DE4031286C2 - Einrichtung für die Stromversorgung einer Glühkathode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für die Stromversorgung einer Glühkathode nach dem Oberbegriff des Patenanspruchs 1.

Elektronenstrahlerzeuger werden auf zahlreichen Gebieten eingesetzt. Ein Anwendungsge­ biet ist die Verdampfertechnik, bei der feste Stoffe, z. B. Metalle, durch das Auftreffen von Elektronen geschmolzen und dann verdampft werden.

Um Elektronenstrahlen zu erzeugen, sind verschiedene Vorrichtungen bekannt. Eine dieser Vorrichtungen ist die sogenannte Glühkathode, die unter Ausnutzung des glühelektrischen Effekts Elektronen emittiert. Ein durch elektrische Energie zum Glühen gebrachter Metall­ faden bildet entweder selbst die direkt geheizte Glühkathode oder gibt seine Wärme an die eigentliche Glühkathode, z. B. eine thorierte Wolframkathode, ab. Direkt geheizte Erdalkalioxid­ kathoden werden verwendet, wenn auf möglichst geringe Heizleistung Wert gelegt wird. Ein besonderes Problem stellt bei direkt geheizten Glühkathoden, die für die Elektronen­ strahlverdampfung bei Beschichtungsanlagen verwendet werden, die Stromversorgung dar. Sie soll möglichst eine Reihe von Forderungen gleichzeitig erfüllen und z. B. hochspan­ nungsfest, kurzschlußfest, dynamisch regelbar, für den Dauerbetrieb geeignet, klein und leicht sowie wartungsarm und servicefreundlich sein.

Es ist bereits eine Stromversorgungseinrichtung der eingangs genannten Art für die Glühkathode einer Elektronenstrahlkanone bekannt (DE-A 26 56 314). Die Heizstromversorgung dieser Glühkathode weist einen Transformator mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung auf. Bei diesem Transformator handelt es sich um einen Mittelfrequenztransformator für Frequenzen oberhalb etwa 20 kHz. Die Primärseite dieses Transformators wird mit Rechteckimpulsen von ca. 20 kHz beaufschlagt.

Aus der DE-PS 29 28 301 ist eine Stromversorgung für eine Glühkathode bekannt, über deren Aufbau im einzelnen nichts ausgeführt ist. In dieser Druckschrift ist zwar ein getakteter Transformator vorgesehen, doch dient dieser zur Wehneltspannungsregelung.

Schließlich ist auch noch eine Hilfsspannungsquelle zur Versorgung von auf Hochspannungspotential liegenden elektrischen Schaltungen bekannt (DE-A 32 39 337), die bei einer Elektronenstrahlkanone zum Einsatz kommt, die eine durch einen Heizstromkreis beheizbare auf Hochspannungspotential liegende Kathode für die Erzeugung eines Elektronenstrahls aufweist. Im Heizstromkreis liegt zudem eine regelbare Spannungsversorgung mit einem Wechselstrombereich. In diesem Wechselstrombereich des Heizstromkreises der Kathode liegt die Primärwicklung eines Stromwandlers, dessen mindestens eine Sekundärwicklung über einen Gleichrichter mit einem Parallelregler verbunden ist, an dessen Ausgang die Hilfsspannung ansteht. Dabei ist auch eine Einrichtung vorgesehen, welche den aktuellen Emissionsstrom der Glühkathode erfaßt und einem Spannungs-Frequenz-Wandler zuführt, dessen Ausgangssignal über eine optische Übertragungsstrecke einem auf Endpotential liegenden Emissionsstromregler zugeführt wird, der den Emissionsstrom durch Vergleich des Emissionsstrom-Istwert mit einem Emissionsstrom-Sollwert regelt. Bei der bekannten Hilfsspannungsquelle ist indessen kein Regler vorgesehen, mit dem der Heizstrom der Glühkathode regelbar ist. Außerdem ist weder eine pulsbreitenmodulierte Signalstrecke noch eine pulsbreitenmodulierte Leistungsstrecke vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromversorgung für eine Glühkathode der eingangs genannten Art zu schaffen, die für den Dauerbetrieb geeignet, hochspannungs- und kurzschlußfest so­ wie kostengünstig und wartungsarm ist.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß die Kathoden-Hei­ zung, d. h. die Stromversorgung der Kathode, wahlweise über den Heizstrom oder den Emissionsstrom geregelt werden kann. Bei geringer Baugröße dieser Stromversorgung ist eine galvanisch getrennte Erfassung des Emissionsstroms für einen oder mehrere Elektro­ nenstrahlen gewährleistet. Die Reduzierung der Baugröße wird dabei im wesentlichen durch eine mit Mittelfrequenz angesteuerte, pulsbreitenmodulierte Leistungsendstufe mit Übertrager erreicht. Die galvanische Trennung von Last- und Steuerkreis ergibt sich durch eine Infrarotsendeeinrichtung, die überdies eine schnelle und direkte Kurzschlußerfassung ermöglicht. Die Infrarotsendeeinrichtung bietet den weiteren Vorteil, daß der erfaßte Kurz­ schlußstrom und dessen Umsetzung in eine proportionale Spannung eine schnelle Ver­ arbeitung in einer nachgeschalteten Steuerelektronik ermöglicht, die das Sperren von Leistungstransistoren durchführt, damit eine Kurzschlußunterbrechung zur Vermeidung von Lichtbogenbildung im Vakuumkessel gewährleistet werden kann. Außer dieser aktiven Kurzschlußstrombegrenzung ist noch eine zusätzliche passive Begrenzungseinrich­ tung vorgesehen, die aus Ferritkernen besteht, die über die hochspannungsführenden Ver­ sorgungsleitungen parallel zur Glühkathode geschaltet sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im fol­ genden näher beschreiben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Anordnung für eine Glühkathoden-Heizung;

