结构简单性能稳定的X射线管灯丝电流控制电路
文献发布时间:2023-06-19 18:46:07
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域,具体涉及结构简单性能稳定的X射线管灯丝电流控制电路。
背景技术
随着我国人民群众生活水平的不断提高,乡镇一级的基层医院对X射线诊断产品的成像质量要求不断提高,使得高频X射线机替代传统的工频X射线机势在必行。但目前国内外高频X射线机大多采用精密高的贴片式元器件,由于精密高的贴片式元器件管腿间距离很近,使得电路板上元器件焊盘与导线之间、导线与导线之间距离很小,设备运行时很容易受到环境温度和湿度的影响。而乡镇一级的基层医院设备使用环境比较差,使用环境的温度、湿度都很难达到国家标准的要求,在此环境下使用精密度较高的贴片式元器件制造的X射线诊断产品容易造成的损坏。
而目前国外X射线机,灯丝回路电流采样一般采用精密电压有效值转换器配合灯丝回路电流的电压值采样方式工作。灯丝回路电流控制的设定值采用12位D/A转换器输出。灯丝回路最大输出电流控制,采用12位A/D转换器进行模拟值采样,利用软件进行灯丝回路最大输出电流控制。由于这些精密控制器件的应用,要求产品的运行环境比较苛刻,一般均要求配置空调和除湿机以达到产品的使用环境要求,不太适合乡镇一级的基层医院使用。
目前国产X射线机一般采用仿制国外产品的方法,采用的控制方法与上述国外X射线机基本相同,要求产品的运行环境也比较苛刻。而乡镇一级的基层医院使用环境很难达到设备的要求,设备在乡镇一级的基层医院使用时容易出现故障,不利于产品在乡镇一级的基层医院使用。为此,我们需要一款电路结构简单、性能稳定、工作可靠、便于维修、成本较低的X射线诊断产品。
发明内容
本发明的目的在于:提供结构简单性能稳定的X射线管灯丝电流控制电路,旨在解决上述存在的现有技术下X射线机所受到工作环境影响较大、要求产品的运行环境比较苛刻、在乡镇一级的基层医院使用时容易出现故障,不利于产品在乡镇一级基层医院使用的技术问题。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
采用结构简单性能稳定的X射线管灯丝电流控制电路,包括CPU控制单元、灯丝驱动单元和高压变压器组件:CPU控制单元又包括交流灯丝电流直流电压值采样电路和灯丝电流控制电路,灯丝驱动单元又包括灯丝输出逆变器和灯丝回路电流采样电路,高压变压器组件又包括小焦点灯丝变压器和大焦点灯丝变压器。
其工作流程为:CPU控制单元中交流灯丝电流直流电压值采样电路,将灯丝驱动单元输出的交流灯丝电流采样值转换为直流电压采样值,该电压采样值与CPU控制单元中灯丝电流控制电路中的灯丝电流设定电压值进行比较,控制输出到灯丝驱动单元的灯丝触发脉冲宽度。由CPU控制单元输入的触发脉冲控制灯丝驱动单元中灯丝输出逆变器的输出电流,此电流流经灯丝电流采样互感器采样线圈后输出到高压变压器组件,灯丝电流采样互感器次级输出的交流灯丝电流采样值输出到CPU控制单元进行灯丝回路电流闭环控制。由灯丝驱动单元输出的灯丝驱动电流输出到高压变压器组件中的大焦点灯丝变压器和小焦点灯丝变压器的初级,经大焦点灯丝变压器和小焦点灯丝变压器隔离后的次级电流输出到X射线管的大焦点灯丝和小焦点灯丝中,控制灯丝的加热温度,在X射线管阴极与阳极之间的高压作用下,使X射线管输出管电流达到CPU控制单元中灯丝电流控制电路的设定值要求。
