DE19600593C1 - Verstärker zum Erzeugen von Hochspannungssignalen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verstärker zum Erzeugen von Hoch­ spannungssignalen hoher Spannungsamplitude und nahezu beliebiger Signalform.

An Funktionsgeneratoren, die zeitliche Spannungsverläufe wie eine Sägezahnform, Dreiecksform, Sinusform oder sonstwie un­ terschiedliche Impulsformationen erzeugen, steht eine breite Palette zur Auswahl. Die Ausgangssignale liegen aber in der Regel deutlich unter 100 V. Auf dem Markt sind Operati­ onsverstärker erhältlich, mit denen solche Spannungsverläufe proportional verstärkt werden können. Aber auch dann ist die Grenze immer noch unter 1000 V.

Zeitliche Funktionsverläufe, deren Spannungsamplituden deut­ lich höher als 1000 V liegen, werden nach dem Stand der Tech­ nik nur mit einem Elektronenröhrenverstärker gelöst. Wegen der Leistungsbilanz müssen bei Hochspannungsröhrenverstärkern die Arbeitswiderstände sehr hoch gewählt werden. Eine solche Ver­ stärkerschaltung benötigt weiter eine Impedanzwandlerein­ richtung zur Reduzierung des Ausgangswiderstands - also wei­ tere Röhren im Prinzip.

Der Schaltungsaufwand erhöht sich ganz enorm, soll ein solcher Hochspannungsverstärker auch noch Signale beider Polaritäten liefern. Der Aufwand an Heizung und Gitterversorgung, der bei Röhren für 5 oder gar 10 kV zu treiben ist, ist erheblich und hat großen Platzbedarf.

Ein Hochspannungsverstärker kann teilweise durch eine Schal­ tung, wie sie aus der DE 40 40 164 A1 zu entnehmen ist, gelöst werden. Mit diesem Gerät sind allerdings nur Treppensignale im Bereich von ± 5 kV zu erzeugen.

In der DE 26 49 718 B2 wird eine Schaltungsanordnung zum An­ steuern der Ablenkspule einer Bildröhre beschrieben. Sie be­ steht hochspannungsseitig aus dem Kreis zweier Hochspannungs­ quellen und einem Verstärker, der aus zwei in Reihe geschalte­ ten Darlington-Stufen besteht. Die direkte Verbindung der Hochspannungsquellen bildet das Bezugspotential und die di­ rekte Verbindung der beiden Darlington-Stufen den Hochspan­ nungsabgriff. Der Verstärker wird durch eine Stromquelle ange­ steuert, die wiederum von einem Operationsverstärker betrieben wird. Von der hochspannungsseitigen Last her besteht jeweils über Widerstände eine Spannungs- und Stromrückführung auf den negativen Eingang des Operationsverstärkers, der gleichzeitig Signaleingang ist. Zur Kaskadierung im Verstärkerbereich und damit für höhere Hochspannungen ist diese Schaltung nicht ge­ eignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen zuverlässigen Verstärker zum Erzeugen von Hochspannungssignalen auf Halblei­ terbasis bereitzustellen, mit dem nahezu beliebige Signal­ formen linear verstärkt werden können. Der Platzbedarf und die Versorgungsleistung eines herkömmlichen Röhrengeräts entspre­ chender Leistung soll darüber hinaus ganz erheblich unter­ schritten werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst. Zwei Hochspannungsquellen sind zusammen mit zwei gesteuerten Stromquellen zu einem Kreis geschaltet. Der Potentialbezugspunkt liegt auf der direkten Verbindung der beiden Hochspannungsquellen, das Hochspannungssignal wird von der direkten Verbindung der beiden Stromquellen abgegriffen.

Die beiden Stromquellen bestehen je nach zu beherrschender Hochspannung jeweils aus einer Kaskade von n elementaren Stromquellen, wovon jede ihren eigenen Ansteuerkanal hat. Alle elementaren Stromquellen werden gleichartig angesteuert. In jedem Ansteuerkanal ist ein Optokoppler, der über ein stellbares Netzwerk angesteuert wird und der mit seinem Tran­ sistorausgang Bestandteil eines steuerbaren Spannungsteilers ist, dessen fester Widerstand am Steuereingang der elementaren Stromquelle liegt. Eine kanaleigene Spannungsquelle speist den Spannungsteiler.

Sämtliche Steuereingänge der stellbaren Netzwerke sind am Aus­ gang eines Modulators zusammengefaßt, so daß je nach Vorzei­ chen des Modulatorausgangssignals eine simultane Ansteuerung der elementaren Stromquellen für den positiven oder den nega­ tiven Teil dem Hochspannungssignals erfolgt.

