[0001] Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Hochspannungsstellung mit einer
Steuerstrecke, deren Leitfähigkeit durch die von einer Steuerspannungsquelle gelieferte
Spannug an einem Steuereingang steuerbar ist.
[0002] Eine solche Schaltungsanordnung ist aus der Zeitschrift "Electromedica" 4-5/1973,
Seite 178, Bild 1 in Verbindung mit einem Röntgengenerator bekannt, wobei als Steuerstrecke
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 Hochspannungsfestigkeit solcher Stellglieder
mehrere davon in Serie geschaltet werden. Pro Stellglied wäre dabei eine Steuerspannungsquelle
erforderlich, die Steuersignale auf Hochspannungspotential liefern müßte. Derartige
Steuerspannungsquellen enthalten in der Regel ein isolierendes Übertragungselement
z.B. in Form einer Lichtleiterstrecke oder eines Isoliertransformators und sind relativ
teuer.
[0003] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Schaltungsanordnung mit mehreren Halbleiter-Stellgliedern
aufzubauen, die nicht für jedes Stellglied eine gesonderte Steuerspannungsquelle benötigt.
[0004] Ausgehend von einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe
dadurch gelöst, daß mehrere mit ihren Ausgängen in Serie geschaltete Stellglieder
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 abgeleiteten Istwert und einem Sollwert an einem
Steuereingang des Stellgliedes steuerbar ist, daß die Steuerspannungsquelle mit dem
Steuereingang eines der Halbleiter-Stellglieder gekoppelt ist und daß von diesem Stellglied
ausgehend aus der Ausgangsspannung eines Stellgliedes jeweils der Sollwert für das
nachfolgende Stellglied abgeleitet wird.
[0005] 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 Stellgliedes entspricht. Die Sollwerte
werden jeweils aus den Ausgangsspannungen der in der Reihenschaltung vorhergehenden
Stellglieder abgeleitet und nur dem jeweils ersten Stellglied muß eine Steuerspannung
zugeführt werden.
[0006] Je mehr Stellglieder durch eine Steuerspannungsquelle gesteuert werden, desto größer
ist der damit erzielbare Spannungshub, desto größer ist aber auch die Ausfallwahrscheinlichkeit
und desto geringer ist die Stellgeschwindigkeit. In der Praxis ist es daher nicht
sinnvoll, 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 Steuerspannungsquelle vorsehen - , falls
der mit einer nach oben begrenzten Anzahl von Stellgliedern erzielbare Hochspannungs-Stellbereich
nicht groß genug ist.
[0007] Bei verschiedenen Anwendungsfällen ist es möglich, daß der Hochspannungsverbraucher
bei Störungen kurzzeitig kurzgeschlossen 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 Spannungsbegrenzung parallelgeschaltet
ist.
[0008] Grundsätzlich wäre es möglich, daß der steuerbaren Halbleiterstrecke selbst, beispielsweise
einem Transistor, mittels eines passiven Netzwerkes die Differenz von Sollwert 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
Vergleichsschaltung 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 zusätzlichen Abgleich der Regelfehler gering gehalten.
[0009] Je nachdem, ob das Potential des voraufgehenden Stellgliedes positiver oder negativer
ist, wird dabei entweder der invertierende oder nicht invertierende Eingang einer
solchen Vergleichsschaltung mit der Ausgangsklemme des voraufgehenden Stellgliedes
gekoppelt.
[0010] 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.
[0011] 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 vorgegebenen
Sollwert entsprechen.
[0012] 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 Regeltrioden gebildet werden, während diese Schaltungen bei der Erfindung
durch eine Reihe von Halbleiter-Stellgliedern 11, 12...In ersetzt sind (vgl. Fig.
2a und 2b). Die Stellglieder haben den gleichen in Fig. 3 dargestellten Aufbau. Jedes
Stellglied besitzt eine Vergleichsschaltung 20, deren invertierender Eingang mit dem
Abgriff eines Spannungsteilers 21 verbunden ist, dessen einer Anschluß mit der negativen
Ausgangsklemme A- des Stellgliedes und dessen anderer Anschluß mit einem Steuereingang
E+ verbunden ist. Der nicht invertierende Eingang der Vergleichsschaltung 20 ist mit
einem Spannungsteiler 22 verbunden, der zwischen die Ausgangsklemmen A+ und A- des
Spannungs-Stellgliedes geschaltet ist (wobei im Betriebszustand das Potential an der
Klemme A+ positiver ist als an der Klemme A-).
