DE2120816A1

DE2120816A1 - Spannungsvervielfacher

Info

Publication number: DE2120816A1
Application number: DE19712120816
Authority: DE
Inventors: Wilson Clarence N.Y. Greatbatch (V.StA.)
Original assignee: Greatbatch Ltd
Current assignee: Greatbatch Ltd
Priority date: 1970-04-29
Filing date: 1971-04-28
Publication date: 1971-11-18
Also published as: GB1281500A; FR2086467A1; US3654537A; SE367898B; US3878450A; GB1353794A; FR2086467B1; NL7105739A; US4050004A

Description

Dr.-lng. E. BERKENFfcLÜ · Dipl.-lng. H. BERKENFELD, Patentanwälte, Köln Anlage Aktenzeichen

zur Eingabe vom 26. April 1971 vA// · Name d. Anm. Wilson Greatbatch Ltd.

Spannungsvervielfacher

Die Erfindung betrifft einen Spannungsvervielfacher und insbesondere einen Stromkreis zur Umwandlung einer niedrigen Gleichspannung in einer geregelten Weise in Impulse mit einer verhältnismäßig viel größeren Amplitude.

Viele elektrische Vorrichtungen werden durch Stromquellen betrieben, welche mit einer sehr niedrigen Impedanz arbeiten, das heißt mit niedriger Spannung und starkem Strom. Typisch für solche Quellen sind gewöhnliche Batteriezellen, welche eine Ausgangsspannung von etwa 0,8 bis 1,3 V liefern,, menschliche und tierische Nervenzellen, thermoelektrische, thermionische und betavoltaische Generatoren, welche eine Ausgangsspannung von etwa 0,1 bis 0,8 V liefern, sowie Fotozellen, Brennstoffzellen und viele andere. Die meisten üblichen elektronischen' Vorrichtungen oder Bestandteile erfordern viel höhere Betriebsspannungen. Vakuumröhren erfordern beispielsweise 15 bis 10.000 V, Transistoren 2,5 bis 250 V und Gleichstrommotoren 1,5 bis 10.000 V.

Eine solche Fehlanpassung der Impedanz wird ferner durch das besondere Beispiel eines einpfalanzbaren künstlichen Herzschrittmachers veranschaulicht, der für den Betrieb etwa 2,5 V erfordert, der aber durch eine wieder aufladbare Zelle gespeist wird, welche etwa 0,8 V liefert, oder durch eine Nuklearbatterie, welche etwa 0,2 bis 0,75 V liefert. Die niedrige Spannung der Quelle muß in eine höhere Spannung umgewandelt werden durch einen Umformer, der wirksam, zuverlässig und wirtschaftlich ist.

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Es sind viele Spannungsvervielfacher bekannt, welche nach dem Verfahren der Aufladung einer Vielzahl von Kondensatoren arbeiten, die zu der verfügbaren niedrigen Spannung parallel geschaltet sind, worauf die Kondensatoren in Reihe entladen werden, um eine stark vergrößerte Spannung zu liefern. Solche Anordnungen verwenden insbesondere häufig einen Kettenleiter, um die Stromquelle von der Hochspannungsabführung zu isolieren. Da die in den Kettenleiter eingeschalteten Kondensatoren aufgeladen werden, steigt die Spannung auch parallel zu Funkenstrecken an, die zu den Kondensatoren in Reihe geschaltet sind. \ϊθώώ. die Spannungen an den Funkenstrecken genügend hoch werd.en, reißen dieselben ab, um alle Kondensatoren parallel zur Last in Reihe zu schalten.

Diese bekannten Anordnungen sind auf verhältnismäßig hohe Betriebsspannungen beschränkt, da die Funkenstrecken in v/irklichkeit spannungsbetätigte Schalter sind. Während die Funkenstrekken durch Neonröhren oder Vierschichtdioden ersetzt werden kön-. nen,' um die Betriebsspannung auf den Bereich von 10 bis 100 V zu verringern, können solche Anordnungen trotzdem nicht verwendet werden, wenn Teilspannungen vervielfacht v/erden sollen. Außerdem erscheint bei solchen Anordnungen die zugeführte Gleichspannung parallel zur Last, selbst während Ruheperio'den, und häufig sind bei solchen Anordnungen die Kondensatoren nicht gleichmäßig aufgeladen. Überdies machen es die Betriebserfordernisse eines künstlichen Herzschrittmachers häufig wünschenswert, daß die Stromquelle ein pulsierendes Signal liefert, das einen durchschnittlichen Null-Nennstrom aufweist, und daß alle Abschnitte des Schrittmacherstromkreises mit dem gleichen Bezugs- oder Erdpotential arbeiten« Andererseits weisen die bisher verfügbaren Spannungsvervielfacher nicht die Fähigkeit auf, ein Ausgangssignal mit einem durchschnittlichen Hull-Nennstrom zu liefern, und in den meisten Fällen muß das Ausgangssignal derselben ungeerdet sein.

Dine Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Ausbildung eines verbesserten Spannungsvervielfachers, der mit verhältnismä-

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ßig niedrigen Spannungen betrieben werden kann, um eine Ausjangsspannung mit einem durchschnittlichen Null-Nennstrom zu erhalten.

IJine andere Aufgabe der Erfindung besteht in der'Ausbildung eines- Spannungsvervielfacliers, der von außen regelbar ist.

lllne weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Ausbildung eines Spannungsvervielfachers, bei welchem der Ausgang auf einer Seite der Eingangsstromzuführung geerdet werden kann.

Eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung besteht in der Ausbildung eines Spananungsvervielf achers, der von außen regelbar ist und ein geregeltees Ausgangssignal liefern kann.