Der Modulator besteht aus einem Differenzverstärker mit nach­ geschalteten Treiberstufe.

Neben der internen Verstärkung des Differenzverstärkers ist über einen Widerstand eine Rückkopplung vom Hochspannungsab­ griff her eingerichtet, so daß dort ein niederimpedant dynami­ scher Ausgangswiderstand besteht. Dadurch werden auch Ansteu­ erfehler, die durch Nichtlinearitäten bei den Optokopplern entstehen, korrigiert.

Im Anspruch 2 ist die Schaltung einer elementaren Stromquelle gekennzeichnet, die ein nahezu beliebiges Kaskadieren vieler solcher ohne Quersprechen bei der Ansteuerung erlaubt.

Die Ansprüche 3 und 4 kennzeichnen die Schaltungsmaßnahmen zur Ansteuerung einer jeden elementaren Stromquelle.

Anspruch 5 schließlich kennzeichnet die interne, proportionale Verstärkung am Modulatorverstärker, die mit der Rückkopplung vom Hochspannungsabgriff her auf den negativen Eingang wirkt. Der Steuersignaleingang am Modulator ist der positive Anschluß am Differenzverstärker.

Regelungstechnisch ist es von Vorteil, die interne Rückkopp­ lung von der Rückkopplung vom Hochspannungsabgriff her ge­ trennt zu halten. Diese Anordnung ist weniger schwingungsan­ fällig als die einfache Rückkopplung nur über das Hochspan­ nungspotential her. Das läßt sich mit dem Bode-Diagramm erläu­ tern.

Von entscheidender Bedeutung ist die Gegenkopplung, die vom Hochspannungspunkt über den Teilerwiderstand auf den Diffe­ renzverstärker wirkt. Durch diese Rückkopplung wird die ge­ samte Schaltungskonfiguration zu einer gesteuerten Spannungs­ quelle. Sie hat nämlich einen niedrigen dynamischen Ausgangs­ widerstand. Das sorgt für ein gutes Frequenzverhalten auch bei sehr hochohmiger Belastung, d. h. die Grenzfrequenz bleibt hoch. Darüberhinaus ist von Vorteil, daß durch diese Rückkopp­ lung die Ungenauigkeiten oder Nichtlinearitäten der Optokopp­ ler in weiten Bereichen korrigiert werden. Es ist mit diesem Verstärker ohne weiteres möglich die üblichen Signalfunktionen wie Sinus, Rechteck, Dreieck, Sägezahn und sonstige Pulsfolgen im Hochspannungsbereich von 5 bis 10 kV und darüber zu fahren.

Die Schaltung des Verstärkers soll im folgenden anhand des Schaltbilds in der einzigen Figur der Zeichnung näher erläu­ tert werden. Das Ausführungsbeispiel ist für eine Ausgangs­ spannung zwischen den beiden Hochspannungsabgriffen von 5000 V, genauer ± 2500 V ausgelegt. Mit einer Eingangsspannung von maximal ± 5 V werden hierzu zwei mal vier Feldef­ fekttransistoren 12 mit ihrer Beschaltung zur elementaren Stromquelle 22 kaskadiert. (Anstelle der Feldeffekttransisto­ ren könnten auch IGBT-Transistoren oder Bipolar-Transistoren eingesetzt werden.) Das Schaltbild zeigt der besseren Über­ sicht wegen die zwei Stromquellen 1 und 20 mit jeweils zwei kaskadierten, elementaren Stromquellen 22.

Basiselemente des Verstärkers sind die beiden steuerbaren Stromquellen 1 und 20, einmal für den positiven Signalteil, Stromquelle 1, zum andern für den negativen Signalteil, Strom­ quelle 20. Die elementare Stromquelle 22 besteht aus dem Feld­ effekttransistor 12 und dem am S-Kontakt angeschlossenen Ge­ genkopplungswiderstand 9. Zu dem Feldeffekttransistor 12 und dem Gegenkopplungswiderstand 9 liegt der zweite Gegenkopp­ lungswiderstand 11 parallel, der ein spannungsabhängiger By­ pass ist. Zwischen dem G-, und S-Kontakt des Feldeffekttransi­ stors 12 liegt das Schutzelement 10, das eine auftretende Überspannung ableitet.

