DE3218535A1

DE3218535A1 - Hochspannungserzeuger, insbesondere zur speisung einer roentgenroehre

Info

Publication number: DE3218535A1
Application number: DE19823218535
Authority: DE
Inventors: Alfred Johannes Van Der Zwart
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1982-05-17
Filing date: 1982-05-17
Publication date: 1983-11-17
Also published as: US4514795A; GB2121622A; GB2121622B; JPS58212372A; FR2527035A1; GB8313212D0; DE3218535C2; FR2527035B1

Description

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PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH „ £.. PHD 82-059

"Hochspannungserzeuger, insbesondere zur Speisung einer Röntgenröhre"

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungserzeuger, insbesondere zur Speisung einer Röntgenröhre, mit einer Resonanz-Wechselrichteranordnung, bei der zwei Primärwicklungen einer Hochspannungs-Transformatoranordnung über Schalter abwechselnd von den Umladeströmen einer Kondensatoranordnung durchflossen werden.

Ein solcher Hochspannungserzeuger ist Gegenstand der älteren deutschen Anmeldung P 30 46 413.2 (Fig. 2b). Die Ströme

¹ⁱ⁾ durch die beiden Primärwicklungen sind dabei einander gleich, so daß bei symmetrischem Aufbau der Transformatoranordnung die mittels daran angeschlossener Gleichrichterschaltungen erzeugten positiven bzw. negativen Potentiale am Ausgang des Hochspannungserzeugers dem Betrage nach einander gleich sind. Das bleibt auch so, wenn die beiden Potentiale der Kathode bzw. der Anode einer Röntgenröhre zugeführt werden, deren Anodenstrom dem Kathodenstrom entspricht, wenn auch die Hochspannung aufgrund des relativ großen Innenwiderstandes des Hochspannungserzeugers abnimmt.

Neuerdings gibt es jedoch auch Röntgenröhren, deren Kathodenstrom vom Anodenstrom abweicht, weil ein Teil des Stromes durch die Kathode über den geerdeten Metallkolben abfließt. Schließt man eine solche Röntgenröhre an einen

solchen Hochspannungserzeuger an, ergibt sich eine unsymmetrische Belastung und - trotz symmetrischer Aufteilung der Leerlaufspannung - eine unsymmetrische Aufteilung von Anoden- und Kathodenspannung, so daß z.B. die

Anodenspannung +60 kV und die Kathodenspannung -40 kV 30

(gegenüber Masse) beträgt.

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In der Anmeldung P 30 43 632.9 ist daher ein Hochspannungserzeuger beschrieben, der zwei unabhängig voneinander steuerbare Wechselrichter umfaßt, so daß die Anodenspannung und die Kathodenspannung relativ zueinander sowie deren Summe schnell entsprechend den jeweiligen Erfordernissen eingestellt werden können. Die Änderung der von den beiden Wechselrichtern erzeugten Spannungen erfolgt dabei durch Änderung der Schaltfrequenz, mit denen die in den Wechselrichtern enthaltenen Schalter ein- und ausgeschaltet werden.

^ Aufgrund dieser unterschiedlichen Arbeitsfrequenzen der beiden Wechselrichter ergibt sich jedoch eine relativ starke überlagerte Hochspannungswelligkeit durch Schwebungen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Hochspannungserzeuger der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die beiden darin enthaltenen Resonanz-Wechselrichter jeweils mit der gleichen Schaltfrequenz betrieben werden und daß sie gleichwohl unterschiedliche

Spannungen bzw. unterschiedliche Leistungen erzeugen. 20

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kondensatoranordnung so angeordnet ist, daß sie von den Strömen durch jede der beiden Primärwicklungen durchflossen wird, und daß eine vorzugsweise steuerbare Verzögerungs-

anordnung vorgesehen ist zur einstellbaren Verzögerung der Schaltimpulse für die Schalter derart, daß die Ströme durch die Primärwicklungen zu unterschiedlichen Zeiten zu fließen beginnen.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß bei einem Resonanz-Wechselrichter die Amplitude des Stromes durch die damit verbundene Primärwicklung von der Energie abhängt, die zu dem Zeitpunkt, zu dem der Stromfluß durch eine der

