DE3330728A1 - Auxiliary voltage source for supplying electrical circuits which are at a high-voltage potential - Google Patents
Auxiliary voltage source for supplying electrical circuits which are at a high-voltage potentialInfo
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Abstract
Description
" Hilfsspannungsquelle zur Versorgung von auf Hoch-"Auxiliary voltage source for supplying high-
spannungspotential liegenden elektrischen Schaltungen Die Erfindung betrifft eine Hilfsspannungsquelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. electrical circuits lying at high voltage The invention relates to an auxiliary voltage source according to the preamble of claim 1.
Dem Gegenstand des Hauptpatentes lag die Aufgabe zugrunde, den Aufwand durch Wegfall des für hohe Potentialdifferenzen isolierten Trenntransformators zu verringern und dennoch mindestens eine Hilfsspannung auf hohem Potential zur Verfügung zu haben.The subject of the main patent was based on the task, the effort due to the omission of the isolating transformer isolated for high potential differences reduce and still have at least one auxiliary voltage at high potential to have.
Falls dabei die Obertragung von Meß- und/oder Regelsignalen über potentialfreie Obertragerstrecken von Hoch- auf Niederspannungspotential und umgekehrt erfolgen soll, werden auf der Hochspannungsseite primärseitig ein Spannungs-Frequenz-Wandler und sekundärseitig ein Frequenz-Spannungs-Wandler eingesetzt, die mit der genannten Hilfsspannung beaufschlagt werden. Auf der Niederspannungsseite befinden sich dabei sekundärseitig ein Frequenz-Spannungs-Wandler und primärseitig ein Spannungs-Frequenz-Wandler mit üblichen Hilfsspannungsquellen.If this involves the transmission of measurement and / or control signals via potential-free Carry out transmission lines from high to low voltage potential and vice versa should be a voltage-frequency converter on the primary side on the high-voltage side and on the secondary side, a frequency-to-voltage converter is used that is compatible with the aforementioned Auxiliary voltage be applied. On the low voltage side there is a frequency-to-voltage converter on the secondary side and a primary side a voltage-frequency converter with conventional auxiliary voltage sources.
"Primär-" und sekundärseitig" heißt dabei: diesseits und jenseits der Obertragerstrecken."Primary" and secondary "means here and beyond the transfer routes.
Während sich die vorgeschlagene Lösung für die Ubertragung von Spannungen von beispielsweise 5 bis 10 Volt und von proportionalen Frequenzen von 100 bis 200 kHz als durchaus brauchbar erwiesen hat, erwies sich die Übertragung von Spannungen bzw. Frequenzen merklich unterhalb der unteren Bereichsgrenzen als problematisch. Bei der Übertragung von schnell veränderlichen Gleichspannungssignalen bis etwa 1 kHz in Rechteckform besteht nämlich bei sehr niedrigen Signalpegeln das Problem einer hohen Restwelligkeit der Übertragungsfrequenz nach der RUckwandlung im Frequenz-Spannungs-Wandler.While the proposed solution for the transfer of voltages for example from 5 to 10 volts and at proportional frequencies from 100 to 200 kHz has proven to be quite useful, the transmission of voltages has proven to be or frequencies noticeably below the lower range limits as problematic. When transmitting rapidly changing DC voltage signals up to approx 1 kHz in rectangular shape is the problem with very low signal levels a high residual ripple of the transmission frequency after the reconversion in the frequency-voltage converter.
