Рентгеновский генератор Советский патент 1985 года по МПК H05G1/32 

Изобретение относится к рентгеновской технике и может применяться при создании мощных малогабаритных рентгеновских генераторов, работающих на высокой частоте питания главной цепи.

Известны рентгеновские генераторы, работающие на частоте промышленной сети 50 Гц, содержащие рентгеновскую трубку и высоковольтный трансформатор, в которых регулировка высокого напряжения осуществляется путем переключения числа, витков в первичной обмотке высоковольтного трансформатора или с помощью вариатора 03.

Недостатком этих генераторов являются их большие размеры и вес, определяемые низкой частотой питания и громоздкими средствами регулирования напряжения на трубке.

Известен рентгеновский генератор, содержащий соединенные последовательно регулируемый выпрямитель, высокочастотный преобразователь напряжения, умножитель напряжения и рентгеновскую трубку, параллельно которой подключен делитель напряжения, устройство для вычисления времени разряда конденсаторов, источник опорного напряжения, элемент сравнения и экстрематор, соединенный с входами элемента И, выход которого соединен с входами ключа, подключенного к фильтру,, второй источник опорного напряжения и пиковый детектор, соединенные с двумя элементами сравнения, которые соединены через корректирующую схему с модулятором (2 .

Недостатками этого генератора являются его сложность, а также ограничение по допустимым пределам регулирования мощности генератора, что связано с амплитудно-фазовым регулированием и работой на постоянной частоте.

Наиболее- близким к изобретению ло технической сущности является рентгенЬвский генератор, содержащий высокочастотный преобразователь, вход питания которого подключен к выходу нерегулируемого выпрямителя, а выходы соединены с первичной обмоткой высоковольтного трансформатора, вторичная обмотка которого подключена через умножитель напряжения к параллельно соединенным рентгеновской трубке и делителю напряжения.

источник опорного напряжения, дифференциальный усилитель. К входам которого подключены выходы делителя напряжения и источника опорного напряжения, преобразователь напряжения в длительность импульсов, к рабочему входу которого подключен выход дифференциального усилителя, первый элемент ИЛИ, два триггера, два трех0 входовых и один двухвходовьй элементы И, пороговый элемент.и одновибратор, причем выход элемента ШШ подкл1очен к входу первого триггера, выходы которого соединены с первыми

5 входами трехвходовых элементов И,

вторые входы которых соединены с вы ходом второго триггера, а третьи - с ВЫХОДОМ преобразователя напряжения в длительность импульсов, а выходы

0 подключены к управляющим входам высокочастотного преобразователя, измерительный выход которого подключен через первый пороговый элемент к первому входу двухвходового элемента И, а вход запуска генератора подключен к первому входу второго триггера и через одновибратор - к второму входу третьего элемента И, В генераторе обеспечена автоматическая подстройка под резонансную частоту высокочастотного преобразователя, что позволяет его использовать в широком диапазоне регулирования мощности рентгеновских аппаратов.

Недостатки известного генератора связаны с использованием аналогового преобразователя напряжения в длительность импульсов. При работе высокочастотного преобразователя на частоте 5-10 кГц длительности импульсов,

формируемых преобразователем напряжения в длительность, составляют несколько десятков микросекунд, и для обеспечения требуемой точности

установки и стабилизации напряжения на трубке, т.е. выдержки режимов ра.боты, должны устанавливаться с точностью до микросекунды, что приводит к существенному усложнению преобразователя напряжения в длительность импульсов. Кроме того, в известном генераторе защита от перегрузки осуществляется по одноимпульсной схеме, что может привести к ложному срабатыC ванию схемы защиты.

