DE1290962B

DE1290962B - Astabiler Rechteckimpulsgenerator, insbesondere fuer einen Herzschrittmacher

Info

Publication number: DE1290962B
Application number: DET33974A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Gerhard; Guenzel; Dipl-Ing Paul; Sieber
Original assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Current assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Priority date: 1967-05-30
Filing date: 1967-05-30
Publication date: 1969-03-20

Description

Die Erfindung betrifft einen astabilen Rechteckimpulsgenerator mit zwei Komplementärtransistoren und einer dem Generator nachgeschalteten Konstantstromquelle, insbesondere für einen Herzschrittmacher.
Von einem Herzschrittmacher werden besondere Eigenschaften gefordert, die von den bereits bekannten Schaltungsanordnungen nicht oder nur unbefriedigend erfüllt werden.
So sind insbesondere Schaltungen bekanntgeworden, bei denen bei abnehmender Batteriespannung die Folgefrequenz des Rechteckgenerators erhöht wird, wodurch durch Herzkammerflimmern der Tod des Patienten eintritt. Andere Geräte haben den Nachteil, daß der Leistungsbedarf der Schaltungen zu groß ist, so daß die im Körper eingebaute Batterie häufig auf operativem Weg ausgewechselt werden muß.
Es sind bereits Multivibratorschaltungen bekanntgeworden, die im wesentlichen aus zwei komplementären Transistoren aufgebaut sind.
Um die genannten Nachteile bei Rechteckgeneratoren, insbesondere bei einem Herzschrittmacher zu beseitigen, wird erfindungsgemäß ein astabiler Rechteckimpulsgenerator vorgeschlagen, bei dem vorgesehen ist, daß der Impulsgenerator einen ersten Transistor aufweist, der seine definierte Basissteuerspannung von einem der Betriebsspannungsquelle parallelgeschalteten Spannungsteiler bezieht, daß parallel zum Spannungsteiler ein RC-Glied und parallel zum Widerstand des RC-Gliedes die Reihenschaltung aus einer Diode und einem Widerstand so geschaltet und die Widerstände so dimensioniert sind, daß sich der Kondensator des RC-Gliedes nur über den einen Widerstand auf- und im wesentlichen nur über den anderen Widerstand entlädt, daß der Kondensator mit dem Transistor derart verbunden ist, daß dieser durch die Umladevorgänge am Kondensator gesteuert wird und seinerseits einen weiteren als Schalter wirkenden Transistor steuert, und daß die Konstantstromquelle über einen Spannungsteiler an den Rechteckgenerator angeschlossen ist.
Bei dem vorliegenden Impulsgenerator ist der weitere Transistor dem ersten Transistor derart nachgeschaltet, daß der weitere Transistor bei stromführendem erstem Transistor gleichfalls leitend wird.
Der erfindungsgemäße Impulsgenerator hat einige wesentliche Vorteile und erfüllt mehrere Bedingungen, die sich besonders bei der Verwendung der Schaltung als Herzschrittmacher vorteilhaft auswirken. So benötigt die erfindungsgemäße Schaltung sehr wenig Leistung und arbeitet daher ohne Batteriewechsel störungsfrei und bedeutend länger als vergleichbare bekannte Schaltungen. Die Impulsfolgefrequenz und die Impulsbreite sind von den Eigenschaften der aktiven Bauelemente der Schaltung praktisch unabhängig. Die in der Schaltung verwendeten Bauelemente sind für die Integration in einer der bekannten Miniaturisierungstechniken geeignet, so daß der Raumbedarf der Schaltung sehr klein gehalten werden kann.
Durch die geringe Anzahl der Bauelemente für die Impulsschaltung konnte die Zuverlässigkeit dieser Schaltung erheblich gesteigert werden, was gerade bei der Verwendung der Schaltung als Herzschrittmacher von ausschlaggebender Bedeutung ist. Außerdem ist bei der erfindungsgemäßen Schaltung die Höhe des Reizstromes im wesentlichen vom Lastwiderstand, der im allgemeinen durch das Herzgewebe gebildet wird, unabhängig, so daß bei der Vernarbung oder beim Bruch einzelner Drähte der Zuführungslitze die einwandfreie Stimulation des Herzsystems erhalten bleibt.
Im folgenden sollen der Aufbau und die Wirkungsweise des Herzschrittmachers an Hand mehrerer Figuren näher erläutert werden.
F i g. 1 zeigt ein Blockschaltbild des Impulsgebers, während in Fig. 2 die Gesamtschaltung dargestellt ist; an Hand der F i g. 3 wird die Funktion des Rechteckgenerators erläutert.
