DE3601857A1 - Schaltungsanordnung zur hochspannungsstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Hoch­ spannungsstellung mit einer Steuerstrecke, deren Leit­ fähigkeit durch die von einer Steuerspannungsquelle gelieferte Spannug an einem Steuereingang steuerbar ist.

Eine solche Schaltungsanordnung ist aus der Zeitschrift "Electromedica" 4-5/1973, Seite 178, Bild 1 in Verbindung mit einem Röntgengenerator bekannt, wobei als Steuer­ strecke jeweils eine Regeltriode dient, die ggf. auch durch eine Regeltetrode ersetzt werden kann. Derartige Regeltrioden sind jedoch teuer und besitzen nur eine begrenzte Heizfaden-Lebensdauer. Würde man statt dessen Halbleiter-Stellglieder verwenden, die eine unbegrenzte Lebensdauer haben, dann müßten wegen der geringeren Hoch­ spannungsfestigkeit solcher Stellglieder mehrere davon in Serie geschaltet werden. pro Stellglied wäre dabei eine Steuerspannungsquelle erforderlich, die Steuersignale auf Hochspannungspotential liefern müßte. Derartige Steuer­ spannungsquellen enthalten in der Regel ein isolierendes Übertragungselement z.B. in Form einer Lichtleiterstrecke oder eines Isoliertransformators und sind relativ teuer.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Schaltungs­ anordnung mit mehreren Halbleiter-Stellgliedern aufzu­ bauen, die nicht für jedes Stellglied eine gesonderte Steuerspannungsquelle benötigt.

Ausgehend von einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß mehrere mit ihren Ausgängen in Serie geschaltete Stell­ glieder vorgesehen sind, von denen jedes zwischen seinen Ausgangsklemmen eine Halbleiterstrecke enthält, deren Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Differenz zwischen einem aus der Ausgangsspannung des Stellgliedes abge­ leiteten Istwert und einem Sollwert an einem Steuereingang des Stellgliedes steuerbar ist, daß die Steuerspannungs­ quelle mit dem Steuereingang eines der Halbleiter-Stell­ glieder gekoppelt ist und daß von diesem Stellglied ausgehend aus der Ausgangsspannung eines Stellgliedes jeweils der Sollwert für das nachfolgende Stellglied abgeleitet wird.

Die Halbleiter-Stellglieder beinhalten dabei also jeweils eine Regelschaltung, die an den Ausgangsklemmen durch Steuerung der Halbleiterstrecke eine Ausgangsspannung erzeugt, die dem Sollwert am Steuereingang des Stell­ gliedes entspricht. Die Sollwerte werden jeweils aus den Ausgangsspannungen der in der Reihenschaltung vorher­ gehenden Stellglieder abgeleitet und nur dem jeweils ersten Stellglied muß eine Steuerspannung zugeführt werden.

Je mehr Stellglieder durch eine Steuerspannungsquelle gesteuert werden, desto größer ist der damit erzielbare Spannungshub, desto größer ist aber auch die Ausfall­ wahrscheinlichkeit und desto geringer ist die Stell­ geschwindigkeit. In der Praxis ist es daher nicht sinn­ voll, beliebig viele Stellglieder mit nur einer einzigen Steuerspannungsquelle zu steuern. Man wird daher mehrere der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen in Serie schalten - und für jede eine gesonderte Steuerspannungs­ quelle vorsehen - , falls der mit einer nach oben begrenzten Anzahl von Stellgliedern erzielbare Hoch­ spannungs-Stellbereich nicht groß genug ist.

Bei verschiedenen Anwendungsfällen ist es möglich, daß der Hochspannungsverbraucher bei Störungen kurzzeitig kurzge­ schlossen wird; bei einem Röntgengenerator ist dies beispielsweise bei einem Durchzünden der Röntgenröhre der Fall. Um in diesem Fall eine Überlastung der Stellglieder zu vermeiden, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, daß der Halbleiterstrecke eine Einheit zur Spannungs­ begrenzung parallelgeschaltet ist.

Grundsätzlich wäre es möglich, daß der steuerbaren Halb­ leiterstrecke selbst, beispielsweise einem Transistor, mittels eines passiven Netzwerkes die Differenz von Soll­ wert und Istwert zugeführt wird. In diesem Fall würde sich jedoch u.a. eine geringe Schleifenverstärkung ergeben und der daraus resultierende Regelfehler würde an die folgende Stufe weitergegeben werden. Eine bevorzugte Weiterbildung sieht daher vor, daß jedes Stellglied eine Vergleichs­ schaltung enthält, die eine der Differenz von Sollwert und Istwert entsprechende Ausgangsspannung zur Steuerung der Halbleiterstrecke liefert, und daß die Versorgungsspannung für die Vergleichsschaltung aus der Ausgangsspannung des Stellgliedes abgeleitet ist. Dadurch wird ohne zusätz­ lichen Abgleich der Regelfehler gering gehalten.