Fig. 2 eine detaillierte Darstellung des Blockschaltbilds gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung mit einem Regler sowie einer Pulsbreiten­ modulationsschaltung für den Heizstrom und den Emissionsstrom der Glühkathoden-Heizung;

Fig. 4 einen Pulsbreitenmodulator und einen Übertrager, die der Glühkathoden-Heizung vorgeschaltet sind;

Fig. 5 eine Pulsbreitenmodulationsschaltung, einen Infrarotsender und eine Einrichtung zur Erfassung des Emissionsstroms.

In der Fig. 1 ist eine zu heizende Glühkathode 1 dargestellt, die an einer 15 kV-Gleich­ spannung 2 liegt. Bei dieser Hochspannung handelt es sich um die Beschleunigungs­ spannung für die aus der Glühkathode emittierenden Elektronen.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Regler 4 vorgesehen, mit dem sowohl der Heizstrom I_H als auch der Emissionsstrom erfaßt und geregelt werden können. Ein erster Eingang 5 des Re­ glers 4 bezeichnet eine Heizstrom-Freigabe, mit der es ermöglicht wird, daß überhaupt ein Heizstrom fließt. Unter Heizstromfreigabe wird hierbei die Freigabe des Heizstromreglers im Regler 4 verstanden. Da die Glühkathode 1 nur unter Vakuumbedingungen, d. h. bei einem Druck von p < _* 10^-3 mbar, betrieben werden kann - bei vorhandener Atmosphäre würde sie innerhalb kürzester Zeit durch Oxidation zerstört werden -, muß zuerst eine Vakuumverriegelung gegeben sein, damit die Glühkathode aufgeheizt werden kann. So­ lange noch nicht der Druck von ca. 1 _* 10^-3 mbar herrscht, muß die Stromversorgung der Glühkathode ausgeschaltet bzw. gesperrt sein. Entsprechend ist ein zweiter Eingang 6 vor­ gesehen, der zur Freigabe des Emissionsstroms dient. Unter Emissionsfreigabe wird hier­ bei die Freigabe eines Emissionsstromreglers im Regler 4 verstanden. Eine Freigabe dieses Emissionsstromreglers kann nur erfolgen, wenn die Sicherheitsverriegelungen vorgenom­ men wurden, die Rezipiententür geschlossen, der Druck p < 1 _* 10^-3 mbar und Kühl­ wasser vorhanden ist. Außerdem muß die elektronenoptische Strahlablenkung fehlerfrei arbeiten und das Verdampfermaterial in Position gebracht sein. Bei Verfügbarkeit der Hochspannung wird die dynamische Regelung des Emissionsstroms freigegeben, d. h. es erfolgt eine automatische Umschaltung von Heizstrom- auf Emissionsstromregelung.

Ist die Hochspannung z. B. im Überschlagsfall nicht mehr verfügbar, wird wieder auf Heizstromregelung umgeschaltet. Die durch den Heizstromregler der Glühkathode zuge­ führte Energie wird proportional zum gewünschten Emissionsstrom verstellt, so daß Elek­ tronen aus der Kathode emittiert werden können. Der Heizstrom ist folglich mit dem Emis­ sionsstrom kausal verbunden. Die Sollwerte für den Heizstrom werden über einen Eingang 7 dem Regler 4 zugeführt, während die Sollwerte für den Emissionsstrom auf den Eingang 8 des Reglers 4 gegeben werden.