Fig. 1 zeigt im Blockschaltbild den Rechteckgenerator 1, dem die Konstantstromquelle 2 nachgeschaltet ist. Die Konstantstromquelle dient zur Erzeugung eines definierten und stets gleichbleibenden Impulsstromes. Sowohl der Rechteckgenerator als auch die Konstantstromquelle bezieht die erforderliche Versorgungsspannung von der Gleichspannungsquelle 3. Bei der Gleichspannungsquelle kann es sich um eine eingebaute Batterie handeln oder auch, wie neuerdings vorgeschlagen wurde, um eine Spannung, die dem menschlichen Körper selbst entnommen und zweckentsprechend umgeformt oder transformiert wird. Die Konstantstromquelle 2 ist mit den am Herzen angebrachten Elektroden 4 verbunden, wobei zur Gleichstromtrennung zwischen die Elektroden am Herz und die Konstantstromquelle ein Kondensator 5 geschaltet ist.
F i g. 2 zeigt die Gesamtschaltung für den Herzschrittmacher, wobei der als Rechteckgenerator bezeichnete Teil zunächst an Hand der F i g. 3 erläutert werden soll.
Parallel zu der Gleichspannungsquelle 3, der ein Widerstand R5 vorgeschaltet ist, ist ein Spannungsteiler aus den Widerständen Rs und R4 geschaltet.
Die Basiselektrode des Transistors T1 ist an die Verbindung zwischen den beiden Widerständen des Spannungsteilers angeschaltet, so daß beim Anlegen der Versorgungsspannung UB die Basiselektrode des Transistors T1 mit einer definierten Steuerspannung versehen wird. Die Widerstände R3 und R4 sind sehr hochohmig, so daß der durch diese Widerstände fließende Strom extrem klein gehalten wird. Parallel zum Spannungsteiler ist ein RC-Glied aus dem Widerstand Rt und dem Kondensator C1 geschaltet, wobei die Verbindung zwischen dem Kondensator und dem Widerstand R1 an die Emitterelektrode des Transistors T, angeschaltet ist. Die Kollektorelektrode des Transistors T1 ist mit der Basiselektrode des Transistors T2 verbunden, dessen Emitter-Kollektor-Strecke parallel zum Spannungsteiler aus R3 und R4 und parallel zum RC-Glied geschaltet ist. Wenn es sich bei dem Transistor T1 beispielsweise um einen npn- und bei dem Komplementärtransistor T2 um einen pnp-Transistor handelt, wird die Kapazität C1 und die Emitterelektrode des Transistors T2 mit dem positiven Pol 6 der Versorgungsspannung verbunden.
Da beim Anlegen der Versorgungsspannung Un die Spannung am Kondensator Ct nicht springen kann, befindet sich zunächst die Emitter- und die Kollektorelektrode des Transistors T1 auf gleichem positivem Potential, das dem höchsten Potential der Versorgungsspannung Un entspricht.
Der Kondensator lädt sich nunmehr auf die durch die Widerstände R3 und R4 des Spannungsteilers und durch die Basis-Emitter-Spannung des Transistors T1 bestimmte Spannung auf, wobei die Aufladung über den Widerstand R1 erfolgt. Die Aufladezeitkonstante ist damit durch #1 = R1C, bestimmt. Während der Aufladezeit sinkt das Potential am Emitter des Transistors T1 ab, bis diese negativer als das Basispotential von T1 wird und der Transistor T1 vom sperrenden Zustand in den leitenden Zustand übergeht. Der nullmehr über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T1 fließende Strom ist gleichzeitig der Basisstrom für den Komplementärtransistor T2. Damit fließt auch über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors T2 ein Strom. Die an der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T2 abfallende Spannung wird infolge des Widerstandes R5 im wesentlichen durch die Kollektor-Emitter-Sättigungspannung des Transistors T1 und durch die Basis-Emitter-Spannung des Transistors T2 bestimmt. Der Kollektorstrom von T2 wird so lange aufrechterhalten, bis sich der Kondensator C1 so weit entladen hat, daß kein ausreichender Basisstrom mehr über die Basis-Emitter-Strecke von T2 fließen kann.
Um zu verhindern, daß die Kondensatorentladung vorwiegend durch die Eigenschaften der beiden Transistoren T1 und T2 bestimmt wird, wodurch die Impulsphase der Schaltung unerwünchterweise von den Eigenschaften der Transistoren T1 und T2 abhängig würde, wird nach der Erfindung parallel zum Widerstand R1 des RC-Gliedes eine Reihenschaltung aus der Diode D und dem Widerstand R2 geschaltet.
Die Diode D, deren Durchlaßrichtung der der Basis-Emitter-Strecke des Transistors T, entgegengerichtet ist, verhindert, daß der Kondensator C1 iiber den Widerstand R2 aufgeladen wird. Da der Widerstand R jedoch sehr viel niederohmiger ist als der Widerstand Rl, wird erreicht, daß der Kondensator sich praktisch nur über den Widerstand R2 entlädt, so daß die Entladezeitkonstallte durch # = R2C bestimmt wird.
An Hand der F i g. 2 soll noch kurz die Funktionsweise der dem Rechteckgenerator nachgeschalteten Konstantstromquelle erläutert werden. Der in der F i g. 4 als R5 bezeichnete Widerstand in der Versorgungsleitung vom negativem Pol der Spannungscluelle 3 zum Rechteckgenerator ist nach F i g. 2 in einen Spannungsteiler aus den Widerständen R5 und R6 aufgeteilt. Die Verbindung zwischen den beiden Widerständen ist an die Basiselektrode des npn-Transistors T3 angeschaltet. Der Transistor Ts wird in Fmi tterschaltung betrieben, und seine Kollektor-Emitter-Strecke ist zusammen mit dem Kollektorwiderstand Re und dem Emitterwiderstand RE der Spannungsquelle 3 unmittelbar parallel geschaltet.
Bei einem pnp-Transistor T3 wäre der Spannungsteiler aus R5 und R6 in die Versorgungsleitung vom postiven Pol der Spannungsquelle zum Rechteckgenerator einzubauen.
Die Widerstände R5 und RG sind nun so dimensioniert, daß während der Impulspause, d. h. während der Zeit, in der die beiden Transistoren T1 und T2 gesperrt sind, die an den Widerständen R5 und Rß abfallende, sehr kleine Spannung nicht genügt, um den Transistor T3 vom sperrenden in den leitenden Zustand überzuführen. Während der Impulsdauer fließt jedoch über den Transistor T2 ein Strom, dessen am Widerstand R6 erzeugter Spannungsabfall ausreicht, um den Transistor T3 in den leitenden Zustand überzufüliren.
Der Emitterwiderstand RE, der Widerstand R6 und die Basis-Emittei Strecke des npn-Transistors T3 bilden einen geschlossenen Stromkreis, so daß sich mit dem Emitterwiderstand RE durch den Spannungsabfall an R6 ein definierter Kollektorstrom des Transistors T3 einstellt. Hierbei darf die Parallelschaltung aus Kollektorwiderstand Rc, und Lastwiderstand RHcrz einen bestimmten Wert knickt überschreiten. Die dem Lastwiderstand RIIcrz vorgeschaltete Kapazität C2 dient zur Gleichstromtrennung. Der Kollektorwiderstand Re ist wesentlich hochohmiger als der angeschlossene Lastwiderstand Rllerz und dient während der Impulspause bei der Entladung des Kondensators C zur Strombegrenzung.
Als Spannungsquelle dient im allgemeinen, wie bereits eingangs erwähnt wurde, eine Batterie 3. Da der Innenwiderstand dieser Batterie im Laufe ihrer Lebensdauer stetig zunimmt, ist parallel zur Batterie ein Kondensator Ca geschaltet, dessen Kapazität so bemessen ist, daß die während der Impulspause im Kondensator C3gespeicherte Energie zur Deckung des Energiebedarfes der Schaltung während der Impulsdauer ausreicht.
Für den Aufbau der erfindungsgemäßen Impulsschaltung können beispielsweise Bauelemente mit den folgenden Werten ausgewählt werden: R1 = 1M# Ra = 6,2 kr C1 0,68 µF R2 = 0,8 kQ R8 2,4 LQ C2 = 101lF R3 = 2,2 MM RE = 180 # C3 = 10(F R4 = 1,2 M# Re = 50 k# Als Transistoren wird für T1 und T3 beispielsweise die Type BC 130 und für T2 die Type BSW 19 gewählt.
Bei einer Batteriespannung von 5,6 V betrug die Stromaufnahme nur 7 18 iA. Die nur von passiven Bauelementen abhängige Folgefrequenz beträgt etwa 74 Impulse pro Minute; die gleichfalls nur von passiven Bauelementen abhängige Impulsbreite beträgt etwa 1,5 msec.
Die erfindungsgemäße Impulsschaltung stellt eine integrierbare Schaltung dar, wobei sich zur Integrierunp sowohl die Festkörpertechnik als auch die Dünnfilm-, Dickfilm-oder Siebdrucktechnik anbietet.
Die erfindungsgemäße Schaltung hat den wesentlichen Vorteil, mit wenigen Bauelementen und mit wenig Leistung auszukommen, wobei die für die Stimulation der Herzmuskulator notwendigen Impulse nur von den passiven Bauelementen der Schaltung abhängig sind, was einen weiteren wesentlichen Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung darstellt.
Hinzu kommt, daß bei einer Abnahme der Batteriespannung eine geringfügige Abnahme der Impulsfolgefrequenz erzielt wird, so daß der Batteriezustand über das EKG-Herzdiagramm kontrolliert werden kann.
Die vorteilhafte Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltung als Herzschrittmacher schließt jedoch die Anwendung der Schaltung zur Lösung anderer Aufgaben nicht aus.

