DE2365581B2 - Voltage multiplier circuit - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Spannungsvervielfachungsschaltung mit er.iem Gleichrichter-Kaskadenkreis. The invention relates to a voltage multiplier circuit with er.iem rectifier cascade circuit.
Bei bekannten Gleichrichter-Kaskadenkreiren (F. E. Term an: »Electronic and Radio Engineering«, McGraw-Hill Book Company, Inc., New York, Toronto, London, 1955, Seiten 707-708; Siemens: »Halbleiter-Schaltbeispiele«, 1971/1972, Seiten 119-121) werden einem Eingangsanschluß ein sinusförmiges Eingangssignal zugeführt, während der andere Eingangsanschluß geerdet ist. Aufgrund der an den Gleichrichtern abfallenden Spannungen sind für den bekannten Gleichrichter-Kaskadenkreis eine große Anzahl von Schaltungselementen erforderlich, um eine bestimmte Spannnungsvervielfachung zu erhalten.With known rectifier cascade circles (F. E. Term to: "Electronic and Radio Engineering", McGraw-Hill Book Company, Inc., New York, Toronto, London, 1955, pp. 707-708; Siemens: »Semiconductor switching examples«, 1971/1972, pages 119-121) are an input terminal with a sinusoidal input signal while the other input terminal is grounded. Due to the rectifiers falling voltages are a large number of for the known rectifier cascade circuit Circuit elements required to obtain a certain voltage multiplication.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spannungsvervielfachungsschaltung mit einem Gleichrichter-Kaskadenkreis zu schaffen, die mit einer geringstmöglichen Zahl von Schalungselementen eine möglichst hohe Spannungsvervielfachung ergibt. Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruchs. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The invention is based on the object of a voltage multiplication circuit with a rectifier cascade circuit to create one with the least possible number of formwork elements the highest possible voltage multiplication results. The task is solved by the characteristics of the license plate of the claim. Further developments of the invention are given in the subclaims.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigtThe invention is described with reference to the drawing. It shows
Fig. 1 einen Gleichrichter-Kaskadenkreis,1 shows a rectifier cascade circuit,
Fig.2 eine erfindungsgemäße Spannungsvervielfachungsschaltung mit zwei Gleichrichter-Kaskadenkreisen, 2 shows a voltage multiplication circuit according to the invention with two rectifier cascade circuits,
Fig.3 eine erfindungsgemäße Spannungsvervielfachungsschaltung zur Lieferung eines Ausgangsimpulssignals, das dreimal so groß ist wie das Eingangsimpulssignal, 3 shows a voltage multiplication circuit according to the invention to deliver an output pulse signal that is three times as large as the input pulse signal,
Fig.4 eine erfindungsgemäße Spannungsvervielfaehungsschaltung, die zwei MOS-Feldeffekt-Wandlerstufen und einen Gleichrichter-Kaskadenkreis aufweist,4 shows a voltage multiplication circuit according to the invention, which has two MOS field effect converter stages and a rectifier cascade circuit,
Fi g. 5A einen verbesserten Gleichrichter-Kaskadenkreis gemäß der Erfindung,Fi g. 5A shows an improved rectifier cascade circuit according to the invention,
Fig. 5B den Signalveriauf des Kreises gemäß F i g. 5A,FIG. 5B shows the signal progression of the circle according to FIG. 5A,
Fig. 6 einen verbesserten Gleichrichter-Kaskadenkreis gemäß der Erfindung mit parallelgeschalieten Kondensatoren,6 shows an improved rectifier cascade circuit according to the invention with capacitors connected in parallel,
Fig. 7 einen verbesserten Gleichrichter-Kaskadeno kreis gemäß der Erfindung mit einer Serienschal'.ung von Kondensatoren,7 shows an improved rectifier cascade circuit according to the invention with a series circuit of capacitors,
Fig.8 einen erfindungsgemäß verbesserten Gleichrichter-Kaskadenkreis mit einer Serien-Parallel-Schaltung von Kondensatoren,8 shows an improved rectifier cascade circuit according to the invention with a series-parallel connection of capacitors,
κι Fig. 9 einen erfindungsgemäß verbesserten Gleichrichter-Kaskadenkreis, der nur negative Eingangssignale anheben kann,κι Fig. 9 an improved rectifier cascade circuit according to the invention, which can only increase negative input signals,
Fig. 10 einen erfindungsgemäß verbesserten Gleichrichter-Kaskadenkreis, der positive und negative Eingangssignale anheben kann, und10 shows an improved rectifier cascade circuit according to the invention, which can boost positive and negative input signals, and
Fig. 11 eine erfindungsgemäße Spannungsvervielfachungsschaltung, die einen Gleichrichter-Kaskadenkreis mittels komplementärer MOS-Feldeffekt-Wandler-Kreise ansteuern kann.11 shows a voltage multiplication circuit according to the invention, a rectifier cascade circuit by means of complementary MOS field effect converter circuits can drive.