Neben den Sollwerten für Heizstrom und Emissionsstrom werden dem Regler 4 über die Eingänge 9 und 10 auch noch die Ist-Werte von Heiz- und Emissionsstrom zugeführt.

Mit Hilfe einer Anordnung 11 wird der Emissionsstrom erfaßt und an eine Einrichtung 12 geführt. Diese Einrichtung 12 führt eine Pulsbreitenmodulation des Emissionsstroms I_E durch und steuert mit dem modulierten Strom einen Infrarotsender 13 an. Das impulsbrei­ tenmodulierte Signal 14 wird auf einen Infrarotempfänger 15 geführt, der mit einem De­ modulator 16 verbunden ist. Dieser Demodulator 16 stellt aus den pulsbreitenmodulierten Signalen wieder Analogsignale her und gibt diese über den Eingang 10 auf den Regler 4. Die Vorteile eines Infrarotsenders als galvanische Trennung gegenüber einem Trenn- Transformator liegen in der erheblichen Gewichts- und Volumenreduzierung. Außerdem arbeiten die Dioden eines Infrarotsenders fast ohne Wärmeentwicklung.

Der vom Regler 4 auf die Kathode 1 gegebene Strom wird zunächst in einem Modulator 17 pulsbreitenmoduliert und durch eine Ist-Stromerfassung 18 erfaßt und auf den Regler 4 rückgekoppelt. Der pulsbreitenmodulierte Heizstrom wird auf die Primärseite eines Über­ tragers 19 gegeben, dessen Sekundärseite mit der Glühkathode 1 in Verbindung steht. Bei dem Übertrager 19 handelt es sich vorzugsweise um einen Ferrit-Transformator, der mit einer Mittelfrequenz von 25 KHz getaktet wird. Hierdurch ergibt sich ein verbessertes Lei­ stungsvolumen mit einer deutlichen Gewichtseinsparung.

In der Fig. 2 ist ein Detail des Blockschaltbilds der Fig. 1 noch einmal dargestellt. Diejeni­ gen Blöcke, die den Blöcken gemäß Fig. 1 entsprechen, sind in der Fig. 2 gestrichelt um­ rahmt.

Die Spannungsversorgung für die gesamte Anordnung wird aus einer üblichen Netz-Wech­ selspannungsquelle U_E mit 230 V und 48 bis 63 Hz gespeist. Diese Wechselspannung wird über ein Netzeingangsfilter 100 einer Leistungselektronik zugeführt. Aufgabe dieses Filters 100 ist es, Rückwirkungen der Leistungselektronik auf das Netz zu verhindern. Die über das Filter 100 eingeführte Netzwechselspannung wird zunächst über einen Gleich­ richter 101 gleichgerichtet, bei dem es sich um einen ungesteuerten Brückengleichrichter handelt. Die gleichgerichtete Spannung wird anschließend über die Leitung 21 einem Vor­ verstärker mit Leistungsendstufe 102 zugeführt, und zwar über eine nicht dargestellte galvanische Trennung. Mit 103 ist eine zeitintegrierte Spannungsüberwachung bezeichnet, die direkt auf den Pulsbreitenmodulator 104 wirkt.

Der Leistungsendstufe 102 ist eine Pulsbildungseinrichtung 104 vorgeschaltet, in welcher die vom Regler 4 kommenden Stellsignale in Pulse umgeformt werden. Die von der Leistungsendstufe 102 abgegebenen Pulse werden auf die Primärwicklung eines Übertra­ gers 19 mit galvanischer Trennung und Hochspannungsisolierung und galvanisch getrenn­ ter Heizstromerfassung gegeben. Der erfaßte Heizstrom I_{H ist} gelangt über eine Leitung 105 auf einen Effektivwertbildner 106, der auch als Verstärker ausgebildet ist. Der effek­ tive Heizstrom I_{H ist} wird in einem Gleichrichter 107 aufbereitet und als 0 ... 10 V ausge­ geben. Der Heizstrom I_{H ist} wird auf einen Soll-Istwert-Vergleicher 108 im Regler 4 gege­ ben, dem auch der Heizstrom-Sollwert I_{H soll} zugeführt wird.

Die Differenz zwischen Soll- und Istwert gelangt auf einen Kathodenheizregler 109, der den Heizstrom knapp unterhalb der elektronenemittierenden Leistungsschwelle einstellt. Die Heizstromfreigabe 5 ist mit dem Kathodenheizregler 109 verbunden, bei dem es sich um einen PI-Regler handelt.

Entsprechend dem Kathodenheizregler 109 ist ein Emissionsstromregler 110 im Regler 4 vorgesehen, dem die Differenz zwischen Emissionsstrom-Sollwert I_{E soll} und Emissions­ strom-Istwert I_{E ist} zugeführt wird. Auch dieser Emissionsstromregler 110 ist mit einer Freigabe 6 verbunden.