Die Erfindung sieht einen Spannungsvervielfacher vor, der mehrere Zweigleitungen enthält, welche zu einer Quelle der zu vervielfachenden Spannung parallel geschaltet sind, wobei jede Zweigleitung eine Energiespeichereinrichtung in Form eines Kondensators enthält. Für jeden Kondensator wird ein getrennter Ladeweg benützt und ein Ladeweg ist auch ein einziger Entladeweg, wodurch der Durchgang eines durchschnittlichen Null-Nennstromes durch die Last ermöglicht wird. Es ist eine Vielzahl von außen gesteuerter Schalter vorgesehen, von denen jeder mit einer entsprechenden Energiespeichereinrichtung oder einem Kondensator verbunden ist, um einen Entladeweg zu bilden, wenn die Schalter betätigt werden. Außerdem kann der Ausgang des Vervielfachers geregelt werden, indem die Betätigung der gesteuerten Schalter verhindert wird, wenn die Ausgangsspannung einen vorherbestimmten Viert erreicht.

Gegenstand der Erfindung ist daher ein Spannungsvervielfacher, der ein Paar Eingangskelemmen aufweist, welche mit einer Quelle der zu vervielfachenden Spannung verbunden werden können, sowie mehrere Zweigleitungen, die zu den Klemmen parallel geschaltet sind, wobei jede Zweigleitung einen Kondensator und einen Widerstand zum Erzeugen einer Spannung auf der Zweigleitung- enthält.

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Ein Paar Ausgangsklemmen, die mit einer Last verbunden werden können, ist zu einem der Kondensatoren in Reihe geschaltet, so daß der Weg des diesen Kondensator aufladenden Stromes durch die Last hindurchgeht. Eine entsprechende Vielzahl von gesteuerten Sehaltern, wie zum Beispiel Transistoren, ist mit den entsprechenden Kondensatoren verbunden. Außerdem sind die Schalter und Kondensatoren miteinander verbunden, um einen die Ausgangsklemmen enthaltenden Reihenentladeweg zu bilden, wenn die Schalter durch eine Auslöseeinrichtung in Form eines Impulsgenerators betätigt werden, der mit der Steuerklemme jedes Schalters verbunden ist. Der Spannungsvervielfacher kann mit einer Regeleinrichtung in Form eines Potentiometers versehen werden, das mit den Ausgangsklemmen ve-rbunden ist und zu einem Transistorschalter in Steuerbeziehung steht, um die Auslöseeinrichtung auszuschalter, wenn die Spannung an den Ausgangsklemmen einen vorherbestimmten Wert erreicht.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in welchen zeigtJ

Fig. 1 ein Schaltschema eines Spannungsvervielfacher, der nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung ausgebildet ist, und

Fig. 2 ein Schaltschema eines nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ausgebildeten Spannungsvervielfachers, der eine geregelte Ausgangsspannung liefern kann.

In Fig. 1 ist ein Spannungsvervielfacher 10 dargestellt, der ein Paar Eingangsklemmen 11 und 12 aufweist, welche mit einer Quelle der zu vervielfachenden Spannung verbunden werden können. Im vorliegenden Fall besteht diese Quelle aus einer Batterie, «- die in Fig. 1 mit 13 bezeichnet ist. Die Batterie 4-S 13 kann vorteilhaft von der Art sein, welche verhältnismäßig niedrige oder Teilspannungen liefert.

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Der Vervielfacher 10 enthält ferner mehrere Zweigleitungen, welche zu den Eingangsklemmen 11 und 12 parallel geschaltet sind. Bei der dargestellten Ausführungsform enthält der Vervielfacher 10 insgesamt vier Zweigleitungen, welche mit 15, 15', 15" und 15^llf bezeichnet sind. Eine kleinere oder größere Zahl solcher Zweigleitungen kann im Vervielfacher 10 vorgesehen werden, je nach dem Betrag, um den die Eingangsspannung vervielfacht werden soll» Jede Zweigleitung, zum Beispiel die Zweigleitung 15, enthält eine Energiespeichereinrichtung in Form des Kondensators 16, zusammen mit Einrichtungen in Form von Widerständen 17 und 18, welche eine Spannung auf der Zweigleitung erzeugen. Der Kondensator 16 ist zu und zwischen den Widerständen 17, 18 in Reihe geschaltet, und die Reihenkombination des Kondensators 16 und der Widerstände 17, 18 ist zu den Eingangsklemmen 11, 12 parallel geschaltet. Auf ähnliche Weise enthält die Zweigleitung 15' einen Kondensator 19, der zu und zwischen den Widerständen 20, 21 in Reihe geschaltet ist, und die Reihenkombination des Kondensators 19 und der Widerstände 20, 21 ist zu den Eingangsklemmen 11, 12 und damit auch zur Zweigleitung 15 parallel geschaltet. Ebenso enthält die Zweigleitung 15" einen Kondensator 22, der zu und zwischen den Widerständen 23, 24 in Reihe geschaltet ist, und die Reihenkombination ist zu den Eingangsklemmen 11, 12 und damit zu den Zweigleitungen 15, 15' parallel geschaltet«, Die Zweigleitung 15"' enthält ebenfalls einen Kondensator 25, der zu einem Widerstand 26 in Reihe geschalte^ ist, und ist zu den Eingangsklemmen 11, 12 und damit auch zu den Zweigleitungen 15, 15', 15" parallel geschaltet.