Je nachdem, ob das potential des voraufgehenden Stell­ gliedes positiver oder negativer ist, wird dabei entweder der invertierende oder nicht invertierende Eingang einer solchen Vergleichsschaltung mit der Ausgangsklemme des voraufgehenden Stellgliedes gekoppelt.

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

Fig. 1 das Blockschaltbild eines Röntgengenerators, in dem die Erfindung anwendbar ist,

Fig. 2a und 2b verschiedene Anschlußmöglichkeiten einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung, und

Fig. 3 das Prinzipschaltbild eines zur Verwendung in einer solchen Schaltung geeigneten Stellgliedes.

Fig. 1 zeigt eine Röntgenröhre 1, deren Anode und Kathode über je eine Schaltung zur Hochspannungsstellung 3 bzw. 4 mit einem Hochspannungserzeuger 2 gekoppelt sind. Der Istwert der Spannung an der Anode bzw. der Kathode der Röntgenröhre 1 wird mittels eines zwischen die Anode bzw. die Kathode und Masse geschalteten Hochspannungsteilers 5 bzw. 6 bestimmt und in einem Regler 7 bzw. 8 mit einem Sollwert an der Klemme 9 verglichen. Die Regelabweichung wird jeweils dem Steuereingang 31 bzw. 41 der Schaltung 3 bzw. 4 zugeführt. Dadurch wird die Leitfähigkeit der Strecke zwischen den Anschlüssen A+ und A- so verändert, daß die Istwerte an den Hochspannungsteilern dem vorge­ gebenen Sollwert entsprechen.

Im Prinzip ist diese Schaltung aus der Zeitschrift "Electromedica" Heft 4-5/1973, Seite 178, Bild 1 bekannt, wobei allerdings die Schaltungen 3 und 4 durch Regel­ trioden gebildet werden, während diese Schaltungen bei der Erfindung durch eine Reihe von Halbleiter-Stell­ gliedern 11, 12 . . . 1 n ersetzt sind (vgl. Fig. 2a und 2b). Die Stellglieder haben den gleichen in Fig. 3 darge­ stellten Aufbau. Jedes Stellglied besitzt eine Vergleichs­ schaltung 20, deren invertierender Eingang mit dem Abgriff eines Spannungsteilers 21 verbunden ist, dessen einer Anschluß mit der negativen Ausgangsklemme A- des Stell­ gliedes und dessen anderer Anschluß mit einem Steuerein­ gang E+ verbunden ist. Der nicht invertierende Eingang der Vergleichsschaltung 20 ist mit einem Spannungsteiler 22 verbunden, der zwischen die Ausgangsklemmen A+ und Spannungs-Stellgliedes geschaltet ist (wobei im Betriebs­ zustand das potential an der Klemme A+ positiver ist als an der Klemme A-).

Die Versorgungsspannung für die Vergleichsschaltung wird von einer Schaltung 23 erzeugt, und zwar derart, daß sie praktisch unabhängig von den Anderungen der Spannung zwischen den Ausgangsklemmen A+ und A- ist. Der Ausgang der Schaltung 23 ist über eine in Durchlaßrichtung gepolte Diode 24 mit dem positiven Versorgungsspannungsanschluß der Vergleichsschaltung 20 verbunden sowie mit dem einen Anschluß eines Kondensators, dessen anderer Anschluß mit der negativen Ausgangsklemme A- verbunden ist, an die auch der negative Versorgungsspannungsanschluß der Vergleichs­ schaltung 20 angeschlossen ist. Die so für die Spannungs­ versorgung der Vergleichsschaltung 20 zur Verfügung stehende Gleichspannung beträgt z.B. 10 Volt, solange die Ausgangsspannung nur so groß ist, daß mit Hilfe der Schaltung 23 aus ihr dieser Gleichspannungswert ableitbar ist.

Der Ausgang der Vergleichsschaltung 20 ist über eine Treiberstufe 25 und einen vergleichsweise kleinen Wider­ stand 26 (z.B. 1 kOhm) mit dem Gateanschluß eines MOS- Feldeffekttransistors 27 vom N-Kanal-Verarmungstyp verbunden. Der Drainanschluß dieses Transistors ist mit der positiven Ausgangsklemme A+ verbunden, während der Sourceanschluß dieses Transistors über einen kleinen Widerstand 28 mit der negativen Ausgangsklemme A- des Stellgliedes verbunden ist. praktisch der gesamte Strom vom Hochspannungserzeuger 2 zum Hochspannungsverbraucher (Röntgenröhre 1) fließt durch diesen Feldeffekttran­ sistor. Dieser muß daher ein Leistungstransistor sein mit einer hohen Sperrspannung, der einen hohen Gleichstrom führen kann. Wenn der bei dieser Spannung zulässige Strom des Transistors zu klein ist, können mehrere solcher Feldeffekttransistoren mit den einander entsprechenden Elektroden parallelgeschaltet werden.