Claims

Patentansprüche : 1. Astabiler Rechtedcimpulsgenerator mit zwei Komplementärtransistoren und einer dem Generator nachgeschalteten Konstantstromquelle, insbesondere für einen Herzschrittmacher, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Impulsgenerator einen ersten Transistor (Tl) aufweist, der seine definierte Basissteuerspannung von einem der Betriebsspannungsquelle parallelgeschalteten Spannungsteiler (R3, Rd bezieht, daß parallel zum Spannungsteiler ein RC-Glied und parallel zum Widerstand (R1) des RC-Gliedes die Reihenschaltung aus einer Diode (Dl) und einem Widerstand (R2) so geschaltet und die Widerstände so dimensioniert sind, daß sich der Kondensator (C,) des RC-Gliedes nur über den einen Widerstand (R1) auf- und im wesentlichen nur über den anderen Widerstand (R2) entlädt, daß der Kondensator mit dem Transistor (T1) derart verbunden ist, daß dieser durch die Umladevorgänge am Kondensator (Cl) gesteuert wird und seinerseits einen weiteren als Schalter wirkenden Transistor (T2) steuert, und daß die Konstantstromquelle (T3) über einen Spannungsteiler (R5, R6) an den Rechteckgenerator angeschlossen ist.
2. Impulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem Widerstand (R,) und dem Kondensator (C,) mit der Emitterelektrode des Transistors (T,) und die Kollektorelektrode des Transistors (Tl) mit der Basiselektrode des Transistors (T2) verbunden ist und daß die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors (T2) parallel zur Betriebsspannungsquelle geschaltet ist.
3. Impulsgenerator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaßrichtung der Diode (D1) der Durchlaßrichtung der Basis-Emitter-Strecke des Transistors (T1) entgegengerichtet ist.
4. Impulsgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der die Entladezeit des Kondensators bestimmende Widerstand (R2) sehr viel niederohmiger ist als der die Aufladezeit des Kondensators bestimmende Widerstand (R1).
5. Impulsgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Widerstände (R1, R2) und den Kondensator (Cl) bedingten Umladezeiten des Kondensators derart gewählt sind, daß der Rechteckgenerator zwischen 70 und 80 Impulse pro Minute abgibt.
6. Impulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände des Spannungsteilers (R2, R4) Widerstandswerte im Megaohmbereich aufweisen.
7. Impulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Konstantstromquelle führende Spannungsteiler (R5, R6) derart bemessen ist, daß durch das vom Spannungsteiler bezogene Basispotential der in Emitterschaltung betriebene Transistor (T3) der Konstantstromquelle bei stromführendem Transistor (T2) vom sperrenden in den leitenden Zustand übergeführt wird.
8. Impulsgenerator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Kollektorwiderstand (Re) der Konstantstromquelle die Reihenschaltung aus einem Kondensator (C2) und einem Lastwiderstand (RHerz) geschaltet ist und daß der Kollektorwiderstand wesentlich hochohmiger ist als der Lastwiderstand (Rjierz).
9. Impulsgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Betriebsspannungsquelle ein Kondensator (C3) geschaltet und so bemessen ist, daß die im Kondensator während der Impulspause gespeicherte Energie zur Deckung des Energiebedarfs der Schaltung während der Impulsdauer ausreicht.
10. Impulsgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Schaltung oder Teile der Schaltung in integrierter Form in einem Halbleiterkörper untergebracht ist.
11. Impulsgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Schaltung oder Teile der Schaltung als Dünnfilm-, Dickfilm- oder Siebdruckschaltung mit eingebauten Nalbleiterbauelementen ausge führt ist.