WO2004001778A1 - Schaltungsanordnung zur erzeugung einer röntgenröhrenspannung - Google Patents

Schaltungsanordnung zur erzeugung einer röntgenröhrenspannung Download PDF

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WO2004001778A1
WO2004001778A1 PCT/DE2003/001913 DE0301913W WO2004001778A1 WO 2004001778 A1 WO2004001778 A1 WO 2004001778A1 DE 0301913 W DE0301913 W DE 0301913W WO 2004001778 A1 WO2004001778 A1 WO 2004001778A1
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voltage
ray tube
voltage generator
circuit
operating state
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PCT/DE2003/001913
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Walter Beyerlein
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05G—X-RAY TECHNIQUE
    • H05G1/00—X-ray apparatus involving X-ray tubes; Circuits therefor
    • H05G1/08—Electrical details
    • H05G1/10—Power supply arrangements for feeding the X-ray tube
    • H05G1/20—Power supply arrangements for feeding the X-ray tube with high-frequency ac; with pulse trains
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F29/00—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00
    • H01F29/02—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00 with tappings on coil or winding; with provision for rearrangement or interconnection of windings

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for generating an x-ray tube voltage with an input circuit for generating an intermediate circuit voltage, an inverter circuit for converting the intermediate circuit voltage into a high-frequency alternating voltage and a high-voltage generator which converts the high-frequency alternating voltage into a high voltage for the x-ray tube with a specific transmission ratio, and which is designed such that it can be switched between at least two operating states with different transmission ratios. Furthermore, the invention relates to an X-ray generator with such a circuit arrangement and to a corresponding method for generating an X-ray tube voltage.
  • the high-voltage generator here consists of a transformer, the primary winding of which consists of a basic winding and several smaller sub-windings that can be switched on.
  • the transmission ratio of the high voltage generator is defined as usual as the ratio of the output voltage to the input voltage of the high voltage generator.
  • Modern generators for generating the X-ray tube voltage often have circuit arrangements in which the mains frequency is first rectified and then converted back into a high-frequency AC voltage, which is finally transformed to the desired voltage. Such generators are also called high frequency generators designated. Compared to conventional generators, in which the high voltage is first transformed with the present mains frequency, then rectified and finally fed to the X-ray tube, such a circuit arrangement has the advantage that it is made almost independent of changes in both the mains voltage and the tube current by means of a fast control loop can and therefore the tube voltage is very reproducible and can be kept constant.
  • the high-frequency generators Compared to the so-called so-called DC voltage generators, in which a high voltage transformed and rectified at the mains frequency is finely regulated with the aid of triodes, the high-frequency generators have the advantage of a relatively small construction volume and lower manufacturing costs. These advantages are the reason for the preferred use of such circuit arrangements in today's X-ray generators.
  • the circuit arrangements must be dimensioned so that they provide constant power over a very large voltage range.
  • the voltage range used in X-ray tubes in medical diagnostics usually ranges from 40 kV to 150 kV. In order to deliver a constant power over this range, the current at the lowest voltage value of 40 kV must be almost four times as high as with a setting at the highest limit of 150 kV.
  • the transmission ratio of the high-voltage generator must be selected so that the highest required tube voltage is achieved at a DC link voltage given by the available mains voltage. It is assumed that the effective voltage near the inverter circuit roughly corresponds to the intermediate circuit voltage and that the high-voltage generator is designed such that a voltage doubling by means of a suitable rectifier circuit connected downstream of the transformer is reached, the following results for the transformation ratio ü of the transformer of the high voltage generator:
  • U dc is the rectified DC link voltage and U t is the rectified high voltage applied to the X-ray tube.
  • the mean current load I avg R is consequently for the primary side of the high-voltage generator and for the inverter circuit connected in front of it
  • This object is achieved by a circuit arrangement of the type mentioned at the outset, which is provided by a switching device and a control for automatically switching the Operating state of the high voltage generator is characterized depending on a selected operating point of the X-ray tube.
  • the object is achieved in that the high-voltage generator is switched to an operating state when the x-ray tube is set to a desired operating point, in which the high-voltage generator has a transmission ratio assigned to the relevant working point.
  • the transmission ratio of the high-voltage generator can be set in various ways.
  • the high-voltage generator comprises a transformer which has a plurality of partial windings on the primary and / or secondary side.
  • the partial windings are then suitably connected or connected to switch over to a specific operating state with a specific transmission ratio.
  • the circuit arrangement - preferably also as part of the high-voltage generator - has a corresponding switching device.
  • the high-voltage generator has a transformer with at least one primary winding and / or at least one secondary winding a plurality of taps.
  • the taps are then suitably connected to switch over to an operating state with a specific transmission ratio - on the primary side with the primary voltage or on the secondary side for tapping the secondary circuit.