Der Spannungsvervielfacher gemäß der Erfindung enthält überdies ein Paar Ausgangsklemmen 30 und 31, die mit einer Last verbunden werden können, welche bei der dargestellten Ausführungsform aus einem Widerstand 32 besteht. Die Ausgangsklemmen 30, 31 sind auf diese Weise zu einer Energiespeichereinrichtung des Vervielfachers 10, insbesondere zum Kondensator 25, in Reihe geschaltet, so daß der Weg des den Kondensator 25 aufladenden Stromes durch die Last, das heißt durch den Widerstand 32, hin-

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durchgeht. Außerdem ist die vom Vervielfacher 10 gelieferte "^: Ausgangsspannung auf einer Seite der Quelle der zu vervielfachenden Spannung geerdet. Insbesondere ist die Ausgangsklemme 31 durch eine Leitung 33, zusammen mit den entsprechenden Niederspannungsseiten oder Klemmen der Zweigleitungen 15, 15' und 15"» mit der niedrigen oder negativen Spannungsklemme der Batterie 13 verbunden. Die Hochspannungsseiten oder Klemmen der Zweigleitungen 15 bis 15"^f sind selbstverständlich durch eine Leitung 34 mit der hohen oder positiven Spannungsklemme der Batterie 13 verbundene

Der Spannungsvervielfacher 10 gemäß der Erfindung enthält ferner eine entsprechende Vielzahl von. gesteuerten Schaltern in Form von Halbleiterschalteinrichtungen oder Transistoren 40 bis 43. Jeder Schalter ist mit einer entsprechenden Energiespeichereinrichtung oder einem Kondensator 16, 19, 22, 25 verbunden. Außerdem sind die Schalter und die Kondensatoren miteinander verbunden, um einen die Ausgangsklemmen 30, 31 enthaltenden Reihenentladeweg zu bilden, wenn die Schalter betätigt werden. Wie Fig. 1 zeigt, weist der Transistor 40 eine Steueroder Basisklemme 44 auf, eine Kollektorklemme 45, die mit dem Verbindungspunkt von Kondensator 16 und Widerstand 17 in der Zweigleitung 15 verbunden ist, und eine Smitterklemme 46, welche durch eine Leitung 47 mit der Eingangsklemme 12 und demnach mit der verhältnismäßig niedrigen oder negativen Klemme der Batterie 13 verbunden ist. Der Transistor 41 weist eine Steuer- oder Basisklemme 48 auf, eine Kollektorklemme 49, die mit dem Verbindungspunkt von Kondensator 19 und Widerstand 20 in der Zweigleitung 15' verbunden ist, und eine Emitterklemme 50, die durch eine Leitung 51 mit den Verbindungspunkt von Kondensator 16 und Widerstand 18 in der Zweigleitung 15 verbunden ist. Der Transistor 42 weist eine Steuer- oder Basisklemme 52 auf, eine Kollektorklemme 53? die mit dem Verbindungspunkt von Kondensator 22 und Widerstand 23 in der Zweigleitung 15" verbunden ist, und eine Emitterklemme 54, die durch eine Leitung 55 mit dem Verbindungspunkt von Kondensator 19 und Widerstand 21 in der Zweigleitung 15' verbunden ist. Der Transistor 43

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v/eist eine Steuer- oder Basisklemme 56 auf, eine Kollektorklemme 57, die mit dem Verbindungspunkt von Kondensator 25 und Widerstand 26 in de,r Zweigleitung 15"^f verbunden ist, und eine Emitterklemme 58, die durch eine Leitung 59 mit dem Verbindungspunkt von Kondensator 22 und Widerstand 24 in der Zweigleitung 15" verbunden ist.

Der Spannungsvervielfacher gemäß der Erfindung enthält auch eine Auslöseeinrichtung, welche mit jedem der Schalter 40 bis 43 verbunden ist, um die Schalter zwecks Schließung des Entladeweges gleichzeitig zu betätigen» Gemäß Fig. 1 besteht die Auslöseeinrichtung aus einem Impulsgenerator 65, der Ausgangsklemmen 66 und 67 aufweist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erzeugt der Generator 65 Ausgangsimpulse, welche parallel zu den Klemmen 66, 67 eine Amplitude aufweisen, die größer als 1 V ist. Der Generator 65 kann eine der vielen leicht verfügbaren und dem Fachmann bekannten Ausführungsformen aufweisen, so daß eine genauere Beschreibung nicht erforderlich erscheint. Die an den Klemmen 66, 67 erscheinenden Ausgangsimpulse können beispielsweise von einem Oszillatorstromkreis mit niedriger Leistung abgeleitet werden, der durch einen Tunnelr· dioden-Hochfrequenzumformer mit verhältnismäßig niedrigem Wirkungsgrad angetrieben wird. Die Auslösung kann aber auch von außen von einer entfernten Stelle eingeleitet werden, wobei die Impulsspannung drahtlos übertragen oder durch Induktion gekoppelt wird. Die Ausgangsklemme 67 des Generators 65 ist mit Erde verbunden und die an der Klemme 66 verfügbaren positiv verlaufenden Auslöseimpulse sind durch eine Leitung 68 mit den Transistoren 40 bis 43 verbunden. Die Leitung 68 ist durch die Spannung senkende Widerstände 69> 70, 71» 72 mit den Basisklemmen 44, 48, 52 und 56 der Transistoren 40 bis 43 verbunden.

