KR19980030021A

KR19980030021A - 고주파 방식의 엑스선(X-ray)관용 필라멘트 가열장치

Info

Publication number: KR19980030021A
Application number: KR1019960049358A
Authority: KR
Inventors: 유동욱; 김학성; 윤수현; 박덕신
Original assignee: 윤문수; 재단법인 한국전기연구소; 박덕신; 주식회사 파웰; 윤수현; 주식회사 현대의료기기
Priority date: 1996-10-23
Filing date: 1996-10-23
Publication date: 1998-07-25
Also published as: KR100228419B1

Abstract

본 발명은, 펄스폭 변조방식을 이용한 강압(降壓)형 초퍼(chopper)와 고주파 인버터(High Frequency Inverter)로써 구성하고 스위칭소자의 구동 주파수를 고주파화함으로써 변압기등의 크기를 대폭 축소하고, 필요한 전류 및 전압을 유도하기 위한 변압기의 정격에 적절하게 적응하여 전류/전압을 인가하며 필라멘트에 흐르는 전류를 미세한 양까지 정밀하게 제어하는 고주파 방식의 엑스선관용 필라멘트 가열장치에 관한 것으로서, 상용전원을 필요한 직류전원으로 변환하여 일정하게 유지하는 초퍼(100); 상기 직류전원을 고주파의 교류전압으로 변환하는 고주파 인버터(200); 변압기의 1차측에 흐르는 전류를 목표치와 비교하여 상기 고주파 인버터(200)가 출력하는 전압단속 펄스의 폭을 조정하는 신호를 출력하는 전류 제어부(300); 엑스선 촬영단계에 동기되어 설정되는 목표 전류값을 변경하는 신호 동기부(400); 상기 직류전압을 설정된 기준값과 비교하고 양자의 오차값을 상기 초퍼(100)에 인가하는 전압 조정부(500); 장치의 시동시에 상기 직류전압이 서서히 증가하도록 상기 초퍼(100)를 제어하는 초기전압 제어부(600); 및 변압기(T1, T2)의 1차측에 과전류가 흐르면 상기 고주파 인버터(200)의 출력전압을 차단하는 과전류 제한기(700);를 포함하여 구성되어, 가열변압기의 크기를 축소하고 무게를 경량화시키며 다양한 종류의 필라멘트의 정격에 대응할 수 있으며 또한, 엑스선촬영을 보다 간단히 수행하도록 할 뿐만 아니라 신속하고 정밀한 엑스선촬영이 가능한 효과가 있는 것이다.

Description

고주파 방식의 엑스선(X-ray)관용 필라멘트 가열장치

본 발명은 고주파 방식의 엑스선(X-ray)관용 필라멘트 가열장치에 관한 것으로서, 펄스폭 변조방식을 이용한 강압(降壓)형 초퍼(chopper)와 고주파 인버터(High Frequency Inverter)로써 구성하고 스위칭소자의 구동 주파수를 고주파화함으로써 변압기등의 크기를 대폭 축소하고, 필요한 전류 및 전압을 유도하기 위한 변압기의 정격에 적절하게 적응하여 전류/전압을 인가하며 필라멘트에 흐르는 전류를 미세한 양까지 정밀하게 제어하는 것이 가능한 고주파 방식의 엑스선관용 필라멘트 가열장치에 관한 것이다.

일반적으로 이극 진공관의 전압-전류특정을 갖는 엑스선관은 음극의 필라멘트를 가열하여 열전자를 발생시키게 되는데, 이러한 필라멘트 가열을 위하여 가열용 변압기를 사용하고 있다. 필라멘트는 변압기에서 공급하는 이차측 가열전류에 의해서 방출되는 열전자량을 증감시키게 되는데, 방출되는 열전자의 양에 따라 엑스선관을 흐르는 전류의 양이 결정된다. 엑스선의 발생강도는 엑스선관을 흐르는 전류에 종속되므로, 엑스선관의 필라멘트 가열변동량은 곧 출력되는 엑스선량에도 큰 영향을 미치게 된다. 따라서, 필라멘트 가열량의 변동을 안정화시키기 위한 필라멘트의 가열전류 제어기가 필요하게 된다.

종래의 필라멘트 가열장치는 도 8에 도시된 것과 같이, 상용주파수(60㎐) 전원에 간단한 안정기(10);와 변압기(T)의 1차측에 흐르는 전류량을 결정하는 가변저항기(20);를 포하하여 구성되어 있었다.

상기와 같이 구성된 종래의 필라멘트 가열장치에서는, 상기 안정기(10)가 입력되는 상용 교류전압(60㎐, 110∼220V)의 변동이나 부하변동에도 일정 허용범위내에서 일정하게 유지되는 교류전압을 출력하게 되고, 이 전압은 운용자가 설정하는 상기 가변저항기(20)의 저항값에 의하여 상기 변압기(T)의 1차측에 필요한 만큼의 전류가 흐르게 되고, 이 전류는 2차측에 유도되어 엑스선관의 필라멘트(30)를 가열하게 되는 것이다.

