SE525109C2 - Högspänningsgeneratorkrets - Google Patents

Description

30 525 109 2 v ø » - a» effektförbrukningen hos kretsen nere vid höga spänningar är urladdningspro- . cessen tidskrävande. Urladdningsprocessen följer urladdningskurvan för en motsvarande RC-krets (Fig. 2). Såsom visas i Fig. 2 är urladdningsprocessen snabb i den inledande högspänningsfasen, men extremt långsam i lågspän- ningsområdet.

Fig. 3 visar ett försök att lösa dessa problem, vari en urladdningsanordning 15 innefattande tre seriekopplade fet-transistorer FT anslutits parallellt med kon- densatorn. Transistorema styrs därefter till ett ledande tillstånd under urladd- ningsprocessen. Konventionella fet-transistorer FT tål emellertid sällan spän- ning av lkV eller mer, därför måste två eller flera transistorer FT seriekopplas när det önskas spänningar över denna nivå., och sådana arrangemang tenderar att bli onödigt komplicerade och ömtåliga.

Kort beskrivning av uppfinningen Syftet med uppfinningen är att tillhandahålla en ny urladdningsanordning för en högspännings-likströmskrets, vilken krets löser ett eller flera problem hos den kända tekniken. Detta uppnås genom urladdningsanordningen enligt krav l, och genom metoden enligt krav 10.

En fördel med en sådan urladdningsanordning är att urladdningsprocessen för högspänningskretsar kan förkortas på ett enkelt och tillförlitligt sätt.

En annan fördel är att styrsignalerna är elektriskt separerade från högspän- ningskretsen.

Utföringsforrner av uppfinningen definieras i de beroende kraven.

Kort beskrivning av figurerna Uppfinningen beskrivs i detalj nedan med hänvisning till figurerna, i vilka: 10 15 20 25 30 525 109 ~ Q | n en 3 Fig. 1 visar ett kretsschema över en konventionell högspänningsgenerator- krets.

Fig. 2 visar en urladdningskurva för kretsen enligt Fig. 1.

Fig. 3 visar en känd urladdningsanordning.

Fig. 4 visar en första utföringsform av urladdningsanordningen enligt före- liggande uppfinning.

Fig. 5 visar en andra utföringsform av urladdningsanordningen enligt före- liggande uppfinning.

Fig. 6 visar en urladdningskurva för kretsarna i Fig. 4 och 5.

Detaljerad beskrivning av föredragna utfóringsformer Enligt föreliggande uppfinning har det överraskande upptäckts att den fotoelektriska effekten hos en konventionell högspänningsdiod kan användas för att förkorta urladdningsprocessen hos en högspänningskrets. Mer precist base- ras uppfinningen på fenomenet att vissa halvledardioder genererar en spänning i den icke-ledande riktningen när de bestrålas med elektromagnetisk strålning av lämplig våglängd, förutsatt att dioden har ett hölje som är transparent för nämnda strålning.

I en första utföringsform av föreliggande uppfinning avser den en urladdnings- anordning för en högspänningslikströmskrets. Urladdningsanordningen innefat- tar en elektromagnetisk strålningskälla, och en strålningsresponsiv komponent som genererar en urladdningsström som svar på den elektromagnetiska strål- ningen. Den strälningsresponsiva komponenten är företrädesvis en högspän- ningsdiod (HVD) med ett hölje som är transparent för ljus i det synliga eller inf- raröda området. Den elektromagnetiska strålningskällan är företrädesvis därför en ljuskälla som utstrålar ljus i nämnda område. 10 15 20 25 30 525 109 4 I en utföringsform innefattar urladdningsanordningen en högspänningsdiod med ett glashölje, exempelvis en BY 8414, Philips Semiconductors, och åtmin- stone en lysdiod anordnad att belysa dioden med ljus. Lysdioden utstrålar före- trädesvis ljus i IR-omrädet. För att öka effektiviteten kan vidare ett antal lysdio- der anordnas kring dioden. Uppfinningen beskrivs härefter med hänvisning till en speciell utföringsforrn av denna typ, innefattande en högspänningsdiod (HVD) och en lysdiod (LED).

Figurerna 4 och 5 visar två utföringsformer av föreliggande uppfinning vari HVD:n är ansluten i serie respektive parallellt med högspänningsgeneratorkret- sen 10 från Fig. 1. I Fig. 4 har likriktardioden D i kretsen 10 enligt Fig. 1 ersatts av en urladdningsanordning 20 enligt föreliggande uppfinning. I denna utfö- ringsform fungerar HVD:n hos urladdningsanordningen 20 som en likriktardiod under icke-urladdningsförhållanden Vid urladdningsprocessen ger strömmen som produceras av HVD när den belyses av LED upphov till en reduktion av urladdningstiden. I kretsen enligt Fig. 4 antas det att spänningskällan S tillåter ett flöde av den motriktade urladdningsströmmen från dioden under urladd- ningsprocessen.