优选的,CPU控制单元中交流灯丝电流直流电压值采样电路用于将灯丝驱动单元输出的交流灯丝电流采样值转化为直流电压采样值,供灯丝电流控制电路进行灯丝输出电流闭环控制使用。同时采样电路中的透视X射线管灯丝回路电流采样补偿电路,用于提升透视工作中的灯丝电流反馈值,使透视的灯丝电流采样值与摄影的灯丝电流采样值反馈电压范围相同,以便充分利用8位D/A转换器的256个电压输出梯度,提高灯丝回路电流控制D/A转换输出的灯丝控制电压设定值的精确度。CPU控制单元中灯丝电流控制电路用于将灯丝电流直流电压采样值与8位D/A转换器输出的设定电压值进行比较,控制灯丝触发脉冲宽度,使X射线管的灯丝电流达到设定值的要求。
优选的,灯丝驱动单元中灯丝输出逆变器输出交流脉冲电压,经过交流电流互感器采样线圈输出到高压变压器组件。交流电流互感器次级采样输出用于实时采集X射线管大焦点和小焦点灯丝的电流值,用于CPU控制单元闭环灯丝电流控制,在小焦点工作时,小焦点采样补偿线圈2T接入,对小焦点灯丝的电流采样值进行提升补偿,使大焦点和小焦点灯丝的电流采样值范围一致,以便充分利用灯丝电流控制设定值的8位D/A转换器的256个电压输出梯度,提高灯丝回路电流控制D/A转换的控制精确度。
优选的,高压变压器组件中大焦点灯丝变压器和小焦点灯丝变压器,用于X射线管高压阴极灯丝电路与低压X射线管灯丝电流控制电路的隔离,同时利用控制大焦点和小焦点灯丝变压器的变比,使大焦点灯丝变压器和小焦点灯丝变压器的初级极限输出脉冲宽度达到一致,以简化X射线管大焦点和小焦点灯丝过热保护电路。
优选的,X射线管大焦点和小焦点灯丝输入功率限制电路,通过控制CPU控制单元中最大灯丝触发脉冲宽度限制电路、灯丝驱动单元中最大输出电流控制电路、高压变压器组件中大焦点灯丝变压器和小焦点灯丝变压器变比的控制,用于控制输出到高压变压器组件中大焦点灯丝变压器和小焦点变压器初级的最大电流,防止脉冲宽度限制电路失效或灯丝逆变稳压电源输出电压过高造成X射线管灯丝电流过热,以保证受检患者不受到过度的X射线辐射和X射线管灯丝的安全。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
1、本发明避免采用现有的精密电压有效值转换器配合灯丝回路电流的电压值采样方式工作。而是采用本发明的交流灯丝电流直流电压采样配合灯丝回路电流采样方式的X射线管灯丝电流控制电路,这种电路简化设计在不降低工作性能的情况下降低了X射线管灯丝闭环控制回路的成本。
2、本发明的灯丝回路电流控制的设定值不是采用精密的12位D/A转换器输出和精密的12位A/D转换器进行灯丝电流模拟值采样,而是对各种工作状态下的灯丝电流设定值和灯丝电流采样值进行统筹设计,在保证灯丝电流控制精确度要求下,将灯丝电流设定值和灯丝电流采样值控制在256个梯度范围内,适合管脚间距较大的普通8位D/A转换器输出电流控制的设定值和普通的8位A/D转换器进行灯丝电流模拟值采样,降低了对使用环境的要求,即不要求配置空调和除湿机,本发明降低了产品的使用成本,提高了X射线管灯丝闭环控制回路的工作稳定性。
3、本发明的CPU控制单元中的灯丝触发最大脉冲限制电路、灯丝驱动单元中灯丝逆变稳压电源最大输出电流限制电路配合高压变压器组件中的大焦点灯丝变压器与小焦点灯丝变压器变比的控制,实现了X射线管大、小焦点灯丝输入极限功率的精确限制,保护了X射线管的灯丝,使该产品能够满足电源、温度与湿度条件较差的基层医院使用。
附图说明
图1为本发明的电路方框图;
图2为本发明中的交流灯丝电流直流电压采样电路的线路图;
图3为本发明中的灯丝回路电流采样电路的线路图;
图4为本发明中灯丝逆变稳压电源最大输出电流限制电路的线路图;
图5为本发明中X射线管的灯丝输入功率限制电路的线路图;
图中标记:
M1、CPU控制单元;M11、灯丝电流控制电路;M111、灯丝触发脉冲宽度控制电路;M112、灯丝电流设定电路;M12、交流灯丝电流直流电压采样电路;
M2、灯丝驱动单元;M21、灯丝输出逆变器;M211、灯丝逆变电路;M212、灯丝逆变稳压电源;M213、灯丝逆变稳压电源最大输出电流限制电路;M22、灯丝回路电流采样电路;