그러나, 상기와 같이 구성되어 동작하는 종래의 필라멘트 강열장치는, 엑스선관에 흐르는 전류를 정밀하게 제어하는 것이불가능하고, 다양한 엑스선의 종류와 넓은 부하조건에 대응하여 동작할 수가 없으며 또한, 응답속도가 느리다는 문제점을 가지고 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소시키기 위해서 창작된 것으로서, 다양한 엑스선 종류와 넓은 부하조건에 대응하여 동작할 수 있고, 사용되는 변압기의 크기를 축소할 수 있으며 또한 응답속도도 빠른 고주파 방식의 엑스선(X-ray)관용 필라멘트 가열장치를 제공하는 것이며, 본 발명의 다른 목적은, 필라멘트에 흐르는 전류를 매우 정밀하게 제어할 수 있는 고주파 방식의 엑스선관용 필라멘트 가열장치를 제공하는 것이며, 본 발명의 또 다른 목적은, 운용자의 간단한 조작으로 필라멘트의 가열과 엑스선 촬영에 필요한 기타 요소들을 제어하는 제어신호를 자동적으로 출력함으로써 사용이 편리한 고주파 방식의 엑스선관용 필라멘트 가열장치를 제공하는 것이며, 본 발명의 또 다른 목적은, 다양한 엑스선 종류와 넓은 부하조건에도 불구하고 변동없는 안정된 전력을 제공할 수 있는 고주파 방식의 엑스선관용 필라멘트 가열장치를 제공하는 것이며, 본 발명의 또 다른 목적은, 급격하게 증가하는 전류/전압이 시동시에 인입되지 않도록 하여 사용되는 소자를 보호하고 사용수명을 연장시킬 수 있는 고주파 방식의 엑스선관용 필라멘트 가열장치를 제공하는 것이며, 본 발명의 또 다른 목적은, 공급되는 에너지의 더 많은 부분을 필라멘트에 전달할 수 있는 효율적인 고주파 방식의 엑스선관용 필라멘트 강려장치를 제공하는 것이다.

도 1 은 본 발명에 따른 고주파 방식의 엑스선관용 필라멘트 가열장치의 바람직한 실시예의 구성도이고,

도 2 는 도 1 의 고주파 인버터의 펄스폭 변조를 위한 제어동작 파형도이고,

도 3 은 도 1 의 신호동기부의 상세 구성도이고,

도 4 는 도 1 의 전류제어부의 부분을 보다 상세하게 도시한 상세 구성도이고,

도 5 는 도 4 의 전류 연산부를 보다 더 상세하게 도시한 상세 구성도이고,

도 6 은 도 4 의 비례적분 제어기를 보다 더 상세하게 도시한 상세 구성도이고,

도 7 은 도 1 의 펄스폭 변조기를 보다 상세하게 도시한 상세 구성도이고,

도 8 은 종래의 엑스선관용 필라멘트 가열장치의 구성을 도시한 것이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

A : 소촛점(small focus) 필라멘트, B : 대촛점(large focus) 필라멘트, C₁, ..., C_m: 캐패시터, C101, C102 : 캐패시터, C201, C202 : 분압 캐패시터, C203 : 임피던스 정합 캐패시터, D214-1, D214-2 : 신호 지연소자, L101 : 인덕터, R₁, ..., R_n: 저항, R501, R502 : 전압검출 저항, S101 : 초퍼 스위치, S201, S202 : 인버터 스위치, SW321, SW322 : 개폐 스위치, SW : 필라멘트 선택스위치, T, T1, T2 : 가열변압기, VR₁, ..., VR_k: 가변저항, ZD1 : 제너 다이오드, 10 : 안정기, 20 : 가변저항기, 30 : 필라멘트, 100 : 강압형 초퍼, 101 : 브릿지 다이오드, 110 : 펄스폭 변조기, 200 : 고주파 인버터, 210 : 펄스폭 변조기, 211 : 반전기, 212 : 삼각파 발생기, 213 : 비교부, 213-1 : 제 1 비교부, 213-2 : 제 2 비교기, 214 : 데드타임 보상부, 214-1, 214-2 : 논리곱소자, 215, 216 : 논리곱소자, 300 : 잔류 제어부, 310 : 전류검출기, 311 : 전류센서, 312 : 전류연산부, 312-1 : 이득 조정기, 312-2 : 여파기, 312-3 : 실효치 변환기, 320 : 목표치 변동설정기, 321 : 비례적분 제어기, 321-1 : 오차 증폭기, 321-2 : 비례제어기, 321-3 : 적분제어기, 400 : 신호 동기부, 401 : 상승에지 트리거, 402, 403 : 하강에지 트리거, 404 : 논리부정소자, 420 : 타이머, 431 : 논리합소자, 432, 433 : 논리곱소자, 500 : 전압 조정부, 510 : 전압 보상기, 600 : 초기전압 제어부, 700 : 과전류 제한기, 800 : LED표시기

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고주파 방식의 엑스선관용 필라멘트 가열장치는, 변압기를 포하하여 구성되는 엑스선(X-Ray)관용 필라멘트 가열장치에 있어서, 입력되는 교류전압을, 음극 필라멘트의 정격에 맞는 전압 및 전류가 공급되기에 적합한 임의의 직류전압으로 변환하여 유지하는 가변 정류수단; 및 상기 변환된 직류전압을 고주파 제어신호로 단속(斷續)하여 고주파의 교류전압을 상기 변압기로 출력하는 직류/교류 변환수단;을 포함하여 구성되는 것에 특징이 있으며,