  • the circuit arrangement has a corresponding switching device, preferably also as part of the high-voltage generator.
  • the working area of the X-ray tube is particularly preferably divided into several partial working areas.
  • the individual sub-work areas are then assigned specific operating states of the high-voltage generator with specific transmission ratios.
  • the high-voltage generator is then switched to the operating state that is assigned to the partial working area in which the set working point of the X-ray tube falls.
  • Such a circuit arrangement according to the invention for generating an X-ray tube voltage can in principle be used in any conventional X-ray generator, regardless of how the X-ray generator is structured with regard to its further components, such as the control devices, the various measuring devices or the heating power supply.
  • FIG. 1 shows a basic sketch of a circuit arrangement for generating an X-ray tube voltage according to the prior art
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of a circuit arrangement according to the invention for generating an X-ray tube voltage in accordance with a first exemplary embodiment
  • Figure 3 is a schematic diagram of an inventive circuit arrangement for generating an X-ray tube voltage according to a second embodiment.
  • FIG. 1 shows a block diagram of the typical components and their connection, as they are used in a high-frequency X-ray generator that is commonly used today to generate the high voltage for an X-ray tube.
  • This rectified intermediate circuit voltage U dC is then applied to the input of an inverter circuit 2, which converts the intermediate circuit voltage Uc into a high-frequency AC voltage.
  • an inverter circuit 2 which converts the intermediate circuit voltage Uc into a high-frequency AC voltage.
  • a rectangular inverter is shown. Instead of such a rectangular inverter, resonant circuit inverters are often used.
  • the high-frequency alternating voltage present at the output of the inverter circuit 2 is then forwarded to a high-voltage generator 6, which essentially consists of a transformer 3 and a rectifying and smoothing device 4 connected downstream of the transformer 3.
  • the rectification and smoothing device 4 is often implemented as a doubler circuit.
  • the rectified high voltage U t present at the output of the high voltage generator 6 is then applied to the X-ray tube 5.
  • Regulation is usually carried out in such a way that the value of the high voltage U t applied to the X-ray tube 5 is fed as an actual value to a controller (not shown), is compared there with a voltage setpoint specified by the operator of the X-ray device, and a correction value is generated accordingly, which For example, as a manipulated variable is given to the inverter circuit, so that there the frequency and thus ultimately the high voltage is changed in the desired manner.
  • the transformer ratio u must be selected such that the highest required tube voltage U t is reached at an intermediate circuit voltage U c that is ultimately predetermined by the network. If the rectifying and smoothing device 4 is designed as a doubler circuit, the necessary transmission ratio ü is given by the formula (1) mentioned at the beginning.
  • the value 160 kV is chosen here only for the easier calculation for this example. At 40 kV, the maximum current It ma / which must be available on the X-ray tube is 1 A.
  • the circuit arrangements according to the invention are constructed in a similar manner to the known circuit arrangement according to FIG. 1. They also each have a mains input circuit 1, an inverter circuit 2 connected downstream thereof and a high-voltage generator 6 connected to it with a transformer 3 and a rectifier - and smoothing device 4, which in turn is connected to the x-ray tube 5 on the output side.
  • the mains input circuit 1, the inverter circuit 2 and the rectifying and smoothing device 4 can be constructed exactly like the circuit arrangements known from the prior art.
  • the inverter circuit can be any rectangular inverter circuit or resonant circuit inverter circuit.
  • the rectification and smoothing device 4 can be a conventional one known to the person skilled in the art
  • Circuit for example, a doubler circuit according to Villard or Delon act. Furthermore, the regulation of the entire circuit can also be carried out according to the usual methods.
  • the high-voltage transformer 3 has a winding with a plurality of taps 8, 9 either on the primary side (FIG. 2) or on the secondary side (FIG. 3).
  • Transformer 3 the secondary voltage, which is applied to the rectification and smoothing device 4, is tapped at the taps 9.
  • the switching devices 7 are each part of the high-voltage generator 6. These are preferably processor-controlled switching devices, for example contactors 7, which are controlled automatically by a controller 10. This control is dependent on the working point, ie depending on the respectively set working point of the X-ray tube 5.
  • the controller 10 receives, for example, the nominal X-ray tube current I t , nom and the nominal X-ray tube voltage U, nom and inputs them to the contactors 7 switching signal S as a function f (I t, no ⁇ U t, nom) of the nominal X-ray tube current I t, nom and the nominal X-ray tube voltage U t, from nom.
  • the function can in principle be set arbitrarily.
  • So z. B. a switchover signal S when a predetermined power is exceeded or undershot and / or when a predetermined voltage is exceeded or undershot and / or when a predetermined current is exceeded or undershot.
  • the working area of the X-ray tube 5 is subdivided into partial working areas and the individual partial working areas are each assigned one of the operating states of the high-voltage generator 6 or of the transformer 3 with a specific transmission ratio which best suits the respective partial working area.