M3、高压变压器组件;M31、小焦点灯丝变压器;M32、大焦点灯丝变压器;
M4、X射线管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图1,结构简单性能稳定的X射线管灯丝电流控制电路,包括CPU控制单元M1、灯丝驱动单元M2和高压变压器组件M3;
CPU控制单元M1的输入端与灯丝驱动单元M2的灯丝回路电流采样信号输出端FILASAMP1和FILA SAMP2连接,灯丝驱动单元M2的输入端与CPU控制单元M1的灯丝触发脉冲信号输出端FILA DR1和FILA DR2连接,高压变压器组件M3的输入端与灯丝驱动单元M2的输出端FS-out、FL-out和FC-out连接,高压变压器组件M3的输出端与X射线管组件的灯丝输入端S、L和C连接。
CPU控制单元M1由灯丝电流控制M11和交流灯丝电流直流电压值采样电路M12组成,其中灯丝电流控制M12又由灯丝电流设定电路M112和灯丝触发脉冲宽度控制电路M111组成;CPU控制单元M1用于产生驱动灯丝驱动单元M2的脉冲宽度调制信号,其中交流灯丝电流直流电压值采样电路M12用于将灯丝驱动单元M2中灯丝回路电流采样电路M22输出的交流灯丝电流采样值转换为直流电压信号,其中灯丝电流控制电路M11中的灯丝触发脉冲宽度控制电路用于将交流灯丝电流直流电压值采样电路输出的采样电压与灯丝电流设定电路输出的电压进行比较,闭环控制灯丝触发脉冲宽度调制信号的输出脉冲宽度,用于控制X射线管灯丝的电流值。
灯丝驱动单元M2由灯丝输出逆变器M21和灯丝回路电流采样电路M22组成,其中灯丝输出逆变器M21又由灯丝逆变稳压电源最大输出电流限制电路M213、灯丝逆变稳压电源M212和灯丝逆变电路M211组成;灯丝驱动单元M2用于产生驱动高压变压器组件M3的脉冲宽度调制的交流电压,其中灯丝输出逆变器M21中的灯丝稳压电源用于产生40V稳定直流电压,灯丝逆变电路用于产生40V交流脉冲宽度调制的电压,其中灯丝输出逆变器中的灯丝回路电流采样电路M22用于采集输出到高压变压器组件的灯丝电流。
高压变压器组件M3包括小焦点灯丝变压器M31和大焦点灯丝变压器M32,作用一,用于隔离X射线管高压阴极灯丝电路与低压X射线管灯丝电流控制电路。作用二,用于匹配X射线管小焦点灯丝和大焦点灯丝的工作电流。
高压变压器组件M3向X射线管M4输出CPU控制单元设定的符合各种X射线诊断需要的电流。
参照图2,CPU控制单元M1中的交流灯丝电流直流电压采样电路M12;其中由全波整流桥V47、V48、V49和V50(1N4148),采样电阻R78(3×10
大焦点电流采样信号源阻抗:
Z1/Z2=(N1/N2)
Z2=(N2/N1)
=(3000÷3)
=1×10
注:Z1、Z2分别为大焦点变压器初、次级阻抗,N1、N2分别为大焦点变压器初、次级匝数。大焦点变压器初级端阻抗Z1=10Ω。
小焦点电流采样信号源阻抗:
Z1/Z2=(N1/N2)
Z2=(N2/N1)
=(3000÷5)
=3.6×10
注:Z1、Z2分别为小焦点变压器初、次级阻抗,N1、N2分别为小焦点变压器初、次级匝数。小焦点变压器初级端阻抗Z1=10Ω。
根据1N4148电压-电流工作曲线图可以看出1N4148工作在0mA-20mA时,VF工作范围0.6V-0.8V,据此可以计算出该工作范围内的动态电阻值。
r=ΔV/ΔI
=(0.8-0.6)÷(0.02-0)
=10Ω
其中:r为1N4148的动态电阻,ΔV为1N4148的输入电压变化范围,ΔI为1N4148的输入电流变化范围。
由上述计算值可以看出大焦点电流采样信号源内阻为1×10
交流平均值采样电路电流-电压转换率:
Vout=I×R78
=1×10