I Fig. 5 är urladdningsanordningen 20 enligt föreliggande uppfinning anordnad parallellt med utgängarna från spänningskällan S och kondensatorn C. Kretsen i Fig. 5 fungerar pä samma sätt som kretsen enligt Fig. 4 med undantag att ing- en ström behöver flyta genom spänningskällan. En fördel med det parallella ar- rangemanget enligt Fig. 5 är att urladdningsanordningen kan formas som en separat krets som kan anslutas till en befintlig högspänningsgenerator eller lik- nande för att erhålla förbättrade urladdningsegenskaper.

Såsom visas genom urladdningkurvan för den konventionella kretsen (Fig. 2) tar det mycket lång tid innan utspänningen från kretsen når noll volt. I det ideala fallet när utspänningen faktiskt aldrig noll volt. Fig. 6 visar ett schematiskt ex- empel av en resulterande urladdningskurva för en krets innefattande urladd- ningsanordningen 20 enligt föreliggande uppfinning, där den heldragna linjen visar den normala urladdningsprocessen utan bidrag från urladdningsanord- ningen, och den streckade linjen visar urladdningsprocessen när HVD belyses l0 20 25 30 525 109 ~ - u n u. 5 av LED. Såsom illustreras i Fig. 6 är bidraget från urladdningskretsen 20 för- sumbart vid höga spänningar, men när spänningen sjunker ökar bidraget, och vid låga spänningar dominerar bidraget från urladdningsanordningen, dvs. hela urladdningsprocessen sker på grund av strömmen som genereras av HVD. Så- som kan ses i Fig. 6 kan HVD vidare användas för att erhålla en liten negativ utgångsspänning.

När en elektromagnetisk strålningskälla med låg effektförbrukning (exempelvis LED) används kan den elektromagnetiska strålningskällan bibehållas i ett kon- stant bestrålande tillstånd hela tiden som generatorn används, så länge som strålningsintensiteten från arrangemanget hålls vid en konstant nivå, så att spänningsfluktuationer undviks. Högspänningskretsens totala effektförbruk- ning kommer då att stiga men endast mycket litet. För att sänka effektförbruk- ningen hos anordningen 20 kan den elektromagnetiska strålningskällan vara en styrbar elektromagnetisk strålningskälla som styrs att sända ut strålning en- dast under urladdningsprocessen.

Genom styrning av det utsända ljuset från LED:n kan vidare en möjlighet av aktiv styrning av utspänningen i området nära noll volt uppnås, vilket är myck- et fördelaktigt i många applikationer. Urladdningsanordningen 20 tillhandahål- ler följaktligen en robust men överraskande enkel lösning för sådana applika- tioner.

LED kan vidare styras direkt av ett huvudstyrsystem som används för att styra spänningen hos högspånningslikströmskretsen, eller av en oberoende styrenhet.

För att styra LED är huvudstyrsystemet anordnat att tillhandahålla en lämplig drivsignal för LED vid de tidpunkter då urladdningsanordningen 20 skall vara aktiv. I en utföringsform tillhandahåller huvudstyrsystemet en enkel på- /av- signal men i andra utföringsformer där aktiv styming av spänningen runt noll volt önskas, kan signalen från huvudstyrsystemet ha olika nivåer vilka var och en motsvarar en specifik utspänning från urladdningsanordningen 20.

En oberoende styrenhet kan antingen anordnas för att styra LED som svar på en ”urladdningssignal” från exempelvis ett huvudstyrsystem, eller den kan vara 10 20 25 30 525 109 6 | u « n n. anordnad att mäta skillnaden mellan den önskade utspänningen Udes från kret- sen och den verkliga utspänningen U från kretsen, och om den önskade Um- signalen är väsentligen lägre än den verkliga utsignalen U sätts LED i ett be- strålande tillstånd. I enlighet med en utföringsform har styrenheten organ för registrering av skillnaden mellan spänningen över spänningskällan Usup respek- tive kretsens utspänning U, och om spänningskällans spänning Usup är avsevärt lägre än kretsens utspänning U så styr den den styrbara elektromagnetiska strålningskällan att sända ut elektromagnetisk strålning. En utföringsform av en styrenhet består helt enkelt av en differensförstärkare som är anordnad att slå på LED när den önskade kretsutspänninen Udes understiger den verkliga kretsutspänningen U.

Uppñnningen tillhandahåller vidare en metod för urladdning av en högspän- ningslikströmskrets innefattande steget utsändning av elektromagnetisk strål- ning mot en strålningsresponsiv komponent som producerar en urladdnings- ström som svar på den elektromagnetiska strålningen. Metoden kan också inne- fatta steget styrning av en elektromagnetisk strålningskälla för att sända ut nämnda elektromagnetiska strålning endast vid en urladdningsprocess såsom har diskuterats ovan.