Der in Fig. 1 gezeigte Gleichrichter-Kaskadenkreis besitzt eine Vielzahl von Schaltungselementen, um die gewünschte hohe Spannung zu erhalten. Eine Diode verursacht einen Vorwärtsspannungsabfall im Bereich von 0,5 V, so daß eine einzelne Diode die Spannung nur 2") um 1 V anheben kann. Es sind daher 20 Dioden erforderlich, um eine Erhöhung von 25 V zu erreichen.The rectifier cascade circuit shown in Fig. 1 has a plurality of circuit elements to the to obtain desired high voltage. A diode causes a forward voltage drop in the area of 0.5 V, so that a single diode can only increase the voltage 2 ") by 1 V. There are therefore 20 diodes required to achieve a 25V increase.
Die Schaltung gemäß Fig. 2 verwendet zwei Gleichrichter-Kaskadenkreise. Bei der vorliegenden Ausführungsform enthält die Blockschaltung 2001 einen ersten Gleichrichter-Kaskadenkreis, der eine Spannungsquelle von 1,5 V auf ein Gleichstrom-Ausgangssignal von etwa 5 V anzuheben vermag. Eine Einrichtung 2002, die aus einem Pegeleinstellglied und einem Inverter besteht, kann ein Impulssignal mit einer J5 Amplitude von 5 V liefern. Eine Blockschaltung 2003 bildet einen zweiten Gleichrichter-Kaskadenkreis, wobei an dessen Eingang ein Impulssignal mit einer Amplitude von 5 V anliegt. Die Blockschaltung 2001 kann den Fegel je Kondensator 2022 um 1 V und die •40 Diode 2023 um 1 V anheben. Die Blockschaltung 2003 kann den Pegel um 4,5 V anheben, auch wenn ein Spannungsabfall von 0,5 V der Vorwärtsspannung je Kondensator 2034 und je Diode 2033 vorliegt. Wie sich aus einem Vergleich der Fig. 1 mit der F i g. 2 ergibt, kann die Schaltung gemäß Fig.2 die Zahl der Schaltungselemente, welche zur Lieferung eines Ausgangssignals mit einer Ausgangsspannung, die derjenigen durch die Schaltung gemäß Fig. 1 erreichten Spannung entspricht, notwendig sind, wesentlich herabsetzen. The circuit according to FIG. 2 uses two rectifier cascade circuits. With the present Embodiment, the block circuit 2001 includes a first rectifier cascade circuit, which is a voltage source from 1.5 V to a DC output signal of about 5 V. An institution 2002, which consists of a level adjuster and an inverter, can send a pulse signal with a J5 provide an amplitude of 5 V. A block circuit 2003 forms a second rectifier cascade circuit, wherein a pulse signal with an amplitude of 5 V is applied to the input. The block circuit 2001 can raise the level per capacitor 2022 by 1 V and the diode 2023 by 1 V. The block circuit 2003 can raise the level by 4.5V, even if there is a voltage drop of 0.5V depending on the forward voltage Capacitor 2034 and each diode 2033 is present. As can be seen from a comparison of FIG. 1 with FIG. 2 results, the circuit according to FIG. 2 can determine the number of circuit elements which are used to supply an output signal with an output voltage equal to that achieved by the circuit of FIG Voltage corresponds, are necessary, reduce significantly.
Dies bedeutet, daß die Schaltung gemäß Fig. 1 25 Dioden verwendet, um eine Spannung von 25 V zu erhalten, während die Schaltung gemäß Fig. 2 14 Dioden und MOSFETs verwendet, um eine Spannung von 6 V"= 27 V zu erhalten, wobei V" etwa 4,5 V beträgt.This means that the circuit of FIG. 1 uses 25 diodes to obtain a voltage of 25 V, while the circuit of FIG. 2 uses 14 diodes and MOSFETs to obtain a voltage of 6 V "= 27 V, where V "is about 4.5V.
In Fig.3 ist eine erfindungsgemäße Schaltung veranschaulicht, die aus zwei Schaltkreisen besteht, welche miteinander verbunden sind. Der erste Schalten kreis verwendet MOSFETs und ermöglicht eine Herabsetzung des Leistungsverlustes, welcher durch den Vorwärtsspannungsabfall über der Diode verursacht wird. Somit bildet die Einrichtung 3004 eine erste Schaltung, die ein hnpulsausgangssignal ohne Leii'i stungsverlust zu liefern vermag, wobei die Amplitude des Impuisausgangssignals dreimal größer ist als die Amplitude der Spannungsquelle.In Figure 3 is a circuit according to the invention which consists of two circuits which are connected to one another. The first switch circuit uses MOSFETs and enables a reduction in the power loss caused by causing the forward voltage drop across the diode. The device 3004 thus forms a first Circuit that generates a pulse output signal without Leii'i capable of delivering stungsgabe, the amplitude of the pulse output signal is three times greater than the Amplitude of the voltage source.
Eine Blockschaltung 3005 bildet einen Gleichrichter-A block circuit 3005 forms a rectifier
Kaskadenkreis.Cascade circle.
Die in Fig.3 gezeigte Schaltung ermöglicht die direkte Verwendung des Ausgangssignals der Einrichtung 3004 als Eingangssignal für die Blockschaltung 3005, so daß die Schaltung zur Einstellung des Pegels, wie sie durch die Einrichtung 2002 in Fi g. 2 dargestellt wird, nicht erforderlich ist.The circuit shown in Figure 3 enables the output signal of the device to be used directly 3004 as input signal for the block circuit 3005, so that the circuit for setting the level, as shown by the establishment in 2002 in Fig. 2 shown is not required.
In Fig.4 ist eine erfindungsgemäße Schaltung gezeigt, die aus drei Schaltkreisen besteht, welche jeweils miteinander verbunden sind. iüIn Figure 4, a circuit according to the invention is shown, which consists of three circuits, which are connected to each other. iü
Die Blocksi.haltung 4006 entspricht der Blockschaltung 3004 in Fig.3 und besitzt keinen Diodenverlust. Jedoch weist sie zusätzlich eine Gleichrichterschaltung 404! und 4042 zur Bildung einer Spannungsquelle und Lieferung eines Gleichstrom-Ausgangssignals an die Einrichtung 4007 auf. Wenn die Spannung der Spannungsquelle 1,5 V beträgt, kann die BlockschaltungThe block circuit 4006 corresponds to the block circuit 3004 in Fig. 3 and has no diode loss. However, it also has a rectifier circuit 404! and 4042 to form a voltage source and Delivery of a direct current output signal to the device 4007. When the tension of the Voltage source is 1.5 V, the block circuit can
4006 ein Gleichstrom-Ausgangssignal von + 3 V an eine Leitung 4043 und ein Gleichsirom-Ausgangssignal von — 1,5 V an eine Leitung 4044 liefern, so daß ein Impulssignal an eine Leitung 4045 gelegt wird, dessen Potentialdifferenz 4,5 V beträgt, wobei der Maximalwert der Amplitude —1,5V darstellt. Wenn dieses Impulssignal von der Leitung 4045 an die Einrichtung4006 a DC output of + 3V on line 4043 and a DC output from - Deliver 1.5 V to a line 4044 so that a pulse signal is applied to a line 4045, whose The potential difference is 4.5 V, the maximum value of the amplitude being -1.5V. If this Pulse signal from line 4045 to the device
4007 als deren Eingangssignal angelegt wird, erzeugt die Einrichtung 4007 zwei Impulssignale mit einer Potentialdifferenz von 15,5 V, die dreimal so groß ist wie das Impulssignal der Leitung 4045 und deren Phasen einander entgegengesetzt sind, wobei diese beiden Signale über die Leitungen 4046 und 4047 geliefert j» werden; außerdem wird ein Gleichstrom-Ausgangssignal von — 6 V an eine Leitung 4048 angelegt. Diese Ausgangsimpulse dienen als Eingangssignal für den Gleichrichter-Kaskadenkreis 4008. Auf diese Weise wird an den Gleichrichter-Kaskadenkreis 4008 ein Impulssignal angelegt, dessen Amplitude 13,5 V beträgt, so daß — ausschließlich dem durch die Diode verursachten Vorwärtsspannungsabfall von 0,5 V — eine Pegelerhöhung von 13,0 V je Kondensator 4053 und je Diode 4054 möglich ist Ein Impulsausgangssignal von 26,0 V wird somit an den Leitungen 4027 und 4048 erzeugt. Die Schaltung gemäß F i g. 4 kann die Zahl der Dioden oder MOSFET auf 17 derartige Elemente reduzieren, ohne daß ein Spannungsverlust am MOS-FET auftritt.4007 is applied as its input signal, the device 4007 generates two pulse signals with a potential difference of 15.5 V, which is three times as large as the pulse signal on line 4045 and its phases are opposite to one another, these two signals being supplied via lines 4046 and 4047 j » will; a -6V DC output is also applied to line 4048. These Output pulses serve as input to the rectifier cascade circuit 4008. In this way A pulse signal is applied to the rectifier cascade circuit 4008, the amplitude of which is 13.5 V, so that - excluding the forward voltage drop of 0.5 V caused by the diode - a level increase of 13.0 V per capacitor 4053 and per diode 4054 is possible. A pulse output signal of 26.0 V is thus generated on lines 4027 and 4048. The circuit according to FIG. 4 can be the number of Reduce diodes or MOSFETs to 17 such elements without a voltage loss at the MOS-FET occurs.