Der Spannungsvervielfacher 10 wirkt auf folgende Weise:

Eine zu vervielfachende Spannung, bei der dargestellten Ausführungsform die Spannung der Batterie 13, ist zu den Eingangsklemmen 11, 12 parallel geschaltete Der Auslöseimpulsgenerator 65

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befindet sich im Ruhezustand und infolgedessen sind die Halbleiterschalter oder Transistoren 40 bis 43 nicht leitend. Die zu vervielfachende Spannung, nämlich jene der Batterie 13, wird auf die Zweigleitungen 15» 15^!, 15" und 15" · gleichzeitig zur Einwirkung gebracht, wodurch die Kondensatoren 16, 19, 22, 25 aufgeladen werden. Der Vervielfacher 10 sieht daher für jeden Kondensator einen getrennten Ladeweg vor_o

Zu dem Zeitpunkt, in dem eine vervielfachte Ausgangsspannung gewünscht wird, wird der Auslöseimpulsgenerator 65 betätigt, wodurch auf der Leitung 68 ein Auslöseimpuls mit einer Amplitude erzeugt wird, die größer als 1 V ist«, Der Auslöseimpuls wird gleichzeitig auf die Steuer- oder Basisklemmen 44, 48, 52, 56 der Transistoren 40, 41,, 42, 43 übertragen. Die Transistoren werden dadurch gleichzeitig leitend gemacht, so daß ein Reihenentladeweg für die Kondensatoren gebildet wird, der durch die Last hindurchgeht, die aus dem Widerstand 32 besteht, der zu den Ausgangsklemmen 30» 31 parallel geschaltet ist. Der Reihenentladeweg enthält die Kondensatoren 16, 19, 22 und 25, die Kollektor-Emitterverbindungen der Transistoren 40 bis 43, die Leitung 33 und die Ausgangsklemmen 30, 31, mit denen der Lastwiderstand 32 verbunden ist. Bei Betätigung des Auslöseimpulsgenerators 65 wird daher parallel zu den Klemmen 30, 31 eine vervielfachte Ausgangsspannung erzeugt.

Der gemäß der Erfindung ausgebildete Spannungsvervielfacher 10 weist mehrere Vorteile auf. Für jeden der Kondensatoren 16, 19, 22, 25 ist ein getrennter Ladeweg vorgesehen und ein Ladeweg, im vorliegenden Fall jener der Zweigleitung 15"^f» welche die Ausgangsklemmen 30, 31 enthält, ist auch ein einziger Entladeweg, was einen durchschnittlichen Null-Nennstrom durch die Last ergibt. Dies ist so, te weil die Auflade- und Entladeströme in entgegengesetzten Richtungen verlaufen, und ist von besonderer Bedeutung, wenn der Spannungsvervielfacher 10 in Verbindung mit einem künstlichen Herzschrittmacher verwendet wird. Ein anderer Vorteil des Spannungsvervie!fachers 10 besteht darin, daß derselbe auf verhältnismäßig niedrige, insbesondere Teilspannungs-

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systeme anwendbar ist. Der Stromkreis des Vervielfachers 10 ist nämlich so ausgebildet, daß er die Erdung der spannungsgesteuerten Schalter in solcher Weise ermöglicht, daß Halbleitervorrichtungen, wie zum Beispiel Germanium-, Silikon- oder Feldeffekttransistoren verwendet werden können. Solche Vorrichtungen weisen eine niedrige Spannung auf und das einzige Erfordernis besteht darin, daß eine Schaltspannung mit einer entsprechenden Amplitude verfügbar ist, die beispielsweise größer als 1 V ist. Ein weiterer Vorteil des Vervielfachers 10 besteht darin, daß eine Steuerung der Schaltzeit von außen möglich ist mit dem Ergebnis, daß Energie in den Kondensatoren 16, 19, 22, 25 zu jeder Zeit gespeichert und dann bei Bedarf mit einer Hochspannung abgeführt werden kann, statt in beliebigen periodischen Intervallen, wie bei vielen bekannten Anordnungen,, Ein anderer Vorteil besteht darin, daß die Erdung des Ausgangs des Vervielfachers 10 auf einer elektrischen Seite der Quelle der zu vervielfachenden Spannung mit der Ausbildung des Stromkreises zusammenhängtο Insbesondere ist zu bemerken, daß, wenn die Transistoren 40 bis 43 leitend sind, so daß die Kollektor-Emitterverbindungen Kurzschlüssen elektrisch äquivalent sind, der Entladeweg von der Ausgangsklemme 30 durch die Kondensatoren mit der verhältnismäßig niedrigen oder negativen Spannungsklemme 12 der Batterie 13 direkt verbunden ist. Infolgedessen ist die durch den Vervielfacher 10 gelieferte Ausgangsspannung nicht ungeerdet, wie es bei vielen bekannten Spannungsvervielfache rn der Fall ist. Diese elektrische Erdmng des Ausganges ist von besonderer Bedeutung, wenn der Vervielfacher 10 in Verbindung mit einem künstlichen Herzschrittmacher verwendet wird, bei welchem es erwünscht ist, daß alle Stromkreisabschnitte relativ zu dem gleichen elektrischen Bezugspotential oder Erde arbeiten.

Es wurde ein dem Spannungsvervielfacher 10 der Fig. 1 ähnlicher Spannungsvervielfacher ausgebildet, der aber nur drei Zweigleitungen 15¹, 15" und 15"* aufwies. Jeder der Kondensatoren 19, 22 und 25 hatte einen Wert von 35 Mikrofarad, die Widerstände 70 bis 72 hatten einen Wert von 22 K und der Impulsgenerator 65

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lieferte Auslöseimpulse mit einer Amplitude von 6 V und einer Dauer von einer Millisekunde. Wenn die Spannung der Batterie 6 V betrug, wurde eine Ausgangsspannung von etwa 17 V erzielt, wobei der Lastwiderstand 32 einen Wert von 15 K hatte.

