DE3600205C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Hochspannungsnetzteil für eine Röntgenröhre gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In der DE-OS 28 46 458 ist ein gattungsgemäßes Hochspannungsnetzteil mit einem Wechselrichter, einem Hochspannungs-Transformator zur Erhöhung der Ausgangs-Wechselspannung, einem Hochspannungs-Gleichrichter zur Umformung dieser Ausgangs-Wechselspannung, einer Röntgenröhre, an die die so erzeugte Gleichspannung angelegt wird, und einer Steuerschaltung für den Wechselrichter beschrieben, mit der das Tastverhältnis des Wechselrichters geregelt wird.

Auch aus der DE-OS 27 28 563 ist ein Hochspannungsnetzteil mit einem derartigen Aufbau bekannt, bei dem jedoch in Abhängigkeit von der gewünschten Größe einer Röntgenröhrenspannung die Frequenz des Wechselrichters eingestellt wird. Dies erfolgt durch ein Stellglied, das auf mehrere Stufen für die Wechselrichterfrequenz programmiert ist, so daß die Frequenzumschaltung je nach gewählter Röntgenröhrenspannung stufenweise erfolgt. Als Grundsatz gilt dabei, daß die Wechselrichterfrequenz um so kleiner eingestellt wird, je kleiner die eingestellte Röhrenspannung ist.

Die JP 57-1 63 998A beschreibt ebenfalls ein gattungsgemäßes Hochspannungsnetzteil, bei dem die Arbeitsfrequenz des Wechselrichters so gesteuert wird, daß sie zu einem Anfangszeitpunkt hoch ist und mit zunehmender Betriebszeit allmählich in eine konstante niedrigere Frequenz umgeformt wird.

Ein Beispiel für ein derartiges Hochspannungsnetzteil nach dem Stand der Technik ist in Fig. 4 gezeigt. Danach wird eine Wechselspannung von einer üblichen Wechselleistungsquelle 1 durch eine aus Gleichrichtern 2, 3, 4 und 5 aufgebaute Vollweg-Gleichrichterschaltung I gleichgerichtet, und das Ausgangssignal der Vollweg-Gleichrichterschaltung I durch eine Glättungsschaltung aus einer Drosselspule 6 und einem Kondensator 7 geglättet, um eine Gleichspannung zu erzeugen, die einen geringen Welligkeitsanteil enthält. Das Ausgangssignal dieser Glättungsschaltung wird auf eine Zerhackerschaltung II gegeben, die aus einem Transistor 8, einer Transistor-Ansteuerschaltung 9, einer Freilauf-Diode 10, einer Drosselspule 11, einem Kondensator 12 und Widerständen 13 und 14 für die Spannungserfassung aufgebaut ist. Das Verhältnis zwischen der Einschaltperiode und der Ausschaltperiode des Transistors 8, das im folgenden als "Tastzyklus" der Schaltoperation bezeichnet wird, wird in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Bedingung der Röntgenbelichtung verändert, wodurch die Ausgangs-Gleichspannung der Zerhackerschaltung II eingestellt wird. Das Ausgangssignal der Zerhackerschaltung II wird an eine Vollbrücken-Wechselrichterschaltung III angelegt, die aus Transistoren 15, 16, 17, 18, Freilauf-Dioden 19, 20, 21, 22, Transistor-Ansteuerschaltungen 23, 24, 25, 26 und einer Wechselrichter-Steuerschaltung 41 aufgebaut ist. Die Ausgangs-Gleichspannung der Zerhackerschaltung II wird durch die Wechselrichterschaltung III in eine Wechselspannung umgerichtet, deren Frequenz gewöhnlich einige hundert Hz beträgt, und diese Wechselspannung wird auf einen Hochspannungstransformator 27 gegeben. Die Ausgangsspannung des Hochspannungstransformators 27 wird durch eine Hochspannungs-Gleichrichterschaltung aus Gleichrichtern 28, 29, 30 und 31 in eine Gleichspannung umgeformt und anschließend über ein Hochspannungskabel an eine Röntgenröhre 34 angelegt. Die Bezugsziffern 32 und 33 bezeichnen Leitungs-Kapazitäten des Hochspannungskabels. Ein zu einem Röhrenspannungs-Vorgabewert proportionales Röhrenspannungssignal Ekv wird an einen Eingangsanschluß 38, ein zu einem Röhrenstrom-Vorgabewert proportionales Röhrenstromsignal EmA an einen Eingangsanschluß 39 angelegt. Ein Röntgenbelichtungs-Startsignal Exp wird auf einen Eingangsanschluß 40 gegeben.