EXEMPEL: En urladdningsanordning 20 konstruerades med användning av en HVD i form av en BY 8414 från Philips Semiconductors, och ett arrangemang av fem IR- LED:er (TSFF 5200 från Telefunken) placerade kring HVD:n. Genom använd- ning av detta arrangemang registrerades en spänning av ungefär 7 volt över HVD:n. Urladdningsanordningen 20 anordnades parallellt med utgångarna från en konventionell högspänningsgenerator, EMCO C60 från EMCO High Voltage Corp. (vilken representerar en krets som är ekvivalent till den i Fig. 1). Motstån- det i kretsen hade ett motstånd av 60 MQ, och kretsens totala kapacitans inne- fattande filterkondensatom var lOnF. Vid en spänning av 6kV var den resulte- rande lastströmmen lOOuA, och effekten var 0,6 W. När kretsen laddades ur till 6V (1%o av den initiala spänningen) på konventionellt sätt utan användning av urladdningsanordningen 20 var urladdningstiden 4,1 sekunder. När samma u" :av o | .n n g. g , , , , ,, I nu nu n u: , o. ,, q v O' IO n» »nu p var f u n _ a.. o. n u . unna., annu. .. u s o n u n n o n - a n u u: o c o n u u n u; u :n av 7 urladdningsprocess utfördes tillsammans med belysning av HVD:n i urladd- ningsanordníngen så att den producerade en urladdningsström av 2O11A, var urladdningstiden 1,1 sekunder, dvs. urladdningstiden minskades ungefär med en faktor 4.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 a u. :nu . .av .nu | - . | n. | nu nu u v: u OI. J: l f .a n; »v .nu . u» . .nu o. nun.. IHHI 1* f' . , .- . u o ø o u n .n o u u I u u v n n 8 Högspånningsgeneratorkrets (10) anordnad att generera en, mellan ett an- tal spånningsnivåer, Valbar likströmsutspänning (U), innefattande en styr- bar spånningskälla (S), en urladdningsanordning (20) och en styrenhet an- ordnad att styra spänningskällans (S) utspänning (Usup) och urladdnings- anordningen (20) så att önskad utspänning (Udes) erhålls, kännetecknad av att urladdníngsanordningen (20) innefattar en elektromagnetisk strål- ningskålla (LED) kopplad till styrenheten och en strålningsresponsiv kom- ponent (HVD) som alstrar en urladdningsström som svar på den elektro- magnetiska strålningen. Högspänningsgeneratorkrets (10) enligt krav 1, kännetecknad av att den strålningsresponsiva komponenten är en högspånningsdiod. Högspånningsgeneratorkrets (10) enligt krav 2, kännetecknad av att lik- riktardioden (D) är ersatt av urladdningsanordningens högspänningsdiod. Högspänningsgeneratorkrets (10) enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av att den strålningsresponsiva komponenten är anordnad parallellt med ge- neratorns utgångar. Högspänningsgeneratorkrets (10) enligt något av kraven 1 till 4, känne- tecknad av att den elektromagnetiska strålningskållan sänder ut elektro- magnetisk strålning i form av ljus i det synliga området och/ eller ljus i IR- området. Högspänningsgeneratorkrets (10) enligt något av kraven 1 till 5, känne- tecknad av att den elektromagnetiska strålningskällan innefattar åtmin- stone en lysdiod. Högspånningsgeneratorkrets (10) enligt något av kraven 1 till 6, känne- tecknad av att styranordningen år anordnad att styra urladdningsanord- ningen att alstra en konstant urladdningsström. 10 15 20 25 10. ll. 12. 525 109 9 Högspänningsgeneratorkrets (10) enligt något av kraven 1 till 6, känne- tecknad av att styranordningen är anordnad att styra urladdningsanord- ningen att alstra urladdningsström vid stora spänningssänkningar. Analysinstrument kännetecknat av att det innefattar en högspänningsge- neratorkrets (10) enligt något av kraven 1 till 8. Metod för snabb sänkning av utspänningen (U) från en högspänningsgene- ratorkrets (10) anordnad att generera en, mellan ett antal spänningsnivåer, Valbar likströmsutspänning (U), där högspänningsgeneratorkretsen (10) innefattar en styrbar spänningskälla (S), en urladdningsanordning (20) och en styrenhet anordnad att styra spänningskällans (S) utspänning (Usup) och urladdningsanordningen (20) så att önskad utspänning (Udes) erhålls, kännetecknad av att styrenheten vid sänkning av spänningen, styr en elektromagnetisk strålningskälla (LED) i urladdningsenheten att bestråla en strålningsresponsiv komponent (HVD) med elektromagnetisk strålning varvid den strålningsresponsiva komponenten (HVD) alstrar en urladd- ningsström. Metod enligt krav 10, kännetecknad av att styranordningen styr urladd- ningsanordningen (20) att alstra en konstant urladdningsström. Metod enligt krav 10, kännetecknad av att styranordningen styr urladd- ningsanordningen (20) att alstra urladdningsström vid stora spännings- sänkningar.