Цель,Изобретения - повьш1ение точности выдержки режимов работы и помехозащищенности. 3 Поставленная цель достигается тем, что в рентгеновский генератор, содержащий высокочастотный преобразо ватель, вход питания которого подклю чен к выходу нерегулируемого выпряной обмоткой высоковольтного трансформатора, вторичная обмотка которого подключена через умножитель напря жения к параллельно соединенным рент геновской трубке и делителю напряжения, источник опорного напряжения, Т ифференциа ьный усилитель, первый элемент ИЛИ, два триггера, три элемента И, первый пороговый элемент и одновибратор, причем выходы источника опорного напряжения и делителя напряжения соединены с входами дифференциального усилителя, выход первого элемента ИЛИ подключен к входу первого триггера, выходы которого соединены с первыми входами первого и второго элементов И, вторые входы которых соединены с выходом второго триггера, а выходы подключены к управляющим входам высокочастотного преобразователя, измерительный выход которого подключен через первый поро говый элемент к первому входу третье го элемента И, вход запуска генератора подключен к первому входу второ го триггера и через одновибратор к второму входу третьего элемента И, введены компаратор, второй и третий пороговый элементы, второй элемент ИЛИ, формирователь и пороговый интегратор, причем измерительный выход высокочастотного преобразователя дополнительно подключен к первому входу компаратора и через второй порого вый элемент - к первому входу второго элемента ИЖ. выход которого соединен с вторым входом второго триггера, выход дифференциального усилителя подключен к второму входу компаратора, выход первого порогового элемента и выход компаратора.со динены с входами первого элемента ИЛИ, выход третьего элемента И подключен через последовательно соединенные формирователь и пороговый интегратор к второму входу второго элемента ИЛИ, а выход делителя напря жения дополнительно подключен через третий пороговый элемент к третьему входу второго элемента . На фиг.1 показана схема рентгенов ского генератора; на фиг.2 - диаграм 1 мы напряженийJпоясняющие принцип работы генератора. Генератор содержит нерегулируемый выпрямитель 1, высокочастотный преобразователь 2, трансформаторный датчик 3 тока, высоковольтный трансформатор 4, умножитель 5 напряжения, рентгеновскую трубку 6, измерительный делитель 7 напряжения, источник 8 опорного напряжения (ИОН), дифференциальный усилитель 9, первый и второй элементы И 10 и 11, первый триггер 12, первый элемент ИЛИ 13, первый и второй пороговые элементы 14 и 15, компаратор 16, одновибратор 17, второй триггер 18, второй элемент ИЛИ 19, пороговый интегратор 20, формирователь 21, третий элемент И 22 и третий пороговый элемент 23. в рентгеновском генераторе выход нерегулируемого выпрямителя подключен к входу питания высокочастотного преобразователя 2 через трансформаторный датчик 3 тока, обр.азующий измерительный выход преобразователя 2. Выходы последнего подключены к первичной обмотке высоковольтного трансформатора 4, вторичная обмотка которого подключена к входу умножителя 5 напряжения, на выходе которого включена рентгеновская трубка 6 и параллельно ей - измерительный делитель 7 напряжения. Выход делителя 7 и ИОН 8 подключены к входам дифференциального усилителя 9. К управляющим входам преобразователя 2 подключены выходы первого и второго элементов И 10 и 11, к первьм входам которых подключены выходы первого триггера 12; вход которого соединен с вы- ходом первого элемента ИЛИ 13. Датчик 3 тока подключен к входам первого и второго пороговых элементов 14 . и 15, а также одному входу компаратора 16, к другому входу которого подключен выход дифференциального усилителя 9. Выход компаратора 16 подключен к одному входу первого элемента ШШ 13,, к другому входу которого подключен выход второго порогового элемента И 15. Вход Пуск генератора подключен к входу одновибратора 17 и к одному входу второго триггера 18, к другому. входу которого подключен выход трехвходовой схемы ШШ 19, к первому входу которой подключен выход первого порогового элемента 14, к второму

входу - выход порогового интегратора 20, к входу которого через формирователь 21 подключен выход третьего элемента И 22, к входам которого подключены выход второго порогового элемента 15 и выход одновибратора 17 а к третьему входу элемента ИЛИ 19 подключен выход третьего порогового элемента 23, к входу которого подключен выход делителя 7 напряжения. Выход второго триггера 18 подключен к вторым входам первого и второго элементов И 10 и 11.