Die Ausgangssignale der Regler 109, 110 werden sowohl auf die Pulsbildungseinrichtung 104 als auch auf eine Kathodenbrucherkennung 111 gegeben, die eine zeitintegrierende Stromüberwachung enthält und auf ein Maximum der Reglersignale anspricht.

Die Beschleunigungsspannung wird über die Emissionserfassung 11 der Sekundärwicklung des Übertragers 19 zugeführt. Der Emissionsstrom I_{E ist} gelangt von der Emissions­ stromerfassung 11 auf die Pulsbreitenmodulationseinrichtung 12, welche den als Gleich­ strom vorliegenden Emissionsstrom pulsbreitenmoduliert und auf den Infrarotsender 13 gibt.

Vom Infrarotsender 13 wird der Emissionsstrom als optisches Signal 14 auf den Infrarot­ empfänger 15 gegeben, dessen pulsbreitenmoduliertes Ausgangssignal dem Demodulator 16 zugeführt wird, der dieses in ein Gleichstromsignal zurückverwandelt und gleichzeitig verstärkt. Das auf diese Weise aufbereitete Signal wird einer Einrichtung 112 zugeführt, welche einen verdampferspezifischen Grenzwert einstellt. Wenn der Emissionsstrom I_{E ist} den vorgegebenen Grenzwert übersteigt, wird über die Einrichtung 112 direkt in die Puls­ breitenmodulation eingegriffen.

Der Emissionsstrom I_{E ist} wird über eine Gleichrichterschaltung 113 auf die Leitung 10 ge­ geben.

In der Fig. 3 sind die Eingänge 5 bis 8 des Reglers 4, der Regler 4 selbst und der Pulsbrei­ tenmodulator 17 näher dargestellt.

Der Emissionsstrom-Sollwert I_{E soll} wird über den Eingang 8 des Reglers 4 gegeben und über einen Widerstand 200 auf den positiven Eingang eines Operationsverstärkers 201 ge­ geben, der über einen Kondensator 202 und eine Zenerdiode 203 an Masse liegt. Der Aus­ gang des Operationsverstärkers 201 ist auf den negativen Eingang rückgekoppelt und über einen Widerstand 204 mit dem negativen Eingang eines Operationsverstärkers 205 verbun­ den, dessen positiver Eingang an Masse liegt. Der Ausgang dieses Operationsverstärkers 205 ist über einen Widerstand 206 auf den negativen Eingang rückgekoppelt.

Der Ausgang des Operationsverstärkers 205 ist ferner über einen Widerstand 207 mit dem negativen Eingang eines Operationsverstärkers 208 verbunden, dessen positiver Eingang an Masse liegt und dessen Ausgang mit der Kathode einer Diode 209 und der Anode einer Diode 210 verbunden ist. Die Anode der Diode 209 liegt an der Verbindung zwischen dem Widerstand 207 und einem weiteren Widerstand 211. Zwischen dem letztgenannten Wi­ derstand 211 und der Anode der Diode 210 ist ein Kondensator 212 vorgesehen.

Der Emissionsstrom I_{E ist} gelangt vom Ausgang des Verstärkers 214 über einen Wider­ stand 215 zum Ausgang 10. Am Ausgang 10 liegt eine Zenerdiode mit ihrer Anode an Masse. An der Kathode der Z-Diode 214 liegt der negative Eingang des Verstärkers 214, ebenso der Kondensator 216. Die andere Seite des Kondensators 216 liegt am Ausgang des Verstärkers 214.

Der Heizstrom I_{H ist} gelangt vom Ausgang des Verstärkers 236 über einen Widerstand 234 zum Ausgang 9. Am Ausgang 9 liegt eine Zenerdiode 233 mit ihrer Anode gegen Masse. An der Kathode der Z-Diode 233 liegt der negative Eingang des Verstärkers 236, ebenso der Kondensator 235. Die andere Seite des Kondensators 235 liegt am Ausgang des Verstärkers 236.

Am positiven Eingang des Operationsverstärkers 214 sowie an einem Widerstand 217 liegt der Emissionsstrom I_{E ist}, der mit seinem anderen Anschluß an dem negativen Anschluß des Operationsverstärkers 208 liegt. Der Operationsverstärker 208 führt somit einen Soll- Istwert-Vergleich durch und gibt über einen Widerstand 218 ein Signal auf den Puls­ breitenmodulator, und zwar auf den Eingang eines integrierten Modulator-Bausteins 219.

Auf ähnliche Weise wie der Emissionsstrom I_E auf den Modulator-Baustein 219 gelangt, wird auch der Heizstrom auf diesen Baustein 219 gegeben. Hierzu wird der Sollwert des Heizstroms I_{H soll} auf den Eingang 7 des Reglers 4 gegeben und von dort über die Bauele­ mente 220 bis 227 auf einen Vergleicher-Operationsverstärker 228 mit den Beschaltungs­ elementen 229 bis 232 gegeben. Desgleichen gelangt der Istwert des Heizstroms I_{H ist} über einen Widerstand 237 auf einen Operationsverstärker 235 mit den Beschaltungs­ elementen 240 bis 243. Die Anode der Diode 243 liegt am Baustein 219.

Auf einen weiteren Eingang des Modulator-Bausteins 219 ist das Ausgangssignal eines Operationsverstärkers 245 gegeben, der mit seinem negativen Eingang an einem Wider­ stand 246 liegt, der seinerseits mit der Kathode der Diode 210 verbunden ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers ist nicht nur über einen Widerstand 247 und eine Diode 248 mit dem Modulator-Baustein 219 verbunden, sondern über einen Widerstand 249 und eine Diode 250 auch mit einem Optokoppler 251, dessen Ausgang einer Diode 252 parallel­ geschaltet ist und mit einem Widerstand 253 in Reihe liegt. Die Kathode der Diode 248 ist mit der Kathode einer weiteren Diode 254 verbunden, deren Anode an Masse liegt. Die Anode der Diode 248 ist, wie bereits erwähnt, mit dem Modulator-Baustein 219 und außerdem mit einem Kondensator 255 verbunden, der an Masse liegt. Im Rückkopplungs­ zweig des Operationsverstärkers 245 ist ein Kondensator 256 vorgesehen, der mit dem Widerstand 246 verbunden ist.

Der Modulator-Baustein 219 besitzt noch weitere Eingänge, von denen einer über einen Widerstand 257, ein anderer über einen Kondensator 258, ein weiterer über einen Wider­ stand 259 und ein anderer über einen Kondensator 260 an Masse liegen. Drei Eingänge sind außerdem über einen Widerstand 261 miteinander verkoppelt, während ein anderer Eingang über einen Elektrolytkondensator 262 an Masse liegt.

Der Eingang 6 für die Freigabe der Emission ist über einen Widerstand 270 mit einem Op­ tokoppler 271 verbunden, dessen Eingang mit einem Widerstand 272 und einer hierzu pa­ rallelgeschalteten Diode 273 beschaltet ist. Der Ausgang des Optokopplers 271 liegt einer­ seits an dem Emitter eines Transistors 274, dessen Kollektor an +15 V sowie an einem Widerstand 275 liegt und andererseits an einer einem Analogschalter 276, zu dessen Ein­ gang ein Widerstand 277 und ein Kondensator 278 parallelgeschaltet sind. Die Basis des Transistors 274 liegt an einem Kondensator 279, der an Masse angeschlossen ist, sowie an der Anode einer Diode 280, deren Kathode mit einem Eingang einer Steuerung 281 ver­ bunden ist. Der zweite Eingang dieser Steuerung 281 ist mit dem Ausgang eines Opto­ kopplers 282 verbunden, zu dem ein Widerstand 283 und ein Kondensator 284 parallel­ geschaltet sind. Zu dem Eingang des Optokopplers 282 sind ein Widerstand 285 und eine Diode 286 parallelgeschaltet, wobei die Kathode der Diode 286 über einen Widerstand 287 am Eingang 5 liegt, während die Anode dieser Diode 286 an einen Eingang 288 ange­ schlossen ist.

Die Stromversorgung der Steuerungen 276, 281 erfolgt über eine Spannungsquelle, die über einen Widerstand 289 an diesen Steuerungen 276, 281 liegt. Der positive Eingang des Operationsverstärkers 236 ist mit dem Ausgang eines Operationsverstärkers 290 verbun­ den, in dessen Rückkopplungszweig ein Kondensator 291 und zwei in Reihe zueinander geschaltete Widerstände 292, 293 liegen. Der negative Eingang dieses Operationsverstär­ kers 290 ist über einen Widerstand 294 mit dem Ausgang eines anderen Operationsverstär­ kers 295 verbunden, in dessen Rückkopplungszweig vier Widerstände 296 bis 299 und - parallel hierzu - ein Kondensator 300 geschaltet sind. Während der positive Eingang des Operationsverstärkers 295 an Masse liegt, liegt sein negativer Eingang über einen Wider­ stand 301, eine Diode 302 und einen Widerstand 303 am Ausgang und negativen Eingang eines Operationsverstärkers 304, dessen positiver Eingang über einen Widerstand 305 und eine Diode 306 an Masse liegt. Parallel zur Reihenschaltung Widerstand 305 - Diode 306 ist ein Kondensator 307 geschaltet, dessen einer Anschluß an Masse und dessen anderer Anschluß über einen Widerstand 308 mit einem Potentiometer 309 in Verbindung steht. Der Widerstand 303 am Ausgang des Operationsverstärkers 304 ist Teil eines Spannungs­ teilers, dessen zweiter Widerstand mit 310 bezeichnet ist. Parallel zur diesem Spannungs­ teiler sind einerseits ein Widerstand 311 mit einem Potentiometer 312 geschaltet und andererseits zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren 313, 314, deren Mittenabgriff an Masse liegt. Jeweils ein Anschluß der Widerstände 310, 311 und des Kondensators 314 sind miteinander verbunden und liegen an der Anode einer Diode 315, deren Kathode über einen Widerstand 316 an einer Spannungsquelle und an der Anode einer weiteren Diode 317 liegt.