  • the control device then ensures that the switchover device automatically switches the high-voltage generator 6 into the operating state which is assigned to the partial working area in which the set operating point of the x-ray tube falls.
  • the high-voltage generator can be switched back and forth between two operating states.
  • the maximum current load on the primary side is therefore only 160 A, whereas, according to formula (4), the maximum current load on the primary side is 320 A in a conventional circuit arrangement. It is clear that the maximum current load on the primary side can be kept even lower if the overall working area of the x-ray tube is accordingly divided into several sub-working areas.
  • the reduction in the maximum current load has the advantage that the inverter and in particular the power semiconductors and passive components used there, as well as the intermediate circuit and the transformer, only have to be designed for a lower current. Therefore, cheaper components can be used.
  • circuits shown in the figures are only exemplary embodiments and that there are a multitude of possible variations for the person skilled in the art to implement a circuit arrangement according to the invention.

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Abstract

Es wird eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung (Ut) mit einer Netzeingangsschaltung (1) zur Erzeugung einer Zwischenkreisspannung (Udc), einer Wechselrichterschaltung (2) zur Umwandlung der Zwischenkreisspannung (Udc) in eine hochfrequente Wechselspannung sowie einem Hochspannungserzeuger (6) beschrieben, welcher die hochfrequente Wechselspannung mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis in eine Hochspannung (Ut) für die Röntgenröhre (5) umwandelt. Der Hochspannungserzeuger (6) ist dabei derart ausgebildet, dass er zwischen zumindest zwei Betriebszuständen mit verschiedenen Übersetzungsverhältnissen umschaltbar ist. Eine Umschalteinrichtung (7) und eine Steuerung (10) sorgen für eine automatischen Umschaltung des Betriebszustands des Hochspannungserzeugers in Abhängigkeit von einem gewählten Arbeitspunkt der Röntgenröhre. Darüber hinaus wird ein Röntgengenerator mit einer solchen Schaltungsanordnung sowie ein entsprechendes Verfahren zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung (Ut) beschrieben.

Description

Beschreibung
Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung mit einer Eingangsschaltung zur Erzeugung einer ZwischenkreisSpannung, einer Wechselrichterschaltung zur Umwandlung der ZwischenkreisSpannung in eine hochfrequente WechselSpannung und einem Hochspannungserzeu- ger, welcher die hochfrequente WechselSpannung mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis in eine Hochspannung für die Röntgenröhre umwandelt, und welcher derart ausgebildet ist, dass er zwischen zumindest zwei Betriebszuständen mit verschiedenen Übersetzungsverhältnissen umschaltbar ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Röntgengenerator mit einer solchen Schaltungsanordnung sowie ein entsprechendes Verfahren zur Erzeugung einer Rontgenrohrenspannung.
Eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art wird in der AT 365 393 beschrieben. Der Hochspannungserzeuger besteht hier aus einem Transformator, dessen Primärwicklung aus einer Grundwicklungen und mehreren zuschaltbaren kleineren Teil- wicklungen besteht. Durch Zuschaltungen der Teilwicklungen zur Grundwicklung in Abhängigkeit von der Eingangs-Netz- Spannung werden dabei mit sehr großer Genauigkeit Netzspannungsschwankungen durch entsprechend feine Justierungen des Übersetzungsverhältnisses des Transformators ausgeglichen. Das Übersetzungsverhältnis des Hochspannungserzeugers wird hierbei wie üblich als das Verhältnis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung des Hochspannungserzeugers definiert.
Moderne Generatoren weisen zur Erzeugung der Röntgenröhrenspannung häufig Schaltungsanordnungen auf, bei denen die Netzfrequenz zunächst gleichgerichtet und dann wieder in eine hochfrequente WechselSpannung umgewandelt wird, welche schließlich auf die gewünschte Spannung transformiert wird. Derartige Generatoren werden auch als Hochfrequenzgeneratoren bezeichnet. Gegenüber konventionellen Generatoren, bei denen die Hochspannung mit der vorliegenden Netzfrequenz zunächst transformiert, dann gleichgerichtet und schließlich der Röntgenröhre zugeführt wird, hat eine solche Schaltungsanordnung den Vorteil, dass sie durch einen schnellen Regelkreis von Änderungen sowohl der Netzspannung als auch des Röhrenstroms nahezu unabhängig gemacht werden kann und daher die Röhrenspannung sehr gut reproduzierbar ist und konstant gehalten werden kann. Gegenüber den ebenfalls bekannten sogenannten Gleichspannungsgeneratoren, bei denen eine mit Netzfrequenz transformierte und gleichgerichtete Hochspannung mit Hilfe von Trioden fein geregelt wird, haben die Hochfrequenzgeneratoren den Vorteil eines relativ kleinen Bauvolumens und niedrigerer Herstellungskosten. Diese Vorteile sind der Grund für den bevorzugten Einsatz solcher Schaltungsanordnungen in den heutigen Röntgengeneratoren.