Primärwicklungen beginnt (weil der dazugehörige Schalter 35

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geschlossen wird), in der Kondensatoranordnung gespeichert ist. Wird nun der Schalter für die eine Primärwicklung mit einer gewissen Verzögerung gegenüber dem Schalter für die andere Primärwicklung geschlossen, dann fließt in der einen Primärwicklung ein kleinerer Stromimpuls als in der anderen Primärwicklung, so daß auch die Energie, die über die eine Primärwicklung übertragen wird, kleiner ist. Der Unterschied ist um so ausgeprägter, je größer die Verzögerung ist. Die Schaltfrequenz ist jedoch für beide Wechselrichter gleich (die Schaltimpulse sind lediglich gegeneinander zeitlich versetzt), so daß sich keine überlagerte Welligkeit ergibt. Auch der Aufwand für einen erfindungsgemäßen Hochspannungserzeuger ist verhältnismäßig gering, weil nur eine Kondensatoranordnung erforderlich ist.

Die Transformatoranordnung könnte grundsätzlich aus zwei voneinander getrennten Transformatoren mit je einem Eisenkern bestehen. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht jedoch darin, daß die Transformatoranordnung zwei auf den gleichen Kern gewickelte Primärwicklungen aufweist, die mit entgegengesetztem Wickelsinn in Serie geschaltet sind. Hierbei ist also nur ein Eisenkern erforderlich.

²^ Im einfachsten Fall besteht die Kondensatorano^dnung nur aus einem einzigen Kondensator, dessen einer Anschluß mit Masse und dessen anderer Anschluß mit dem Verbindungspunkt zweier Primärwicklungen verbunden ist, deren andere Anschlüsse über je zwei im Gegentakt steuerbare Schalter mit einer positiven und einer negativen Gleichspannung verbindbar sind. Die positive und die negative Gleichspannung kann mit Hilfe eines Gleichrichters erzeugt werden, der zwei in Serie geschaltete Elekrolytkondensatoren umfaßt, deren gemeinsamer Verbindungspunkt an Masse angeschlossen ist. Diese

Ausführungsform weist jedoch verschiedene Nachteile auf.

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Diese Nachteile werden bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch vermieden, daß die Kondensatoranordnung zwei in Serie geschaltete Kondensatoren umfaßt, daß der Serienschaltung zwei Serienschaltungen aus je zwei im Gegentakt schaltbaren Schaltern sowie eine Gleichspannungsquelle parallelgeschaltet ist, und daß die Primärwicklung zwischen den Verbindungspunkten je einer aus zwei Schaltern bestehenden Serienschaltung einerseits und dem Verbindungspunkt der

beiden Kondensatoren andererseits eingeschaltet sind. 10

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Hoch-Spannungserzeugers,

Fig. 1a die technische Realisierung der Schalter in Fig. 1, Fig. 2 eine dafür geeignete Hochspannungs-Transformatoranordnung.

In Fig. 1 ist mit 1 eine Metallkolben-Röntgenröhre bezeichnet, deren Metallkolben geerdet ist, deren Anode an eine positive Hochspannung und deren Kathode an eine negative Hochspannung (gegenüber Masse) angeschlossen ist. Der aus der Kathode emittierte Strom fließt zum Teil über die Anode, zum Teil aber auch über den Metallkolben. Der Kathodenstrom ist bei einer derartigen Röntgenröhre daher größer als der Anodenstrom. Der Röntgenröhre 1 ist ein Glättungskondensator 2 parallelgeschaltet. Außerdem ist die Anode mit dem positiven Ausgang einer ersten Gleichrichter-

brücke 3 verbunden, während die Kathode mit dem negativen Ausgang einer zweiten Gleichrichterbrücke 4 verbunden ist. Die jeweils anderen Ausgänge der Gleichrichterbrücken 3 und 4 sind mit Masse verbunden. Die Wechselspannungseingänge der Gleichrichterbrücken 3 und 4 sind an Sekundär-

wicklungen 5 bzw. 6 angeschlossen, die magnetisch mit

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Primärwicklungen 7 bzw. 8 gekoppelt sind.

