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Dokumentenidentifikation DE19600593C1 03.04.1997
Titel Verstärker zum Erzeugen von Hochspannungssignalen
Anmelder Gesellschaft für Schwerionenforschung mbH, 64291 Darmstadt, DE
Erfinder Horneff, Hans, 64287 Darmstadt, DE
DE-Anmeldedatum 10.01.1996
DE-Aktenzeichen 19600593
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 03.04.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.04.1997
IPC-Hauptklasse H03F 1/34
IPC-Nebenklasse H03F 3/38   
Zusammenfassung Es wird ein Hochspannungsverstärker beschrieben, mit dem auf Halbleiterbasis Hochspannungssignale beliebiger Form und hoher Amplitude bereitgestellt werden können, was bisher in diesen Hochspannungsbereichen nur mit Elektronenröhrenverstärkern möglich war.
Die Kreisschaltung oder Brückenschaltung zweier Hochspannungsquellen und zweier Stromquellen, die durch Rückkopplung als Spannungsquelle arbeiten, ermöglichen das.
Das Rückkoppeln des Hochspannungsabgriffs über einen Teilerwiderstand auf den Eingang des Steuersignalverstärkers ermöglicht ein zuverlässiges Bereitstellen nahezu jeder beliebigen Steuerfunktion in Hochspannung, unipolar und bipolar.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Verstärker zum Erzeugen von Hochspannungssignalen hoher Spannungsamplitude und nahezu beliebiger Signalform.

An Funktionsgeneratoren, die zeitliche Spannungsverläufe wie eine Sägezahnform, Dreiecksform, Sinusform oder sonstwie unterschiedliche Impulsformationen erzeugen, steht eine breite Palette zur Auswahl. Die Ausgangssignale liegen aber in der Regel deutlich unter 100 V. Auf dem Markt sind Operationsverstärker erhältlich, mit denen solche Spannungsverläufe proportional verstärkt werden können. Aber auch dann ist die Grenze immer noch unter 1000 V.

Zeitliche Funktionsverläufe, deren Spannungsamplituden deutlich höher als 1000 V liegen, werden nach dem Stand der Technik nur mit einem Elektronenröhrenverstärker gelöst. Wegen der Leistungsbilanz müssen bei Hochspannungsröhrenverstärkern die Arbeitswiderstände sehr hoch gewählt werden. Eine solche Verstärkerschaltung benötigt weiter eine Impedanzwandlereinrichtung zur Reduzierung des Ausgangswiderstands - also weitere Röhren im Prinzip.

Der Schaltungsaufwand erhöht sich ganz enorm, soll ein solcher Hochspannungsverstärker auch noch Signale beider Polaritäten liefern. Der Aufwand an Heizung und Gitterversorgung, der bei Röhren für 5 oder gar 10 kV zu treiben ist, ist erheblich und hat großen Platzbedarf.

Ein Hochspannungsverstärker kann teilweise durch eine Schaltung, wie sie aus der DE 40 40 164 A1 zu entnehmen ist, gelöst werden. Mit diesem Gerät sind allerdings nur Treppensignale im Bereich von ± 5 kV zu erzeugen.

In der DE 26 49 718 B2 wird eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern der Ablenkspule einer Bildröhre beschrieben. Sie besteht hochspannungsseitig aus dem Kreis zweier Hochspannungsquellen und einem Verstärker, der aus zwei in Reihe geschalteten Darlington-Stufen besteht. Die direkte Verbindung der Hochspannungsquellen bildet das Bezugspotential und die direkte Verbindung der beiden Darlington-Stufen den Hochspannungsabgriff. Der Verstärker wird durch eine Stromquelle angesteuert, die wiederum von einem Operationsverstärker betrieben wird. Von der hochspannungsseitigen Last her besteht jeweils über Widerstände eine Spannungs- und Stromrückführung auf den negativen Eingang des Operationsverstärkers, der gleichzeitig Signaleingang ist. Zur Kaskadierung im Verstärkerbereich und damit für höhere Hochspannungen ist diese Schaltung nicht geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen zuverlässigen Verstärker zum Erzeugen von Hochspannungssignalen auf Halbleiterbasis bereitzustellen, mit dem nahezu beliebige Signalformen linear verstärkt werden können. Der Platzbedarf und die Versorgungsleistung eines herkömmlichen Röhrengeräts entsprechender Leistung soll darüber hinaus ganz erheblich unterschritten werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zwei Hochspannungsquellen sind zusammen mit zwei gesteuerten Stromquellen zu einem Kreis geschaltet. Der Potentialbezugspunkt liegt auf der direkten Verbindung der beiden Hochspannungsquellen, das Hochspannungssignal wird von der direkten Verbindung der beiden Stromquellen abgegriffen.

