uu är oacceptabelt i många tillämpningar. Exempelvis medför en variation av detta slag överspänningar på röntgenröret 13 i _'kretsen i fig 1, som medför att röret sannolikt kommer att skadas.

Det är även önskvärt att förhindra svärignirxgarnagpå utgângskläxnmorna 29, 31 i störs- ta möjliga mân. Detta kan uppnås genom att man tillser att ingen ström är tillgäng- lig för nämnda ytterligare uppladdning av den parasi tiska kapacitansen. Inom spän- ningsomrâdet ankring sin driftsfinning upptager röntgenröret 13 en väsentligen kon- stant ström, som är oberoende av driftspèhningen. Betraktat son en belastning på :transformatorn 11 uppför sig röret därför som en strömsärmka. Om man tillser att även strömmen på primärsidan av transformatorn 11 hålles konstant, fsà är ingen ström tillgänglig för den ytterligare uppladdningen av en parasitiska kapacitansen och 3 7803431-1 sekundärspänningen kvarstannar på önskat värde. För att uppnå detta är kretsen 9 inkopplad i anslutningsledningen till transformator-ns 11 primärsida.

Fig 4 visar ett första utfóringsexempel på denna krets. Detta utfóringsexempel är särskilt lämpat för att undertrycka svängningar då inspänningen består av ett enskilt spänningssteg betecknat Ui i fig 3. Kretsen innefattar ingårrgslrlämmor 35, 37 och består i detta fall av en spole 39 med vilken en likriktare (diod) 41 är parallellkopplad så att dess framriktning är riktad från klänman 23 till ingångs- klämman 35. Vid påföring av ett spänningssteg på klämmorna 35, 37 så kommer dioden 41 ej att leda eftersom klämman 35 är positiv, vilket innebär att hela laddnings- strömmen för kapanitansen 21 flyter igenun spolen 39. Induktansen i spolen 39 är väsentligt större än läckinduktarisen 19 (exempelvis 10 - 100 gånger större), vilket innebär att den helt avgörande delen av den magnetiska energin upplagras i spolen. I det ögonblick då spänningen på klänrnan 23 blir större än spänningen på klämman 35 så börjar dioden 41 leda, varigenmn energin i spolen 39 kan urladdas via dioden. Denna energi är sålunda ej tillgänglig för att alstra svängningar. Eidast den i läckinduk- tansen 19 lagrade energin kan bidraga där till, men denna energi uppgår till en sådan liten bråkdel av den totala magnetiska energin att inga svängningar av betydelse uppträder.

Den i fig 4 visade kretsen kan göras lämplig för såväl positiva som negativa spänningssteg (eller för fyrkantvågspänningar) gencm anslutning av en parallellkopp- ling av en spole och en diod mellan klämmorna 36 och 25, liknande den mellan kläm- morna 35 och 23 inkopplade. Emellertid kommer kretsen 9 företrädesvis att vara så uppbyggd att samtliga element är inkopplade mellan klämmorna 35 och 23. Ett exempel på en krets där detta är realiserat och vilken detta till trots är lämplig fór fyr- kantvågspänningar, är visat i fig 5. Kretsen 9 innefattar därvid en spole 43 som är seriekopplad med en diod 45, samt även en spole 47 som är seriekopplad med en diod 49. Båda seriekretsarna är parallellkopplade så att dioderna är antiparallellkoppla- de, vilket innebär att deras framriktningar är motriktade. Spolarna 43 och 47 är dessutom magnetiskt kopplade till varandra via en ferromagnetisk kärna 51, varvid lindningsriktningarna för spolarna är så valda att motsatt riktade strömmar genom spelarna ger upphov till magnetfält i kärnan med samma riktning. Kretsen fungerar enligt det följande. När en fyrkantvå@pänning påföres klämmorna 35, 37 blir exem- pelvis klämnan 35 först positiv. I så fall leder dioden 45 och lfapaeitarisen 21 upp- laddas via spolen 43. När spänningen på klämman 23 blir större än spänningen på klämman 35, så blir dioden 49 ledande, varigenom till följd av den i kärnan 51 lag- rade magnetiska energin en strön börjar cirkulera genom spelarna 43, 47 och dioderna 49, 45. Den lagrade energin bidrager sålunda ej till någon ytterligare uppladdning av kapacitansen 21. Eftersom induktansen i spelarna 43, 47 även i detta fall är vald mycket större än läckinduktansen 19, så kommer inga svängningar av betydelse att uppträda. i _7803¿+31-1 4 När spänningen på klämmorna 55, 57 växlar tecken efter viss tid så att klämman 35 blir negativ, så leder ej längre dioden 45 och kapacitansen 21 uppladdas i back- riktningen via spolen 47 till dess spänningarna på klämmorna 23 och 35 återigen blir lika, varefter en cirkulerande ström återigen uppstår. Denna cykel upprepas under varje period av den påförda iyrkantvågspänningen. Av det nämnda framgår att ström- riktningen genan de två spelarna 43, 47 alltid förblir densamma, medan strömstyrkan ej undergår betydande förändringar. Följaktligen har kretsen en karakteristik som, trots den höga. induktansen, gör kretsen lämplig att leda en fyrkantvågspänning av frekvensen några hundra Hz väsentligen distorsionsfritt.