Der Erfindung liegt daher d-ie Aufgabe zugrunde, die eingangs beschriebene Hilfsspannungsquelle dahingehend zu verbessern, daß auch bei niedrigen zu übertragenden Spannungen bzw. Frequenzen glatte Gleichspannungen für Regel zwecke auf der Niederspannungsseite bzw. erneut auf der Hochspannungsseite zu erhalten sind.The invention is therefore based on the object described at the beginning Auxiliary voltage source to improve so that to be transmitted even at low Voltages or frequencies smooth DC voltages for control purposes on the low-voltage side or can be obtained again on the high-voltage side.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bezüglich der eingangs angegebenen Hilfsspannungsquelle erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruches 1.The problem posed is achieved with respect to that stated at the beginning Auxiliary voltage source according to the invention by the features in the characterizing part of patent claim 1.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme werden die Probleme im Bereich der Übertragung niedriger Frequenzen beseitigt, so daß die derart ausgestattete Hilfsspannungsquelle auch und mit besonderem Vorteil bei der Obertragung niedriger Spannungen anwendbar ist.The measure according to the invention eliminates the problems in the area the transmission of low frequencies eliminated, so that the thus equipped Auxiliary voltage source also and with particular advantage in terms of transmission lower Tensions is applicable.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachfolgend anhand der einzigen Figur näher erläutert, die beispielhaft den Einsatz bei einer Elektronenstrahl-Schweißkanone zeigt.An embodiment of the subject matter of the invention is shown below explained in more detail with reference to the single figure, which is an example of use in a Electron beam welding gun shows.
In der Figur ist eine Elektronenstrahl-Schweißmaschine 1 nur sehr schematisch dargestellt. Sie enthält eine Vakuumkammer 2 mit einem Werkstückträger 3 und einem Werkstück A, welches das Gegenpotential für einen von einer Elektronenstrahlkanone 5 emittierten Elektronenstrahl 6 darstellt.In the figure, an electron beam welding machine 1 is only very much shown schematically. It contains a vacuum chamber 2 with a workpiece carrier 3 and a workpiece A, which is the counter potential for one of an electron beam gun 5 represents the electron beam 6 emitted.
Das Werkstück 4 ist ebenso wie die Vakuumkammer 2 an Masse gelegt und bildet,-relativ gesehen, die Anode für den Elektronenstrahl 6.The workpiece 4, like the vacuum chamber 2, is grounded and, seen in relative terms, forms the anode for the electron beam 6.
Die Elektronenstrahl kanone 5 enthält einen Wehnelt-Zylinder und eine durch Stromdurchfluß direkt beheizte Katode 8.The electron beam cannon 5 contains a Wehnelt cylinder and a Cathode directly heated by current flow 8.
Die Katode 8 befindet sich auf hohem negativen Potential von 150 kV, und der Wehnelt-Zylinder läßt sich auf ein noch größeres negatives Potential einstellen, wodurch die Strahl leistung entsprechend veränderbar ist.The cathode 8 is at a high negative potential of 150 kV, and the Wehnelt cylinder can be set to an even greater negative potential, whereby the beam power can be changed accordingly.
Zur Katode 8 gehört ein Heizstromkreis 9, der seine Leistung über einen üblichen Trenntransformator 10 und einen vorgeschalteten Heizungsregler 11 bezieht. Im Heizstromkreis 9 liegt weiterhin ein Symmetrierglied 12, welches Elemente für die Gleichrichtung und Glättung des Heizstromes enthält.A heating circuit 9 belongs to the cathode 8, which overruns its power a conventional isolating transformer 10 and an upstream heating controller 11 relates. In the heating circuit 9 there is also a balun 12, which elements for the rectification and smoothing of the heating current.
Der Aufbau solcher Symmetrierglieder ist Stand der Technik, so daß sich ein weiteres Eingehen hierauf erübrigt.The construction of such baluns is state of the art, so that further elaboration on this is unnecessary.
Das Symmetrierglied 12 besitzt einen Ausgang 13 für die Erfassung des Strahl strom-Ist-Wertes, der an einem Meßwiderstand 14 abgegriffen werden kann. Der Meßwert wird über Leitungen 15 und 16 einer Meßwert-Erfassungsschaltung 17 zugeführt, zu der ein Spannungs-Frequenz-Wandler 18 gehört.The balun 12 has an output 13 for the detection of the beam current actual value, which can be tapped off at a measuring resistor 14. The measured value is fed to a measured value acquisition circuit 17 via lines 15 and 16, to which a voltage-frequency converter 18 belongs.