Die beiden Primärwicklungen 7 und 8 sind miteinander verbunden und der gemeinsame Verbindungspunkt ist mit dem Verbindungspunkt zweier gleich großer Kondensatoren 9 und verbunden. Der Serienschaltung dieser beiden Kondensatoren ist eine Gleichspannungsquelle 11 parallelgeschaltet sowie eine erste Serienschaltung zweier elektronischer Schalter 71, 72 und eine zweite Serienschaltung 81 und 82. Der nicht mit der Primärwicklung 8 verbundene Anschluß der Primärwicklung 7 ist mit dem Verbindungspunkt der beiden Schalter 71 und 72 verbunden, während der entsprechende Anschluß der Primärwicklung 8 mit dem Verbindungspunkt der beiden

Schalter 81 und 82 verbunden ist.
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Wie Fig. 1a zeigt, enthält jeder Schalter einen Thyristor, dem eine Diode mit umgekehrter Durchlaßrichtung parallelgeschaltet ist. Bei den beiden in Serie geschalteten Schaltern 71 und 72 bzw. 81 und 82 haben die darin enthal-

tenen Thyristoren jeweils die gleiche Durchlaßrichtung, und zwar so, daß mit dem Pluspol der Gleichspannungsquelle 11 die Anoden und mit dem Minuspol der Gleichspannungsquelle die Kathoden der Thyristoren verbunden sind.

Jeweils eine der Primärwicklungen 7 bzw. 8 und die zugehörigen Schalter 71, 72 bzw. 81, 82 sowie die Kondensatoren 9 und 10 bildet einen Resonanz-Wechselrichter, bei dem abwechselnd die Schalter 71 und 72 geöffnet bzw. geschlossen werden. Wenn z.B. der Schalter 71 geschlossen wird, fließt

ein Strom durch die Wicklung 7, der sich auf die Kondensatoren 9 und 10 aufteilt und diese in entgegengesetztem Sinn umlädt, so daß die Gesamtspannung über den Kondensatoren konstant bleibt (wobei die Kondensatorspannungen einzeln größer werden können als die vom Gleichspannungs-

erzeuger 11 gelieferten Spannungen). Nach einer Halbschwin-

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gung, deren Dauer von der Streuinduktivität der Primärwicklung 7 (die Hauptinduktivität wird durch die Belastung auf der Hochspannungsseite praktisch kurzgeschlossen) sowie von der Kapazität der Kondensatoren 9 und 10 abhängt, geht der Strom durch Null, so daß der in dem Schalter 71 enthaltene Thyristor erlischt, wobei aber noch Strom über die in dem Schalter enthaltene Diode fließt. Der im Schalter 72 enthaltene Thyristor wird geschlossen, nachdem der im Schalter 71 enthaltene Thyristor erloschen ist, wobei ein Strom in der entgegengesetzten Richtung wie bei der ersten Halbschwingung durch die Primärwicklung fließt, der sich wiederum auf die beiden Kondensatoren 9 und 10 aufteilt und diese in entgegengesetzter Richtung umlädt. Am Ende dieser Halbschwingung erlischt der im Schalter 72 enthaltene Thyristor, wonach der Schalter 71 wieder geschlossen werden kann usw.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltung sind beide Wechselrichter gleichzeitig im Betrieb, so daß die Kondensatoren 9 und 10 durch die Strome über die Primärwicklungen 7 und 8 jeweils in gleicher Richtung umgeladen werden.

Wurden die beiden Schalter 71 und 81 jeweils gleichzeitig eingeschaltet und ebenso anschließend die Schalter 72 und 82, dann ware die Leerlaufhochspannung an den Ausgängen der Gleichrichter 3 und 4 jeweils einander gleich. Da der Kathodenstrom aber größer ist als der Anodenstrom der Röntgenröhre 1, wäre die Kathodenspannung niedriger als die Anodenspannung, was für den Betrieb einer derartigen Röntgenröhre

ungünstig ist. Aus diesem Grund wird der Schalter 71 etwas später geschlossen als der korrespondierende Schalter 81 und ebenso anschließend der Schalter 72 etwas später als der Schalter 82.