Jede elementare Stromquelle 22 wird durch ihren zugehörigen, steuerbaren Spannungsteiler betrieben, welcher aus dem Wider­ stand 3 und dem Phototransistors im Ausgang des Optokopplers 2 besteht. Der Spannungsteiler belastet die Spannungsquelle 4, welche aus dem Ringkernübertrager 8, der durch ihn geschleif­ ten hochisolierten Stromschleife 21a bzw. 21b als Primärwick­ lung und der Sekundärwicklung mit in dieser Ausführung vier Windungen besteht. Der Ringkernübertrager 8 ist so dimensio­ niert, daß er als Strom-Spannungswandler (Differenziertrans­ formator) arbeitet. An die Sekundärwicklung angeschlossenen ist der Kondensator 26, mit der spannungsbegrenzenden Zenerdi­ ode 27 und der Diode 28, die den Kondensator entsprechend der Durchlaßrichtung auflädt. Dadurch wird jede elementare Strom­ quelle 22 am Steuereingang G stets auf definiertem Potential gehalten, obwohl der Ringkernübertrager 8 über die beiden Stromschleifen 21a und 21b gepulst betrieben wird.

Durch die Stromschleifen 21a und 21b fließen Stromimpulse von einigen Mikrosekunden Dauer bei einer Folgefrequenz von etwa 100 kHz. Durch die Wicklungsrichtung der Sekundärwicklung und der Beschaltung arbeitet der Ringkernübertrager 8 mit der Rückflanke, mit der auf Null zurückfallenden Flanke des Strom­ signals, also mit der im Kern gespeicherten Energie. Die Stromversorgung stellt so eine Spannung von 8 V zur Verfügung. Die Belastbarkeit liegt bei etwa 80 mW. Die beiden Strom­ schleifen 21a und 21b haben eine Isolation von mehr als 20 kV.

Der Optokoppler 2, der eine Isolation von etwa 15 kV hat, wird über das einstellbare Netzwerk 5 für den oberen und unteren Bereich der Kopplerdiode (Photodiode am Eingang) von der Modu­ latorschaltung 6 angesteuert. Die Modulatorschaltung 6 besteht aus dem Differenzverstärker 23 mit der nachfolgenden Treiber­ schaltung 25. Am positiven Eingang des Differenzverstärkers 23 ist der Eingang für das linear zu verstärkende Signal. Am ne­ gativen Eingang wird die interne Verstärkung über die ange­ schlossenen Widerstände 14 und 16 eingestellt. Außerdem kop­ pelt dort das Rückkopplungssignal von dem Hochspannungsabgriff 17 über den Teilerwiderstand 13 an.

Zwischen den beiden Stromquellen 1 und 20 besteht folgender Unterschied:
Bei der Stromquelle 1 werden die Netzwerke 5 an die jeweilige Anode der Eingangsphotodiode des Optokopplers 2 angeschlossen. Die Kathode liegt auf Masse. Bei der Stromquelle 20 wird die Eingangsphotodiode des jeweiligen Optokopplers 2 umgekehrt an­ geschlossen. Somit kann für die Stromquelle 1 ausschließlich der positive Signalteil und für die Stromquelle 20 ausschließ­ lich der negative Signalteil des Steuersignals am Ausgang des Modulators 6 bzw. der Treiberstufe 25 verwendet werden.

Die Stromquelle 1 mit ihren zwei kaskadierten, elementaren Stromquellen 22 wird an die positive Hochspannungsquelle 18 angeschlossen. Die Stromquelle 20 mit ebenfalls zwei kaska­ dierten, elementaren Stromquellen 22 an die negative Spannung 19. Beide Hochspannungsquellen 18 und 19 sind hier auf Erdpo­ tential gelegt, dem Potentialbezugspunkt 24.

Die elementaren Stromquellen 22 haben alle den Gegenkopplungs­ widerstand 9 zum Ausgleich der Bauteiletoleranzen. Der span­ nungsabhängige Widerstand 11, der ein Zink-Oxyd-Varistor ist, verstärkt die Wirkung des Gegenkopplungswiderstands 9 als By­ pass mit Gegenkopplungswirkung und schafft so stabile Kaska­ dierungsverhältnisse.

Die Verstärkung des Hochspannungsverstärkers 7 beträgt 500. Die Kreisverstärkung der Rückkopplung ist deutlich höher.

Das Ausführungsbeispiel wurde für die gängigen Signalfunktio­ nen bis zu einer Grenzfrequenz von 10 kHz betrieben, ohne daß Abweichungen im Hochspannungssignalverlauf auftraten.