Die Kathode der letztgenannten Diode 317 ist mit einem Anschluß des Widerstands 259 sowie mit einer Ausgangsleitung 318 verbunden.

In der Fig. 4 sind die Treiberstufe des Pulsbreitenmodulators 102, die Stromversorgung 100, 101, die Heizstromerfassung 18 und -überwachung 103, der Übertrager 19, der Infra­ rotempfänger 15 und der Demodulator 16 näher dargestellt. Mit den Bezugszahlen 400 und 401 sind die Ausgänge des Modulator-Bausteins 219 aus Fig. 3 bezeichnet, die über Wi­ derstände 402, 403 bzw. 404, 405 und Kondensatoren 406 bzw. 407 mit Steuerungen 408 bzw. 409 verbunden sind. Diese Steuerungen 408,409 steuern jeweils zwei schnell ge­ taktete Transistoren 411, 412, bzw. 413, 414 an.

Jeweils zwei dieser Transistoren 411, 412 bzw. 413, 414 sind mit ihren Basen und mit ihren Emittern miteinander verbunden, wobei der jeweilige Verbindungspunkt der Emitter an der Steuerelektrode eines Feldeffekttransistors 415 bzw. 416 liegt. Der Feldeffekttran­ sistor 415 wird durch Signale auf- und zugesteuert, die über die Leitung 400 kommen, während der Feldeffekttransistor 416 durch Signale auf- und zugesteuert wird, die über die Leitung 401 kommen.

Die getakteten Ströme werden der Primärwicklung 417 des Übertragers 19 zugeführt und auf zwei Sekundärwicklungen 418, 419 transformiert. Der durch die Primärwicklung 417 fließende Strom fließt auch durch eine Primärwicklung 420 eines Stromwandlers, der als Stromerfassungseinrichtung 18 vorgesehen ist. Die Sekundärwicklungen 418, 419 des Übertragers 19 sind mit der in der Fig. 4 nicht dargestellten Heizwendel der Glühkathode verbunden, während die Sekundärwicklung 421 der Heizstromerfassung 18 auf den Regler 4 gegeben wird.

Parallel zu den Schalttransistoren 411, 412 bzw. 413, 414 sind noch jeweils ein Kondensa­ tor 422 bzw. 423 und eine Zenerdiode 424 bzw. 425 geschaltet. Außerdem liegen die Kol­ lektoren der Transistoren 411 bzw. 413 über parallelgeschaltete Widerstände 426, 427 bzw. 428, 429 an einem Elektrolytkondensator 430, der mit einem weiteren Elektrolytkon­ densator 431 verbunden ist, wobei an die Verbindungsleitung zwischen den beiden Kon­ densatoren 430, 431 die Primärwicklung 420 der Stromerfassungseinrichtung 18 ange­ schlossen ist.