.Fig. 2 zeigt einen Spananungsvervielfacher 80 gemäß der Erfindung, der eine geregelte Ausgangsspannung liefert. Der Spannungsvervielfacher 80 enthält ein Paar Eingangsklemmen 81 und

82, die mit einer Quelle der zu vervielfachenden Spannung verbunden werden können, im vorliegenden Fall mit einer Batterie

83. Der Vervielfacher 80 enthält ferner mehrere Zweigleitungen, im vorliegenden Fall drei Zweigleitungen 85, 85' und 85"ο Jede

P der Zweigleitungen enthält Energiespeichereinrichtungen in Form eines Kondensators, sowie Einrichtungen zum Erzeugen einer Spannung auf der Zweigleitung.- Die Zweigleitung 85 enthält einen Kondensator 86, der zwischen den Widerständen 87 und 88 in Reihe geschaltet ist. Die Zweigleitung 85' enthält einen Kondensator 89, der zwischen den Widerständen 90 und 91 in Reihe geschaltet ist. Die Zweigleitung 85" enthält einen Kondensator 92, der zu einem Widerstand 93 in Reihe geschaltet ist. Der Vervielfacher 80 enthält außerdem ein Paar Ausgangsklemmen 97 und 98, die mit einer Last 99 verbunden werden können. Die Klemmen sind zu einem der Kondensatoren in Reihe geschaltet, bei der dargestellten Ausführungsform zu dem Kondensator 92.

Der Spannungsvervielfacher 80 enthält ferner Einrichtungen, die mit den Kondensatoren 86, 89 und 92 verbunden sind, um einen Entladeweg zu bilden, der die Ausgangsklemmen 97 und 98 enthält. Es ist eine dem Spannungsvervielfacher 10 ähnliche Anordnung vorgesehen, welche aus einer entsprechenden Vielzahl von Halbleiterschaltern in Form von Transistoren 100, 101 und 102 besteht, von denen jeder mit einem entsprechenden der Kondensatoren 86, 89 und 92 verbunden ist. Die Kondensatoren und die Schalter sind miteinander verbunden, um einen Reihenentladeweg zu bilden, der die Klemmen 97 und 98 enthält. Der Transistor 100 weist eine Steuer- oder Basisklemme 104 auf, eine Kollektorklemme 105, die mit dem Verbindungspunkt von Kondensator 86

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und Widerstand 87 in der Zweigleitung 85 verbunden ist, und eine Emitterklemme 106, die durch eine Leitung 107 mit einer Leitung 108 verbunden ist, welche die Ausgangsklemme 98 mit den Widerständen 88, 91 und der Eingangsklemme 82 verbindet. Der Transistor 101 weist eine Steuer- oder Basisklemme 110 auf, eine Kollektorklemme 111, die mit dem Verbindungspunkt von Kondensator 89 und Widerstand 90 verbunden ist, und eine Emitterklemme 112, die durch eine Leitung 113 mit dem Verbindungspunkt von Kondensator 86 und Widerstand 88 verbunden ist. Ebenso weist der Transistor 102 eine Steuer- oder Basisklemme 114 auf, eine Kollektorklemme 115, die mit dem Verbindungspunkt von Kondensator 92 und Widerstand 93 verbunden ist, und eine Emitterk-lemme, die durch eine Leitung 117 mit dem Verbindungspunkt von Kondensator 89 und Widerstand 91 verbunden ist.

Die «Schalter oder Transistoren 100 bis 102 werden gleichzeitig betätigt, um den Entladeweg über die Auslöseeinrichtung zu schließen, die mit den Steuer- oder Basisklemmen verbunden ist. Es ist insbesondere ein Auslöseimpulsgenerator 120 vorgesehen, der mit Ausgangsklemmen 121, 122 versehen ist und der eine ähnliche ,Ausbildung wie der in Fig. 1 gezeigte Impulsgenerator 65 aufweisen kann. Die Ausgangskelemme 122 ist mit Erde- verbunden und die Ausgangsklemme 121 ist über einen Widerstand 123 mit einem Halbleiterschalter in Form des Transistors 124 verbunden. Der Halbleiterschalter oder Transistor 124 ist in Steuerbeziehung mit dem Impulsgenerator 120 verbunden und in Steuerbeziehung zwischen mindestens eine der Eingangsklemmen des Vervielfachers 80 und die Steuer- oder Basisklemmen der Halbleiterschalter oder Transistoren 100 bis 102 eingeschaltet. Der Transistor 124 weist eine Basisklemme 125 auf, die mit dem Widerstand 123 verbunden ist, eine Kollektorklemme 126, die mit der Ausgangsklemme 81 des Vervielfachers verbunden ist, und eine Emitterklemme 127, die über die Widerstände 128, 129 und 130 mit den entsprechenden Steuer- oder Basisklemmen 104, 110 und 114 der Transistoren 100 bis 102 verbunden ist,

Bei diesera? Ausführungsform der Erfindung enthält der Verviel-

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fächer 80 eine Regeleinrichtung, die mit den Ausgangsklemmen 97» 98 und mit der Einrichtung verbunden ist, die den Entladeweg bildet, um den Stromfluß durch den Weg zu unterbrechen, wenn die Spannung an den Ausgangsklemmen 97» 98 einen vorherbestimmten Wert erreicht. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Regeleinrichtung in Form einer Abtasteinrichtung ausgebildet, die aus einem veränderlichen Widerstand oder einem Potentiometer 135 besteht, das zwischen die Ausgangsklemmen 97, 98 eingeschaltet ist. Ein.Halbleiterschalter in Form des Transistors 136 ist in Steuerbeziehung mit dem Potentiometer 135 verbunden und in Steuerbeziehung zwischen eine Bezugsspannung und die den Entladeweg bildende Einrichtung eingeschaltet. Der Transistor 136 weist eine Basisklemme 137 auf, die mit einer Bezugsspannung, im vorliegenden Fall mit Erde, verbunden ist, eine Emitterklemme 138, die durch eine Leitung 139 mit dem beweglichen Arm des veränderlichen Widerstandes oder Potentiometers 135 verbunden ist, und eine Kollektarklemme 140, die durch eine Leitung 141 mit dem Verbindungspunkt zwischen der Basisklemme 125 des Transistors 124 und dem Widerstand 123 verbunden ist.