In einer so aufgebauten Röntgenvorrichtung nach dem Stand der Technik wird eine an die Röntgenröhre 34 angelegte Röhrenspannung kV durch Steuerung des Tastzyklus der Zerhackeroperation der Zerhackerschaltung II eingestellt. Dazu wird auf Grundlage der genannten Eingangssignale, d. h. des Röhrenspannungssignals Ekv und des Röhrenstromsignals EmA, ein Signal erzeugt, das den Tastzyklus der Zerhackeroperation der Schaltung II angibt. Im einzelnen erzeugt ein mit einem Oszillator 35 verbundener monostabiler Multivibrator 36 ein Tastzyklus-Impulssignal. Dieses Impulssignal wird durch die Transistor-Ansteuerschaltung 9 für das Schalten des Schalttransistors 8 verstärkt, und die Ausgangsspannung der Zerhackerschaltung II wird durch die Spannungserfassungs-Widerstände 13 und 14 erfaßt. Die erfaßte Spannung wird zu einem Komparator 37 rückgekoppelt und mit dem Signal verglichen, das den Tastzyklus angibt. Damit läßt sich unabhängig von einer Veränderung der Wechselspannung von der Wechselleistungsquelle 1 und unabhängig von der Veränderung einer Belastung, die bei einem Betrieb des Wechselrichters unter verschiedenen Lastbedingungen auftritt, immer eine stabilisierte Ausgangsspannung erzeugen.

Im folgenden wird angenommen, daß die Wechselrichter-Steuerschaltung 41 EIN-Impulse erzeugt, die, wie unter (a) und (b) in Fig. 5 gezeigt, jeweils über die Halbperiode der Wechselrichteroperation dauern. In einem solchen Fall hat eine an den Hochspannungstransformator 27 angelegte Eingangsspannung C eine Wechselspannungs-Wellenform mit demselben Spitzenwert, wie unter (c) in Fig. 5 dargestellt. Eine solche Eingangsspannung C wird an die Primärwicklung des Hochspannungstransformators 27 angelegt, und die sich ergebende Ausgangsspannung, die über der Sekundärwicklung des Hochspannungstransformators 27 abfällt, wird durch die Hochspannungs-Gleichrichterschaltung aus den Gleichrichtern 28, 29, 30 und 31 in eine Gleichspannung umgeformt. In der Wellenform der gleichgerichteten Röhrenspannung tritt unmittelbar nach dem Anlegen der Eingangsspannung, wie unter (d) in Fig. 5 gezeigt, ein Überschwingen Pm auf. Daneben erscheint bei jedem Anlegen des Eingangsimpulses in der Wellenform ein unerwünschter Welligkeitsanteil.

Das Überschwingen Pm und der unerwünschte Welligkeitsanteil verschlechtern die Röntgenstrahlausgabe.

Diese Probleme werden durch eine Streuinduktivität im Hochspannungstransformator 27 und die zwischen der Abschirmung und der Seele des Hochspannungskabels vorliegende Kapazität vergrößert.

Die Aufgabe der Erfindung ist darin zu sehen, ein Hochspannungsnetzteil so auszulegen, daß der unerwünschte Welligkeitsanteil in der Röntgenröhrengleichspannung minimiert wird, um die Gleichmäßigkeit der Röhrenspannung und damit die Röntgenstrahlausgabe zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Die Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels deutlich, die unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen erfolgt.

In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 ein Schaltbild, das schematisch den Aufbau einer Wechselrichter-Steuerschaltung darstellt, wie sie in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochspannungsnetzteils vorgesehen ist,;

Fig. 2A und 2B Signal-Wellenformen, die an verschiedenen Teilen von Fig. 1 auftreten;

Fig. 3 ein Schaltbild des in Fig. 1 gezeigten Funktions-Generators

Fig. 4 ein Schaltbild, das schematisch den Aufbau eines bekannten Hochspannungsnetzteils darstellt, um die dem Stand der Technik anhaftenden Probleme zu verdeutlichen; und

Fig. 5 ein Wellenform-Diagramm zur Erläuterung des Betriebs des in Fig. 4 gezeigten, bekannten Hochspannungsnetzteils.

Bauteile mit übereinstimmenden Funktionen sind in sämtlichen Zeichnungen mit denselben Bezugsziffern versehen, um Wiederholungen der Beschreibung zu vermeiden.