Parallel zu den Kondensatoren 430, 431 sind drei in Reihe geschaltete Widerstände 432, 433, 434 vorgesehen, wobei von der Verbindungsleitung zwischen den Widerständen 432, 433 eine Abzweigung auf zwei weitere Widerstände 435, 436 führt, von denen der Wider­ stand 436 am Kollektor eines ersten Transistors 437 und der Widerstand 435 am Kollektor eines zweiten Transistors 438 liegt. Die Emitter der Transistoren 437, 438 sind miteinan­ der verbunden und liegen an dem einen Eingang eines Optokopplers 439, dessen anderer Eingang an dem Kollektor des Transistors 437 liegt. Der Ausgang des Optokopplers 439, der über einen Widerstand 440 an eine Spannungsquelle angeschlossen ist, führt über eine Diode 441 auf eine Leitung 442. Die Emitter der Transistoren 437, 438 sind auch noch über einen veränderbaren Widerstand 443 mit einer aus vier Dioden 444 bis 447 bestehen­ den Gleichrichtereinheit verbunden, die an zwei variablen Induktivitäten 448,449 liegt. An der Induktivität 448 liegt ein Kondensator 450 gegen Masse, an der Induktivität 449 liegt ein Kondensator 451 gegen Masse. Über die Induktivitäten 448, 449 liegt am Eingang ein Kondensator 550, an dem die Leitungen 452, 453 liegen.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Infrarot-Empfänger 15 ist in der Fig. 4 als infrarotemp­ findliche Diode 454 dargestellt, die mit ihrer Kathode an Pluspotential und mit ihrer Ano­ de über einen Widerstand 455 an Masse liegt. Das von dem Infrarot-Empfänger 15 erzeug­ te elektrische Signal wird auf die Basis eines Transistors 456 geführt, dessen Emitter an Masse und dessen Kollektor an zwei Widerständen 457, 458 und einem Kondensator 459 liegen, wobei der eine Anschluß des Widerstands 458 mit einem an Masse liegenden Wi­ derstand 460 und der Basis eines Transistors 461 verbunden ist. Der Kollektor dieses Tran­ sistors 461 ist mit der Kathode einer Diode 462, mit zwei Widerständen 463, 464 und einem Kondensator 465 verbunden, wobei dieser Kondensator 465 an der Anode der Diode 454 liegt.

Die Anode der Diode 462 ist sowohl mit einem an Masse liegenden Kondensator 466 als auch mit einem Widerstand 467 und der Anode einer Diode 468 verbunden, deren Kathode auf eine Leitung 469 führt. Der Widerstand 464 ist mit seinem von der Diode 462 abge­ wendeten Anschluß mit dem negativen Eingang eines Operationsverstärkers 470 verbun­ den, dessen positiver Eingang an Masse liegt. Der negative Eingang des Operationsverstär­ kers 470 liegt außerdem über einen Widerstand 471 an einem Potentiometer 472, über das er mit elektrischer Energie versorgt wird. Ferner ist der Ausgang des Operationsverstärkers 470 über einen mit einem Widerstand 473 parallelgeschalteten Kondensator 474 auf den negativen Eingang zurückgekoppelt.

Vom Ausgang des Operationsverstärkers 470 führt über einen Potentiometer 475, dessen Abgriff mit dem Kondensator 474 und dem Widerstand 473 in Verbindung steht, eine Ver­ bindung zu einem weiteren Widerstand 476, der an den negativen Eingang eines Opera­ tionsverstärkers 477 angeschlossen ist. Der Ausgang dieses Operationsverstärkers 477 führt auf eine Leitung 478, an die auch noch ein Kondensator 479, vier Widerstände 480 bis 483 angeschlossen sind, wobei der Widerstand 480 am negativen Eingang des Opera­ tionsverstärkers 477 liegt, während der Widerstand 481 an einen Eingang einer Steuerung 484 und die beiden anderen Widerstände 482, 483 an einen Eingang einer weiteren Steuerung 485 angeschlossen sind.

Die Analogschalter 484 bzw. 485 liegen über eine Parallelschaltung aus Widerstand 486 bzw. 487 und Kondensator 488 bzw. 489 an Masse. Außerdem sind sie mit den Ausgängen von Optokopplern 490 bzw. 491 verbunden, deren Eingänge an Leitungen 492, 493 bzw. 494, 493 liegen, und zwar über Widerstände 495 bzw. 496 und Parallelschaltungen aus jeweils einem Widerstand 497 bzw. 498 und einer Diode 499 bzw. 500.

In der Fig. 5 ist die Einrichtung 11 zur Erfassung des Emissionsstroms näher dargestellt. Es handelt sich hierbei um einen Widerstand 600, der mit einer 15 kV-Leitung 601 verbun­ den ist. Der Strom, der über diese Leitung fließt, entspricht dem Emissionsstrom, womit die an dem Widerstand 600 abfallende Spannung proportional zum Emissionsstrom ist. Diese Spannung wird einem Pulsbreitenmodulatorbaustein 602 zugeführt. Dieser ist mit verschiedenen Widerständen 603 bis 613, Kondensatoren 614 bis 618 und einer Diode 619 beschaltet. Die Spannungsversorgung des Pulsbreitenmodulators 602 erfolgt durch Kaska­ denschaltung 635 mit den Bauelementen 636 bis 647. Die Spannungsbegrenzung erfolgt über die Dioden 620, 621. Der Spannungsregler 623, zu dem ein Kondensator 624 parallel geschaltet ist, ist über einen Widerstand 625 mit der Basis und über einen weiteren Wider­ stand 626 mit dem Emitter eines Transistors 627 verbunden. Von der Basis dieses Transistors 627 führt außerdem über einen Widerstand 628 eine Verbindung auf einen Ein­ gang des Bausteins 602. Der Kollektor des Transistors 627 ist an die Kathode einer Diode 629 sowie an die Anode der lichtemittierenden Diode 622 angeschlossen. Die Anode der Diode 629 liegt an dem Kollektor eines Transistors 630, dessen Basis mit einem Wider­ stand 631 und der Kathode einer Diode 632 verbunden ist und dessen Emitter über einen Widerstand 633 an die Anode einer Diode 634 angeschlossen ist. Die Anode dieser Diode 634 ist dabei mit der Anode der Zenerdiode 621 verbunden.