Die Schaltungsanordnungen müssen hierbei so dimensioniert sein, dass sie über einem sehr großen Spannungsbereich eine konstante Leistung zur Verfügung stellen. Üblicherweise reicht der bei Röntgenröhren in der medizinischen Diagnostik genutzte Spannungsbereich von 40 kV bis 150 kV. Um über diesen Bereich eine konstante Leistung abzugeben, muss der Strom bei dem untersten Spannungswert von 40 kV nahezu viermal so hoch sein wie bei einer Einstellung am obersten Grenzbereich von 150 kV.
Der Hochspannungserzeuger muss dabei in seinem Übersetzungsverhältnis so gewählt werden, dass die höchste geforderte Röhrenspannung bei einer durch die zur Verfügung stehende Netzspannung gegebenen Zwischenkreisspannung erreicht wird. Wird davon ausgegangen, dass die effektive Spannung nahe der Wechselrichterschaltung in etwa der Zwischenkreisspannung entspricht und dass der Hochspannungserzeuger so ausgeführt ist, dass durch eine geeignete, dem Transformator nachgeschaltete Gleichrichterschaltung eine SpannungsVerdopplung erreicht wird, so ergibt sich für das Übersetzungsverhältnis ü des Transformators des Hochspannungserzeugers:
ü .-i_ (1 )
2-U„,
wobei Udc die gleichgerichtete Zwischenkreisspannung und Ut die an der Röntgenröhre anliegende, gleichgerichtete Hochspannung ist.
Bei einem gewünschten Röhrenstrom It ist damit folglich die mittlere Strombelastung Iavg R für die Primärseite des Hochspannungserzeugers und für die davor geschaltete Wechselrichterschaltung
I.«WR=I.-2-Ü (2)
Daraus ist ersichtlich, dass bei einer konstanten Ausgangsleistung Pt = U -It der Schaltungsanordnung der Wechselrichter mit einem hohen Strom belastet ist, und zwar insbesondere dann, wenn die Röntgenröhrenspannung U relativ niedrig eingestellt ist. Dies hat zur Folge, dass der Wechselrichter mit seinen passiven Bauteilen und Leistungshalbleitern sowie der Zwischenkreis und der Hochspannungserzeuger für diese Ströme ausgelegt werden müssen. Neben höheren Kosten für die Bauteile führt dies dazu, dass neben der Wirkleistung auch viel Blindleistung im Wechselrichter und Transformator verarbeitet wird.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Alternative zu dem genannten Stand der Technik zu schaffen, die diese Nachteile vermeidet.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung der ein- gangs genannten Art gelöst, welche durch eine Umschalteinrichtung und eine Steuerung zur automatischen Umschaltung des Betriebszustands des Hochspannungserzeugers in Abhängigkeit von einem gewählten Arbeitspunkt der Röntgenröhre gekennzeichnet ist. Verfahrensmäßig wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Hochspannungserzeuger bei einer Einstellung der Röntgenröhre auf einen gewünschten Arbeitspunkt in einen Betriebszustand geschaltet wird, in dem der Hochspannungserzeuger ein dem betreffenden Arbeitspunkt zugeordnetes Übersetzungsverhältnis aufweist.
Durch die automatische Umschaltung des Hochspannungserzeugers auf verschiedene Betriebszustände mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen in Abhängigkeit vom Arbeitspunkt der Röntgenröhre kann eine optimale Anpassung an die jeweilige Last erreicht werden. Daher ist es nicht mehr notwendig, den Zwischenkreis, die Wechselrichterschaltung sowie den Transformator für die oben genannten hohen Ströme auszulegen.
Die abhängigen Ansprüche enthalten jeweils besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
Eine Einstellungsmöglichkeit des Übersetzungsverhältnisses des Hochspannungserzeugers kann auf verschiedene Weise realisiert werden.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst der Hochspannungserzeuger einen Transformator, welcher primär- und/oder sekundärseitig eine Mehrzahl von TeilWicklungen aufweist. Zum Umschalten in einen bestimmten Betriebszustand mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis werden dann die Teilwicklungen passend beschaltet bzw. zusammengeschaltet.
Hierzu weist die Schaltungsanordnung - vorzugsweise auch als Teil des Hochspannungserzeugers - eine entsprechende Umschalteinrichtung auf.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Hochspannungserzeuger einen Transformator mit zumindest einer Primärwicklung und/oder zumindest einer Sekundärwicklung mit einer Mehrzahl von Anzapfungen auf . Hierbei werden dann zum Umschalten in einen Betriebszustand mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis die Anzapfungen passend - auf der Primärseite mit der Primärspannung bzw. auf der Sekundärseite zum Abgriff der Sekundärschaltung - beschaltet. Auch hierzu weist die Schaltungsanordnung eine entsprechende Umschalteinrichtung, vorzugsweise ebenfalls als Teil des Hochspannungs- erzeugers, auf.