Zwischen die Ausgangsklemmen A+ und A- ist eine Spannungs­ begrenzerschaltung in Form einer Zenerdiodenstrecke 29 geschaltet, von der ein Abgriff über eine Diode 30 mit dem Gateanschluß des Feldeffekttransistors 27 verbunden ist. Im Falle einer Röhrenstörung würde die Röntgenröhre 1 kurzzeitig einen Kurzschluß darstellen. In einem solchen Fall würde der Spannungsabfall am Stellglied durch die Zenerdioden 29 auf einen Höchstwert begrenzt werden, wobei über den Feldeffekttransistor - kurzzeitig - durch die Änderung seiner Vorspannung über die Diode 30 ein erhöhter Strom fließen würde.

Das in Fig. 3 dargestellte Stellglied verändert die Leit­ fähigkeit des Transistors 27 und damit den Spannungsabfall zwischen den Ausgangsklemmen A+ und A- so, daß die Spannung zwischen dem invertierenden und dem nicht inver­ tierenden Eingang der Vergleichsschaltung 20 stets Null wird. Infolgedessen kann der Spannungsabfall zwischen den Klemmen A+ und A- durch die Spannung an dem Steuereingang E+ oder an einem Steuereingang E-, der über einen Wider­ stand 32 mit dem nicht invertierenden Eingang der Vergleichsschaltung 20 verbunden ist, gesteuert werden.

Wie aus den Fig. 2a und 2b ersichtlich ist, sind die Stellglieder 11, 12 . . . 1 n so in Serie geschaltet, daß der negative Ausgangsanschluß A- eines Stellgliedes mit dem positiven Ausgangsanschluß A+ eines benachbarten Stell­ gliedes verbunden ist. Infolgedessen verteilt sich die Gesamtspannung zwischen dem Hochspannungserzeuger und dem Hochspannungsverbraucher gleichmäßig auf die einzelnen Stellglieder. Gemäß Fig. 2a ist das Stellglied 11, dessen Hochspannungspotential am niedrigsten ist, mit seinem Steuereingang E+ mit dem Ausgang 41 der Regelspannungs­ quelle 8 verbunden. Zwischen den Ausgangsklemmen A+ und A- dieses Stellgliedes wird daher ein Spannungsabfall erzeugt, der linear von dem potential am Anschluß 41 abhängt.

Der Ausgangsanschluß A+ dieses Stellgliedes ist über einen Widerstand 33 auch mit dem Steuereingang E+ des darauf­ folgenden Stellgliedes 12 verbunden. Der Sollwert für das Stellglied 12 wird also aus der Ausgangsspannung des Stellgliedes 11 abgeleitet. Da diese aber dem Sollwert an dessen Eingang E+ bzw. am Eingang 41 entspricht, ent­ spricht auch die Spannung am Eingang E+ der Spannung am Anschluß 41. Infolgedessen folgt der Spannungsabfall am Stellglied 12 dem Spannungsabfall am Stellglied 11.

Die Spannung an der Ausgangsklemme A+ des Stellgliedes 12 wird über einen weiteren Widerstand 33 wiederum dem Eingang E+ des darauffolgenden Stellgliedes zugeführt, aus dessen Ausgangsspannung wiederum der Sollwert des für das darauffolgende Stellglied abgeleitet wird usw., bis schließlich die Ausgangsklemme A+ des vorletzten Stell­ gliedes in der Reihe mit dem Steuereingang E+ des letzten Stellgliedes 1 n verbunden wird. Danach haben alle Stell­ glieder - gleichen Aufbau vorausgesetzt - zwischen ihren Ausgangsklemmen den gleichen Spannungsabfall, der durch das potential am Anschluß 41 bestimmt wird.

Die in Fig. 2b dargestellte Schaltung 3 unterscheidet sich von der Schaltung 4 in Fig. 2a lediglich dadurch, daß der Steueranschluß 31 mit dem Steuereingang E- des Stell­ gliedes 11 verbunden ist, das das niedrigste Hoch­ spannungspotential führt und daß der Sollwert für die übrigen Stellglieder 12 . . . 1 n am Steuereingang E- zugeführt und aus der Spannung am Ausgang A- des voraufgehenden Stellgliedes abgeleitet wird.