본 발명에 따른 고주파 방식의 엑스선관용 필라멘트 가열장치는, 상기 변압기의 1차측에 흐르는 전류를 검출하여 그 값에 따라 상기 직류/교류 변환수단에서 출력되는 교류전압을 제어하는 전류 제어수단;을 더 포함하여 구성되는 것과, 상기 전류 제어수단은 상기 검출된 값을 실제 에너지가 전달되는 양인 실효치로 변환한 후 그 값에 따라 제어동작을 수행하는 것에 다른 특징이 있는 것이며,

본 발명에 따른 고주파 방식의 엑스선관용 필라멘트 가열장치는, 사용자의 조작신호에 따라 상기 전류제어수단의 제어신호 및 엑스선 촬영에 필요한 제어신호를 동기시켜 출력하는 신호 동기수단;을 더 포함하여 구성되는 것에 또 다른 특징이 있는 것이며,

본 발명에 따른 고주파 방식의 엑스선관용 필라멘트 가열장치는, 상기 가변정류수단에서 출력되는 직류전압을 일정하게 유지하기 위해 상기 가변 정류수단의 입력에서 출력으로 전압이 전달되는 시간을 조정하는 전압 조정수단;을 더 포함하여 구성되는 것에 또 다른 특징이 있는 것이며,

본 발명에 따른 고주파 방식의 엑스선관용 필라멘트 강열장치는, 시동시에 상기 가변 장류수단에 인가되는 초기전압이 서서히 목표값에 도달하도록 상기 가변 정류수단을 제어하는 초기전압 제어수단;을 더 포함하여 구성되는 것에 또 다른 특징이 있는 것이며,

본 발명에 따른 고주파 방식의 엑스선관용 필라메트 가열장치중 상기 직류/교류 변환수단은, 그 출력단에 임피던스 정합을 위한 용량성소자;를 더 포함하여 구성되는 것에 또 다른 특징이 있는 것이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 고주파 방식의 엑스선관용 필라멘트 가열장치는 다음과 같이 엑스선관용 필라멘트의 정격에 적합한 전류를 정밀한 범위내에서 필라멘트에 인가하게 된다.

먼저, 상기 가변 정류수단은 입력되는 상용의 교류전압으로부터 필라멘트 가열변압기의 정격(또는 필라멘트의 정격)에 맞는 전압/전류를 생성하기 위해 임의로 설정되는 기준치의 직류전압을 출력한다. 상기 가변 정류수단에서 출력되는 전압은 상기 직류/교류 변환수단에 의해 고주파의 교류전압으로 다시 변환된다. 상기 변환된 고주파의 교류전압은 짧은 시간에 많은 에너지를 상기 변압기를 통해 2차측에 유도함으로써 필라멘트를 신속하게 가열하게 되고, 일정 인덕턴스 성분을 내기위한 변압기의 턴수도 고주파의 입력신호로 인해 그 수를 감소시킬 수가 있게 되며, 따라서 사용되는 가열변압기의 크기를 줄일 수가 있게 된다.

또한, 상기 전류 제어수단은 상기 변압기의 1차측에 흐르는 교류전류를 검출하여 그 값을 실제 에너지가 전달되는 실효치의 값으로 변환한 뒤, 그 값을 상기 변압기의 1차측에 흐르도록 하여야 할 목표전류값과 비교하여 상기 변환된 실효치가 더 크면 상기 직류/교류 변환수단을 제어하여 상기 변압기측으로 전압이 인가되는 시간을 축소아혀 전달되는 에너지량을 감소시키고, 상기 실효치가 더 작으면 상기 변압기측으로 전압이 인가되는 시간을 늘려 전달되는 에너지량을 증가시키게 함으로써, 상기 필라멘트에서 방출되는 열전자를 보충하기 위한 전류를 일정하게 유지시키게 되는 것이다. 한편, 상기 전압 조정수단은 상기 가변 정류수단에서 출력되는 직류전압을 검출하여, 그 값을 가열변압기의 정격에 맞는 전압/전류가 변압기에 인가되도록 하는 데 필요한 기준치의 직류전압과 비교하여 그 비교의 결과에 따라 상기 가변 정류수단의 출력단으로 전달되는 에너지를 미세 증가 또는 감소시킴으로써 상기 가변 정류수단의 출력전압이 필요한 직류전압을 항상 유지하도록 한다.

상기 신호 동기수단은, 운용자가 엑스선 촬영을 위해 조작스위치를 누르게 되면 그 신호를 감지하여 그 동작을 위해 필요한 전류를 계산하여 상기 전류 제어수단에 목표전류값을 변경·인가하게 되고, 엑스선관의 양극을 회전시키는 제어 신호와 엑스선 발사동작시에는 엑스선관의 양극과 음극사이에 고전압을 인가하도록 하는 제어신호를 동기시켜 발생시킴으로써 운용자의 간단한 조작에 의해서 모든 과정이 자동적으로 이루어지게 된다.