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Die Wirkung dieser Maßnahme läßt sich dadurch erklären, daß bei einem Resonanzkreis, dessen Elemente durch Schließen eines Schalters miteinander verbunden werden, die sich ergebende Stromschwingung durch die Induktivität um so größer ist, je größer die kapazitiv gespeicherte Energie beim Schließen des Schalters ist. Zu dem Zeitpunkt, zu dem Schalter 71 geschlossen wird, ist schon ein Teil der in den Kondensatoren 9 und 10 gespeicherten Energie über den Schalter 81 auf die Primärwicklung 8 übergegangen, woraus resultiert, daß der Stromimpuls in der Primärwicklung 7 kleiner ist als in der Primärwicklung 8. Da die Schaltfrequenz für beide Wechselrichter jedoch gleich ist, bedeutet das, daß die über die Primärwicklung 7 übertragene Energie kleiner ist als die Energie, die über die Primär-

wicklung 8 übertragen wird. Infolgedessen wird die Leerlaufspannung am Ausgang des Gleichrichters 4 (bezogen auf Masse) dem Betrage nach größer als die Leerlaufspannung am Ausgang 3. Dieser Unterschied ist um so ausgeprägter, je größer die zeitliche Verzögerung zwischen dem Schließen des Schalters

81 und des Schalters 71 bzw. des Schalters 82 und des Schalters 72 ist. Die Verzögerungen können dabei so gewählt werden, daß bei Belastung durch die Röntgenröhre 1 Anoden- und Kathodenspannung einander gleich sind und sogar so groß,

daß die Kathodenspannung größer wird als die Anodenspannung, 25

was in bestimmten Betriebszuständen von Vorteil sein kann.

Der Aufbau der Schaltung zur Steuerung der Schalter 71...82 ist vereinfacht ebenfalls in Fig. 1 dargestellt. Danach

werden die Schalter 71, 72, 81 und 82 in dieser Reihenfolge 30

durch ünd-Glieder 7 10, 720, 810 und 820 gesteuert, die über nicht näher dargestellte Impulsformer - Start- bzw. weil die Schalter Thyristoren enthalten - Zündimpulse für die zugeordneten Schalter liefern. Die Start- bzw. Zündimpulse werden von einem spannungsgesteuerten Rechteckoszillator 12 geliefert, dessen Frequenz doppelt so

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hoch ist wie die Frequenz der Start- bzw. Zund impulse. Die Ausgangsiinpulse des Oszillators 12 worden dem Eingang einer bistabilen Kippschaltung 13 zugeführt, die jeweils durch eine bestimmte Planke, z.B. die positive, gekippt wird, die dem 0-1-übergang entsprechen möge. Der eine Ausgang der bistabilen Kippschaltung 13 ist mit je einem Eingang der Und-Glieder 710 und 810 verbunden, während der andere dazu komplementäre Ausgang der bistabilen Kippschaltung 13 mit je einem Eingang der Und-Glieder 720 bzw. 820 verbunden ist.

Die Ausgangsimpulse des Oszillators 12 werden darüber hinaus noch je einem weiteren Eingang der Und-Glieder 810 und zugeführt, während die entsprechende Eingänge der Und-Glieder 710 und 720 mit dem Ausgang eines vorzugsweise elektronisch steuerbaren Verzögerungsgliedes 14 verbunden sind, dessen Eingang mit dem Ausgang des Oszillators 12 verbunden ist.

Infolge der Steuerung der Und-Glieder durch die bistabile Kippschaltung 13 ist die Frequenz der Impulse am Ausgang der Und-Glieder nur noch halb so groß wie die Oszillatorfrequenz. Die Impulse an den Ausgängen der Schaltungen und 820 sind um eine halbe Schaltperiode gegeneinander versetzt, weil diese von je einem der komplementären Ausgänge der bistabilen Kippschaltung gesteuert werden. Das gleiche gilt für die Impulse der Und-Glieder 710, 720, jedoch sind diese zumindest aber ihre Vorderflanke (0-1-Übergang) gegenüber den Impulsen der Und-Glieder 810 bzw. 820 um die durch das Verzögerungsglied 14 eingeführte Verzögerungszeit versetzt, weil diese Und-Glieder nicht direkt an den Ausgang des Oszillators 12 angeschlossen sind, sondern über das Verzögerungsglied 14. Eine Änderung der Oszillatorfrequenz hat eine gleichsinnige Änderung der Spannung an der Röntgenröhre zur Folge. Es ist möglich, die verschiedenen Röhrenspannungen und Röhrenströmen zugeord-

neten Werte der Oszillatorfrequenz und der Verzogerungszeit

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in einem Festwertspeicher zu speichern und damit das Verzögerungsglied bzw. den Oszillator zu steuern.