Bezugszeichenliste

 1 Stromquelle
 2 Optokoppler
 3 Widerstand
 4 Spannungsquelle
 5 Netzwerk
 6 Modulatorschaltung
 7 Hochspannungsverstärker
 8 Ringkern
 9 Gegenkopplungswiderstand
10 Schutzelement
11 Widerstand
12 Transistor
13 Rückkopplungswiderstand
14 Widerstand
15 Eingang
16 Widerstand
17 Potentialabgriff
18 Hochspannungsquelle
19 Hochspanungsquelle
20 Stromquelle
21a Stromschleife
21b Stromschleife
22 elementare Stromquelle
23 Differenzverstärker
24 Potentialbezugspunkt
25 Treiberstufe
26 Kondensator
27 Zenerdiode
28 Diode

Claims (5)

1. Verstärker zum Erzeugen von Hochspannungssignalen, beste­ hend aus zwei Hochspannungsquellen (18, 19) und zwei ge­ steuerten Stromquellen (1, 20), die zusammen zu einem Kreis geschaltet sind, wobei zwischen den beiden Hochspannungs­ quellen (18, 19) der elektrische Potentialbezugspunkt (24) und zwischen den beiden Stromquellen (1, 20) der Potenti­ alabgriff (17) für das Hochspannungssignal liegt, dadurch gekennzeichnet, daß
die beiden gesteuerten Stromquellen (1, 20) jeweils aus mindestens einer gesteuerten, elementaren Stromquelle (22), entsprechend der zu beherrschenden Hochspannung jedoch aus n hintereinander geschalteten, gleichartigen elementaren Stromquellen (22) bestehen,
die Ansteuerung jeder elementaren Stromquelle (22) über einen von einer Spannungsquelle (4) gespeisten, steuerbaren Spannungsteiler erfolgt, bestehend aus einem festen Teilerwiderstand (3) und einem veränderbaren Widerstand, der durch einen Photo­ transistor am Ausgang eines Optokopplers (2) gebildet ist, wobei der Verbindungspunkt der Teilerwiderstände am Steuereingang (G) der zugehörigen elementaren Stromquelle (22) liegt,
jedem Optokoppler (2) ein stellbares Netzwerk (5) zum Be­ treiben (Vorspannen und Steuern) der Eingangsphotodiode des Optokopplers vorgeschaltet ist, wobei zur Ansteuerung für den positiven Teil des Hochspannungssignals das jeweilige Netzwerk (5) mit seinem Ausgang an der Anode der Eingangsphotodiode liegt und zur Ansteuerung des negativen Teils des Hochspan­ nungssignals das jeweilige Netzwerk (5) an der Kathode der Eingangsphotodiode liegt,
der jeweilige Steuereingang der Netzwerke (5) auf den Aus­ gang eines Modulators (6) gelegt ist, der aus einem Diffe­ renzverstärker (23) mit nachfolgender Treiberstufe (25) be­ steht,
vom Potentialabgriff (17) über einen Widerstand (13) eine Rückkopplung auf den negativen Eingang des Differenzver­ stärkers (23) eingerichtet ist, wodurch ein dynamischer Ausgangswiderstand von niedriger Impedanz am Potentialab­ griff (17) besteht und Ansteuerfehler, die durch Nicht­ linearitäten des Optokopplers (2) entstehen, korrigiert werden.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede elementare Stromquelle (22) aus einem Transistor (12) mit einem an seinem Ausgang (S) anschließenden Gegenkopp­ lungswiderstand (9) und einem den Eingang (D) des Transi­ stors (12) und den Gegenkopplungswiderstand (9) über­ brückenden, spannungsabhängigen Widerstand (11) sowie einem den Steuereingang (G) mit dem Ausgang (S) des Transistors (12) verbindenden Schutzelement (10) besteht.

3. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Spannungsquelle (4) aus einem Ringkern (8) besteht, durch den eine elektrisch hochisolierte Stromschleife (21a bzw. 21b) als Primärwicklung geführt ist, und dieser Ring­ kern (8) eine Sekundärwicklung mit vorgebener Windungszahl hat, die über eine Diode (28) an einen Kondensator (26) mit parallel geschalteter, spannungsbegrenzender Zenerdiode (27) angeschlossen ist.

4. Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung an der Photodiode eines jeden Optokopplers (2) über das Netzwerk (5) einstellbar ist, und zur Ansteue­ rung für den positiven Teil des Hochspannungssignals hierzu an eine positive Spannungsversorgung angeschlossen und zur Ansteuerung für den negativen Teil des Hochspannungssignals an eine negative Spannungsversorgung angeschlossen ist.

5. Verstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker (23) des Modulators (6) über Widerstände (14, 16) auf eine vorgegebene, interne Verstär­ kung eingestellt ist.