Weiterhin ist es möglich, die beiden Methoden zu kombinieren, d. h. sowohl mit zusammenschaltbaren Teilwicklungen als auch mit Anzapfungen zu arbeiten, wobei vorzugsweise sämtliche Schaltvorgänge zum Einschalten eines bestimmten Betriebszustands durch eine einzige Umschalteinrichtung durchgeführt werden.
Besonders bevorzugt ist der Arbeitsbereich der Röntgenröhre in mehrere Teilarbeitsbereiche unterteilt. Den einzelnen Teilarbeitsbereichen werden dann bestimmte Betriebszustände des Hochspannungserzeugers mit bestimmten Übersetzungsverhältnissen zugeordnet. Der Hochspannungserzeuger wird dann jeweils in den Betriebszustand geschaltet, der dem Teilarbeitsbereich zugeordnet ist, in den der eingestellte Arbeitspunkt der Röntgenröhre fällt.
Eine solche erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung kann prinzipiell in jeden herkömmlichen Röntgengenerator eingesetzt werden, unabhängig davon, wie der Röntgengenerator bezüglich seiner weiteren Komponenten wie beispielsweise der Regeleinrichtungen, der verschiedenen Messeinrichtungen oder der Heizstromversorgung aufgebaut ist.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beige- fügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Aus den beschriebenen Beispielen sowie den Zeichnungen ergeben sich weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung. Es zeigen:
Figur 1 eine Prinzipskizze einer Schaltungsanordnung zur Er- zeugung einer Röntgenröhrenspannung nach dem Stand der Technik,
Figur 2 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung ge- maß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Figur 3 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel .
Figur 1 zeigt in einem Blockschema die typischen Komponenten und ihre Verschaltung, wie sie in einem heutzutage üblicherweise verwendeten Hochfrequenz-Röntgengenerator zur Erzeugung der Hochspannung für eine Röntgenröhre verwendet werden.
Hierzu gehört netzeingangsseitig eine Netzeingangsschaltung 1, welche aus der zwei- oder dreiphasigen EingangsSpannung eine gleichgerichtete Zwischenkreisspannung Udc erzeugt. Diese gleichgerichtete Zwischenkreisspannung UdC wird dann auf den Eingang einer Wechselrichterschaltung 2 gegeben, welche die Zwischenkreisspannung Uc in eine hochfrequente Wechsel- Spannung umwandelt. In dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Rechteckwechselrichter gezeigt. Anstelle eines solchen Rechteckwechselrichters werden oft auch Schwingkreiswechselrichter eingesetzt.
Die am Ausgang der Wechselrichterschaltung 2 vorliegende, hochfrequente WechselSpannung wird dann an einen Hochspannungserzeuger 6 weitergeleitet, welcher im Wesentlichen aus einem Transformator 3 und einer dem Transformator 3 sekundär- seitig nachgeschalteten Gleichricht- und Glättungseinrichtung 4 besteht. Die Gleichricht- und Glättungseinrichtung 4 ist häufig als Verdopplerschaltung ausgeführt. Die am Ausgang des Hochspannungserzeugers 6 anliegende, gleichgerichtete Hochspannung Ut wird dann an die Röntgenröhre 5 angelegt .
Eine Regelung erfolgt üblicherweise derart, dass der an der Röntgenröhre 5 anliegende Wert der Hochspannung Ut als Istwert einem Regler (nicht dargestellt) zugeführt wird, dort mit einem vom Bediener des Röntgengeräts vorgegebenen Spannungssollwert verglichen wird und entsprechend ein Korrektur- wert erzeugt wird, der beispielsweise als Stellgröße an die Wechselrichterschaltung gegeben wird, so dass dort entsprechend die Frequenz und damit letztlich die Hochspannung in der gewünschten Weise verändert wird.
Der Transformator muss in seinem Übersetzungsverhältnis ü so gewählt werden, dass bei einer durch die letztlich aus dem Netz vorgegebene Zwischenkreisspannung Uc die höchste geforderte Röhrenspannung Ut erreicht wird. Sofern die Gleichricht- und Glättungseinrichtung 4 als Verdopplerschaltung ausgebildet ist, ist das notwendige Übersetzungsverhältnis ü durch die eingangs genannte Formel (1) gegeben.
Im folgenden Rechenbeispiel wird davon ausgegangen, dass die Spannungsversorgung der Röntgenröhre 5 über einen Spannungs- bereich zwischen 40 und 160 kV eine konstante Leistung von
40 kW zur Verfügung stellen muss. Der Wert 160 kV wird hierbei lediglich der leichteren Rechnung wegen für dieses Beispiel gewählt. Bei 40 kV beträgt dann der maximale Strom It ma / der an der Röntgenröhre zur Verfügung stehen muss 1 A.
Wird weiterhin davon ausgegangen, dass als gleichgerichtete Zwischenkreisspannung Udc = 500 V zur Verfügung stehen, ergibt sich aus Formel (1) für das erforderliche Übersetzungsverhältnis ü des Transformators 3 :
.. 160kV 1Ä. u = τ = 160 3
(2 -500V) Nur mit diesem Übersetzungsverhältnis ü kann bei der gegebenen Eingangsspannung die maximale Röntgenröhrenspannung von 160 kV erreicht werden.
Gemäß Formel (2) ergibt sich bei einem solchen Übersetzungsverhältnis ü = 160 und bei einem maximalen Strom It max = 1 A an der Röntgenröhre für die maximale Strombelastung Iavg WR auf der Primärseite des Transformators und des Wechselrichters:
IavgwRmaχ = It max - 2 - ü = lA - 2 - 160 = 320 A (4 )
Wie die Figuren 2 und 3 zeigen, sind die erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen in ähnlicher Weise aufgebaut wie die bekannte Schaltungsanordnung gemäß Figur 1. Auch sie weisen jeweils eine Netzeingangsschaltung 1, eine dieser nachgeschaltete Wechselrichterschaltung 2 sowie einen daran anschließenden Hochspannungserzeuger 6 mit einem Transformator 3 und einer Gleichricht- und Glättungseinrichtung 4 auf, wel- ehe ausgangsseitig wiederum an die Röntgenröhre 5 angeschlossen ist.
Die Netzeingangsschaltung 1, die Wechselrichterschaltung 2 sowie die Gleichricht- und Glättungseinrichtung 4 können hierbei genau wie bei den aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungsanordnungen aufgebaut sein. So kann es sich bei der Wechselrichterschaltung um eine beliebige Rechteckwechselrichterschaltung oder Schwingkreiswechselrichterschaltung handeln. Ebenso kann es sich bei der Gleichricht- und Glät- tungseinrichtung 4 um eine übliche, dem Fachmann bekannte
Schaltung, beispielsweise um eine Verdopplerschaltung nach Villard oder nach Delon handeln. Weiterhin kann die Regelung der gesamten Schaltung auch nach den üblichen Verfahren erfolgen.
Ein wesentlicher Unterschied zum Stand der Technik gemäß Figur 1 ist jedoch, dass der Hochspannungserzeuger 6 hier der- art aufgebaut ist, dass er zwischen mehreren Betriebszustän- den mit verschiedenen Übersetzungsverhältnissen umgeschaltet werden kann.
In den Figuren 2 und 3 ist dies jeweils dadurch realisiert, dass der Hochspannungstransformator 3 entweder primärseitig (Figur 2) oder sekundärseitig (Figur 3) eine Wicklung mit einer Mehrzahl von Anzapfungen 8, 9 aufweist.
Bei dem Ausfuhrungsbeispiel gemäß Figur 3 befindet sich dann auf der Primärseite des Transformators 3 eine Umschalteinrichtung 7, hier durch einen einfachen Drehschalter symbolisiert, mit dem die Primärspannung, d. h. die von dem Wechsel- richterschalter 2 kommende Hochfrequenzspannung, entsprechend an die gewünschte Anzapfung 8 der Primärspule gelegt wird, um so das Übersetzungsverhältnis ü einzustellen.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 findet sich eine gleichartige Umschalteinrichtung 7 auf der Sekundärseite, mit der entsprechend dem gewünschten Übersetzungsverhältnis des
Transformators 3 die SekundärSpannung, welche auf die Gleichricht- und Glättungseinrichtung 4 gegeben wird, an den Anzapfungen 9 abgegriffen wird.
Die Umschalteinrichtungen 7 sind bei beiden Ausführungsbei- spielen gemäß den Figuren 2 und 3 jeweils Bestandteil des Hochspannungserzeugers 6. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um prozessorgesteuerte Umschalteinrichtungen, beispielsweise um Schütze 7, welche automatisch von einer Steuerung 10 angesteuert werden. Diese Ansteuerung geschieht arbeitspunkt- abhängig, d. h. in Abhängigkeit von dem jeweils eingestellten Arbeitspunkt der Röntgenröhre 5. Die Steuerung 10 erhält hierzu beispielsweise als Eingangswerte den nominalen Rönt- genrδhrenstrom It,nom und die nominale Röntgenröhrenspannung U,nom und gibt an die Schütze 7 ein Umschaltsignal S als Funktion f(It,noπ Ut,nom) des nominalen Röntgenröhrenstrom It,nom und der nominalen Röntgenröhrenspannung Ut,nomaus. Die Funktion kann im Prinzip beliebig festgelegt werden. So kann z. B. ein Umschaltsignal S bei Über- bzw. Unterschreiten einer vorgegebenen Leistung und/oder bei Über- bzw. Unterschreiten einer vorgegebenen Spannung und/oder bei Über- bzw. Unterschreiten eines vorgegebenen Stroms ausgegeben werden. Insbesondere kann auch die Funktion f (It,nom# Ut,nom) zur Ausgabe des Umschaltsignals S in Abhängigkeit vom nominalen Röntgenröhrenstrom It,nom und von der nominalen Röntgenröhrenspannung Ut,nom in Form eines Kennfelds in der Steuerung 10 hinterlegt sein.
Hierzu wird der Arbeitsbereich der Röntgenröhre 5 in Teilarbeitsbereiche unterteilt und den einzelnen Teilarbeitsbereichen jeweils einer der Betriebszustände des Hochspannungserzeugers 6 bzw. des Transformators 3 mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis zugeordnet, welcher am besten zu dem jeweiligen Teilarbeitsbereich passt.
Die Steuereinrichtung sorgt dann dafür, dass mittels der Umschalteinrichtung automatisch der Hochspannungserzeuger 6 je- weils in den Betriebszustand geschaltet wird, der dem Teilarbeitsbereich zugeordnet ist, in den der eingestellte Arbeitspunkt der Röntgenröhre fällt.
Auf diese Weise kann die maximale Strombelastung für die Pri- märseite des Transformators sowie für die Wechselrichterschaltung 2 erheblich verringert werden.
Dies wird an folgendem Vergleichsbeispiel gezeigt, welches wie bei dem oben genannten Rechenbeispiel betreffend eine herkömmliche Schaltungsanordnung gemäß Figur 1 von einem
Spannungsbereich für die Röntgenröhrenspannung Ut von 40 bis 160 kV und von einer aufrechtzuerhaltenden Leistung Pt an der Röntgenröhre von 40 kW ausgeht.
In dem folgenden Rechenbeispiel wird dabei der einfacheren
Rechnung wegen davon ausgegangen, dass der Arbeitsbereich nur in zwei Stufen aufgeteilt wird, wobei die untere Stufe von 40 bis 80 kV und die obere Stufe von 80 bis 160 kV reicht. Dementsprechend reicht es aus, wenn der Hochspannungserzeuger zwischen zwei Betriebszuständen hin- und hergeschaltet werden kann. Für die Ausfuhrungsbeispiele gemäß den Figuren 2 und 3 würde dies bedeuten, dass lediglich primarseitig oder sekun- därseitig zusätzlich zu den üblichen Eingängen der Transformatorspule nur eine passend angeordnete Anzapfung erforderlich ist.
Um die gewünschte Leistung Pt = 40 kW an der Röntgenröhre zu gewährleisten, muss im unteren Arbeitsbereich mit einer Röntgenröhrenspannung Ut von 40 bis 80 kV ein maximaler Röhrenstrom It max a = 1 A zur Verfügung stehen. Im oberen Arbeitsbereich der Röntgenröhrenspannung Ut von 80 bis 160 kV reicht es aus, wenn der maximale Röhrenstrom It max b = 0,5 A beträgt.
Für den unteren Arbeitsbereich bis 80 kV ergibt sich für das benötigte Übersetzungsverhältnis üa des zugehörigen Betriebszustands des Hochspannungserzeugers 6 :
80kV u, = = 80 (5) (2-500V)
Hieraus ergibt sich gemäß Formel (2) für den maximalen Strom auf der Primärseite des Transformators:
avgW WRR „ m»a*x*a =1« t™ma,.a -2-ü, =lA-2-80 = 160A (6)
Im oberen Arbeitsbereich zwischen 80 kV und 160 kV ergibt sich für das benötigte Übersetzungsverhältnis üb des zugeord- neten Betriebszustands des erfindungsgemäßen Hochspannungserzeugers 6 gemäß Formel 1 :
160kV ub=τ = 160 7 b (2 -500V)
Bei einem solchen Übersetzungsverhältnis ergibt sich unter Berücksichtigung des in diesem Arbeitsbereich maximal erfor- derlichen Röntgenröhrenstroms It max = 0,5 A gemäß Formel 2 für die maximale primärseitige Strombelastung des Transformators :
IavgWRmaxb=Itmaxb-2-üb=0,5A-2-160 = 160A (8)
In beiden Arbeitsbereichen liegt folglich die maximale Strombelastung auf der Primärseite bei nur 160 A, wogegen gemäß Formel (4) bei einer herkömmlichen Schaltungsanordnung die maximale Strombelastung auf der Primärseite 320 A beträgt. Es ist klar, dass die maximale Strombelastung auf der Primärseite noch geringer gehalten werden kann, wenn entsprechend eine feinere Aufteilung des Gesamtarbeitsbereichs der Röntgenröhre in mehrere Teilarbeitsbereiche erfolgt.
Die Reduzierung der maximalen Strombelastung hat den Vorteil, dass der Wechselrichter und insbesondere die dort verwendeten Leistungshalbleiter und passiven Bauteile sowie der Zwischenkreis und der Transformator nur für einen geringeren Strom ausgelegt werden müssen. Daher können kostengünstigere Bauteile verwendet werden.
Es wird noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den in den Figuren dargestellten Schaltungen nur um Ausführungs- beispiele handelt und für den Fachmann eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten zur Realisierung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung bestehen.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung mit - einer Netzeingangsschaltung (1) zur Erzeugung einer Zwischenkreisspannung (Udc) # einer Wechselrichterschaltung (2) zur Umwandlung der Zwischenkreisspannung (Uc) in eine hochfrequente Wechselspannung, - und einem Hochspannungserzeuger (6) , welcher die hochfrequente WechselSpannung mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis in eine Hochspannung (U) für die Röntgenröhre (5) umwandelt, und welcher derart ausgebildet ist, dass er zwischen zumindest zwei Betriebszuständen mit verschiede- nen Übersetzungsverhältnissen umschaltbar ist, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Umschalteinrichtung (7) und eine Steuerung (10) zur automatischen Umschaltung des Betriebszustands des Hochspannungserzeugers in Abhängigkeit von einem gewählten Arbeits- punkt der Röntgenröhre.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Arbeitsbereich der Röntgenröhre (5) in Teil-Arbeits- bereiche unterteilt ist, und den einzelnen Teil-Arbeitsbereichen bestimmte Betriebszustände des Hochspannungserzeugers (6) mit bestimmten Übersetzungsverhältnissen zugeordnet sind.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Hochspannungserzeuger einen Transformator umfasst, welcher primarseitig und/oder sekundärseitig eine Mehrzahl von Teilwicklungen umfasst, und dass die Umschalteinrichtung ausgebildet ist, um die
Teilwicklungen zur Einstellung eines Betriebszustands mit ei- nem bestimmten Übersetzungsverhältnis entsprechend zu beschälten.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Hochspannungserzeuger einen Transformator (3) umfasst, welcher eine Primärwicklung und/oder eine Sekundärwicklung mit einer Mehrzahl von Anzapfungen (8, 9) umfasst, und die Umschalteinrichtung (7) ausgebildet ist, um die An- zapfungen (8, 9) zur Einstellung eines Betriebszustands mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis entsprechend zu beschälten.
5. Röntgengenerator mit einer Schaltungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4.
6. Röntgeneinrichtung mit einem Röntgengenerator gemäß Anspruch 5.
7. Verfahren zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung, bei dem zunächst aus einer Netzeingangsspannung eine Zwischenkreisspannung (Uc) erzeugt wird und dann aus der Zwischenkreisspannung (Udc) eine hochfrequente WechselSpannung erzeugt wird, welche schließlich mit einem Hochspannungser- zeuger mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis in eine Hochspannung (Ut) für die Röntgenröhre umgewandelt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Hochspannungserzeuger (6) bei einer Einstellung der Röntgenröhre auf einen gewünschten Arbeitspunkt in einen Be- triebszustand geschaltet wird, in dem der Hochspannungserzeuger (6) ein dem betreffenden Arbeitspunkt zugeordnetes Übersetzungsverhältnis aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 7 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Hochspannungserzeuger einen Transformator umfasst, welcher primarseitig und/oder sekundärseitig eine Mehrzahl von Teilwicklungen aufweist, und dass zum Umschalten in einen Betriebszustand mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis die Teilwicklungen entsprechend beschaltet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Hochspannungserzeuger (6) einen Transformator (3) mit zumindest einer Primärwicklung und/oder zumindest einer Sekundärwicklung mit einer Mehrzahl von Anzapfungen (8, 9) um- fasst, und dass zum Umschalten in einen Betriebszustand mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis die Anzapfungen (8, 9) entsprechend beschaltet werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s bei einer Einstellung eines gewählten Arbeitspunkts der Röntgenröhre automatisch eine Einstellung des zugehörigen Betriebszustand erfolgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Arbeitsbereich der Röntgenröhre (5) in Teil-Arbeitsbereiche unterteilt wird, und den einzelnen Teil-Arbeitsbereichen bestimmte Betriebszustände des Hochspannungserzeu- gers mit bestimmten Übersetzungsverhältnissen zugeordnet werden und der Hochspannungserzeuger (6) jeweils in den Betriebszustand geschaltet wird, der dem Teil-Arbeitsbereich zugeordnet ist, in den der eingestellte Arbeitspunkt der Röntgenröhre (5) fällt.
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