För utföringsexemplet på kretsen 9 enligt fig 5 krävs två spolar 44 och 47. Fig 6 visar ett billigare utföringsexempel eftersom detta innefattar endast en spole 53.

Eyra dioder 55, 57, 59 och 61 inár men de två ytterligare dioderna ställer sig bil- ligare än en spole. De fyra dioderna är kopplade så. att de bildar en btjvgglikrikta- re, varvid spolen 53 är ansluten till likspänningsanslutningarna 63, 65, medan växelspänningsanslutnnzgarna bildas av klämmorna 35 och 23 i transformator-ns 11 anslutningsledning. 7 llär klämnan 35 är positiv i förhållande till lrlämman 23, så leder dioderna. 55 och 57 och strömmen :flyter från anslutningen 63, via nämnda dioder, gencm spolen 53 till anslutningen 65. När klämman 23 är positiv i förhållande till klännnan 35, så leder de två. andra dioderna 59 och 61, men strömriktningen genan spolen 53 är den- samma. Följaktligen förblir den magnetiska energin även i detta fall lagrad i spo- lens kärna utan att bli tillgänglig för att underhålla svängningar.

I beroende av induktansvärdena för spelarna 43, 47 eller 53 (1,1), 19 (Lz), resistansen 17 (R) och kapanitansen 21 (C) , kan ett problan uppträda i de beskrivna lcretsarna, vilket kommer att beskrivas närmare under hänvisning till fig 7.

Det antages att vid en bestämd tidpunkt spänningen Ui (spänningen mellan klämmorna 35 och 37 markerad genom en heldragen linje i fig 7) 'likson utspänningen Uu (spänningen över röret 13 markerad genom en streclæd linje i fig 7) är lika med -Um. Vid tidpunkten 171 blir Ui lilm med + Um. Till följd av kapacitansen C hos kondensatorn 21, så kommer Uu att följa detta steg efter viss fördröjning och bli lika med +Um först vid tidpunkten 1:2. Till följd härav uppträder under viss tid efter ti en spänning Um - Uu över seriekopplingen av L1 och Lz, vari- genom en ström I uppstår i L1 och Denna ström 'är proportionell mot det skugf gade området 67 i fig 7 genun sambandet *i 1:2 - I=11-';ï¿ ,a=~ <1) Från och med tidpunkten tg börjar' denna strömiatt cirkulera genom spolarna 53 och diodbryggan. När spänningen Ui àterigenitvjáxlar frånaUm tijl _Um Sker samma 5 7803431-1 sak, varigenom den cirkulerande strömmen kontinuerligt 'tilltagen Slutligen uppnås ett jämnviktstillstånd i vilket strömökningen för varje omkastning blir lika med strömminslcriingen mellan två omkastningar. Denna strömminskriing AI är bestämd genom spänningen UL över L1 enligt sambandet: E/z Auf? Öf ULac _(2) I detta samband anger T periodlängden för fyrkantvåginspänningen Ui.

Man har funnit att den cirkulerande strömmen i praktiken kan bli många gånger större än strömmen som upptages av röret 13. I så fall fungerar 131 ej längre som en strömkälla för utjämning av belastningsströmmen, vilket innebär att den nyt tiga inverkan av kretsen 9 åtminstone delvis går förlorad. Man inser att den cirkulerande strömmen kan minskas genom minskning av I eller ökning avÅ I. Av sambandet (2) fram- går att det sistnämnda kan uppnås genom en ökning av UL, d.v.s. genom att paral- lellt med spolen 53 koppla ett antal dioder i serie eller en diod med ett seriemot- stånd. Emellertid ger detta upphov till oacceptabla förluster i många fall. En bätt- re lösning ligger i en minskning av I. Detta kommer att beskrivas närmare under hän- visning till fig 8.