이하, 본 발명에 따른 고주파 방식의 엑스선관용 필라멘트 가열장치의 바람직한 실시예의 구성과 동작을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 1 은 본 발명에 따른 고주파 방식의 엑스선관용 필라멘트 가열장치의 바람직한 실시예의 구성도로서, 상용전원을 필요한 직류전원으로 변환하여 일정하게 유지하는 강압형 초퍼(chopper : 100): 상기 변환된 직류전원을 고주파 제어신호로써 출려단으로 전달되는 전압을 단속하여 고주파의 교류전압을 변압기(T1, T2)로 출력하는 고주파 인버터(200); 변압기(T1, T2)의 1차측에 흐르는 전류를 일정하게 유지하기 위해 1차측으로부터 전류를 검출하여 그 값을 목표치로 설정된 목표전류와 비교하여 그 결과에 따라 상기 고주파 인버터(200)가 출력하는 전압단속 펄스의 폭을 조정하는 전류 제어부(300); 운용자의 엑스선 촬영단계에 동기되어 상기 전류 제어부(300)에 설정되는 목표 전류값을 변경하고, 열전자 방출등을 위한 제어신호들을 출력하는 신호 동기부(400); 상기 강압형 초퍼(100)의 출력전압을 검출하여 그 값을 변압기(T1, T2)의 정격에 맞도록 설정된 기준값과 비교항고 양자의 오차값을 상기 초퍼(100)에 인가하는 전압 조정부(500); 장치의 시동시에 동작하여 상기 초퍼(100)에서 출려되는 직류전압이 서서히 증가하여 설정된 값에 도달하도록 상기 초퍼(100)를 제어하는 초기전압 제어부(600); 변압기(T1, T2)의 1차측에 흐르는 전류가 제한된 값을 초과하면 상기 고주파 인버터(200)를 제어하여 변압기(T1, T2)에 전압이 인가되지 않도록 하는 과전류 제한기(700); 및 장치의 동작상태와 과전류상태를 표시하는 LED 표시기(800);를 표함하여 구성되어 있으며, 도 1 에는 상기의 구성요소외에 소촛점(small focus) 필라멘트(A), 대촛점(large focus) 필라멘트(B), 그리고 소촛점 필라멘트 가열변압기(T1), 대촛점 필라멘트 가열변압기(T2), 운용자가 가열되는 필라멘트(A, B)를 선택하도록 하는 스위치(SW)도 함께 도시되어 있다.

상기의 구성요소중 상기 강압형 초퍼(100)는, 상용의 교퓨전원으로부터 일정한 직류전원으로 변환하는 브릿지 다이오드(101);와 캐패시터(C202); 변환된 직류전원이 출려단으로 전달되는 것을 단속하느 스위치(S101); 출력단으로 전달되는 직류전원의 값을 조정하기 위해 상기 스위치(S101)가 단속되는 시비율(duty cycle)을 조정하는 펄스폭 변조기(110); 및 상기 스위치(S101)에서 출력되는 전압을 평활시키는 필터소자인 캐패시터(C102);와 인덕터(L101);의 주요 구성소자를 포함하여 구성되고, 상기 고주파 인버터(200)는, 인가된 직류전압을 각각 분압하는 캐패시터(C201, C202)를 일정 시비율로 교번적으로 개폐시키는 펄스폭 변조기(210); 및 변압기(T1, T2)의 입력 임피던스와 정합시키기 위한 캐패시터(C203);의 주요 구성소자를 포함하여 구성되고, 상기 전류 제어부(300)는, 1차측의 전류를 검출하는 전류 검출기(310); 및 상기 신호 동기부(400)의 제어신호와 검출된 전류값에 따라 상기 펄스폭 변조기(210)의 시비율로 제어하는 신호를 인가하는 목표치 변동설정기(320);를 포함하여 구성되고, 상기 전압 조정부(500)는, 상기 초퍼(100)의 출력전압을 분압하여 검출하는 저항(R501, R502); 및 검출된 전압과 기준치의 전압을 비교하여 그 결과에 따라 상기 펄스폭 변조기(110)의 시비율을 조정하는 신호를 출력하는 전압 보상기(510);를 포함하여 구성된다.

이하에서는, 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 고주파 방식의 엑스선관용 필라멘트 가열장치의 바람직한 실시예의 동작을 상세히 설명한다.

먼저, 전원이 인가되면 상기 브릿지 다이오드(101)와 캐패시터(C101)에 의해서 상기 스위치(S101)입력단에 직류전압이 인가된다. 상기 펄스폭 변조기(110)는 상기 스위치(S101)의 입력단의 전압을 출력단으로 전달하기 위해 상기 스위치(S101)를 단속시키는 약 40㎑의 단속시호를 출력하게 되는데, 이 단속하는 신호의 시비율을 증가시키면 출력단에 전달되는 에너지가 높아져 출력전압이 상승하고 시비율을 감소시키면 출려전압이 감소하게 되므로 가열변압기(T1, T2)의 정격이나 음극 필라멘트의 정격에 대응할 수 있는 시비율을 설정하여 그에 따른 직류전압을 출력하도록 하여 다양한 정격을 충족시킬 수가 있게 된다.