Die beiden Stromquellen bestehen je nach zu beherrschender Hochspannung jeweils aus einer Kaskade von n elementaren Stromquellen, wovon jede ihren eigenen Ansteuerkanal hat. Alle elementaren Stromquellen werden gleichartig angesteuert. In jedem Ansteuerkanal ist ein Optokoppler, der über ein stellbares Netzwerk angesteuert wird und der mit seinem Transistorausgang Bestandteil eines steuerbaren Spannungsteilers ist, dessen fester Widerstand am Steuereingang der elementaren Stromquelle liegt. Eine kanaleigene Spannungsquelle speist den Spannungsteiler.

Sämtliche Steuereingänge der stellbaren Netzwerke sind am Ausgang eines Modulators zusammengefaßt, so daß je nach Vorzeichen des Modulatorausgangssignals eine simultane Ansteuerung der elementaren Stromquellen für den positiven oder den negativen Teil dem Hochspannungssignals erfolgt.

Der Modulator besteht aus einem Differenzverstärker mit nachgeschalteten Treiberstufe.

Neben der internen Verstärkung des Differenzverstärkers ist über einen Widerstand eine Rückkopplung vom Hochspannungsabgriff her eingerichtet, so daß dort ein niederimpedant dynamischer Ausgangswiderstand besteht. Dadurch werden auch Ansteuerfehler, die durch Nichtlinearitäten bei den Optokopplern entstehen, korrigiert.

Im Anspruch 2 ist die Schaltung einer elementaren Stromquelle gekennzeichnet, die ein nahezu beliebiges Kaskadieren vieler solcher ohne Quersprechen bei der Ansteuerung erlaubt.

Die Ansprüche 3 und 4 kennzeichnen die Schaltungsmaßnahmen zur Ansteuerung einer jeden elementaren Stromquelle.

Anspruch 5 schließlich kennzeichnet die interne, proportionale Verstärkung am Modulatorverstärker, die mit der Rückkopplung vom Hochspannungsabgriff her auf den negativen Eingang wirkt. Der Steuersignaleingang am Modulator ist der positive Anschluß am Differenzverstärker.

Regelungstechnisch ist es von Vorteil, die interne Rückkopplung von der Rückkopplung vom Hochspannungsabgriff her getrennt zu halten. Diese Anordnung ist weniger schwingungsanfällig als die einfache Rückkopplung nur über das Hochspannungspotential her. Das läßt sich mit dem Bode-Diagramm erläutern.

Von entscheidender Bedeutung ist die Gegenkopplung, die vom Hochspannungspunkt über den Teilerwiderstand auf den Differenzverstärker wirkt. Durch diese Rückkopplung wird die gesamte Schaltungskonfiguration zu einer gesteuerten Spannungsquelle. Sie hat nämlich einen niedrigen dynamischen Ausgangswiderstand. Das sorgt für ein gutes Frequenzverhalten auch bei sehr hochohmiger Belastung, d. h. die Grenzfrequenz bleibt hoch. Darüberhinaus ist von Vorteil, daß durch diese Rückkopplung die Ungenauigkeiten oder Nichtlinearitäten der Optokoppler in weiten Bereichen korrigiert werden. Es ist mit diesem Verstärker ohne weiteres möglich die üblichen Signalfunktionen wie Sinus, Rechteck, Dreieck, Sägezahn und sonstige Pulsfolgen im Hochspannungsbereich von 5 bis 10 kV und darüber zu fahren.

Die Schaltung des Verstärkers soll im folgenden anhand des Schaltbilds in der einzigen Figur der Zeichnung näher erläutert werden. Das Ausführungsbeispiel ist für eine Ausgangsspannung zwischen den beiden Hochspannungsabgriffen von 5000 V, genauer ± 2500 V ausgelegt. Mit einer Eingangsspannung von maximal ± 5 V werden hierzu zwei mal vier Feldeffekttransistoren 12 mit ihrer Beschaltung zur elementaren Stromquelle 22 kaskadiert. (Anstelle der Feldeffekttransistoren könnten auch IGBT-Transistoren oder Bipolar-Transistoren eingesetzt werden.) Das Schaltbild zeigt der besseren Übersicht wegen die zwei Stromquellen 1 und 20 mit jeweils zwei kaskadierten, elementaren Stromquellen 22.

Basiselemente des Verstärkers sind die beiden steuerbaren Stromquellen 1 und 20, einmal für den positiven Signalteil, Stromquelle 1, zum andern für den negativen Signalteil, Stromquelle 20. Die elementare Stromquelle 22 besteht aus dem Feldeffekttransistor 12 und dem am S-Kontakt angeschlossenen Gegenkopplungswiderstand 9. Zu dem Feldeffekttransistor 12 und dem Gegenkopplungswiderstand 9 liegt der zweite Gegenkopplungswiderstand 11 parallel, der ein spannungsabhängiger Bypass ist. Zwischen dem G-, und S-Kontakt des Feldeffekttransistors 12 liegt das Schutzelement 10, das eine auftretende Überspannung ableitet.