Enligt denna metod onkopplas Ui ej direkt från -Um till +Um utan istället från -Um till noll. Samtidigt kortslutes transformatorns ingång. R, Lz och C bildar då en parallellsvängningskrets. Spänningen Uu över C kommer att ändras si- nusfonnat från -Um till ett värde + UC som är något lägre än +Um. Skillnaden mellan Um och UC beror pä svängningslsretsens godhetstal Q. Vid tidpunkten tj uppnås maximivärdet +Uc och kortslutningen avlägsnas, medan inspärmingen Ui sam- tidigt ökas från noll till +Um. Följaktligen blir även utspänningen lika med +Um med viss fördröjning, medan en ström I' återigen uppträder i L1. Enellertid är denna ström nu proportionell mot det skuggade området 69 i fig 8, d.v.s. väsentligt mindre än strömmen I enligt (1). Man inser att den beskrivna metoden har den önskade effekten endast cm svärlgningsbetsens godhetstal Q är tillräckligt stort (väsentligt större än 1). I praktiken her men emellertid nmnit en; 1 just ae fail då den under hänvisning till fig 7 beskrivna nackdelen är mest markant, även Q är jämförelsevis stort, varav följer att den beskrivna metoden förvisso innebär en betydelsefull för- bättring.

Fig 9 visar ett utföringsexempel på en krets i vilken den i anslutning till fig 8 beskrivna metoden kan tillämpas. Qnvandlaren 7 (se fig 1) innefattar normalt fyra omkopplare 71, 73, 75, 77 ( t.ex. tyristorer) vilka brytes och slutes i en följd som är styrd genom en styrenhet i och för att omvandla likspänningen från likriktaren 1

Claims (6)

' 7803431-1 ß till en ifyrkantvågspännirlg. Styrenheten är för enkelhetens skull ej visad i fig 9. Kretsen 9 är dessutcm anordnad fore omvandlaren istället för efter omvandlaren i fig 9. Detta är ej väsentligt för genomförandet av metoden enligt fig 8, men innebär den fördelen att en spole 79 och en diod 81 är tillräckligt. i Funktionen är följande. Det antages att etrömställaren 73 och 75 är slutna (det i fig 9 visade tillståndet). Vid tidpunkten t, (fig 8) brytes strömställaren 75 och strömställaren 77 slutes. Transformatorn 11 kortslutes därvid. Den genun spolen 79 :flytande belastningsströnnnen börjar då cirkulera genom spolen 79 och dicden 81, varigenom spänningen över spolen 79 uppgår till ungefär O. Vid tidpunkten 1:3 bry- tes strömställaren 73 och strömställaren 71 slutes, vilket medför att inspänningen kommer att uppträda över transfonnatorn i omkastad form, varvid kapacitansen 21 upp- laddas vidare till inspänningen. Patentkrav

1. Anordning innefattande en transformator för stegvis varierande spänningar, k ä n n e t e c k n a d av att åtminstone ett induktivt element (59) inkopplat i en anslutningsledning på transformatorns (11) primärsida, varvid nämnda elements induktans är ett antal gånger större än transformatorns (11) läckinduktans (19), medan nämnda induktiva element((39) är kopplat till ett eller flera likriktande ele- ment (41) så att en krets (9) bildas med egenskapen att strömmen genan det induktiva elementet (elementen) (39) ej unkastas vid omkastning av polariteten fdr spänningen mellan kretsens anslutningskläzmnor 85,23).

2. Anordning enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att kretsen (9) är utförd med väsentligen lika god strömledningsfórmàga i båda riktningarna.

3. 5. Anordning enligt patentkrravet 2, k ä n n e t e c k n a d av att kretsen (9) består av en parallellkoppling av två spolar (4147) vilka är seriekopplade med en diod (45 respektive 49), vaivid dioderna (45,49) är an-bipm-aiiemoppiade, medan spolarna (4147) är magnetiskt kopplade till varandra och lindade på sådant sätt att motriktade strömmar ger upphov till magnetfält med samma riktning.

4. Anordning enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a d av att h-etsen (9) består av en likriktarhets av bryggtyp till vars likspänningsanslutningar (65, 65) en spole (53) är ansluten, och att kretsen är inkopplad i transformatorns (11)-a.n- slutningsledning via sina växelspänningsanslutningar (2125) . 7 7803431-1

5. Anordning enligt patenbkravet 1, k ä n n e t; e c k n a d av att anordningen innefattar en omvandlare (7) för alstring av en fyrkantvågspänning med en frekvens av storleken några hundra Hz.

6. Anordning enligt pabentkraveb 5, k ä n n e b e c k n a d av att anordningen är utförd som en högspänningsgeneratzor för ett röntgenrör (13). ANFÖRDA PUBLIKATIONER: