Beschreibung
Elektrischer Verstärker und Verfahren zu dessen Steuerung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines e- lektrischen Verstärkers, bei dem ein eine Endstufe des Verstärkers ansteuerndes Reglersignal überwacht wird. Sie bezieht sich weiter auf einen nach diesem Verfahren arbeitenden Verstärker. Unter Verstärker wird hierbei insbesondere ein Gradientenverstärker für beispielsweise ein Kernspintomographiegerät verstanden.
Ein derartiger elektrischer Verstärker ist häufig zweistufig aufgebaut. In einer ersten Stufe erzeugt ein Zwischenkreis- generator oder ein Netzteil eine Versorgungsspannung mittelmäßiger Präzision. Das Netzteil versorgt eine Endstufe, die die Aufgabe hat, ein Ausgangsignal mit den gewünschten Eigenschaften zu generieren. Das Ausgangsignal kann - je nach Anforderungen - eine gegenüber der Versorgungsspannung hocht- ransformierte Spannung aufweisen und je nach Anwendung vorgebbare konstante oder zeitlich veränderliche Signalverläufe aufweisen.
Für die Verwendung des elektrischen Verstärkers als Gradien- tenverstärker für Gradientenspulen in beispielsweise Magnetresonanzgeräten müssen besonders schnell veränderliche und präzise einzuhaltende zeitliche Ausgangsignalverläufe gewährleistbar sein. Schaltelemente in einer in der Endstufe vorgesehene Brückenschaltung können dabei derart angesteuert wer- den, dass bei Versorgung mit der erforderlichen Versorgungsspannung das Ausgangsignal mit den gewünschten Eigenschaften erzeugbar ist.
Die Präzision, mit der die gewünschten Parameterwerte des Ausgangsignals eingehalten werden können, hängt insbesondere von den Eigenschaften einer die Schaltelemente der Endstufe des elektrischen Verstärkers ansteuernden Vorrichtung ab.
Diese Vorrichtung umfasst eine Steuereinrichtung zur Ansteu- erung der beispielsweise als Halbleiterbauelemente ausgeführten Schaltelemente und einen der Steuereinrichtung vorgeschalteten Regler, der der Steuereinrichtung ein Reglersignal in Abhängigkeit des von der Endstufe abgegebenen Ausgangsignals zur Verfügung stellt. Dabei bildet der Regler mit der Steuereinrichtung und der Endstufe einen Regelkreis. Der Regler vergleicht eine Sollwertgröße mit einer am Ausgangsignal der Endstufe gemessenen Regel- oder Istwertgröße und gibt ab- hängig von einer Regelabweichung, unter der die Differenz von Sollwertgröße und Istwertgröße zu verstehen ist, eine Stellwertgröße ab. Für den Fall, dass die Istwertgröße ansteigt, nimmt die Regelabweichung einen negativen Wert an. Dadurch verkleinert der Regler die Stellwertgröße in verstärktem Ma- ße. Die Abnahme der Stellwertgröße wirkt dem Anstieg der Istwertgröße entgegen. Dies wird als Gegenkopplung bezeichnet.
Geht bedingt durch eine Fehleinstellung des Reglers die Gegenkopplung in eine Mitkopplung über, so wird der Regelkreis beispielsweise eines Gradientenverstärkers instabil und beginnt zu schwingen. Unter einer Mitkopplung ist zu verstehen, dass die Stellwertgröße, die dem vom Regler abgegebenen Reglersignal entspricht, bei ansteigender Istwertgröße ebenso ansteigt. Die Ursache einer Mitkopplung kann am Regler selbst, beispielsweise an einer zu hohen Reglerverstärkung, liegen und äußert sich in stetig ansteigender Amplitude und Frequenz des Reglersignals, mit der Folge, dass der Regler übersteuert. Durch das in Mitkopplung des Reglers oszillierende Reglersignal können Bauelemente in der Steuereinrich- tung aufgrund der breiten Amplitude in der erhöhten Frequenz beschädigt bzw. überlastet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur verbesserten Stabilisierung eines Regelkreises in einem elek- trischen Verstärker und einen nach diesem Verfahren arbeitenden Verstärker anzugeben.
Bezüglich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche.
Bezüglich des elektrischen Verstärkers wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 9. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche. So umfasst der elektrische Ver- stärker eine Endstufe, die eingangsseitig mit einer Steuereinrichtung verbunden ist, der wiederum ein Regler vorgeschaltet ist, an dem ausgangsseitig eine Überwachungseinrichtung zur Überwachung eines vom Regler zur Verfügung gestellten Reglersignals vorgesehen ist.
Das Verfahren umfasst dabei die Überwachung des in Abhängigkeit eines Ausgangssignals der Endstufe eingestellten Reglersignals durch einen Vergleich mit einem Referenzsignal. Dabei wird die Endstufe eingangsseitig sperrend oder eingangs- und ausgangsseitig sperrend angesteuert, wenn ein Amplitudenwert und ein Periodendauerwert des Reglersignals den jeweiligen Amplitudengrenzwert bzw. Periodendauergrenzwert des Referenzsignals durchschreiten. Unter dem Begriff „Amplitudenwert" soll dabei ein von der Amplitude abhängiger Parameterwert des Reglersignals verstanden werden; unter „Periodendauerwert" soll ein vom zeitlichen Verlauf des Reglersignals abhängiger Parameterwert verstanden werden, insbesondere Periodendauer oder Frequenz. Alternativ oder zusätzlich zu diesem Eingriff in die Ansteuerung der Endstufe kann auch der Regler bzw. der Regelkreis gesperrt werden. Unter dem Begriff „Sperren" wird dabei im wesentlichen ein Deaktivieren oder auf Null stellen verstanden.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesonde- re darin, dass das Verfahren zur Schwingungsüberwachung und die Vorrichtung zu dessen Durchführung für sowohl analoge als auch digital arbeitende Regler einsetzbar ist. Ob der Regel-
kreis schwingt, hängt von einer Schwingbedingung ab, die eine Amplitudenbedingung und eine Phasenbedingung umfasst. Ist die Schwingbedingung erfüllt, wird das Reglersignal, das durch eine Instabilität des Reglers hervorgerufen wird, von der Ü- berwachungseinrichtung vorteilhafterweise in Amplitude und in Frequenz überwacht. Oszilliert das Reglersignal, so liegt Mitkopplung statt Gegenkopplung mit wachsender Frequenz und ansteigender Amplitude vor.
Des weiteren sind durch die Überwachungseinrichtung auch Bauelemente der Steuereinrichtung durch zu große Amplituden und zu hohe Frequenz des Reglersignals vor Beschädigung geschützt. Kommt es zu einem oszillierenden Reglersignal, so stellt die Überwachungseinrichtung der Steuereinrichtung ein Überwachungssignal zum Ansteuern von in der Endstufe vorgesehenen Schaltelementen zur Verfügung. Folglich übernimmt die Überwachungseinrichtung für den Fall eines oszillierenden Reglersignals die Ansteuerung der Steuereinrichtung und veranlaßt diese, die Schaltelemente in der Endstufe sperrend an- zusteuern. Außerdem steuert die Steuereinrichtung die Schaltelemente in der Endstufe derart an, dass die Endstufe lediglich eingangsseitig gesperrt wird, um eine abrupt abfallende Flanke der Stromamplitude eines Ausgangsignals der Endstufe zu vermeiden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Überwachungseinrichtung eine Komparatorschaltung zur Überwachung der Amplitude des Reglersignals. Die Komparatorschaltung vergleicht dabei den Spannungsverlauf des Reglersignals mit jeweils einer oberen und einer unteren Referenzspannung. Dazu weist die Komparatorschaltung zweckmäßigerweise einen ersten und einen zweiten Grenzwertkomparator auf, wobei das Reglersignal beiden Grenzwertkomparatoren gleichzeitig zugeführt wird. Der erste Grenzwertkomparator vergleicht die Am- plitude des Reglersignals mit einem oberen Amplitudengrenzwert und ändert den Wert seines Ausgangsignal ab, sobald die Amplitude des Reglersignals über den oberen Amplitudengrenz-
wert ansteigt. Im Gegensatz zum ersten Grenzwertkomparator überwacht der zweite Grenzwertkomparator die Amplitude des Reglersignals mit einem unteren Amplitudengrenzwert . Der zweite Grenzwertkomparator ändert den Wert seines Ausgangs- Signals, wenn die Amplitude des Reglersignals unter den unteren Amplitudengrenzwert sinkt.
Um die Ausgangsignale des ersten und des zweiten Grenzwert- komparators zusammenzuführen, umfasst die Überwachungsein- richtung zweckmäßigerweise ein Flip-Flop mit einem Setzeingang bzw. einem Rücksetzeingang. Das Ausgangsignal des ersten Grenzwertkomparators wird dem Setzeingang des Flip-Flop und das Ausgangsignal des zweiten Grenzwertkomparators wird dem Rücksetzeingang des Flip-Flop zugeführt.
Ist bei dem elektrischen Verstärker ein analog arbeitender Regler verwendet, kann zweckmäßiger ein ungetaktetes Flip- Flop eingesetzt werden. Stellt der erste Grenzwertkomparator bei Überschreiten der Amplitude des Reglersignals von einem oberen Amplitudengrenzwert dem Set-Eingang des Flip-Flop sein Ausgangsignal zur Verfügung, so wird ein Ausgang des Flip- Flop gesetzt. Erreicht die Spannungsamplitude des Reglersignals einen unteren Amplitudengrenzwert, so stellt der zweite Grenzwertkomparator dem Reset-Eingang des Flip-Flop sein Aus- gangsignal zur Verfügung.
Für den Fall, dass der erste und der zweite Grenzwertkomparator zwei gleichartige Komparatoren sind, ist in zweckmäßiger Weiterbildung zwischen den zweiten Grenzwertkomparator aus- gangsseitig und dem Reset-Eingang des Flip-Flop ein Inverter geschaltet, der den Spannungswert des Ausgangsignals des zweiten Grenzwertkomparators derart invertiert, dass der Ausgang des Flip-Flop über den Reset-Eingang zurückgesetzt wird.
Ist bei dem elektrischen Verstärker ein digital arbeitender Regler verwendet, ist zusätzlich zu den digitalen Grenzwert- komparatoren ein getaktetes Flip-Flop eingesetzt. In vorteil-
hafter Weiterbildung weist dieses Flip-Flop zusätzlich zu einem Takteingang, dem ein Taktsignal von einer Takterzeugungsschaltung zugeführt ist, einen Taktaktivierungseingang auf. Dem Taktaktivierungseingang wird zweckmäßigerweise ein Reglertakt von dem Regler zugeführt. Dies ist dahingehend von Vorteil, dass der Takteingang nur dann aktiviert ist, und das Flip-Flop demnach nur dann auf Signale an dem Set- und dem Reset-Eingang reagiert, wenn zeitlich nach dem Reglertakt ein Reglersignal zur Verfügung gestellt wurde.
So beeinflussen Störungen, die sich beispielsweise als Spannungsspitzen - auch Glitche genannt - auf dem Reglersignal äußern, nicht das Setzen und Zurücksetzen des Flip-Flop. Die Frequenz des oszillierenden Reglersignals, das durch erhöhte Spannungsamplituden an den Ausgängen der Grenzwertkomparato- ren die Ausgangssignale ändern - beispielsweise von einer logischen "0" auf eine logische "1" -, entspricht demnach der Frequenz eines am Ausgang des Flip-Flop zur Verfügung gestellten Auswertesignals, das zur Frequenzüberwachung ver- wendet wird.
Um nach der Überwachung der Amplitude des Reglersignals durch die Komparatorschaltung eine Überwachung der Frequenz desselben durchzuführen, umfasst die Überwachungseinrichtung zweck- mäßigerweise eine Zählerschaltung. Der Zählerschaltung wird das von dem Flip-Flop zur Verfügung gestellte Auswertesignal zugeführt, welches dann dem oszillierenden Reglersignal entspricht, wenn das Reglersignal mit steigender Amplitude oszilliert .
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Zählerschaltung zwei Zähler, nämlich einen Vorgabezähler und einen Überwachungszähler. An einem Takteingang des Vorgabezählers ist ein Referenzsignal zugeführt. Der Vorgabezähler zählt die Perioden des Referenzsignals und wird über einen Vorgabekom- parator, der ausgangsseitig an den Vorgabezähler angeschlossen ist, ab einer vorgegebenen Anzahl von Perioden über einen
Rücksetz-Eingang am Vorgabezähler zurückgesetzt. Der Vorgabe- komparator vergleicht dabei kontinuierlich den Zählerstand des Vorgabezählers mit einem vorgegebenen Wert. Ist dieser Wert erreicht, ändert der Vorgabekomparator den Spannungswert seines Ausgabesignals - beispielsweise von einer logischen Null("0") auf eine logische Eins ("1") - und setzt nicht nur den Vorgabezähler, sondern auch den Überwachungszähler über einen Reset-Eingang zurück.
Der Überwachungskomparator selbst überwacht die Frequenz des Reglersignals derart, dass das Reglersignal an einem Takteingang des Überwachungszählers zugeführt wird und die Perioden des Reglersignals gezählt werden sowie der Zählerstand stetig durch einen an dem Überwachungszähler ausgangsseitig ange- schlossenen Überwachungskomparator mit einem vorgegebenen Ü- berwachungsgrenzwert verglichen wird. Erreicht der Vorgabezähler einen eingestellten Vorgabegrenzwert durch Zählen der Perioden des Referenzsignals, so setzt der Vorgabekomparator zusätzlich zum Vorgabezähler auch den Überwachungszähler über ein dem Rücksetz-Eingang zugeführtes Rücksetzsignal zurück.
Demzufolge beginnt der Überwachungszähler nach jedem Rücksetzen erneut, die Perioden des Reglersignals zu zählen. Erreicht der Zählerstand des Überwachungszählers innerhalb ei- nes Intervalls zwischen zwei Rücksetzsignalen des Vorgabe- komparators einen Wert, der einen vorgegebenen Grenzwert ü- berschreitet, so stellt der Überwachungskomparator das Steuersignal zur Verfügung, das der Steuereinrichtung zugeführt wird, um die Endstufe eingangsseitig zu sperren.
In zweckmäßiger Weiterbildung ist der für den elektrischen Verstärker verwendete Regler als PI- oder PID-Regler ausgeführt. Demnach ist es zweckmäßig, die oben beschriebene Regelabweichung als Überwachungssignal zu verwenden. Alternativ kann auch die integrierte Regelabweichung oder -differenz verwendet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Überwachungseinrichtung ist als getaktetes Flip-Flop ein JK-Flip-Flop mit Taktaktivierungsfunktion und als ungetaktetes Flip-Flop ein RS-Flip-Flop verwendet.
Nachfolgend wird ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 in einem Blockschaltbild einen elektrischen Ver- stärker mit einer zwischen einen Regler und eine Steuereinrichtung geschalteten Überwachungseinrichtung,
Fig.2 in einem Blockschaltbild die Überwachungseinrich- tung gemäß Fig. 1 mit einer Komparatorschaltung, einem Flip-Flop und einer Zählerschaltung,
Fig. 3 ein Schaltbild der Komparatorschaltung und des Flip-Flop gemäß Fig. 2,
Fig. 4 Graphen zu Signalverläufen bei der Komparatorschaltung an in Fig. 3 angegebenen Messpunkten,
Fig. 5 in einem Blockschaltbild den Reglers des elektri- sehen Verstärkers gemäß Fig. 1,
Fig. 6 ein Schaltbild der Zählerschaltung gemäß Fig. 2 mit einem Vorgabe- und einem Überwachungszähler,
Fig. 7,8 ein Ersatzschaltbild einer Endstufe des elektrischen Verstärkers gemäß Fig. 1.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig.l zeigt ein Blockschaltbild eines elektrischen Verstärkers EV mit einer Endstufe ES, die an eine Spannungsquelle SQ
mit einer Versorgungsspannung U_0 angeschlossen ist, und die eine Ausgangsspannung U_out zum Betreiben eines Verbrauchers L - hier als Spule GS dargestellt - generiert . Des Weiteren umfasst der Verstärker EV einen Regler R, der zur Steuerung des Verstärkers EV und zur Präzisierung der Ausgangsspannung U_out ein Reglersignal RS in Abhängigkeit eines mit einer Strommesseinrichtung SME aus dem Ausgangsignal der Endstufe ES ermittelten Strom-Istwertes IST durch Vergleich mit einem Strom-Sollwert SOLL einstellt und das Reglersignal RS einer Steuereinrichtung SE zur Verfügung stellt. Die Steuereinrichtung SE wiederum erzeugt durch Pulsweitenmodulation des Reglersignals RS Ansteuersignale AS1, AS2, AS3, AS4, um Schaltelemente Sl, S2, S3, S4 einer in der Endstufe ES vorgesehenen Brückenschaltung BS, mit der die Ausgangsspannung U_out eingestellt wird, leitend und sperrend anzusteuern.
Außerdem weist der elektrische Verstärker EV eine Überwachungseinrichtung UE auf, der das Reglersignal RS zur Überwachung eingangsseitig zugeführt ist und die abhängig von dem Reglersignal RS als Reaktion auf die Überwachung ein Steuersignal SL an die Steuereinrichtung SE abgibt, wenn das Reglersignal RS durch beispielsweise eine Fehleinstellung im Regler mit ansteigender Amplitude oszilliert. Weist das Reglersignal RS unerwartet große Spannungshübe auf, so kann dies zur Beschädigung von Bauelementen der Endstufe ES führen. Hohe Frequenzen des Reglersignals RS können Ursache für eine Überlastung der Schaltelemente Sl, S2, S3, S4 oder des Kondensators Co durch zu schnellen Schalttakt sein, für den Fall, dass in der Brückenschaltung BS eines Verstärkers EV für Verbraucher L, wie beispielsweise Elektromotoren oder
Kernspintomographiegeräten, Spannungen und Ströme in der Größenordnung von 300V bzw. 300A oder höher geschaltet werden.
Die mit wenig Logikaufwand realisierbare Überwachungseinrich- tung UE kann in einfacher Art und Weise in die als Pulsweitenmodulator fungierende Steuereinrichtung SE integriert werden.
Fig. 2 zeigt die Überwachungseinrichtung UE, der das Reglersignal RS zugeführt ist, und die in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Reglersignals RS ein Steuersignal SL ausgibt. Zur Überwachung des Reglersignals RS sind in der Überwachungseinrichtung UE eine Komparatorschaltung KS und eine Zählerschaltung ZS vorgesehen, die die Amplitude bzw. die Frequenz des Reglersignals RS überwachen. Amplitude und Frequenz sind die für ein oszillierendes Signal kennzeichnenden Parameterwerte. Des Weiteren umfasst die Überwachungseinrichtung UE ein Flip-Flop FF, dem ein erstes Auswertesignal AWS1 der Komparatorschaltung KS zugeführt wird, wenn die Spannungsamplitude des Reglersignals RS sowohl einen oberen Amplitudengrenzwert REF_0 als auch einen unteren Amplituden- grenzwert REF_U durchschreitet.
Für den Fall eines im Verstärker EV digital arbeitenden Reglers R, sind auch die in der Komparatorschaltung KS vorgesehenen Komparatoren digital ausgeführt. Demzufolge ist zur Weiterverarbeitung des ersten Auswertesignals AWS1 ein JK- Flip-Flop JK_FFE mit sowohl einem Takteingang TE_FF als auch einem Taktaktivierungseingang ENA vorgesehen, dem ein vom Regler R zur Verfügung gestellter Takt RTS zugeführt ist. Bei einem digital arbeitenden Regler R und digital arbeitenden Komparatoren ist dahingehend ein getaktetes JK-Flip-Flop
JK_FFE zweckmäßig, als während Schaltvorgängen im Regler R und in den Komparatoren unerwünschte Spannungspitzen, sogenannte Glitche, auftreten können.. Diese werden an einem getakteten Flip-Flop JK_FF dann gestoppt, wenn das TaktSignal TS am Takteingang TE_FF eine logische Null aufweist und das Flip-Flop JK_FF somit nicht auf Eingangssignale an den Eingängen J und K, wie dem in Fig. 2 gezeigten ersten Auswertesignal AWS1, reagiert.
Ferner umfasst die Überwachungseinrichtung einen Eingang für eine Takterzeugungsschaltung TES, die dem JK-Flip-Flop JK_FFE ein Taktsignal TS zur Verfügung stellt. Vorzugsweise sei TS
ein übergeordneter Systemtakt, aus dem andere Takte wie z.B. der Reglertakt RTS abgeleitet sind. Das JK-Flip-Flop JK_FFE ist ausgangsseitig mit der Zählerschaltung ZS verbunden, welche die Frequenz des Reglersignals RS überwacht.
Für den Fall eines im Verstärker analog arbeitenden Reglers R, sind die in der Komparatorschaltung KS vorgesehenen Komparatoren analog und das Flip-Flop als ungetaktetes RS-Flip- Flop ausgeführt, das in der Zeichnung nicht näher dargestellt ist.
Fig. 3 zeigt die Komparatorschaltung KS und das JK-Flip-Flop JK_FFE für einen in dem Verstärker EV digital arbeitenden Regler R detailliert. Dabei weist die Komparatorschaltung KS einen ersten Grenzwertkomparator Cl und einen zweiten Grenzwertkomparator C2 auf. Beiden Grenzwertkomparatoren Cl, C2 ist das Reglersignal RS gleichzeitig am nicht-invertierenden Eingang NIE zugeführt. Das Reglersignal RS wird einerseits vom ersten Grenzwertkomparator Cl mit einem am invertierenden Eingang IE des ersten Grenzwertkomparators Cl zugeführten o- beren Amplitudengrenzwert REF_0 und andererseits vom zweiten Grenzwertkomparator C2 mit einem am invertierenden Eingang IE des zweiten Grenzwertkomparators C2 zugeführten unteren Amplitudengrenzwert REF_U verglichen. Beide Grenzwertkomparato- ren Cl, C2 sind in Fig.3 digitale Grenzwertkomparatoren und stellen somit als Ausgangsignale eine logische Eins und eine logische Null zur Verfügung.
Fig. 4 zeigt die an den Ausgängen beider Grenzwertkomparato- ren Cl, C2 messbaren Spannungverläufe, wobei an Messpunkten MPCl, MPC2 und MPIV gegen Masse gemessen ist. Dabei stellt MPCl den Messpunkt am Ausgang des ersten Grenzwertkomparators dar. Graph A in Fig. 4 zeigt den Verlauf einer Ausgangsspannung Uout_Cl des ersten Grenzwertkomparators Cl zusammen mit dem Werteverlauf des Reglersignals RS über die Zeit t. Sobald die Amplitude des Reglersignals RS einen oberen Amplitudengrenzwert REF_0 überschreitet, ändert der erste Komparator Cl
sein Ausgangsignal Sout_Cl von einer logischen Null auf eine logische Eins. Ebenso wechselt der erste Grenzwertkomparator Cl sein Ausgangsignal von einer logischen Eins auf eine logisch Null unmittelbar dann, wenn das Reglersignal RS den o- beren Amplitudengrenzwert REF_0 unterschreitet .
Graph B in Fig. 4 zeigt den Verlauf einer Ausgangsspannung Uout_C2 des zweiten Grenzwertkomparators C2 zusammen mit dem Werteverlauf des Reglersignals RS über die Zeit t. Wichtig dabei ist die Beschaltung des zweiten Grenzwertkomparators C2 gemäß Fig. 3. Dem nicht-invertierenden Eingang NIE des zweiten Grenzwertkomparators C2 ist das Reglersignal RS zugeführt und an dem invertierenden Eingang IE ist ein unterer Amplitudengrenzwert REF__U zugeführt. Solange das Reglersignal RS ü- ber dem unteren Amplitudengrenzwert REF_U liegt, stellt der zweite Grenzwertkomparator C2 ein Ausgangsignal Sout_C2 mit einer logischen Eins zur Verfügung. Erst wenn das Reglersignal RS den unteren Amplitudengrenzwert REF_U unterschreitet, stellt der zweite Grenzwertkomparator C2 ein Ausgangsignal Sout_C2 mit einer logischen Null zur Verfügung. Graph B in Fig. 4 zeigt dementsprechend den Verlauf des Ausgangsignals Sout_C2 des zweiten Grenzwertkomparators C2 zusammen mit dem Verlauf des Reglersignals RS über die Zeit t, gemessen an dem Messpunkt MPC2 am Ausgang des Grenzwertkomparators C2.
Um der Zählerschaltung ZS ein Auswertesignal zur Überwachung der Frequenz des Reglersignals RS zur Verfügung zu stellen, werden die Ausgangsignale Sout_Cl, Sout_C2 der Grenzwertkomparatoren Cl, C2 durch das der Komparatorschaltung KS nachge- schaltete JK-Flip-Flop JK_FFE derart weiterverarbeitet, dass ein zweites Auswertesignal AWS2 an einem Ausgang Q des JK- Flip-Flop JK_FFE in der Frequenz der des Reglersignals RS entspricht. Dabei ist angenommen, dass die Amplitude des Reglersignals RS sowohl den oberen Amplitudengrenzwert REF_0 als auch den unteren Amplitudengrenzwert REF_U durchschreitet und an beiden Grenzwertkomparatoren Cl, C2 jeweils eine logische Eins auslöst. Um zu erreichen, dass das JK-Flip-Flop JK_FFE
an seinem Ausgang Q bei Überschreiten des oberen Amplitudengrenzwertes REF_0 durch die Amplitude des Reglersignals RS eine logische Eins und bei Unterschreiten des unteren Amplitudengrenzwertes REF_U durch die Amplitude des Reglersignals RS eine logische Null ausgibt, werden den Eingängen J, K des JK-Flip-Flop JK_FFE die Ausgangsignale Sout_Cl und Sout_C2 zugeführt .