На фиг.2 представлены .диаграммы следующих сигналов: 24 - диаграмма . выходного сигнала датчика 3 тока (О значения пороговых сигналов на входах первого порогового элемента 14 (i, )j второго порогового элемента

15(А пор) и на входе компаратора 16 ( 1), 25-27 - диаграммы выходных сигналов соответственно второго порогового элемента 15, компаратора

16и первого порогового элемента 14j

28 и 29 - диаграммы выходных сигнало соответственно первого и второго элементов И 10 и 11, 30 - диагр.амма выходного сигнала одновибратора 17, 31 и 32 - диаграммы времен прохождения тока через транзисторы и рекуперативные диоды соответственно одного и другого плеч высокочастотного преобразователя 2; 33 - диаграмма

выходного сигнала триггера 18. I

Генератор работает следующим обра

зом.

Нерегулируемый выпрямитель 1 (диодный мост с фильтром) обеспечивает выпрямление напряжения питания сети и заряд фильтра до его амплитудного значения. При включении генератора по входу Пуск запускается одновибратор 17 и на его выходе устанавливается сигнал О (диаграмма 30). Второй триггер 18 устанавливается в состояние, при котором на его выходе имеется сигнал 1 (диаграмма 33), который подается на входы элементов И 10 и 11. Первый триггер 12 находится в одном из своих состояний, когда на одном из его выходов присутствует сигнал 1.

На выходе соответствующего элемента И, например, элемента И 10, появляется сигнал (диаграмма 28), который поступает на базы транзисторов одного из плеч преобразователя 2 и открывает их. Через первичную обмотку высоковольтного трансформатора 4 начинает протекать ток, и напряжение с его вторичной обмотки поступает на умножитель 5, который умножает его, выпрямляет и подает на рентгеновскую трубку 6. С помощью ИОН 8 задается величина напряжения, которое должно установиться на рентгеновской трубке 6.

В состав высокочастотного преобразователя 2 входит трансформаторньй датчик 3 тока, которьй вырабатывает сигнал, пропорциональный мгновенному значению тока, протекгиощего через преобразователь 2 (диаграмма 24) и подаваемый на входы пороговых элементов 14 и 1-5, а также на вход компаратора 16. На пороговом элементе 14 устанавливается такое значение порогa1 J д,, которое недопустимо для нормальной работы устройства и при достижении которого устройство должно быть немедленно выключено во избежание выхода из строя каких-либо его элементов, например транзисторов преобразователя 2, трансформатора 4 или диодов умножителя 5. На пороговом элементе 15 устанавливается

значение тока i пор которое нельзя превьшать, но которое допустимо для элементов устройства в течение непродолжительного времени. I

В первый момент времени напряжение на выходе умножителя 5 и соответственно на выходе делителя 7 равно нулю и на выходе дифференциального усилителя 9 имеется максимальное напряжение, которое может, например, превышать значения порогов (д, и i р Поскольку в первый момент времени конденсаторы умножителя 5 не заряжены, ток через первичнда обмотку высоковольтного трансформатора 4 возрастает достаточно быстро и достигает порога срабатывания порогового элемента 15 (импульс а, диаграмма 24),которьй при этом срабатывает и выдает на своем выходе короткий импульс (диаграмма 25). Этот импульс проходит через элемент ИЛИ 13 и перебрасывает триггер 12 в другое положение, в результате чего управляющий сигнал на входе и выходе элемента И 10 и на базах транзисторов первого ключа преобразователя 2 исчезает и появляется на входе и выходе элемента И 11 и на .базах Транзисторов другого плеча преобразователя 2.

Транзисторы первого плеча закрываются, однако благодаря накопленной энергии в высоковольтном трансформаторе 4 в его первичной обмотке возникает ЭДС самоиндукции, под действи ем которой ток через первичную обмотку не прекращается мгновенно, а продолжает течь через рекуперативные диоды другого плеча, постепенно уменьшаясь до нуля. Хотя на базах транзисторов второго плеча в это время имеется управляющий сигнал, они остаются закрытыми, так как они -в это время зашунтированы открытыми рекуперативными диодами и на них имеет ся обратное напряжение ЭДС самоиндукции. Когда ток в первичной обмотке уменьшается до нуля и рекуперативные диоды закрываются, открываются транзисторы другого плеча и через .первичную обмотку трансформатора 4 под действием напряжения питания с выпрямителя 1 течет ток в другом направлении, совпадая с обратным током, возникающим в первичной обмотке под действием ЭДС самоиндукции.