Der Spannungsvervielfacher 80 wirkt in ähnlicher Weise wie der Vervielfacher 10 der Fig. 1, um an den Klemmen 97, 98 eine vervielfachte Ausgangsspannung zu liefern. Die zu vervielfachende Spannung, im vorliegenden Fall die Spannung der Batterie 83, wird auf die Zweigleitungen 85, 85' und 85" zur Einwirkung gebracht, um die Kondensatoren 86, 89 und 92 aufzuladen» Wenn die vervielfachte Ausgangsspannung gewünscht wird, wirdcfer Auslöseimpulsgenerator 120 betätigt, um der Basisklemme 125 des Transistors 124 einen Impuls zuzuführen, der dadurch leitend gemacht wird. Dadurch wird die positive Spannung der Batterie 83 gleichzeitig auf die Steuer- oder Basisklemmen 104, 110 und 114 der Transistoren 100 bis 102 zur Einwirkung gebracht, welche ebenfalls leitend gemacht werden. Auf diese Weise wird ein Reihenentladeweg erzeugt, der die Kondensatoren 86, 89 und 92, die Kollektor-Emitterverbindungen der Transistoren 100 bis 102, die Leitung 108 und die Ausgangsklemmen 97, 98 enthält,

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Für den Spannungsvervielfacher 80 ist die Fähigkeit charakteristisch', eine geregelte Ausgangsspannung zwischen den Ausgangsklemmen 97, 98 zu erzeugen. Wenn die Spannung zwischen den Klemmen 97, 98 und demnach die Spannung am Widerstand 135 den Wert überschreitet, auf den der Widerstand 135 eingestellt ist, wird der Transistor 136 leitend gemacht, so daß die Basisklemme 125 des Transistors 124 durch die Leitung 141 mit Erde verbunden wird. Dadurch wird die Antriebsspannung von den Steuer- oder Basisklemmen 104, 110 und 114 der Transistoren 100 bis 102 abgeleitet, so daß der Entladeweg geöffnet und die Ausgangsspannung auf den durch das Potentiometer 135 eingestellten Wert be- grenzt wird.

Der Spannungsvervielfacher 80 wirkt wie ein spannungsgeregelter Spannungsvervielfacher, der die Kondensatoren parallel aufladet und dieselben in Reihe entladet, mit einem gemeinsamen elektrischen Bezugspotential (Erde) für den Auflade- und den Entladevorgang. Die Anordnung einer geerdeten Basis oder eines geerdeten Halbleiterverstärkers einschließlich des Transistors 136 ermöglicht die Steuerung des negativen Ausgangsspannungsimpulses an den Klemmen 97 und 98, ohne daß eine negative Stromquelle erforderlich wäre. Außerdem wirkt die geerdete Basis oder der geerdete Halbleiterverstärker einschließlich des Transistors 136 als ein dynamisch veränderlicher Widerstand im unteren Schenkel eines Widerstandsspannungsteilers, dessen oberer Schenkel durch den zwischen den Impulsgenerator 120 und den Transistor 124 eingeschalteten Widerstand 123 gebildet wird.

Die Wirkungsweise des Spannungsvervielfachers ffiO wird durch ein besonderes Beispiel veranschaulicht. Es wurde ein der Fig. 2 ähnlicher Spannungsvervielfacher ausgebildet, in welchem die Kondensatoren 86, 89 und 92 einen Wert von 33 Mikrofarad hatten» Die Widerstände, wie zum Beispiel die Widerstände 87 und 88 in jeder der Zweigleitungen, hatten einen Wert von 10 K und der Widerstand 123 hatte zusammen mit den Widerständen 128 bis 130 einen Wert von 22 K, Die Batterie 83 lieferte eine Spannung von 6 V und der Impulsgenerator 120 erzeugte impulse mit einer

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Amplitude von etwa 6 V. Der Widerstand 135 war in einem Bereich von etwa 0,55 bis 17 V veränderlich. Wenn der Widerstand 135 auf einen Wert von 0,55 V eingestellt war und die Spannung an den Klemmen 97, 98 -0,55 V überschritt, wurde der Transistor 136 leitend gemacht, um die Basisklemme 125 des Transistors 124 zu erden, so daß die Basisantriebsspannung von den Transistoren 100 bis 102 abgeleitet wurde. Infolgedessen wurde die an den Klemmen 97, 98 verfügbare Ausgangsspannung auf 0,55 Y oder ein Vielfaches davon begrenzt, wenn die Einstellung des Widerstandes 135 auf die einer zunehmenden Spannung entsprechende Einstellung verändert wurde. Die Einstellung des Widerstandes 135 auf eine der maximalen Spannung entsprechende Stelle verhindert, daß irgendeine Spannung auf den Transistor 136 zur Einwirkung, kommt mit dem Ergebnis, daß der Last ein vollständig ungeregelter Ausgang des Vervielfachers zugeführt wird. Wenn der .Spannungsvervielfacher 80 als ein Verdreifacher wirkte, betrug die maximale Ausgangsspannung 17 V, wenn der Widerstand 135 einen maximalen Wert von 15 K hatte.