Der Ausgang 13 ist über eine weitere Leitung 19 einem Stellglied 20 für die Wehnelt-Spannung aufgeschaltet, os seinerseits über eine Leitung 21 mit dem Wehnelt-Zylinder 7 verbunden ist. Dem Stellglied 20 ist ein Frequenz-Spannungs-Wandler 22 vorgeschaltet, auf dessen Funktion nachstehend noch näher eingegangen wird.The output 13 is an actuator 20 via a further line 19 switched on for the Wehnelt voltage, os in turn via a line 21 with the Wehnelt cylinder 7 is connected. The actuator 20 is a frequency-to-voltage converter 22 upstream, the function of which will be discussed in more detail below.
Der Heizstromkreis 9 besitzt einen Wechselstrombereich 23, mit dem derjenige Teil des Stromkreises bezeichnet wird, der vor dem im Symmetrierglied 12 vorhanden Gleichrichter liegt. Es wird bemerkt, daß ein derartiger Gleichrichter bei Elektronenstrahl kanonen für Schmelz- und Verdampfungszwecke in der Regel nicht vorhanden ist, so daß in diesem Falle der Wechselstrombereich 23 den gesamten Heizstromkreis 9 darstellt.The heating circuit 9 has an alternating current area 23 with which that part of the circuit is referred to, which is before the in the balun 12 present rectifier is located. It is noted that such a rectifier usually not with electron beam guns for melting and evaporation purposes is present, so that in this case the alternating current area 23 the entire heating circuit 9 represents.
Im Wechselstrombereich 23 liegt die Primärwicklung 24 eines Stromwandlers 25, dessen Sekundärwicklung 26 einem Gleichrichter 27 aufgeschaltet ist. Dieser Gleichrichter der für Schmelzzwecke auch mit Glättungsmitteln ausgestattet sein kann, ist einem Parallel-Regir 28 aufgeschaltet, der im einfachsten Fall aus einer Zener-Diode bestehen kann. Der Ausgang 29 des Parallel-Reglers 28 ist in Parallelschaltung dem Spannungs-Frequenz-Wandler 18, dem Frequenz-Spannungs-Wandler 22 und dem Stellglied 20 für die Wehnelt-Spannung aufgeschaltet. Die auf diese Weise erzeugte Hilfsspannung ist die Versorgungsspannung für die vorgenannten, nachgeschalteten Elemente. Die Hilfsspannungen, von denen hier die Rede ist, liegen im Bereich der Kleinspannungen, schliessen also Spannungen von beispielsweise 15 oder 24 V ein. The primary winding 24 of a current transformer is located in the alternating current region 23 25, the secondary winding 26 of which is connected to a rectifier 27. This Rectifiers for melting purposes can also be equipped with smoothing agents can, is connected to a parallel Regir 28, which in the simplest case consists of a Zener diode can exist. The output 29 of the parallel controller 28 is connected in parallel the voltage-to-frequency converter 18, the frequency-to-voltage converter 22 and the actuator 20 switched on for the Wehnelt voltage. The auxiliary voltage generated in this way is the supply voltage for the aforementioned, downstream elements. the Auxiliary voltages, which we are talking about here, are in the range of low voltages, thus include voltages of 15 or 24 V, for example.
Der Parallel-Regler, häufig auch als Shunt-Realer bezeichnet, hat die Wirkung, daß eine Änderung der Ausgangsbelastung keine oder keine merklichen Rückwirkungen auf die Quelle bzw. die Eingangsspannung hat. Da der Eingangskreis mit einem konstanten Strom betrieben wird, führt dies zu dem Vorteil, daß die ansonsten belastungsabhängig eintretende änderung der Strahlleistung, bedingt durch den geänderten Heizstrom der Katode, unterbleibt. Jede Veränderung der Strahl parameter wie Spannung oder Strom hätte letztendlich eine Veränderung des Arbeitsverfahrens zur Folge, für das der Elektronenstrahl eingesetzt wird. Ganz besonders empfindlich auf Anderunaen der Strahlparameter reagieren Elektronenstrahlkanonen für Schvieißzwecke, da geänderte Schweißparameter der Qualität der Schweißnaht unter Umständen abträglich sind.The parallel regulator, often also referred to as the shunt realer, has the effect that a change in the initial exposure is no or no noticeable Has repercussions on the source or the input voltage. Because the input circle is operated with a constant current, this has the advantage that the otherwise Load-dependent change in the beam power, caused by the changed There is no heating current of the cathode. Any change in beam parameters such as voltage or electricity would ultimately result in a change in the work process, for which the electron beam is used. Particularly sensitive to the rest of the world the beam parameters react electron beam guns for welding purposes, since changed Welding parameters may be detrimental to the quality of the weld seam.