Weist das Ausgangsignal Sout_Cl des ersten Grenzwertkompara- tors Cl nach Überschreiten des oberen Amplitudengrenzwertes REF_0 durch die Amplitude des Reglersignals RS eine logische Eins auf, so wird das JK-Flip-Flop JK_FFE gesetzt, so dass dieses am Ausgang Q eine logische Eins zur Verfügung stellt. Weist das Ausgangsignal Sout_C2 des zweiten Grenzwertkompara- tors C2 nach Unterschreiten des unteren Amplitudengrenzwertes REF_U durch die Amplitude des Reglersignals RS eine logische Null auf, so wird diese logische Null durch einen zwischen den zweiten Grenzwertkomparator C2 ausgangsseitig und den Eingang K des JK-Flip-Flop JK_FFE geschalteten Inverter IV in eine logische Eins umgewandelt. Ein am Ausgang des Inverters IV zur Verfügung gestelltes Ausgangsignal Sout_IV weist genau dann eine logische Eins auf, wenn die Spannungsamplitude des Reglersignals RS den unteren Amplitudengrenzwert REF_U unterschreitet - wie in Graph C im Vergleich zu Graph B gezeigt. Das Ausgangssignal Sout_IV wird dem Eingang K des JK-Flip- Flop JK__FFE zugeführt, wobei der eine logische Eins aufweisende Eingang K das JK-Flip-Flop JK_FFE am Ausgang Q auf eine logische Null zurücksetzt.
Wird alternativ zu den beiden Grenzwertkomparatoren Cl, C2 ein Fensterkomparator verwendet, kann der Inverter IV entfallen.
Wird alternativ zu den genannten Komparatoren ein Komparator mit Hysterese verwendet, der die Referenzwerte REF_0 und REF_U durch die Hysterese für sich selbst erzeugt, so kann auch das Flip-Flop entfallen.
Zusätzlich zu den Eingängen J und K des in Fig. 3 gezeigten JK-Flip-Flop JK_FFE umfasst dieses den Takteingang TE_FF und den Taktaktivierungseingang ENA. Das am Takteingang TE_FF dem JK-Flip-Flop JK_FFE zugeführte Taktsignal TS dient dazu, den Ausgang des JK-Flip-Flop JK_FFE nur dann auf Signale an den Eingängen J und K reagieren zu lassen, wenn das Taktsignal TS eine Flanke von logisch Null nach logisch Eins aufweist. Dies ist dahingehend von Vorteil, als beispielsweise unerwünschte Störimpulse, sogenannte Glitche, die während Schaltvorgängen in digitalen Schaltungen verursacht werden, am Ausgang Q des JK-Flip-Flop JK_FFE keine Reaktion hervorrufen sollen und damit das zweite Ausgangsignal AWS2 in der Frequenz verfälschen.
Dem Taktaktivierungseingang ENA ist ein Reglertaktsignal RTS zugeführt, das den Takteingang TE_FF des JK-Flip-Flop JK_FFE genau dann aktiviert, wenn das Reglersignal RS vom Regler R zur Überwachung zur Verfügung gestellt wird. Somit reagiert der Ausgang Q des JK-Flip-Flop JK_FFE nicht auf gegebenenfalls von Störimpulsen beeinflusste Signale an den Eingängen J und K, wenn der Takteingang TE_FF durch das Reglertaktsignal RTS inaktiv ist. Die Überwachung des Reglersignal RS erfolgt also sequentiell, aktiviert und deaktiviert durch das Reglertaktsignal RTS.
Fig. 5 zeigt einen für den elektrischen Verstärker EV verwendbaren Reglertyp in Form eines PI-Reglers PI mit D- Steueranteil D. Das Reglersignal RS wird dadurch erzeugt, dass der Regler PID aus dem Strom-Istwert IST und einem durch ein Verzögerungsglied DEL verzögerten Strom-Sollwert SOLL eine Regeldifferenz DIFF erzeugt. Das Reglersignal RS entspricht entweder der Regeldifferenz DIFF (Verstärkung ist gleich 1) oder einer durch den Multiplizierer 18 verstärkten Regeldifferenz PS. Für den Fall, dass der verzögerte Strom- Sollwert SOLL gleich dem Strom-Istwert IST ist, ist die Regeldifferenz DIFF gleich null.
Des Weiteren ist eine integrierte Regeldifferenz DIFF_I oder eine durch einen Multiplizierer 20 verstärkte und durch den Integrator 19 integrierte Regeldifferenz IS zur Schwingungs- Überwachung durch die Überwachungseinrichtung UE geeignet .
Ein in Fig. 5 gezeigter DS-Anteil, der einem durch einen Multiplizierer 17 verstärkten und durch einen Differentiator 16 aus dem Strom-Sollwert SOLL ermittelten D-Steueranteil D entspricht, eignet sich nicht zur Schwingungsüberwachung, da dieser DS-Anteil lediglich von dem Strom-Sollwert SOLL abhängt und keine Anteile in Abhängigkeit des Strom-Istwertes IST aufweist. Das Reglersignal RS, das der Steuereinrichtung SE generell zugeführt ist, wird durch den Summierer SUM aus dem DS-Anteil, der verstärkten Regeldifferenz PS und der ver- stärkten integrierten Regeldifferenz IS erzeugt. Alternativ kann auch ein PI-Regler verwendet werden.