시동 초기에는 상기 단속신호는 상기 초기전압 제어부(600)에 의해 제어되어 출력되는 펄스의 시비율을 서서히 증가하게 된다. 출력되는 펄스의 시비율이 증가함에 따라 출력단의 전압이 서서히 상승하게 되어 초기 인가 전압에 의한 과도한 전압인가 현상은 발생하지 않게 된다. 초기시동후 일정시간이 경과하고나면 상기 펄스폭 변조기(110)는 상기 초기전압 제어부(600)에 의해 시비율이 제어되지 않고 상기 전압 보상기(510)에서 인가되는 오차값에 의해 시비율이 미세 조정되기 시작한다. 상기 스위치(S101)의 출력전압은 상기 캐패시터(C102)와 인덕터(L101)에 의해서 평활되고 이 평활된 출력전압은 상기 저항(R501, R502)에 의해 검출된다. 상기 전압 보상기(510)는 검출된 전압을 기준값과 비교하면서 그 비교결과에 따른 오차값을 상기 펄스폭 변조기(110)에 인가하게 되는데, 만약 검출된 값이 기준전압보다 작으면 펄스의 시비율을 미세 증가시키도록 하는 오차값을 출력하고, 검출된 값이 더 크면 펄스의 시비율을 미세 감소시키도록 하는 오차값을 출력한다. 따라서, 상기 펄스폭 변조기(110)는 상기 초퍼(100)의 출력전압에 맞도록 설정된 펄스의 시비율에 따라 상기 스위치(S101)를 단속하는 도중, 소비되는 전류의 증가나 입력전압의 변동에 의하여 출력되는 직류전압의 변동이 발생하게 되면 그 즉시 출력전압을 미세 보상함으로써 전기적 정격에 맞도록 설정된 기준값과 항상 일치하는 직류전압을 유지하게 한다.

일정하게 유지되는 직류전압은 상기 캐패시터(C210, C202)에 의해 이분되어 분압되고, 이 분압된 전압은 상기 스위치(S201, S202)에 의해 상기 변압기(T1, T2)중 스위치(SW)에 의해 선택된 변압기로 출력되게 되는데, 이 출력은 상기 펄스폭 변도기(210)가 상기 스위치(S201, S202)를 약 20㎑의 고주파신호로 교번적으로 단속함으로써 고주파의 교류가 되는 것이다. 고주파의 교류가 상기 변압기(T1, T2)의 입력 임피던스를 정합시킴으로써 상기와 같은 고주파교류에 의한 구동에 도 2차측에 원할한 에너지의 전달이 이루어지게 한다. 또한, 상기와 같은 고주파 방식을 사용하는 경우에 변압기에서의 와전류에 의한 손실을 감소시키기 위해서는 페라이트코어를 사용하여 상기 변압기(T1, T2)를 제작하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 전류 검출기(310)는 변압기(T1, T2)의 1차측에 흐르는 전류를 검출하여 상기 목표치 변동설정기(320)에 전달한다. 상기 목표치 변동설정기(320)는 상기 신호 동기부(400)로부터의 특정 제어신호가 인가되면 현재 설정된 목표치의 전류값과 상기 검출된 전류값을 비교하여 상기 펄스폭 변조기(210)에서 출력되는 펄스의 시비율을 미세 조정하게 되는데, 이 과정은 도 2 의 고주파 인버터(200)의 펄스폭 변조 제어동작 파형도를 참조하여 상세히 설명하낟.

먼저, 설명의 편의를 위해 상기 목표치 변동설정기(320)에서 출력되는 조정신호(PI+)를 도 2 에서 도시된 값으로 가정한다. 도 2 의 조정신호중 음신호(PI-)는 상기 펄스폭 변조기(210)의 내부에서, 입력되는 조정신호(PI+)를 반전시켜 생성하는 신호이다. 상기와 같은 조정신호(PI+, PI-)에 대해 상기 펄스폭 변조기(210)는 자체에서 발생시키는 삼각파와 상호 비교하여 그 삼각파의 신호값이 조정신호중 양신호(PI+)의 값보다 더 크면 상기 스우치(S202)의 게이트(gate)에 도 2 에 도시된 신호(G202)를 인가하여 상기 스위치(S202)를 인가하여 상기 스위치(S202)를 턴온(Turn-On)시키고, 삼각파의 신호값이 조정신호중 음신호(PI-)의 값보다 더 작으면 상기 스위치(S201)를 턴온시키게 된다. 상기와 같은 스위치(S210, S202)의 개폐동작이 이루어지게 되면 고주파 인버터(200)의 출력전압(V_out)은 도 2 와 같은 교류전압이 출력되게 되는 것이다. 이와 같이 출력된 전압으로부터 변압기(T1, T2)의 1차측에 전류가 흐르게 되고, 이 전류가 상기 전류 검출기(310)에 의해 검출되어 상기 목표치 변동설정기(320)에 의해 목표값과 비교되고 그 값이 목표값보다 더 크면 상기 조정신호(PI+)를 미세 증폭시킨다. 상기 조정신호(PI+)가 미세증폭되면 반전된 조정신호(PI-)도 음의 값으로 함께 미세증폭되므로 도 2 에서 보는 바와 같이, 상기 펄스폭 변조기(210)에서 출력되는, 스위치(S201, S202)의 게이트에 인가되는 턴온신호(G201, G202)의 펄스폭은 줄어들게 되고, 이로 인해 출력전압(V_out)의 폭도 감소하여 상기 변압기(T1, T2)로 전달되는 에너지가 미세 감소하여 1차측의 전류가 감소하게 된다. 이와는 반대로 1차측에 흐르는 전류가 감소하여 1차측의 전류가 감소하게 된다. 이와는 반대로 1차측에 흐르는 전류가 감소하여 상기 목표치 변동설정기(320)에 의해 조정신호(PI+)가 다소 감소하면 출력되는 전압(V_out)의 폭은 증가하여 1차측에 흐르는 전류를 미세 증가시키게 된다. 이와 같이, 상기 전류 제어부(300)는 상기 스위치(S201, S202)에 인가되는 제어신호의 시비율을 조정하는 신호를 상기 펄스폭 변조기(210)에 인가함으로써 상기 변압기(T1, T2)의 1차측에 흐르는 전류를 항상 정해진 목표치의 전류값으로 유지하게 되는 것이다.