Der Spannungs-Frequenz-Wandler. 18 bestitzt einen nicht näher bezeichneten potentialfreien, d.h. nicht-elektrischen Ausgang, der gleichzeitig den Eingang einer potentialtrennenden Übertragerstrecke 31 darstellt, die zusammen mit ihrer Wirkungsrichtung durch einen Pfeil symbolisiert wird.The voltage-frequency converter. 18 has an unspecified one potential-free, i.e. non-electrical output, which is also the input of a represents potential-separating transmission path 31, which together with their direction of action is symbolized by an arrow.
Eine derartige Obertragerstrecke kann als Lichtleiter ausgebildet sein oder durch ein System aus optischen oder akustischen Sendern und Empfängern gebildet werden. Als übertragende Energieform kann beispielsweise Lichtstrahlung (Infrarot) köder Ultraschall dienen.Such an upper carrier section can be designed as a light guide be or through a system of optical or acoustic transmitters and receivers are formed. Light radiation, for example, can be used as the form of energy to be transmitted (Infrared) bait serve ultrasound.
Am Ende der Übertragungsstrecke 29 befindet sich ein Frequenz-Spannungs-Wandler 32 mit einem nun wieder elektrischen Ausgang 33, der einem Strahlstrom-Regler 34 aufgeschaltet ist. Im Strahlstromregler wird das am Ausgang 33 anstehende Signal mit einem Sollwert verglichen und das daraus gebildete Regelsignal einem Spannungs-Frequenz-Wandler 35 zugeführt, vom dem es wiederum über eine potentialtrennende Obertragerstrecke 36 dem Frequenz-Spannungs-Wandler 22 zugeführt wird. Auch diese Obertragerstrecke 36 wird ebenso wie ihre Wirkungsrichtung durch einen Pfeil smbolisiert.At the end of the transmission path 29 there is a frequency-voltage converter 32 with a now again electrical output 33, which is a jet current regulator 34 is activated. The signal present at output 33 is transmitted in the jet flow regulator compared with a nominal value and the control signal formed therefrom to a voltage-frequency converter 35 supplied, from which it in turn via a potential-separating upper carrier line 36 is fed to the frequency-voltage converter 22. Also this transfer route 36, like its direction of action, is symbolized by an arrow.
Die Wandler 32 und 35 liegen ebenso wie der Strahlstromregler 34 auf Erdpotential ; sie werden durch weitere Hilfsspannungsquellen üblicher Bauart versorgt, die der Einfachheit halber nicht dargestellt sind. In den Spannungs-Frequenz-Wandlern 18 und 35 werden die jeweils eingehenden elektrischen Signale (Spannungen) in nichtelektrische Signale umgesetzt, deren Frequenz, Amplitude Modulation etc. ein dem Spannungswert proportionales Abbild darstellen. In den Frequenz-Spannungs-Wandlern 32 und erfolgt die umgekehrte Umsetzung in Spannungssignale. Die Obertragerstrecken 31 und 36 überbrücken die Potentialdifferenz zum Hochspannungspotential.The transducers 32 and 35, like the jet flow regulator 34, are on top Earth potential; they are supplied by other auxiliary voltage sources of the usual type, which are not shown for the sake of simplicity. In the voltage-frequency converters 18 and 35 convert the incoming electrical signals (voltages) into non-electrical ones Signals implemented, their frequency, amplitude Modulation etc. represent an image proportional to the voltage value. In the frequency-to-voltage converters 32 and the reverse conversion takes place in voltage signals. The upper carrier routes 31 and 36 bridge the potential difference to the high voltage potential.