=3
由以上计算可以看出电流-电压转换率为3V/1mA。
由E7833X型X射线管大焦点灯丝曲线图中可以看出,大焦点透视灯丝最大驱动功率在40kV75mA时,即驱动电压8.5V、驱动电流4.3A。
透视大焦点灯丝最大驱动功率:
P
=4.3×8.5
=36.55W
其中:I
为了保证大焦点透视与摄影采样值范围一致,需满足摄影、透视大焦点灯丝最大驱动功率之比与透视、摄影增益之比一致,摄影、透视大焦点灯丝最大驱动功率之比(57.96÷36.55)为1.59。
由E7833X型X射线管小焦点灯丝曲线图中可以看出,小焦点透视灯丝最大驱动功率在40kV40mA时,即驱动电压6.0V、驱动电流3.7A。
透视小焦点灯丝最大驱动功率:
P
=3.7×6.0
=22.2W
注:I
为了保证小焦点透视与摄影采样值范围一致,需满足摄影、透视小焦点灯丝最大驱动功率之比与透视、摄影增益之比一致,摄影、透视大焦点灯丝最大驱动功率之比(36.18÷22.2)为1.63。
摄影电流采样电路增益:
1+R
=1+R108÷(R107+R
=1+(3×10
=1.0
其中:摄影时V51MOS场效应管关断,RV51为∞。
透视电流采样电路增益:
1+R
=1+R108÷(R107+RV51)
=1+(3×10
=1.59
其中:透视时MOS场效应管V51导通,RV51为0。
该同相放电器电路摄影增益为1倍,透视增益为1.59倍,大焦点透视、摄影电路增益之比与大焦点摄影、透视功率之比1.59相同,小焦点透视、摄影电路增益之比与小焦点摄影、透视功率之比1.563基本相同,符合摄影与透视反馈值范围基本相同的要求。
参考图3,灯丝驱动单元M2中包括灯丝输出逆变器M21和灯丝回路电流采样电路M22,其中灯丝回路电流采样电路M22;由精密电流互感器T1(TVA1421-01)、大焦点采样线圈3T、小焦点附加采样线圈2T和K1大/小焦点切换继电器组成。电流互感器次级匝数N2:3000匝,配套X射线管E7833X。为了充分的利用8位D/A转换器的全部256个梯度,就要使各种工作状态下的灯丝电流采样值范围一致。
根据E7833X型X射线管大焦点灯丝曲线图可以看出大焦点灯丝最大驱动功率点在40kV250mA,即灯丝驱动电压12V、灯丝驱动电流4.83A。
摄影大焦点灯丝最大驱动功率:
P
=4.83×12
=57.96W
根据E7833X型X射线管小焦点灯丝曲线图可以看出小焦点灯丝最大驱动功率点在40kV100mA,即灯丝驱动电压9V、灯丝驱动电流4.02A。
摄影小焦点灯丝最大驱动功率:
P
=4.02×9
=36.18W
为了保证大、小焦点采样值范围一致,需满足输入电流之比与采样互感器变比的反比一致,由于灯丝驱动电路输出电压恒定,输出电流之比等于输出功率之比,由于采样互感器次级共用,采样互感器采样比即初级匝数之比,大焦点采样互感器初级匝数为3匝:
P
N
=(57.96÷36.18)×3
=4.81
其中:P
小焦点采样互感器初级匝数应为4.81匝,选择整数为5匝,故小焦点采样补偿线圈5减3为2匝,符合理论计算要求。
参照图4,灯丝驱动单元M2中包括灯丝逆变稳压电源最大输出电流限制电路M213。该灯丝逆变稳压电源最大输出电流限制电路是由输出控制三极管V1、电流限制锁定可控硅V2、电流采样电阻R7、抗干扰门限控制二极管D4、报警时间控制电阻R11(100Ω)、电容C9(47μF)和电流超限指示灯LD1等元器件组成。
τ=R11×C9
=100×47×10
=4.7×10