Das Prinzip des Ausführungsbeispiels der Erfindung liegt darin, daß die Wellenform einer an einen Hochspannungstransformator angelegten Eingangsspannung von der Rechteck-Wellenform einer Wechselspannung, die dazu neigt, einen Welligkeitsanteil hervorzurufen, zu einer Wellenform verändert oder an eine solche angenähert wird, die keine Entwicklung eines Welligkeitsanteils bewirkt. Dadurch wird das Auftreten des Welligkeitsanteils und eines Überschwingers unterdrückt. Um an den Hochspannungstransformator eine Eingangsspannung anzulegen, die den Welligkeitsanteil nicht hervorruft, sind für die Durchführung einer Hochfrequenz-Zerhackeroperation zumindest zwei schaltende Elemente vorgesehen, die, beispielsweise unter vier schaltenden Elementen, die einen Wechselrichter aufbauen, einander entgegengesetzt angeordnet sind. Daneben wird der Tastzyklus der Hochfrequenz-Zerhackeroperation der schaltenden Elemente entsprechend einer geeigneten Funktion synchron zur Umrichtperiode des Wechselrichters gesteuert, wodurch die Wellenform der Eingangsspannung des Hochspannungstransformators so verändert wird, daß sie keinen Welligkeitsanteil hervorruft.

Fig. 1 ist ein Schaltbild, das schematisch den Aufbau einer Wechselrichter-Steuerschaltung 41A zeigt. Ein Frequenzteiler 42 teilt die Frequenz eines Ausgangssignals (e) des Oszillators 35 auf eine Arbeitsfrequenz (g) der Wechselrichterschaltung. Eine Triggerimpuls-Generatorschaltung 43 erzeugt ein Trigger-Impulssignal (h) zum Triggern eines Flip-Flop (F.F) 44 und eines Multivibrators (M.M) 45, der das Tastverhältnis der schaltenden Elemente in der in Fig. 4 gezeigten Wechselrichterschaltung III bestimmt. Ein Ausgangssignal (k) des Multivibrators 45 und Ausgangssignale (i) und (j) des Flip-Flop 44 werden zusammen mit einem Röntgenbelichtungs-Startsignal (n), das über den Eingangsanschluß 40 angelegt wird, wie gezeigt auf UND-Schaltungen 46 und 47 gegeben.

Das Ausgangssignal (e) des Oszillators 35 wird daneben an eine Generatorschaltung 50 angelegt, die eine Sägezahnspannung (f) erzeugt. Ein dem Röhrenspannungs-Vorgabewert proportionales Röhrenspannungssignal Ekv und ein dem Röhrenstrom-Vorgabewert proportionales Röhrenstromsignal EmA werden über entsprechende Eingangsanschlüsse 38 und 39 zusammen mit dem Ausgangssignal (k) des Multivibrators 45 an eine Funktionsgeneratorschaltung 51 angelegt. Die Funktionsgeneratorschaltung 51 erzeugt ein Signal (l), das in einer dem Takt des Ausgangssignals (k) des Multivibrators 45 entsprechenden Beziehung allmählich ansteigt.

In den Fig. 2A und 2B sind die Wellenformen der folgenden Signale dargestellt:

(e) des Ausgangssignals des Oszillators 35,
(f) der Sägezahnspannung der Generatorschaltung 50,
(g) der Arbeitsfrequenz der in Fig. 4 gezeigten Wechselrichterschaltung III,
(h) des Trigger-Impulszuges der Triggerimpuls-Generatorschaltung 43 für die Triggerung des Flip-Flop 44 und des Multivibrators 45,
(i) und (j) der Ausgangssignale des Flip-Flop 44,
(k) des Ausgangssignals des Multivibrators 45,
(l) des Ausgangssignals der Funktionsgeneratorschaltung 51,
(m) eines am Ausgang eines Komparators 52, der die Sägezahnspannung (f) der Generatorschaltung 50 und das Ausgangssignal (l) der Funktionsgeneratorschaltung 51 vergleicht, auftretenden Signals, das den Tastzyklus der Hochfrequenz-Zerhackeroperation angibt, und
(n) des Röntgenstrahlbelichtungs-Startsignals.

Das Signal (m) vom Komparator 52 wird zusammen mit dem Ausgangssignal der UND-Schaltung 46 an eine UND-Schaltung 48 und ebenso zusammen mit dem Ausgangssignal der UND-Schaltung 47 an eine UND-Schaltung 49 angelegt. Daraufhin ergeben sich an den UND-Schaltungen 48 bzw. 49 Ansteuersignale (o) und (p) für die Ansteuerung der Wechselrichterschaltung III. Die Wellenform der an den Hochspannungstransformator 27 angelegten Eingangsspannung ist unter (q), die Wellenform einer Röhrenspannung unter (r) dargestellt.