Da der in Fig. 2 und 3 gezeigten Komparatorschaltung KS ein oberer und ein unterer Amplitudengrenzwert REF_0, REF_U je- weils in gleichem Abstand AB (Fig. 4) zur Spannungsnulllinie vorgegeben ist, ist ein keinen Nutzanteil tragendes Signal zur Schwingungsüberwachung durch die Überwachungseinrichtung UE besonders geeignet. Da der Nutzanteil des Reglersignals RS überwiegend durch die verstärkte, integrierte Regeldifferenz IS bestimmt ist, eignet sich besonders die Regeldifferenz DIFF oder deren Verstärkung PS zur Schwingungsüberwachung. Alternativ kann das Reglersignal RS durch ein Hochpaßfilter vor den Komparatoren Cl und C2 von einem eventuell störenden Nutzanteil befreit werden.
Fig. 6 zeigt die Zählerschaltung ZS aus Fig. 2, welche einen Vorgabezähler VZ und einen Überwachungszähler UZ umfasst, dem das zweite Auswertesignal AWS2, dessen Frequenz bei einem oszillierenden Reglersignal RS der Frequenz des Reglersignals RS entspricht, vom Flip-Flop FF zur Verfügung gestellt und an einem Takteingang TE_UZ des Überwachungszählers UZ zugeführt ist .
Um die Frequenz des Reglersignals RS zu überwachen, wird zunächst ein Referenzsignal REFS auf einen Takteingang TE_VZ des Vorgabezählers VZ gegeben. Während der Vorgabezähler VZ einen Zählerstand Y_0 durch Zählen von Perioden des Referenzsignals REFS erhöht, vergleicht ein an den Vorgabezähler VZ ausgangsseitig angeschlossener Vorgabekomparator VK unmittelbar nach jedem Zählschritt des Vorgabezählers VZ den Zählerstand Y_0 des Vorgabezählers VZ mit einem vorgegebenen Vorga- begrenzwert VW. Erreicht der Wert des Zählerstands Y_0 den Vorgabegrenzwert VW, so stellt der Vorgabekomparator VK sowohl dem Vorgabezähler VZ als auch dem Überwachungszähler UZ ein Rücksetzsignal RSL zur Verfügung, das jeweils dem Reset- Eingang des Vorgabezählers VZ und des Überwachungszählers UZ zugeführt wird. Dadurch wird sowohl der Vorgabezähler VZ als auch der Überwachungszähler UZ, der Perioden des am Takteingang TE_UZ zugeführten zweiten Auswertesignals AWS2 zählt, zurückgesetzt .
Weist das Referenzsignal REFS beispielsweise eine Frequenz von 10kHz auf und beträgt der Vergleichwert VW "10000", so wird der Vorgabezähler bei dem Zählerstand Y_0 mit dem Wert "10000" zurückgesetzt. Dies erfolgt bei einem Referenzsignal REFS mit 10kHz automatisch nach genau einer Sekunde. Gleich- zeitig mit dem Vorgabezähler VZ wird auch der Überwachungszähler UZ unabhängig von seinem Zählerstand Z_0 zurückgesetzt und beginnt nach jedem Rücksetzen erneut mit dem Zählen der Perioden des zweiten Auswertesignals AWS2.
Zur Überwachung des zweiten Auswertesignals AWS2, das dem
Reglersignal RS bei Oszillation des Reglersignals RS mit ansteigender Amplitude entspricht, ist an den Überwachungszähler UZ zur Überwachung des Zählerstands Z_0 ausgangsseitig ein Überwachungskomparator UK angeschlossen. Erreicht der Zählstand Z_0 des Überwachungszählers UZ einen vorgegebenen Überwachungsgrenzwert GW, so gibt der Überwachungskomparator UK ein Steuersignal SL ab, das der in Fig. 1 gezeigten Steu-
ereinrichtung SE zur Ansteuerung der Endstufe ES des Verstärkers EV zugeführt wird.
Weist das Reglersignal RS beispielsweise eine Frequenz von 2kHz auf und ist dem Überwachungskomparator UK der Überwachungsgrenzwert GW "5000" vorgegeben, so erreicht der Zählstand Z_0 des Überwachungszählers UZ bei beispielsweise oben genanntem Referenzsignal von 10kHz und Vorgabegrenzwert VW von "10000" nicht den Überwachungsgrenzwert GW "5000", da der Überwachungszähler UZ vorher durch das Rücksetzsignal RSL des Vorgabekomparators VK zurückgesetzt wird. Dies gilt deshalb, da nach oben genanntem Beispiel die Rücksetzung des Überwachungszählers UZ sowie des Vorgabezählers VZ nach genau einer Sekunde geschieht. Nach genau einer Sekunde hat der Überwa- chungszähler UZ mit dem zweiten Auswertesignal AWS2 von 2kHz lediglich einen Zählerstand Z_0 mit einem Wert von "2000" erreicht, nicht aber mit einem Wert von "5000", der dem Überwachungsgrenzwert GW entspricht.
Beträgt die Frequenz des zweiten Auswertesignals AWS2 beispielsweise 20kHz, so würde der Zählerstand Z_0 in genau einer Sekunde bis zur von dem Vorgabekomparator VK veranlassten Rücksetzung des Überwachungszählers UZ einen Wert von "20000" aufweisen. Da der Überwachungsgrenzwert GW jedoch "5000" be- trägt, gibt der Überwachungskomparator UK bei einem zweiten Auswertesignal AWS2 mit der Frequenz von 20kHz bei Erreichen des Wertes "5000" durch den Zählerstands Z_0 das Steuersignal SL an die Steuereinrichung SE ab.