Jede elementare Stromquelle 22 wird durch ihren zugehörigen, steuerbaren Spannungsteiler betrieben, welcher aus dem Widerstand 3 und dem Phototransistors im Ausgang des Optokopplers 2 besteht. Der Spannungsteiler belastet die Spannungsquelle 4, welche aus dem Ringkernübertrager 8, der durch ihn geschleiften hochisolierten Stromschleife 21a bzw. 21b als Primärwicklung und der Sekundärwicklung mit in dieser Ausführung vier Windungen besteht. Der Ringkernübertrager 8 ist so dimensioniert, daß er als Strom-Spannungswandler (Differenziertransformator) arbeitet. An die Sekundärwicklung angeschlossenen ist der Kondensator 26, mit der spannungsbegrenzenden Zenerdiode 27 und der Diode 28, die den Kondensator entsprechend der Durchlaßrichtung auflädt. Dadurch wird jede elementare Stromquelle 22 am Steuereingang G stets auf definiertem Potential gehalten, obwohl der Ringkernübertrager 8 über die beiden Stromschleifen 21a und 21b gepulst betrieben wird.

Durch die Stromschleifen 21a und 21b fließen Stromimpulse von einigen Mikrosekunden Dauer bei einer Folgefrequenz von etwa 100 kHz. Durch die Wicklungsrichtung der Sekundärwicklung und der Beschaltung arbeitet der Ringkernübertrager 8 mit der Rückflanke, mit der auf Null zurückfallenden Flanke des Stromsignals, also mit der im Kern gespeicherten Energie. Die Stromversorgung stellt so eine Spannung von 8 V zur Verfügung. Die Belastbarkeit liegt bei etwa 80 mW. Die beiden Stromschleifen 21a und 21b haben eine Isolation von mehr als 20 kV.

Der Optokoppler 2, der eine Isolation von etwa 15 kV hat, wird über das einstellbare Netzwerk 5 für den oberen und unteren Bereich der Kopplerdiode (Photodiode am Eingang) von der Modulatorschaltung 6 angesteuert. Die Modulatorschaltung 6 besteht aus dem Differenzverstärker 23 mit der nachfolgenden Treiberschaltung 25. Am positiven Eingang des Differenzverstärkers 23 ist der Eingang für das linear zu verstärkende Signal. Am negativen Eingang wird die interne Verstärkung über die angeschlossenen Widerstände 14 und 16 eingestellt. Außerdem koppelt dort das Rückkopplungssignal von dem Hochspannungsabgriff 17 über den Teilerwiderstand 13 an.

Zwischen den beiden Stromquellen 1 und 20 besteht folgender Unterschied:

Bei der Stromquelle 1 werden die Netzwerke 5 an die jeweilige Anode der Eingangsphotodiode des Optokopplers 2 angeschlossen. Die Kathode liegt auf Masse. Bei der Stromquelle 20 wird die Eingangsphotodiode des jeweiligen Optokopplers 2 umgekehrt angeschlossen. Somit kann für die Stromquelle 1 ausschließlich der positive Signalteil und für die Stromquelle 20 ausschließlich der negative Signalteil des Steuersignals am Ausgang des Modulators 6 bzw. der Treiberstufe 25 verwendet werden.

Die Stromquelle 1 mit ihren zwei kaskadierten, elementaren Stromquellen 22 wird an die positive Hochspannungsquelle 18 angeschlossen. Die Stromquelle 20 mit ebenfalls zwei kaskadierten, elementaren Stromquellen 22 an die negative Spannung 19. Beide Hochspannungsquellen 18 und 19 sind hier auf Erdpotential gelegt, dem Potentialbezugspunkt 24.

Die elementaren Stromquellen 22 haben alle den Gegenkopplungswiderstand 9 zum Ausgleich der Bauteiletoleranzen. Der spannungsabhängige Widerstand 11, der ein Zink-Oxyd-Varistor ist, verstärkt die Wirkung des Gegenkopplungswiderstands 9 als Bypass mit Gegenkopplungswirkung und schafft so stabile Kaskadierungsverhältnisse.

Die Verstärkung des Hochspannungsverstärkers 7 beträgt 500. Die Kreisverstärkung der Rückkopplung ist deutlich höher.

Das Ausführungsbeispiel wurde für die gängigen Signalfunktionen bis zu einer Grenzfrequenz von 10 kHz betrieben, ohne daß Abweichungen im Hochspannungssignalverlauf auftraten.