이하에서는, 상기 각 구성요소를 보다 상세히 도시한 구성도를 참조하여 본 발명에 따른 고주파 방식의 엑스선관용 가열장치의 바람직한 실시예의 동작을 보다 상세히 설명한다.

도 3 은, 상기 신호동기부(400)의 상세 구성도로서, 상승 에지트리거(401); 2개의 하강 에지트리거(402, 403); 플립플롭(410); 및 타이머(420); 그리고 기타 논리소자(404, 431, 432, 433);를 포함하여 구성되어 있으며, 도 4는 상기 전류 제어부(300)부분을 보다 상세히 도시한 구성도로서, 상기 전류 제어부(300)는, 상기 신호 동기부(400)의 제어신호('예열', '준비')가 상기 펄스폭 변조기(210)에 인가되는 것을 제어하는 스위치(SW321, SW322); 상기 변압기(T1, T2)의 1차측 전류를 감지하는 전류센서(311); 감지된 전류를 실효치의 값으로 변환하는 전류연산부(312); 및 상기 연산된 실효치의 값과 목표치의 전류값을 비교하여 상기 스위치(SW322)의 입력단에 조정신호(PI+)를 출력하는 비례적분 제어기(321);를 포함하여 구성되어 있다.

도 3 의 신호동기부(400)에서, 운용자가 'Ready' 스위치를 누르게 되면, 상기 상승 에지트리거(401)가 누름신호를 인식하여 상기 플립플롭(410)의 출력값(Q)을 세트시켜 그 때까지 HIGH상태를 유지하던 '예열'신호를 리세트시키면서 '준비'신호를 HIGH상태로 만든다. '준비'신호가 HIGH상태가 되면 이 신호는 상기 목표치 변동설정기(320)에 인가되어 상기 스위치(SW322)를 단락시킴으로써 상기 비례적분 제어기(321)의 출력이 상기 펄스폭 변조기(210)에 입력되도록 한다. 한편, 상기 전류센서(311)는 변압기(T1, T2)의 1차측 전류를 감지하여 감지된 값을 상기 전류연산부(312)에 입력하게 되는데, 상기 전류연산부(312)는 입력된 교류전류값을 에너지가 전달되는 값을 나타내는 실효치의 값으로 변환하여 이 값을 상기 비례적분 제어기(321)에 인가하게 된다. 상기 비례적분 제어기(321)는 목표치로 설정된 전류값(I_f*)과 비교하여 상기에서 설명한 바와 같이 그 결과에 따라 조정신호(PI+)를 출력하게 되는데, 이 조정신호(PI+)는 상기 '준비'신호에 의해 단락된 스위치(SW322)를 통해 상기 펄스폭 변조기(210)에 입력되어 변압기(T1, T2)중 선택된 변압기의 1차측에 흐르는 전류의 실효치가 목표치에 도달하도록 하고 목표치와 동일하게 되면 그 값에서 일정하게 유지함으로써, 상기 '준비'신호에 의해, 선택된 2차측의 필라멘트(A 또는 B)가 급속하게 가열되도록 한다. 상기 신호 동기부(400)는 '준비'신호와 함께, 'Rotor'신호도 함께 HIGH상태로 출력하는데, 이 'Rotor'신호도 함께 HIGH상태로 출력하는데, 이 'Rotor'신호가 HIGH가 되면 엑스선관의 양극(도면 미도시)이 회전하기 시작하여 이 후에 음극에서 방출되는 열전자가 골고루 부딪히도록 한다.

양극이 회전하기 시작한 후 약 0.4초∼0.8초가 경과하면 정상적인 회전속도를 가지게 되므로, 운용자가 'Ready' 스위치를 누른 상태에서 'Shoot' 스위치를 누르게 되면, 상기 타이머(420)에 의해 설정된 발사시간만큼 신호가 발생하게 된다. 상기 타이머(420)의 출력이 HIGH가 되면 이 신호는 상기 논리곱소자(432, 433)를 통해 'Kvp'제어신호를 HIGH로 출력하게 되어 엑스선관의 양극과 음극에 초고전압을 인가하게 함으로써 가열된 음극에서 열전자가 방출되도록 한다. 열전자가 방출하기 시작하면 2차측에 흐르는 전류가 감소하기 시작하는데, 전류가 감소되는 것을 변압기의 1차측으로부터 검출하여 상기에서 설명한 전류제어과정을 따라 전류를 보상함으로써 1차측 전류를 일정하게 유지하여, 방출되는 열전자를 연속적으로 보상하게 된다.