Fig. 3 ist ein Schaltbild, das den praktischen Aufbau einer Form der in Fig. 1 dargestellten Funktionsgeneratorschaltung 51 zeigt.

Entsprechend Fig. 3 wird das Signal (k) vom Multivibrator 45 an einen Eingangsanschluß 53 angelegt. Das Röhrenspannungssignal Ekv und das Röhrenstromsignal EmA gelangen über die entsprechenden Eingangsanschlüsse 38 und 39 an eine Dividierschaltung 54, die ein dem Verhältnis Ekv/EmA proportionales Spannungssignal erzeugt. Ein Operationsverstärker 55 und ein Feldeffekttransistor (FET) 56 bilden eine Konstantstrom-Schaltung, die einen Ausgangsstrom i erzeugt, der durch die Ausgangsspannung der Dividierschaltung 54 eingestellt werden kann. Ein Widerstand R2, der Feldeffekttransistor 56 und ein Kondensator 57 bilden eine Integrierschaltung, die die Ausgangsspannung (l) erzeugt. Die Zeitkonstante dieser Ausgangsspannung (l) der Integrierschaltung kann in Abhängigkeit vom Wert des Stromes i gesteuert werden, d. h. in Abhängigkeit vom Röhrenspannungssignal Ekv und vom Röhrenstromsignal EmA, die an die Dividierschaltung 54 angelegt sind. Transistoren 58 und 59 bilden eine Entladeschaltung, die den Kondensator 57 während der Abschaltperiode des Ausgangsspannungssignals (k) des Multivibrators 45 entlädt. Die Funktionsgeneratorschaltung 51 umfaßt Widerstände R1 bis R8.

Der Betrieb des Ausführungsbeispiels wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 beschrieben.

Entsprechend Fig. 1 wird das Ausgangssignal (e) des Oszillators 35 durch den Frequenzteiler 42 einer Frequenzteilung auf die Arbeitsfrequenz (g) der in Fig. 4 gezeigten Wechselrichterschaltung III unterzogen. Dieses Arbeitsfrequenzsignal (g) wird an die Triggerimpuls-Generatorschaltung 43 angelegt, und das von dieser Schaltung 43 erzeugte Trigger-Impulssignal (h) wird auf das Flip-Flop 44 und den Multivibrator 45 gegeben, der das Tastverhältnis der schaltenden Elemente der Wechselrichterschaltung III festlegt. Das Ausgangssignal (k) des Multivibrators 45 wird zusammen mit dem Ausgangssignal (i) des Flip-Flop 44 an die UND-Schaltung 46 und zusammen mit dem anderen Ausgangssignal (j) des Flip-Flop 44 an die UND-Schaltung 47 angelegt. Weiterhin wird das Ausgangssignal (k) des Multivibrators 45 auf die Funktionsgeneratorschaltung 51 gegeben. Das Röntgenstrahlbelichtungs-Startsignal (n) wird über den Eingangsanschluß 40 an die UND-Schaltungen 46 und 47 angelegt.

Das Ausgangssignal (e) des Oszillators 35 wird auch an die Generatorschaltung 50 angelegt, die die Sägezahnspannung (f) erzeugt. Das dem Röhrenspannungs-Vorgabewert proportionale Röhrenspannungssignal Ekv und das dem Röhrenstrom-Vorgabewert proportionale Röhrenstromsignal EmA werden über die entsprechenden Eingangsanschlüsse 38 und 39 zusammen mit dem Ausgangssignal (k) des Multivibrators 45 an die Funktionsgeneratorschaltung 51 angelegt. Die Funktionsgeneratorschaltung 51 erzeugt das Signal (l), das in einer dem Takt des Ausgangssignals (k) des Multivibrators 45 entsprechenden Beziehung allmählich ansteigt.

Dieses Signal (l) und das Sägezahnspannungs-Signal (f) werden an den Komparator 52 angelegt, an dem das Signal (m) auftritt, dessen Impulsbreite allmählich mit der Frequenz des Sägezahnspannungs-Signals (f) zunimmt, um die Zerhackeroperation zu steuern. Die Ausgangssignale der UND-Schaltungen 46 und 47 werden zusammen mit dem Signal (m) auf die UND-Schaltungen 48 bzw. 49 gegeben, und die die in Fig. 4 gezeigte Wechselrichterschaltung III ansteuernden Ansteuersignale (o) und (p) werden von diesen UND-Schaltungen 48 bzw. 49 erzeugt.