Während der Vergleich im Fall der Schaltung nach Fig. 2a abhängig von der Dimensionierung des Spannungsteilers 22 jedoch bei einer Spannung erfolgt, die einige Volt ober­ halb der Spannung an der Ausgangsklemme A- liegt, erfolgt der Spannungsvergleich im Fall der Schaltung nach Fig. 2b bei dem Potential des Ausgangsanschlusses A-, der gleich­ zeitig einen Spannungsversorgungsanschluß der Schaltung 20 bildet. Diese muß daher so ausgelegt sein, daß sie einen Spannungsvergleich bis herab zu dem Potential an ihrem negativen Gleichspannungsversorgungsanschluß durchführen kann.

Vorstehend wurde davon ausgegangen, daß so viele Halb­ leiter-Stellglieder in Serie geschaltet sind, wie zur Realisierung des erforderlichen Hochspannungs-Stell­ bereiches benötigt werden. In der Praxis ist es jedoch nicht sinnvoll, all zu viele solcher Stellglieder hinter­ einander zu schalten, weil die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls um so größer wird, je mehr Stellglieder in der Kette sind, und weil auch die Stellgeschwindigkeit mit zunehmender Anzahl von Stellgliedern abnimmt. Um die Stellgliedkette nicht all zu lang werden zu lassen, kann es daher von Nutzen sein, zwei oder mehr Schaltungen gemäß Fig. 2a oder 2b in Serie zu schalten. Für jede dieser Schaltungen müßte dann eine gesonderte Steuerspannungs­ quelle und ein gesonderter Abgriff an dem Hochspannungs­ teiler vorgesehen sein.

Bei der Anordnung nach Fig. 1 liegen die Schaltungen 3 und 4 in Serie zu dem Hochspannungsverbraucher. Wenn der Hochspannungserzeuger 2 genügend hochohmig ist, können sie aber auch dem Hochspannungsverbraucher parallelgeschaltet sein, d.h. zwischen Anode bzw. Kathode einerseits und Masse andererseits geschaltet sein. In diesem Fall wäre der zu verarbeitende Hochspannungsabfall an den Stell­ gliedern zwar größer, jedoch würde nur ein Teil des Stromes durch den Hochspannungsverbraucher über die Stellglieder fließen.

Bei den Schaltungen nach Fig. 2a bzw. Fig. 2b ist der Anschluß 31 bzw. 41 der Steuerspannungsquelle jeweils mit einem Steuereingang des Stellgliedes gekoppelt, das als erstes bzw. als letztes in der Kette liegt und das geringste Betriebspotential hat. Die Anschlüsse 31 und 41 können jedoch auch mit dem Steuereingang eines Stell­ gliedes in der Mitte der Kette verbunden sein. In diesem Fall müßten die in Richtung auf das positivere Potential folgenden Stellglieder jeweils mit ihrem Steuereingang E- mit dem Ausgang A- des jeweils vorausgehenden Stellgliedes verbunden sein, während die in Richtung auf das negative Potential folgenden Glieder jeweils mit ihrem Steuer­ eingang E+ mit dem Steuereingang A+ des vorausgehenden Stellgliedes verbunden sein müßten.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zur Hochspannungsstellung mit einer Steuerstrecke, deren Leitfähigkeit durch die von einer Steuerspannungsquelle gelieferte Spannung an einem Steuereingang steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere mit ihren Ausgängen in Serie geschaltete Stellglieder (11 . . . 1 n) vorgesehen sind, von denen jedes zwischen seinen Ausgangsklemmen (A+, A-) eine Halbleiterstrecke (27) enthält, deren Leit­ fähigkeit in Abhängigkeit von der Differenz zwischen einem aus der Ausgangsspannung des Stellgliedes abgeleiteten Istwert und einem Sollwert an einem Steuereingang (E+, E-) des Stellgliedes steuerbar ist, daß die Steuerspannungs­ quelle (7, 8) mit dem Steuereingang eines der Halbleiter- Stellglieder (11) gekoppelt ist und daß von diesem Stell­ glied ausgehend aus der Ausgangsspannung eines Stell­ gliedes jeweils der Sollwert für das nachfolgende Stell­ glied abgeleitet wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterstrecke (27) eine Einheit (29) zur Spannungsbegrenzung parallel­ geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Stellglied eine Ver­ gleichsschaltung (20) enthält, die eine der Differenz von Sollwert und Istwert entsprechende Ausgangsspannung zur Steuerung der Halbleiterstrecke (27) liefert, und daß die Versorgungsspannung für die Vergleichsschaltung aus der Ausgangsspannung des Stellgliedes abgeleitet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Stellglied zwischen seinen Ausgangsklemmen einen Spannungsteiler (22) zur Erzeugung des Istwertes enthält.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuereingang der nicht mit der Steuerspannungsquelle gekoppelten Stellglieder mit dem Abgriff eines Spannungsteilers verbunden ist, der zwischen die Ausgangsklemme des zugehörigen Stellgliedes und die Ausgangsklemme des voraufgehenden Stellgliedes geschaltet ist.