발사시간이 끝나거나 또는 운용자가 'Ready'스위치의 누름상태를 해제하게되면, 상기 하강 에지트리거(402, 403)는 상기 플립플롭(410)을 리세트시키게 되어 '예열'신호를 제외한 다른 신호들은 모두 LOW상태로 만든다. HIGH상태가 된 '예열'신호와 LOW상태가 된 '준비'신호는 다 같이 상기 목표치 변동설정기(320)에 입력되어 상기 펄스폭 변조기(210)에 입력되는 조정신호를 상기 비례적분 제어기(321)의 조정신호(PI+)에서 '예열기준전류'인 일정전류로 대체하게 된다. 따라서, 예열상태에서는 상기 펄스폭 변조기(210)는 상기 '예열기준전류'에 해당하는 전류가 변압기(T1, T2)의 1차측에 항상 흐르도록 일정한 펄스폭을 갖는 신호로써 상기 스위치(S201, S202)를 교번적으로 단속하게 된다. 이 때는, 전류궤환에 의한 제어과정은 행해지지 않는다.

도 5 내지 도 7 은 상기 도 4 의 구성요소중 상기 전류 연산부(312), 비례적분 제어기(321) 그리고 펄스폭 변조기(210)를 보다 더 상세하게 도시한 각각의 구성도로서, 이하에서는, 상기 각 구성요소(312, 321,210)의 내부 동작을 보다 더 상세히 설명한다.

도 5 에 도시된 전류 연산부(312)에서는, 먼저 전류센서(311)가 변압기(T1, T2)의 1차측으로부터 전류를 감지하고 감지된 미세한 전류성분은 이득조정기(312-1)를 거쳐 일정레벨로 증폭되며, 이 증폭된 신호중 1차측의 전류성분만을 검출하기 위해 20㎑대역의 여파기(312-2)를 이용해 증폭된 신호를 여파시키게 된다. 이와 같이 여파되어, 감지된 전류성분만이 추출되면 이 전류값은 실효치 변환기(312-2)에 입력되어 감지된 전류의 실효치값(I_f)이 출력되게 된다. 상기와 같이 구해진 실효치값(I_f)은 상기 비례적분 제어기(321)에 입력되는데, 도 6 에 도시된 비례적분 제어기(321)에서는, 필라멘트 가열 목표전류값(I_f*)과 실효치로 변환된 실제 가열전류치(I_f)의 차이값을 오차증폭기(321-1)에서 증폭하여 증폭된 오차신호를 기준으로 하여 비례제어기(321-2)와 적분제어기(321-3)는 필요한 제어량을 조정신호(PI+)로 출력하게 된다. 이 때, 제너 다이오드(ZD1)는 상기 조정신호(PI+)가 일정레벨이상 상승하게 되면 출력단의 전류를 바이패스(by-pass)시킴으로써 제어량의 과도한 상승으로 상기 펄스폭 변조기(210)가 과도한 에너지를 변압기(T1, T2)의 1차측으로 전달하는 것을 방지하게 된다. 상기와 같이 구해진 제어량인 조정신호(PI+)는 도 7 과 가티 구성된 펄스폭 변조기(210)에 입력되는데, 도 7의 펄스폭 변조기(210)에서는, 먼저 반전기(211)가 도 2 에 도시된 입력된 조정신호(PI+)의 반전된 신호(PI-)를 생성하게 된다. 조정신호(PI+)와 반전된 신호(PI-)는 비교부(213)에서 삼각파 발생기(212)에서 출력되는 삼각파와 각각 비교되는데, 제 1 비교기(213-1)는 반전된 신호(PI-)가 삼각파 신호보다 큰 구간에서만 HIGH상태를 출력하고 제 2 비교기(213-2)는 삼각파 신호가 조정신호(PI+)보다 큰 구간에서만 HIGH상태를 출력하게 된다.(도 2 참조) 스위칭 소자의 지연시간을 고려하여 상기와 같이 출력되는 논리신호에 데드 타임(dead time)을 삽입하기 위하여 상기 비교부(213)의 출력신호는 데드타임 보상부(214)를 통과하게 된다. 상기 데드타임 보상부(214)에 입력되는 신호는 직접 논리곱소자(214-1, 214-2)에 입력되는 동시에 지연소자(D214-1, D214-2)에 입력되는 동시에 지연소자(D214-1, D214-2)에 입력된 신호는 소정의 시간이 지연되어 원신호 그대로 상기 논리곱 소자(214-1, 214-2)에 입력되어 지연되지 않은 신호와 논리곱연산이 이루어진다. 따라서, 상기 비교부(213)의 어느 한쪽에서 출력된 HIGH상태의 신호는 상기 지연소자(D214-1, D214-2)에 의해 지연된 시간마늠 HIGH상태의 폭이 신호전단부에서 제거되어, 즉 데드타임이 삽입되어 상기 고주파 인버터(200)의 스위치 암(arm : S210 과 S202)의 단락을 완전하게 방지하게 된다. 상기와 같이, 데드타임이 삽입된 신호는 논리곱소자(215, 216)를 통해 고주파 인버터(200)내의 상기 스위치(S201, S202)의 게이트에 각각 입력된다.