Wenn diese Ansteuersignale (o) und (p) an die in Fig. 4 gezeigte Wechselrichterschaltung III angelegt werden, wird eine Eingangsspannung C mit einer in Fig. 2B gezeigten Wechselspannungs-Wellenform (q) auf den Hochspannungstransformator 27 gegeben. Fig. 2B ist zu entnehmen, daß dieser Wechselspannungs-Wellenzug bei gleichbleibendem Spitzenwert diskontinuierliche AUS-Perioden aufweist.

Aufgrund des Vorhandenseins der Streuinduktivität des Hochspannungstransformators 27 und der Kapazität des Hochspannungskabels wird die Ausgangsspannung (r) der aus den Gleichrichterelementen 28, 29, 30 und 31 aufgebauten Hochspannungs-Gleichrichterschaltung geglättet und hat die in Fig. 2B gezeigte Wellenform. Fig. 2B ist zu entnehmen, daß man eine Röhrenspannungs-Wellenform erhält, bei der die Welligkeit geringer als beim Stand der Technik ist. In Abhängigkeit von einer vorgegebenen Lastbedingung der Röntgenröhre 34 kann in der Wellenform der Röhrenspannung eine leichte Welligkeit auftreten, deren Frequenz der der Sägezahnspannung (f) entspricht. Dieser Welligkeitsanteil läßt sich vermindern, wenn die Frequenz der Sägezahnspannung (f) hinreichend höher als die Arbeitsfrequenz der Wechselrichterschaltung III ist.

Die Art des Welligkeitsanteils hängt auch von dem Röhrenspannungs- und vom Röhrenstrom-Vorgabewert ab.

Aus der obigen Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung ergibt sich, daß die schaltenden Elemente der in Fig. 4 gezeigten Wechselrichterschaltung III so angesteuert werden, daß sie eine Art Hochfrequenz-Zerhackeroperation durchführen, wobei jedesmal beim Umschalten der schaltenden Elemente der Tastzyklus der Zerhackeroperation entsprechend einem Signal allmählich erhöht wird.

In der obigen Ausführungsform werden beispielsweise die die Wechselrichterschaltung III nach Fig. 4 ansteuernden Signale (o) und (p) an die Transistor-Ansteuerschaltungen angelegt, die den jeweils gegenüberstehenden Transistoren in der Wechselrichterschaltung zugeordnet sind. Die Ansteuersignale (o) und (p) können jedoch an die Ansteuerschaltungen 23 bzw. 26, die Ausgangssignale der UND-Schaltungen 46 und 47 an die Ansteuerschaltungen 25 bzw. 24 angelegt werden, so daß die Anzahl der bei der Hochfrequenz-Zerhackeroperation beteiligten Transistoren statt vier auf zwei begrenzt werden kann.

Als die schaltenden Elemente können daneben statt der Transistoren GTO (gate turn-off) -Thyristoren verwendet werden.

In einer Modifikation des Ausführungsbeispiels wird die Wellenform des unmittelbar nach dem Anlegen der Eingangsspannung an den Hochspannungstransformator 27 erzeugten Signals gegenüber dem nach Erreichen der stationären Röhrenspannung dadurch verändert, indem ein anderer Wert der Zeitkonstante der Integrierschaltung gewählt wird, um unerwünschte Einschwingerscheinungen weiter zu unterdrücken.

Claims (2)

1. Hochspannungsnetzteil für eine Röntgenröhre mit
einem Wechselrichter mit mehreren schaltenden Elementen zur Umformung einer Eingangs-Gleichspannung in eine Ausgangs-Wechselspannung durch abwechselndes Ein-/Aus-Schalten mit einer vorgegebenen Periode,
einem Hochspannungs-Transformator zur Erhöhung der Ausgangs-Wechselspannung des Wechselrichters,
einem Hochspannungs-Gleichrichter zur Umformung der Ausgangs-Spannung des Hochspannungs-Transformators in eine Gleichspannung,
einem Hochspannungskabel, das die von dem Hochspannungs-Gleichrichter gelieferte Gleichspannung der Röntgenröhre zuführt, und
einer Steuerschaltung für den Wechselrichter, durch die das Ein-/Aus-Schalten der schaltenden Elemente des Wechselrichters erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (41A) während jeder Halbperiode des Wechselrichters (III) die zugehörigen Schaltelemente (15 bis 18) mehrfach ein- und ausschaltet, wobei das Tastverhältnis innerhalb jeder Halbperiode von einem niedrigen Wert allmählich erhöht wird.

2. Hochspannungsnetzteil für eine Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhung des Tastverhältnisses innerhalb jeder Halbperiode des Wechselrichters entsprechend einem Röhrenhochspannungs-Vorgabewert oder einem Röhrenstrom-Vorgabewert erfolgt.