Vorteilhafterweise speichert die Steuereinrichtung SE das
Auftreten des Steuersignals SL, bei dem die Endstufe ES einen nachfolgend in Fig. 7 oder Fig.8 beschriebenen Schaltzustand einnimmt, bis durch ein weiteres Steuersignal der Verstärker wieder in Betrieb gehen soll.
In den Figuren 7 und 8 ist der Aufbau der in der Enstufe ES vorgesehenen Brückenschaltung BS als Ersatzschaltbild ge-
zeigt. Gezeigt sind des Weiteren zwei unterschiedliche Schaltzustände der in der Brückenschaltung BS vorgesehenen Schaltelemente Sl, S2, S3 und S4 bei einem der Steuereinrichtung SE von der Überwachungseinrichtung UE zugeführten Steu- ersignal SL. Dabei ist die Brückenschaltung BS, an der eine potentialfreie Versorgungsspannung U_0 anliegt, als H-Brücke mit den vier Schaltelementen Sl, S2, S3 und S4 ausgeführt, die auf je ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal AS1, AS2, AS3 und AS4 der als Pulsweitenmodulator fungierenden Steuer- einrichtung SE ansprechen. Die Schaltelemente Sl, S2, S3 und S4 sind beispielsweise als MOS-FET Transistoren oder als bipolare Transistoren mit Freilaufdioden ausgeführt. Je zwei der Schaltelemente Sl und S3 sowie S2 und S4 sind mit dem positiven bzw. dem negativen Anschluss der Versorgungsspannung U_0 verbunden. Die verbleibenden Anschlüsse von je zwei in einem Brückenzweig angeordneten Schaltelementen (Sl und S3 bzw. S2 und S4) sind paarweise miteinander und mit je einer Verbindungsleitung 30, 40 verbunden. Die Verbindungsleitung 30 führt an einen Ausgang QA der Endstufe ES, wohingegen die Verbindungsleitung 40 an einen Ausgang QB der Endstufe ES führt. Antiparallel zu den Schaltelementen Sl, S2, S3 und S4 ist jeweils eine Freilaufdiode VI, V2, V3 und V4 angeordnet. Zur Pufferung der potentialfreien Versorgungsspannung U__0 dient der Kondensator Co, wodurch an der Brückenschaltung BS eine Zwischenkreisspannung anliegt. Die Ausgänge QA, QB der Endstufe ES sind mit einem im wesentlichen induktiven Verbraucher L, beispielsweise einer Gradientenspule GS, verbunden.
Bei einem Schaltzustand gemäß Fig. 7 sind die Schaltelemente S2 und S4 eingeschaltet, also geschlossen. Der Strom fließt, wie in Fig. 7 gezeigt, in der Endstufe E vom Ausgang QB über das Schaltelement S4 und die Freilaufdiode V2 zum Ausgang QA der Endstufe ES. Falls es sich bei dem Schaltelement S2 um einen MOS-FET Transistor handelt, kann dieser einen Teil des Diodenstromes der Freilaufdiode V2 übernehmen. Der Ausgang QB der Endstufe ES ist dann minimal positiv gegenüber dem Aus-
gang QA. Der in der Fig. 7 gezeigte Schaltzustand der Endstufe ES wird als "unterer Freilaufbetrieb" bezeichnet.
Dieser "untere Freilaufbetrieb" ist eine erste Alternative bei Ansteuerung der Steuereinrichtung SE mit dem Steuersignal SL zum Sperren der Endstufe. Im "unteren Freilaufbetrieb" klingt der Ausgangsstrom I_OUT der Endstufe ES weniger steil ab, was für einige Verbraucher L, beispielsweise einem Kernspintomographiegerät, von besonderer Bedeutung ist.
Fig. 8 zeigt eine Alternative zum "unteren Freilaufbetrieb" . Hier sind die Schaltelemente Sl und S3 eingeschaltet, also geschlossen. Der Strom fließt in der Endstufe ES vom Ausgang QB über die Freilaufdiode V3 und das Schaltelement Sl zum Ausgang QA der Endstufe ES. Falls es sich bei dem Schaltelement S3 um einen MOS-FET Transistor handelt, kann dieser einen Teil des Diodenstromes der Freilaufdiode V3 übernehmen. Der in der Fig. 8 gezeigte Schaltzustand der Endstufe ES wird als "oberer Freilaufbetrieb" bezeichnet.
Im Freilaufbetrieb ist die Endstufe lediglich eingangsseitig gesperrt, denn ein in der Last zum Zeitpunkt der eingangssei- tigen Sperrung fließender Strom wird nicht durch eine hohe Gegenspannung abgebaut .
Alternativ zu den in Fig.7 und Fig.8 dargestellten Schaltzuständen ist auch ein Sperren aller Schaltelemente Sl, S2, S3 und S4 möglich, was jedoch bei einem Kernspintomographiegerät zu einer Stimulation des Patienten führen kann.
Alternativ zu einem Eingriff in die Ansteuerung der Endstufe kann auch der Regelkreis gesperrt werden, z.B. dadurch, daß das Reglersignal RS auf einen Wert geschaltet wird, der am Ausgang der Endstufe ES eine Ausgangsspannung U_out null be- wirkt, wodurch der Regler abgeschaltet ist.