Es ergibt sich auf diese Weise, daß der am Ausgang 13 bzw.It results in this way that the output 13 or
am Meßwiderstand 14 abgegriffene Wert für den Strahl strom noch auf der Hochspannungsseite verarbeitet werden kann und wahlweise dort oder am Ende der Obertragerstrecke 31 auf Erdpotential einem Endzweck zugeführt werden kann, wie beispielsweise zur Anzeige des Meßwertes oder zur Umsetzung in eine Stellgröße mittels des Strahlstromreglers 34.at the measuring resistor 14 tapped value for the beam current is still on the high-voltage side can be processed and optionally there or at the end of the Upper carrier line 31 can be supplied to an end purpose at ground potential, such as for example to display the measured value or to convert it into a manipulated variable by means of of jet flow regulator 34.
Auch die Katodenspannung kann auf die gezeigte Weise abgegriffen und zur Anzeige gebracnt werden.The cathode voltage can also be tapped off in the manner shown be burned for display.
Dem Eingang des Spannungs-Frequenzwandlers 18 ist zusätzlich zum Ausgang des Parallelreglers 28 und zusätzlich zum Meßwert x1 (Leitungen 15/16) eine Gleichspannungsquelle 40 aufgeschaltet, die ein vorwählbares Gleichspannungspotential liefert. Weiterhin ist dem Eingang des Strahlstromreglers 34 zusätzlich zum Meßwert x1 eine weitere Gleichspannungsquelle 41 aufgeschaltet, die ein entsprechendes Gleichspannungspotential mit entgegengesetztem Vorzeichen gegenüber dem der Gleichspannungsquelle 40 liefert. Es ist naturgemäß auch möglich, die Bewertung der Vorzeichen durch Schaltungsmaßnahmen innerhalb der Wandler durchzuführen. The input of the voltage-frequency converter 18 is in addition to Output of the parallel regulator 28 and in addition to the measured value x1 (lines 15/16) one DC voltage source 40 connected, which has a preselectable DC voltage potential supplies. Furthermore, the input of the jet current regulator 34 is in addition to the measured value x1 a further DC voltage source 41 is connected, which has a corresponding DC voltage potential with the opposite sign to that of the DC voltage source 40 supplies. It is of course also possible to evaluate the signs by means of circuit measures perform within the converter.
Durch die angegebenen Maßnahmen erfolgt auf der Primärseite der Übertragerstrecke 31 eine Signal anhebung und auf der Sekundärseite eine entsprechende Signaiabsenkung mit folgenden Vorteilen: Vor der Obertragerstrecke 31 wird die vorhandene Spannung U in eine proportionale Frequenz F umgewandelt.The specified measures take place on the primary side of the transmission path 31 a signal increase and on the secondary side a corresponding signal decrease with the following advantages: Before the upper carrier line 31, the existing voltage U converted into a proportional frequency F.
Bei niedriger Spannung steht also auch nur eine entsprechend niedrige Frequenz zur Verfügung. Bei der Übertragung von schnell veränderlichen Gleichspannungen, d.h. von Signalen mit entsprechender Flankensteilheit, besteht bis zu einer Frequenz von etwa 1 kHz das Problem einer hohen Restwelligkeit der Obertragungsfrequenz nach der Rückwandlung im Frequenz-Spannungs-Wandler. Für Regetzwecke muß aber eine sehr gleichförmige bzw. "glatte" Gleichspannung übertragen werden.If the voltage is low, there is only a correspondingly low voltage Frequency available. When transmitting rapidly changing DC voltages, i.e. of signals with a corresponding edge steepness, exists up to a frequency of about 1 kHz the problem of a high residual ripple of the transmission frequency the reconversion in the frequency-voltage converter. For regulation purposes, however, one must be very uniform or "smooth" DC voltage can be transmitted.