Daraus ergibt sich, daß die Erfindung die angestrebten Ziele erreicht. Die beiden beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind nur beispielsweise angegeben, ohne die Erfindung einzuschränken.

Patentansprüche

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Claims

Dr.-1 ng. E. BERKENFELD · Dipl.-lng. H. BERKENFELD, Patentanwälte, Köln

Anlage ' Aktenzeichen

zur Eingabe vom 26» April 1971 vA// Name d. Anm. Wilson Greatbatch Ltd.

P A T E N T A M S P R U C H E

Spannungsvervielfacher, gekennzeichnet

ä) durch ein Paar Eingangsklemmen, die mit einer Quelle der zu vervielfachenden Spannung verbunden werden können,

b) durch mehrere Zweigleitungen, die zu den Klemmen parallel geschaltet sind, wobei jede Zweigleitung Energiespeichereinrichtungen enthält und Einrichtungen, welche eine Spannung auf der Zweigleitung erzeugen,

c) durch ein Paar Ausgangsklemmen, die mit einer. Last verbunden werden können, wobei die Klemmen zu einer Energiespeichereinrichtung in Reihe geschaltet sind, so daß der Weg des die Speichereinrichtung aufladenden Stromes durch die Last hindurchgeht, ■

d) durch eine entsprechende Anzahl gesteuerter Schalter, von denen jeder mit der entsprechenden Energiespeichereinrichtung verbunden ist, wobei die Schalter und die Speichereinrichtungen miteinander verbunden sind, um einen die Ausgangsklemmen enthaltenden Reihenentladeweg zu bilden, wenn die Schalter betätigt werden, und

e) durch eine Auslöseeinrichtung, die mit jedem der Schalter verbunden ist, um die Schalter zwecks Schließung des Entladeweges zu betätigen.

2. Spannungsvervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiespeichereinrichtung aus einem Konden-

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sator in jeder Zweigleitung besteht und daß die eine Spannung erzeugende Einrichtung aus einem Paar Widerständen in jeder Zweigleitung besteht, wobei die Widerstände zum Kondensator in Reihe geschaltet und mit entgegengesetzten Klemmen desselben verbunden sind.

3. Spannungsvervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der gesteuerten Schalter aus einem äpannungsgesteuerten Schalter besteht, der eine Steuerklemme aufweist, und daß die Auslöseeinrichtung aus einem Impulsgenerator besteht, zusammen mit Einrichtungen, welche den Ausgang des Generators mit den Steuerklemmen jedes spannungsgesteuerten Schalters verbinden»

4. .Spannungsvervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder gesteuerte Schalter aus einem Transistor besteht, dessen Kollektor-Emitterverbindüng in den Entladeweg eingeschaltet ist, und daß die Auslöseeinrichtung aus einem Impulsgenerator besteht, zusammen mit Einrichtungen, welche den Ausgang des Generators mit den Basisklemmen jedes Transistors verbinden.

5. Spannungsvervielfacher nach Anspruch 4, dadurich gekennzeichnet, daß die Energiespeichereinrichtung aus einem Kondensator in jeder Zweigleitung besteht, daß die Kondensatoren mit den Kollektor-Emitterverbindungen der Transistoren verbunden sind und daß die eine Spannung erzeugende Einrichtung aus einem Paar Widerständen in jeder Zweigleitung besteht, wobei die Widerstände zum Kondensator in Reihe geschaltet und mit entgegengesetzten Klemmen desselben verbunden sind.

6ο Spannungsvervielfacher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung, die mit den Ausgangsklemmen verbunden und zwischen die Auslöseeinrichtung und die Schalter eingeschaltet ist, um die Verbindung zwischen der Auslöseeinrichtung und den Schaltern zu unterbrechen, wenn die Spannung an den Ausgangsklemmen einen vorherbestimmten Wert erreicht.

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7. Spannungsvervielfacher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung umfaßt:

a) eine Abtasteinrichtung, die mit den Ausgangsklemmen verbunden ist, um ein Steuersignal zu erzeugen, wenn die Spannung an den Klemmen einen vorherbestimmten Wert erreicht, und

b) eine Halbleiterschalteinrichtung, welche in Steuerbeziehung zwischen die Auslöseeinrichtung und die Schalter eingeschaltet ist und welche in Steuerbeziehung mit der Abtasteinrichtung verbunden ist.

8. Spannungsvervielfacher nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung aus einem veränderlichen Widerstand besteht, der zwischen die Ausgangsklemmen eingeschaltet ist, und aus einer Halbleiterschalteinrichtung, die in Steuerbeziehung mit dem veränderlichen Widerstand verbunden ist und die in Steuerbeziehung zwischen eine Bezugsspannung und die Halbleiterschalteinrichtung eingeschaltet ist.

9. Spannungsvervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedefe Zweigleitung einen Kondensator enthält, der zu einem Widerstand in Reihe geschaltet ist, daß die Ausgangsklemmen zu einem der Kondensatoren in Reihe geschaltet sind, so daß der Weg des diesen Kondensator aufladenden Stromes durch die Last hindurchgeht, und daß jeder gesteuerte Schalter mit einem entsprechenden Kondensator verbunden ist, wobei die Schalter und die Kondensatoren miteinander verbunden sind, um einen die Ausgangsklemmen enthaltenden Reihenentladeweg zu bilden, wenn die Schalter betätigt werden.