Fig. 2 zeigt eine Ansicht des Hochspannungs-Transformators.

Auf einem geschlossenen Eisenkern 15 sind die beiden Primärwicklungen 7 und 8 in einigem Abstand voneinander angeordnet, so daß dazwischen nur eine relativ lose magnetische Kopplung besteht. Darüber sind die zugehörigen Sekundärspulen 5 bzw. 6 geschoben, so daß die Kopplung zwischen einer Primärwicklung , z.B. 8, und der jeweils anderen Sekundärwicklung (5) nur sehr schwach ist. Auf diese Weise hat man mit nur einem Eisenkern im wesentlichen die Vorteile zweier getrennter Transformatoren mit gesonderten Eisenkernen. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, müssen die Primärwicklungen 7 und 8 mit entgegengesetztem Wickelsinn gewickelt werden, damit (z.B. nach dem Fließen der Schalter und 81) nicht die Gleichspannungsquelle durch die Parallelschaltung der beiden Wicklungen, die dann einen sehr niedrigen Blindwiderstand hat, und einen Kondensator (10)

kurzgeschlossen wird. Obwohl die Erfindung am Beispiel eines Hochspannungserzeugers für die Speisung einer Röntgenröhre beschrieben wurde, ist es auch möglich, andere Verbraucher daran anzuschließen, die unterschiedliche positive und negative Hochspannungspotentiale benötigen oder

die entsprechenden Anschlüsse unterschiedlich belasten und die über einen Gleichrichter mit der Transformatoranordnung gekoppelt sind.

Es kann auch erwünscht sein, die Schaltimpulse für die

Schalter 81 und 82 gegenüber den Schaltimpulsen für die Schalter 71 und 72 zu verzögern. In diesem Fall müßte die Verzögerungsschaltung statt zwischen den Oszillator 12 und die Eingänge der Und-Glieder 710 und 720 zwischen den Oszillator und die Eingänge der Und-Glieder 810 und 820 geschaltet sein. Wenn bei dem Hochspannungserzeuger in

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bestimmten Betriebszuständen die Anoclenspannung und in anderen Betriebszuständen die Kathodenspannung großer sein soll, müssen in jeder der beiden Verbindungen Verzögerungsschaltungen sein, deren Verzögerung je nach Bedarf gesteuert 5 wird. Es kann aber auch eine Umschaltvorrichtung benutzt werden, die die Verzögerungsschaltung jeweils in eine der beiden Verbindungen einschaltet und die jeweils andere Verbindung direkt durchschaltet.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE:

(ΐ .J Hochspannungserzeuger, insbesondere zur Speisung einer Röntgenröhre, mit einer Resonanz-Wechselrichteranordnung, bei der zwei Primärwicklungen einer Hochspannungs-Transfor-

matoranordnung über Schalter abwechselnd von den Umlade-5

strömen einer Kondensatoranordnung durchflossen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoranordnung (9, 10) so angeordnet ist, daß sie von den Strömen durch jede der beiden Primärwicklungen (7, 8) durchflossen wird, und daß eine vorzugsweise steuerbare Verzögerungsanordnung (14) vorgesehen ist zur Verzögerung der Schaltimpulse fur die Schalter (71, 72) derart, daß die Ströme durch die Primärwicklungen (7, 8) zu unterschiedlichen Zeiten zu fließen beginnen.
2. Hochspannungserzeuger nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Transformatoranordnung zwei auf den gleichen Kern gewickelte Primärwicklungen aufweist, die mit entgegengesetztem Wickelsinn in Serie geschaltet

sind.
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3. Hochspannungserzeuger nach einem der Ansprüche 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoranordnung zwei in Serie geschaltete Kondensatoren (9, 10) umfaßt, daß der

Serienschaltung zwei Serienschaltungen aus je zwei im Gegentakt schalbaren Schaltern (71, 72 bzw. 81, 82) sowie eine Gleichspannungsquelle (11) parallelgeschaltet ist, und daß die Primärwicklungen (7 bzw. 8) zwischen den Verbindungspunkten je einer aus zwei Schaltern (71, 72 bzw. 81, 82) bestehenden Serienschaltung einerseits und dem Verbindungspunkt der beiden Kondensatoren (9, 10) andererseits eingeschaltet sind.