[0013] Die Versorgungsspannung für die Vergleichsschaltung wird von einer Schaltung 23 erzeugt,
und zwar derart, daß sie praktisch unabhängig von den Änderungen 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, desse anderer Anschluß
mit der negativen Ausgangsklemme A- verbunden ist, an die auch der negative Versorgungsspannungsanschluß
der Vergleichsschaltung 20 angeschlossen ist. Die so für die Spannungsversorgung 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.
[0014] Der Ausgang der Vergleichsschaltung 20 ist über eine Treiberstufe 25 und einen vergleichsweise
kleinen Widerstand 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 Feldeffekttransistor. 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.
[0015] Zwischen die Ausgangsklemmen A+ und A- ist eine Spannungsbegrenzerschaltung 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.
[0016] Das in Fig. 3 dargestellte Stellglied verändert die Leitfähigkeit des Transistors
27 und damit den Spannungsabfall zwischen den Ausgangsklemmen A+ und A- so, daß die
Spannung zwischen dem invertierenden und dem nicht invertierenden 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 Widerstand 32 mit dem nicht invertierenden
Eingang der Vergleichsschaltung 20 verbunden ist, gesteuert werden.
[0017] Wie aus den Fig. 2a und 2b ersichtlich ist, sind die Stellglieder 11, 12...In so
in Serie geschaltet, daß der negative Ausgangsanschluß A- eines Stellgliedes mit dem
positiven Ausgangsanschluß A+ eines benachbarten Stellgliedes 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 Regelspannungsquelle 8 verbunden. Zwischen den Ausgangsklemmen A+ und A-dieses
Stellgliedes wird daher ein Spannungsabfall erzeugt, der linear von dem Potential
am Anschluß 41 abhängt.
[0018] Der Ausgangsanschluß A+ dieses Stellgliedes ist über einen Widerstand 33 auch mit
dem Steuereingang E+ des darauffolgenden 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, entspricht
auch die Spannung am Eingang E+ der Spannung am Anschluß 41. Infolgedessen folgt der
Spannungsabfall am Stellglied 12 dem Spannungsabfall am Stellglied 11.
[0019] 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 Stellgliedes
in der Reihe mit dem Steuereingang E+ des letzten Stellgliedes ln verbunden wird.
Danach haben alle Stellglieder - gleichen Aufbau vorausgesetzt - zwischen ihren Ausgangsklemmen
den gleichen Spannungsabfall, der durch das Potential am Anschluß 41 bestimmt wird.
[0020] 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
Stellgliedes 11 verbunden ist, das das niedrigste Hochspannungspotential führt und
daß der Sollwert für die übrigen Stellglieder 12...In am Steuereingang E- zugeführt
und aus der Spannung am Ausgang A- des voraufgehenden Stellgliedes abgeleitet wird.
[0021] 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 oberhalb
der Spannung an der Ausgangsklemme A- liegt, erfolgt der Spannungsvergleich im Fall
der Schaltung nach Fig. 2b bei dem Potential des Ausgangsanschlusses A-, der gleichzeitig
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.
[0022] Vorstehend wurde davon ausgegangen, daß so viele Halbleiter-Stellglieder in Serie
geschaltet sind, wie zur Realisierung des erforderlichen Hochspannungs-Stellbereiches
benötigt werden. In der Praxis ist es jedoch nicht sinnvoll, all zu viele solcher
Stellglieder hintereinander 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 Steuerspannungsquelle und ein gesonderter Abgriff an dem Hochspannungsteiler
vorgesehen sein.
[0023] 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 parallelgegchalfet sein, d.h. zwischen Anode bzw. Kathode
einerseits und Masse andererseits geschaltet sein. In diesem Fall wäre der zu verarbeitende
Hochspannungsabfall an den Stellgliedern zwar größer, jedoch würde nur ein Teil des
Stromes durch den Hochspannungsverbraucher über die Stellglieder fließen.
[0024] 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 Stellgliedes 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 Steuereingang E+ mit
dem Steuereingang A+ des vorausgehenden Stellgliedes verbunden sein müßten.
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...In) vorgesehen sind, von denen jedes zwischen seinen Ausgangsklemmen (A+, A-)
eine Halbleiterstrecke (27) enthält, deren Leitfähigkeit 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 Steuerspannungsquelle (7, 8) mit dem Steuereingang eines der Halbleiter-Stellglieder
(11) gekoppelt ist und daß von diesem Stellglied ausgehend aus der Ausgangsspannung
eines Stellgliedes jeweils der Sollwert für das nachfolgende Stellglied abgeleitet
wird.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterstrecke (27) eine Einheit (29) zur Spannungsbegrenzung
parallelgeschaltet ist.
3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß jedes Stellglied eine Vergleichsschaltung (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.