Durch die vorstehend beschrriebgnen Schaltungsmaßnahmen wird nun auf der Primärseite der Obertragerstrecke 31 zum Spannungssignal eine Gleichspannung addiert. Schwankt das Spannungssignal beispielsweise zwischen 0 und +5 Volt, so liegt der übertragene Frequenzbereich zwischen 0 und 100 kHz. Wird nun zu dem Spannungssignal eine Gleichspannung von +5 Volt addiert, die einer Frequenz von 100 kHz entspricht, so liegt der zu übertragende Spannungsbereich zwischen +5 Volt und +10 Volt, und die zu übertragene Frequenz zwischen 100 und 200 kHz. Die hinzu addierte Gleichspannung von +5 Volt wird alsdann auf der Sekundärseite wieder abgezogen, womit dann das gewünschte eindeutige Spannungssignal erhalten wird. Es steht alsdann wieder ein Nutzsignal zwischen 0 und +5 Volt zu Regelzwecken zur Verfügung.The circuit measures described above now lead to the primary side of the upper carrier path 31 to the voltage signal is a DC voltage added up. If the voltage signal fluctuates between 0 and +5 volts, for example the transmitted frequency range is between 0 and 100 kHz. Now becomes the voltage signal add a DC voltage of +5 volts, which corresponds to a frequency of 100 kHz, the voltage range to be transmitted is between +5 volts and +10 volts, and the frequency to be transmitted between 100 and 200 kHz. The added DC voltage of +5 volts is then subtracted again on the secondary side, with which the desired unique voltage signal is obtained. Then it stands up again A useful signal between 0 and +5 volts is available for control purposes.
Weiterhin ist dem Spannungs-Frequenz-Wandler 35, der dem Strahlstromregler 34 nachgeschaltet ist, zusätzlich zum Ausgangssignal des Strahlstromreglers eine Gleichspannungsquelle 42 aufgeschaltet, die ebenfalls ein vorwählbares Gleichspannungspotential liefert. In analoger Weise erfolgt auch hier eine Frequenzanhebung in der Übertragerstrecke 36. Dem Stellglied 20, das dem Frequenz-Spannungs-Wandler 22 nachgeschaltet ist, wird wiederum zusätzlich zu dessen Ausgangssignal eine Gleichspannungsquelle 43 aufgeschaltet, die ein entsprechendes Gleichspannungspotential mit eMgegengesetztem Vorzeichen liefert. Auf diese Weise werden die Probleme im Bereich der Übertragung niedriger Frequenzen beseitigt, so daß die Anordnung auch und mit besonderem Vorteil bei der Übertragung niedriger Spannungen anwendbar ist.Furthermore, the voltage-frequency converter 35, the jet current regulator 34 is connected downstream, in addition to the output signal of the beam current regulator a DC voltage source 42 connected, which also has a preselectable DC voltage potential supplies. The frequency in the transmission path is also increased in an analogous manner 36. The actuator 20, which is connected downstream of the frequency-voltage converter 22, a DC voltage source 43 becomes in turn in addition to its output signal switched on, which has a corresponding direct voltage potential with the opposite of eM Returns the sign. This way the problems in the field of transmission eliminates lower frequencies, so that the arrangement also and with particular advantage is applicable to the transmission of low voltages.
Das Stellglied 20 erhält seine Versorgungsspannung von beispielsweise 1 kV von einem Gleichrichter 38 und einem weiteren, spannungsstabilisierten Parallelregler 39. Auf diese Weise wird der bereits vorhandenen hohen Katodenspannung eine Spannung überlagert, die gegenüber der Katodenspannung nochmals um 1 kV negativ ist.The actuator 20 receives its supply voltage from, for example 1 kV from a rectifier 38 and another voltage-stabilized parallel regulator 39. In this way the already existing high cathode voltage becomes a voltage superimposed, which is again negative by 1 kV compared to the cathode voltage.
Durch Variation dieser Spannung mittels des Stellgliedes 20 kann der Strahl strom in an sich bekannter Weise. geregelt werden. Es ist erkennbar, daß auf die angegebene Weise auf Hochspannungspotential auch die Wehnelt-Spannung erzeugt und geregelt werden kann, und zwar durch die gleichfalls auf Hochspannungspotential befindliche Hilfsspannungsquelle, die aus den Bauelementen 25, 27 und 28 besteht.By varying this voltage by means of the actuator 20, the Beam current in a known manner. be managed. It can be seen that the Wehnelt voltage is also generated in the specified manner at high voltage potential and can be regulated, through the likewise on high voltage potential located auxiliary voltage source, which consists of the components 25, 27 and 28.
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