Die Hochspannung wird über den Widerstand 600 und über die Dioden 648, 649 und über die Induktivität 650, 651 mit den Anschlüssen 652, 653 der Glühkathode 1 verbunden.

Claims (11)

1. Einrichtung für die Stromversorgung einer Glühkathode (1), insbesondere für eine Elektronenquelle in einer Elektronenstrahlbeschichtungsanlage, bei der die Glühkathode (1) mit der Sekundärseite (418) eines Übertragers (19) in Verbindung steht, dessen Primärseite (417) mit einer pulsbreitenmodulierten Mittelfrequenzspannung von ca. 25 kHz beaufschlagt ist, die durch einen Regler regelbar ist, gekennzeichnet durch

• a) einen Regler (4), der einen an- und abschaltbaren Kathodenheizstromregler (109) mit einem an- und abschaltbaren Emissionsstromregler (110) aufweist, wobei dem Kathodenheizstromregler (109) die Differenz zwischen Kathodenheizstrom-Sollwert (I_{H soll}) und Kathodenheizstrom-Istwert (I_{H ist}) zugeführt ist, während dem Emissionsstromregler (110) die Differenz zwischen Emissionsstrom-Sollwert (I_{E soll}) und Emissionsstrom-Istwert (I_{E ist}) zugeführt ist;
• b) eine Einrichtung (11), welche den aktuellen Emissionsstrom (I_{E ist}) der Glühkathode (1) erfaßt und einem Pulsbreitenmodulator (12) zuführt, der den pulsbreitenmodulierten Emissionsstrom (I_{E ist}) in ein pulsbreitenmoduliertes optisches Signal (14) umsetzt, das von einem optischen Empfänger (15) empfangen wird, der das pulsbreitenmodulierte Emissionsstromsignal (I_{E ist}) einem Pulsbreitendemodulator (16) zuführt, der ein analoges Signal (I_{E ist}) auf den Regler gibt;
• c) einen Pulsbreitenmodulator (104), der den vom Regler abgegebenen analogen Heizstrom (I_{H ist}) pulsbreitenmoduliert und über eine Leistungsstufe (102) auf die Primärseite des Übertragers (19) gibt;
• d) eine Einrichtung (18), welche den vom Regler (4) kommenden pulsbreitenmodulierten Heizstrom (I_{H ist}) erfaßt und dem Regler (4) als Ist-Wert zuführt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der am Übertrager (19) abgegriffene Heizstrom (I_{H soll}) auf einen Effektivwertbildner (106) gegeben wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Emissionsstrom (I_{E ist}) einer Grenzwert-Einrichtung (112) zugeführt ist, die bei Überschreiten des Grenz­ werts des Emissionsstroms (I_{E ist}) über eine Freigabeeinrichtung (6) direkt auf den mit der Leistungsstufe (102) verbundenen Puls­ breitenmodulator (104) wirkt.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Effektivwertbildner (106) direkt auf den mit der Leistungsstufe (102) verbundenen Pulsbreitenmodulator (104) wirkt.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seriell zur Glühkathode eine passive Strombegrenzungseinrichtung (700) vorgesehen ist, die Ferritkerne enthält.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager (19) ein Ferrit-Transformator ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung von einer Heizstromregelung auf eine Emissionsstromregelung automatisch umgeschaltet wird.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Heizstromregelung ein externer Sollwert (I_{H soll}) mit einem internen primärseitig am Übertrager (19) abgegriffenen Istwert (I_{H ist}) verglichen wird.

9. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Emissionsstromregelung auf eine bestimmte Größe des Emissionsstroms geregelt wird, wobei diese Größe durch den externen Sollwert (I_{E soll}) bestimmt wird.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzeige für das analoge Signal (I_{E ist}) des Emissionsstroms vorgesehen ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Istwert des Emissionsstroms (I_{E ist}) in vier Verstärkungsstufen durch zwei externe Digitalsignale umschaltbar ist.