当灯丝逆变稳压电源最大输出电流超过极限值4.7ms时触发可控硅V2,使V2导通并锁定导通状态。电流限制锁定可控硅V2用于灯丝逆变稳压电源最大输出电流超过极限值时拉低V1基极电位,关断灯丝逆变稳压电源输出并维持关断状态。电流超限指示灯LD1用于指示电流超限状态,便于故障判断。输出控制三极管V1用于灯丝逆变稳压电源最大输出电流超过极限值时关断稳压电源,确保脉冲宽度限制电路失效或灯丝逆变稳压电源输出电压过高时切断X射线管灯丝加热电流,防止受检人员受到过度的X射线辐射和对X射线管灯丝的损害。
参照图5,由CPU控制单元M1中的灯丝触发脉冲宽度控制电路M111、灯丝驱动单元M2中的灯丝逆变稳压电源M212和高压变压器组件M3中的大焦点灯丝变压器、小焦点灯丝变压器组成X射线管的灯丝输入功率限制电路,该X射线管的灯丝输入功率限制电路限定了X射线管M4焦点灯丝和小焦点灯丝的最大工作电流;灯丝触发脉冲宽度控制电路M111上的电流输出脉冲宽度调制器D16与外围电阻、电容、电位器组成输出脉冲宽度限制电路,其中调节电位器RP6控制脉冲宽度调制器的最小触发间隔,在触发周期一定的情况下,最大输出脉冲宽度就被限制了,由于输出电压恒定,即限制了灯丝驱动单元上灯丝逆变电路的最大输出功率,通过控制高压变压器组件中的大、小焦点灯丝变压器次级输出电压的比例,达到兼顾X射线管大、小焦点灯丝保护的目的。
由E7833X型X射线管大焦点灯丝曲线图中可以看出,大焦点摄影时最大灯丝工作点:40kV、250mA,工作电压12V,工作电流4.83A,其驱动功率PFL=57.96W。
大焦点摄影时最大灯丝工作点的灯丝电阻:
R
=12÷4.83
=2.48Ω
大焦点摄影时最大灯丝工作点的灯丝脉冲电压:
大焦点灯丝变压器输出阻抗(灯丝逆变电路内阻Ri=1.0Ω)
Rio=(N2÷N1)
=(12÷24)
=0.25Ω
其中:N1、N2为大焦点灯丝变压器初、次级绕组匝数。
大焦点灯丝变压器输出空载电压
Uo=N2÷N1×40
=12÷24×40
=20V
大焦点灯丝电压:
U
=20×2.48÷(2.48+0.25)
=18.17V
其中:R
大焦点摄影时最大灯丝工作点大焦点灯丝驱动脉冲宽度τ
P
=18.17
=133.12W
τ
τ
=(57.96÷133.12)×50
=21.77μS
其中:灯丝驱动逆变电路工作频率10kHz,正脉冲与负脉冲周期:τ=50μS。
由以上计算结果可以看出,大焦点摄影时最大灯丝工作点大焦点灯丝驱动脉冲宽度为21.77μS,考虑保留10%左右的调整余量,调整电位器RP6可以控制脉冲宽度调制器的最小触发间隔,使最大驱动脉冲宽度限制在24μs,这样即可满足大焦点的工作需要又能保证灯丝闭环控制回路失效时大焦点灯丝的安全。
小焦点摄影时最大灯丝工作点时的小焦点灯丝驱动脉冲宽度τ
小焦点摄影时最大灯丝工作点灯丝电阻:
R
=9÷4.02
=2.24Ω
小焦点摄影时最大灯丝工作点的灯丝脉冲电压:
小焦点灯丝变压器输出阻抗(灯丝逆变电路内阻Ri=1.0Ω)
Rio=(N2÷N1)
=(9÷24)
=0.14Ω
小焦点灯丝变压器输出空载电压
Uo=N2÷N1×40
=9÷24×40
=15V
小焦点灯丝电压:
U
=15×2.24÷(2.24+0.14)
=14.12V
其中:R
小焦点摄影时最大灯丝工作点小焦点灯丝驱动脉冲宽度τ
τ
τ
=P
=36.18÷(14.12
=20.32μS
其中:灯丝驱动逆变电路工作频率10kHz,正脉冲与负脉冲周期:τ=50μS。
通过以上计算可以看出,大、小焦点灯丝变压器次级采用12、9匝设计时,小焦点需要的最大灯丝输出功率点的脉冲宽度20.32μS,略小于大焦点最大灯丝输出功率点的脉冲宽度21.77μs,采用这样的大、小焦点变压器配置,既可以满足大、小焦点的灯丝驱动要求又可以兼顾对X射线管大、小焦点灯丝的过载保护,从而实现对的X射线管M4的保护。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型等,均应包含在本发明的保护范围之内。