Bezugszeichenliste

1 Stromquelle

2 Optokoppler

3 Widerstand

4 Spannungsquelle

5 Netzwerk

6 Modulatorschaltung

7 Hochspannungsverstärker

8 Ringkern

9 Gegenkopplungswiderstand

10 Schutzelement

11 Widerstand

12 Transistor

13 Rückkopplungswiderstand

14 Widerstand

15 Eingang

16 Widerstand

17 Potentialabgriff

18 Hochspannungsquelle

19 Hochspanungsquelle

20 Stromquelle

21a Stromschleife

21b Stromschleife

22 elementare Stromquelle

23 Differenzverstärker

24 Potentialbezugspunkt

25 Treiberstufe

26 Kondensator

27 Zenerdiode

28 Diode


Anspruch[de]
  1. 1. Verstärker zum Erzeugen von Hochspannungssignalen, bestehend aus zwei Hochspannungsquellen (18, 19) und zwei gesteuerten Stromquellen (1, 20), die zusammen zu einem Kreis geschaltet sind, wobei zwischen den beiden Hochspannungsquellen (18, 19) der elektrische Potentialbezugspunkt (24) und zwischen den beiden Stromquellen (1, 20) der Potentialabgriff (17) für das Hochspannungssignal liegt, dadurch gekennzeichnet, daß

    die beiden gesteuerten Stromquellen (1, 20) jeweils aus mindestens einer gesteuerten, elementaren Stromquelle (22), entsprechend der zu beherrschenden Hochspannung jedoch aus n hintereinander geschalteten, gleichartigen elementaren Stromquellen (22) bestehen,

    die Ansteuerung jeder elementaren Stromquelle (22) über einen von einer Spannungsquelle (4) gespeisten, steuerbaren Spannungsteiler erfolgt, bestehend aus einem festen Teilerwiderstand (3) und einem veränderbaren Widerstand, der durch einen Phototransistor am Ausgang eines Optokopplers (2) gebildet ist, wobei der Verbindungspunkt der Teilerwiderstände am Steuereingang (G) der zugehörigen elementaren Stromquelle (22) liegt,

    jedem Optokoppler (2) ein stellbares Netzwerk (5) zum Betreiben (Vorspannen und Steuern) der Eingangsphotodiode des Optokopplers vorgeschaltet ist, wobei zur Ansteuerung für den positiven Teil des Hochspannungssignals das jeweilige Netzwerk (5) mit seinem Ausgang an der Anode der Eingangsphotodiode liegt und zur Ansteuerung des negativen Teils des Hochspannungssignals das jeweilige Netzwerk (5) an der Kathode der Eingangsphotodiode liegt,

    der jeweilige Steuereingang der Netzwerke (5) auf den Ausgang eines Modulators (6) gelegt ist, der aus einem Differenzverstärker (23) mit nachfolgender Treiberstufe (25) besteht,

    vom Potentialabgriff (17) über einen Widerstand (13) eine Rückkopplung auf den negativen Eingang des Differenzverstärkers (23) eingerichtet ist, wodurch ein dynamischer Ausgangswiderstand von niedriger Impedanz am Potentialabgriff (17) besteht und Ansteuerfehler, die durch Nichtlinearitäten des Optokopplers (2) entstehen, korrigiert werden.
  2. 2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede elementare Stromquelle (22) aus einem Transistor (12) mit einem an seinem Ausgang (S) anschließenden Gegenkopplungswiderstand (9) und einem den Eingang (D) des Transistors (12) und den Gegenkopplungswiderstand (9) überbrückenden, spannungsabhängigen Widerstand (11) sowie einem den Steuereingang (G) mit dem Ausgang (S) des Transistors (12) verbindenden Schutzelement (10) besteht.
  3. 3. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Spannungsquelle (4) aus einem Ringkern (8) besteht, durch den eine elektrisch hochisolierte Stromschleife (21a bzw. 21b) als Primärwicklung geführt ist, und dieser Ringkern (8) eine Sekundärwicklung mit vorgebener Windungszahl hat, die über eine Diode (28) an einen Kondensator (26) mit parallel geschalteter, spannungsbegrenzender Zenerdiode (27) angeschlossen ist.
  4. 4. Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung an der Photodiode eines jeden Optokopplers (2) über das Netzwerk (5) einstellbar ist, und zur Ansteuerung für den positiven Teil des Hochspannungssignals hierzu an eine positive Spannungsversorgung angeschlossen und zur Ansteuerung für den negativen Teil des Hochspannungssignals an eine negative Spannungsversorgung angeschlossen ist.
  5. 5. Verstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker (23) des Modulators (6) über Widerstände (14, 16) auf eine vorgegebene, interne Verstärkung eingestellt ist.






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