한편, 상기 논리곱소자(215, 216)의 한쪽 입력단에는 도 4 에 도시된 상기 과전류 제한기(700)에서 출력되는 제어신호인 '전류제한신호'가 입력되는데, 상기 과전류 제한기(700)는 상기 전류센서(311)로부터 검출된 전류가 일정레벨이상인 것으로 판단되면 상기 '전류제한신호'를 LOW상태로 출력하낟. 상기 '전류제한신호'가 LOW 상태로 상기 논리곱 소자(215, 216)에 동시에 입력되면 상기 데드타임 보상부(214)의 출력신호에 상관없이 상기 스위치(S201, S202)의 게이트에 인가되는 신호가 LOW상태가 되어 상기 변압기(T1, T2)로 에너지가 전달되지 않게 되어, 과전류가 흐르던 1차측의 전류를 감소시키게 되는 것이다.

상기와 같이 구성되어 작용하는 본 발명에 따른 고주파 방식의 엑스선관용 필라멘트 가열장치는, 변압기에 에너지를 전달하는 신호가 고주파이므로 가열 변압기의 크기를 소형화할 수 있으므로, 엑스선발생 시스템에서 고전압 발생용 변압기와 필라멘트 가열용 변압기가 함께 설치된, 절연유(絶緣油)를 포함하는 변압기 외함의 크기를 줄이는 것이 가능한 효과가 있는 것이다. 실제로 본 발명에 따른 실시예에 의해, 가열신호로서 20㎑의 고주파시호를 사용하고 변압기의 재료로서는 페라이트 코어를 사용하여 가열 변압기의 크기를 64㎜×59㎜×32㎜, 무게는 210g까지 줄이는 효과가 있었다.

또한, 출력되는 직류전압의 크기를 자유로이 변화시킬 수 있는 초퍼를 사용하여 고주파 인버터의 입력전압을 조정함으로써, 사용되는 가열변압기의 권수비를 바꾸지 않고서도 여러 종류의 엑스선관용 음극 필라멘트의 정격에 대응할 수 있는 편리함이 있을 뿐 아니라, 엑스선 촬영에 필요한 제어신호를 운용자의 간단한 스위치조작에 의해 자동적으로 동기시켜 출력함으로써, 엑스선 촬영이 보다 더 용이해지고 발생할 수 있는 조작상의 실수를 감소시키는 효과가 있는 것이다.

본 발명에 따른 고주파 방식의 엑스선관용 필라멘트 가열장치는, 필라멘트를 가열하는 전류와, 전류를 출력하기 위해 제공되는 직류전압을 어떠한 외부 부하의 변동에도 일정하게 유지하는 제어기를 포함하여 구성되어, 엑스선관의 음극에서 방출되는 열전자수를 일정하게 유지함으로써, 엑스선 촬영을 보다 더 정교하게 할 수 있는 매우 유용하고 편리한 발명인 것이다.

Claims

변압기를 포함하여 구성되는 엑스선(X-ray)관용 필라멘트 가열장치에 있어서, 입력되는 교류전압을, 음극 필라멘트의 정격에 맞는 전압 및 전류가 공급되기에 적한한 임의의 직류전압으로 변환하여 유지하는 가변 정류수단; 및 상기 변환된 직류전압을 고주파 제어신호로 단속(斷續)하여 고주파의 교류전압을 상기 변압기로 출력하는 직류/교류 변환수단;를 포함하여 구성되는 고주파 방식의 엑스선관용 필라멘트 가열장치.
제 1 항에 있어서, 상기 변압기의 1차측에 흐르는 교류전류를 검출·연산하여 그 값을 설정된 목표전류값과 비교하고 비교된 값의 차이에 따라 상기 직류/교류 변환수단에서 출력되는 교류전압의 실효치를 증가 또는 감소시키는 제어신호를 출력하는 상기 직류/교류 변환수단에 인가하는 전류 제어수단;을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고주파 방식의 엑스선관용 필라멘트 가열장치.
제 2 항에 있어서, 상기 연산은 검출된 교류값으로부터 실효치 값을 구하는 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고주파 방식의 엑스선관용 필라멘트 강려장치.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 엑스선 촬영단계에 동기되어 상기 전류 제어수단의 비교 기준인 설정된 목표전류값을 변경하고, 열전자 방출을 위한 동기된 제어신호들을 출력하는 신호 동기수단;을 더 포함하여 구성되는 것을 특지응로 하는 고주파 방식의 엑스선관용 필라멘트 가열장치.
제 1 항에 있어서, 상기 가변 정류수단에서 출력되는 직류전압을 검출하여 설정된 값과 비교하고 비교된 값의 차이에 따라 상기 직류전압을 증가 또는 감소시키기 위해, 상기 가변 정류수단의 입력에서 출력으로 전압이 전달되는 시간을 조정하는 전압 조정수단;을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고주파 방식의 엑스선관용 필라멘트 가열장치.
제 1 항에 있어서, 장치의 시동시에만 작동하여 상기 가변 정류수단에서 출력되는 직류전압이 서서히 증가하여 설정된 값에 도달하도록 상기 가변 정류수단을 제어하는 초기전압 제어수단;을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고주파 방식의 엑스선관용 필라멘트 가열장치.
제 1 항, 제 2 항, 제 3 항, 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 직류/교류 변환수단은 출력단에 상기 변압기에 전달되는 에너지를 높이기 위해 임피던스를 정합시키는 용량성소자;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고주파 방식의 엑스선관용 필라멘트 가열장치.