10. Spannungsvervielfacher nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß jeder gesteuerte Schalter aus einem spannungsgesteuerten Schalter besteht, der eine Steuerklemme aufweist, und daß die Auslöseeinrichtung aus einem Impulsgenerator besteht, zusammen mit Einrichtungen, welche den Ausgang des Generator mit den Steuerklemmen jedes spannungsgesteuerten Schalteis ver-

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11. Spannungsvervielfacher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder spannungsgesteuerte Schalter aus einem Transistor besteht, dessen Kollektor-Emitterverbindung mit den Kondensatoren verbunden ist, während der Ausgang des Impulsgenerators mit den Basisklemmen jedes Transistors verbunden ist.

12. Spannungsvervielfacher nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung, die mit den Ausgangsklemmen verbunden und zwischen die Auslöseeinrichtung und die gesteuerten Schalter eingeschaltet ist, um die Verbindung zwischen der Aus-

™ löseeinrichtung und den Schaltern zu unterbrechen, wenn die Spannung an den Ausgangsklemmen einen vorherbestimmten Wert erreicht.

13. Spannungsvervielfacher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung umfaßtj

a) eine Abtasteinrichtung, die mit den Ausgangsklemmen verbunden ist, um ein Steuersignal zu erzeugen, wenn die Spannung an den Klemmen einen vorherbestimmten Wert erreicht, und

b) eine Halbleiterschalteinrichtung, welche in Steuerbeziehung zwischen die Auslöseeinrichtung und die Schalter eingeschaltet ist und welche in Steuerbeziehung mit der Abtasteinrichtung verbunden ist.

14. Spannungsvervielfacher nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung aus einem veränderlichen Widerstand,besteht, der zwischen die Ausgangsklemmen eingeschaltet ist, und aus einer Halbleiterschalteinrichtung, die in Steuerbeziehung mit dem veränderlichen Widerstand verbunden ist und die in Steuerbeziehung zwischen eine Bezugsspannung und die Halbleiterschalteinrichtung eingeschaltet ist.

15. Spannungsvervielfacher, gekennzeichnet

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a) durch ein Paar Eingangsklemmen, die mit einer Quelle der zu vervielfachenden Spannung verbunden werden können,

b) durch mehrere Zweigleitungen, die zu den Klemmen parallel geschaltet sind, wobei jede Zweigleitung einen Kondensator und eine Einrichtung enthält, welche eine Spannung auf der Zweigleitung erzeugt,

c) durch ein Paar Ausgangsklemmen, die mit einer Last verbunden werden können, wobei die Klemmen zu einem Kondensator in Reihe geschaltet sind,

d) durch eine Einrichtung, welche mit den Kondensatoren verbunden ist, um einen die Ausgangsklemmen enthaltenden Entladeweg zu bilden, und

e) durch eine Regeleinrichtung, welche mit den Ausgangsklemmen und mit der den Entladeweg bildenden Einrichtung verbunden ist, um den Stromfluß durch diesen Weg zu unterbrechen, wenn die Spannung an den Ausgangsklemmen einen vorherbestimmten Wert erreicht.

16. Spannungsvervielfacher nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung umfaßt:

a) eine Abtasteinrichtung, die mit den Ausgangsklemmen verbunden ist, um ein Steuersignal zu erzeugen, wenn die Spannung an den Klemmen einen vorherbestimmten Wert erreicht, und

b) eine Halbleiterschalteinrichtung, welche in Steuerbeziehung mit der den Entladeweg bildenden Einrichtung und mit der Abtasteinrichtung verbunden ist.

17. Spannungsvervielfacher nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung aus einem veränderlichen Widerstand besteht, der zwischen die Ausgangsklemmen eingeschaltet ist, und aus einer Halbleiterschalteinrichtung, die in

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Steuerbeziehung mit dem veränderlichen Widerstand verbunden ist und die in Steuerbeziehung zwischen eine Bezugsspannung und die Halbleiterschalteinrichtung eingeschaltet ist.

18. Spannungsvervielfacher nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die den Entladeweg bildende Einrichtung besteht:

a) aus einer entsprechenden Vielzahl von Halbleiterschaltern, von denen jeder eine Steuerklemme aufweist, wobei jeder Schalter mit einem entsprechenden Kondensator verbunden ist und wobei die Schalter und die Kondensatoren miteinander verbunden sind, um einen die Auslaßklemmen enthaltenden Reihenentladeweg zu bilden, wenn die Schalter betätigt werden, und

b) aus einer Auslöseeinrichtung, welche mit den Steuerklemmen der Schalter verbunden ist, um die Schalter zwecks Schließung des Entladeweges gleichzeitig zu betätigen.

19. Spannungsvervielfacher nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslöseeinrichtung aus einem Impulsgenerator besteht und daß ein Halbleiterschalter in Steuerbeziehung mit dem Impulsgenerator verbunden ist und in Steuerbeziehung zwischen mindestens eine der Eingangsklemmen und die Steuerklemmen der Halbleiterschalter eingeschaltet ist, die mit den Kondensatoren verbunden sind.

20. Spannungsvervielfacher nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung aus einem veränderlichen Widerstand besteht, der zwischen die Ausgangsklemmen eingeschaltet ist, und aus einer Halbleiterschalteinrichtung, die in Steuerbeziehung mit dem veränderlichen Widerstand verbunden ist und die in Steuerbeziehung zwischen eine Bezugsspannung und den Halbleiterschalter eingeschaltet ist, der mit dem Impulsgenerator verbunden ist*

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