Скорость нарастания и спадания тока при этом определяется резонансными характеристиками высоковольтного трансформатора 4, которые зависят от его параметров и отего нагрузки, т.е. от выходной мощности генератора

На диаграммах 31 и 32 показано время протекания тока через первичную обмотку. Заштрихованная часть показьшает время, в течение которого открыты транзисторы, а незаштрихованная часть-время, в течение которого ток течет через рекуперативные диоды. Описанный процесс повторяется

По мере прохождения импульса тока конденсаторы умножителя 5 заряжаются скорость нарастания импульсов тока уменьшается (импульс S , диаграмма 24), напряжение на выходе умножителя 5 .и на выходе делителя 7 напряжения увеличивается и разностный сигнал на выходе дифференциального усилителя 9 уменьшается (сигнал ij( , диаграмма 24). Начиная с некоторого момента времени сигнал с выхода дифференциального усилителя 9 становится меньше1д, t Rop. В этом случае, когда очередной импульс тока на датчике 3 вырастает до величины , на чинает происходить срабатывание компаратора 16, который при этом будет выдавать на своем выходе короткие

импульсы (диаграмма 26), которые проходят через элемент ИЛИ 13 и переключают триггер 12. В результате дли-, тельность импульсов протекания тока начинает определяться моментом срабатывания компаратора 16 (импульсы 8-8 диаграмма 24). Процесс протекания тока при этом происходит аналогично описанному.

По мере заряда конденсаторов умножителя 5 напряжение на его выходе увеличивается, разностный сигнал с выхода дифференциального усилителя 9 уменьшается и амплитуда импульсов тока, определяемая моментом срабатьшания компаратора 16, также уменьшается, пока устройство не вб1йдет на заданный режим, т.е. пока не установится заданное напряжение на рентгеновской трубке 6, определяемое уставкой ИОН 8. При этом генератор находится в динамическом равновесии с заданным режимом, а именно при уменьшении напряжения на трубке 6. увеличивается разностный сигнал на выходе дифференциального-усилителя 9, что приводит к увелигГению значения -1 , , при котором срабатывает . компаратор 16, а з.начит - к увеличению амплитуды импульса тока и соответственно к увеличению напряжения на рентгеновской трубке и наоборот, т.е. автоматически осуществляется стабилизация напряжения на трубке.

Как видно из диаграмм (31 и 32J, во всех случаях осуществляется автоматическое формирование защитных интервалов между моментами протекания токов через трансформаторы одного и другого плеч преобразователя 2.

При запуске устройства по входу Пуск одновибратор 17 устанавливается в положение, при котором на его выходе присутствует сигнал О и находится в этом положении в течение времени, равного или несколько больше времени выхрда устройства на режи (диаграмма 30). Поэтому в течение переходного периода, когда амплитуда импульсов тока достигает порога.срабатывания порогового элемента 15, импульсы с его выхода не проходят через элемент И 22 и не останавливаю устройство.

После выхода устройства на режим одновибратор перебрасывается, и на его выходе появляется сигнал 1, который поступает на вход элемента И 22. В дальнейшем при работе устрой ства в нормальном режиме уровень сигнала i находится ниже порога срабатьшания порогового элемента 15, амплитуда тока огра ничи вается компаратором 16 и поэтому пороговый элемент 15 не срабатывает. Если же.установлен тяжелый режим по нагрузке, превышающий допустимую норму, для аппарата, или если во вторичной цепи питания трубки произошло какое-либо нарушение, что приводит к понижению напряжения на трубке, то разностный сигнал с выхода дифференциального усилителя 9 увеличивается, сигнал i) становится большепорога срабатывания порогового элемента 15, и последний начинает срабатьгоать. Импульсы с его выхода проходят через элемент И 22,формируются на формирователе 21 и накап ливаются на пороговом интеграторе 20 Если перегрузка продолжается больше допустимого времени, то при накоплении заданного количества импульсов пороговый интегратор 20 выдает на своем выходе импульс, который проходит через элемент ИЛИ 19 и переключа ет триггер 18 (диаграмма. 33) в результате чего сигнал 1 на его выходе исчезает, элементы И 10. и 11 закрьтаются, и устройство останавливается. Введение огра.ничения амплитуды тока, допустимого в течение некоторого времениj и накопление сигнала в течение этого времени обес печивает требуемую помехозащищенность устройства при кратковременных понижениях напряжения, например от одиночных пробоев по маслу, которые не нарушают общую работоспособность устройства. Если короткое замыкание произошло в цепи преобразователя 2 или первичной обмотки трансформатора 4, что приводит к мгновенному росту тока через трансформаторы (импульс g диаграмма 24), то компаратор 16 и пороговый элемент 15 срабатьшают, но не успевают переключить плечи .преобразователя 2, ток достигает порога срабатьюания порогового элемента 14, и сигнал с. его выхода (диа грамма 27) проходит через элемент ИЛИ 19 и переключает триггер 18, останавливая устройство. При повышении напряжения на рентгеновской трубке больше .допустимого для нее значения срабатывает пороговьй элемент 23, сигнал с которого, пройдя через элемент ИЛИ 19, также останавливает устройство. Таким образом, в предлагаемом генераторе отсутствует такой сложный аналоговый блок, как преобразователь напряжения в длительность импульсов. Вывод на режим и стабилизация режима осуществляются непосредственно по анодному напряжению на трубке, минуя промежуточное преобразование в длительность импульсов В результате этого точность .установки и стабилизация режима работы в предлагаемом устройстве вьш1е, чем в известном. Генератор выполнен из элементов, работающих в ключевых режимах, что значительно упрощает его и облегчает настройку при серийном производстве аппаратов, имеет высокую помехозащищенность от импульсных Помех и в то же время обеспечивает мгновен- , ное выключение при образовании короткого замыкания в первичной цепи питания трубки. Генератор работает в режиме автоподстройки по частоте преобразования и по длительности импульсов под резонансные характеристики высоковольтного трансформатора, которые зависят от типа трансформатора и режима нагрузки, т.е. генератор применим в моноблоках на различные напряжения и различные мощности.

±.

S

а i

Фмг.2

РЕНТГЕНОВСКИЙ ГЕНЕРАТОР, содержащий высокочастотный преобразователь, вход питания которого подключен к выходу нерегулируемого выпрямителя, а выходы соединены с первичной обмоткой высоковольтного трансформатора, вторичная обмотка которого подключена через умножитель напряжения к параллельно соеди- , ненным рентгеновской трубке и делителю напряжения, источник опорного напряжения, дифференциальный усилитель, первый элемент ИЛИ, два триггера, три элемента И, первый пороговый элемент и одновибратор, причем выходы источника опорного напряжения и делителя напряжения соединены с входами дифференциального усилителя, выход первого элемента ИЛИ подключен к входу первого триггера, выходы которого соединены с первыми входами первого и второго .элементов И, вторые входы которых соединены с выходом второго триггера, а выходы подключены к управляющим входам высокочастотного преобразователя, измерительный выход которого подключен через первый поррговьш элемент к первому входу третьего элемента И, вход запуска генератора подключен к первому входу второго триггера, и через одновибратор - к второму входу третьего элемента И, отлич. ающийс я тем, что, с целью повышения точности вьщержки р.ежимов работы и помехозащищённости, в генератор введены компаратор, второй и третий пороговьй элементы, второй элемент ИЛИ, формирователь и пороговый ин(Л тегратор, причем измерительный выход высокочастотного преобразователя дополнительно подключен к первому входу компаратора и через второй noporoBbiji элемент - к первому %ходу второго элемента Ш1И, выход которого соединен с вторым входом второго триггера, выход дифференциального усилителя подключен к второ. му входу компаратора, выход первого ;О порогового элемента и выход компаратора соединены с входами первого элемента ИЛИ, выход третьего элемента И подключен через последовательно соединенные формирователь и пороговый интегратор к второму входу второго элемента ИЛИ, а выход делителя напряжения дополнительно подключен через третий пороговый элемент к третьему - входу второго элемента ИЛИ.