Wie vorstehend festgestellt wurde, besitzt eine erfindungsgemäße Schaltung eine große Spannungsvervielfachung bei einer kleinen Zahl von Schaltelementen, so daß der Leistungsverlust während der Spannungsvervielfachung reduziert werden kann. Somit eignet sich die erfindungsgemäße Schaltung besonders für eine elektronische Armbanduhr od. dg!., die eine geringe Spannung und kleine Leistung erfordert.As stated above, a circuit according to the invention has a large voltage multiplication with a small number of switching elements, so that the power loss during voltage multiplication can be reduced. Thus, the circuit according to the invention is particularly suitable for a electronic wristwatch or the like, which requires a low voltage and low power.
Die Fi g. 5 bis 11 zeigen erfindungsgemäß verbesserte Gleichrichter-Kaskadenkreise, die als Eingangssignal zwei Impulssignale verwenden, deren Phasen jeweils entgegengesetzt zueinander stehen.The Fi g. 5 to 11 show improvements according to the invention Rectifier cascade circuits that use two pulse signals as an input signal, the phases of which are respectively are opposite to each other.
In dem Gleichrichter-Kaskadenkreis gemäß Fig.5A ergibt sich zum Zeitpunkt t\ die Spannung der Leitung 5005 zu KVoIt und die Spannung der Leitung 5006 zu 0 w> Volt, so daß ein Kondensator Gi über eine Diode Dji mit K Volt und mit der in F i g. 31A gezeigten Polarität aufgeladen wird, wenn Impulssignale 50055 und 50065 (F i g. 5B) an die Leitungen 5005 bzw. 5006 angelegt werden. Bei den Schaltungen der F i g. 6 bis 11 wird ein ir> Spannungsabfall einer Diode in Durchlaßrichtung nicht berücksichtigt. Zum Zeitpunkt f2 ergibt sich das Potential der Leitung 5006 zu K Volt, so daß das Potential der Leitung 5007 2 V Volt ergibt, während das Potential der Leitung 5006 0 Volt beträgt, so daß ein Kondensator C3, über eine Diode D12 mit 2 VVoIt und der in F i g. 5A gezeigten Polarität aufgeladen wird.In the rectifier cascade circuit according to FIG. 5A, the voltage of the line 5005 to KVoIt and the voltage of the line 5006 to 0 w> volts result at the time t \, so that a capacitor Gi via a diode Dji with K volts and with the in F i g. 31A is charged when pulse signals 50055 and 50065 (FIG. 5B) are applied to lines 5005 and 5006, respectively. In the circuits of FIG. 6 to 11 an ir> voltage drop of a diode in the forward direction is not taken into account. At time f2, the potential of line 5006 is K volts, so that the potential of line 5007 is 2 V volts, while the potential of line 5006 is 0 volts, so that a capacitor C 3 , via a diode D 12, is 2 V volts VVoIt and the in FIG. 5A is charged.
Bei /. beträgt das Potential der Leitung 5005 V Volt, so daß das Potential der Leitung 5008 sich zu 3 KVoIt ergibt; da das Potential der Leitung 5006 0 Voit beträgt, wird ein Kondensator Cn über eine Diode Du mit 3 V Volt und der in F i g. 5A gezeigten Polarität aufgeladen.At /. the potential of the line is 5005 V volts, so that the potential of the line 5008 results in 3 KVoIt; since the potential of line 5006 is 0 Voit, a capacitor Cn is connected to 3 V volts via a diode Du and the one in FIG. 5A charged.
In ähnlicher Weise werden die Kondensatoren Cn' und Cn über Dioden Du und Dn mit 2 Kbzw. 5 KVoIt und der in F i g. 5A gezeigten Polarität aufgeladen.In a similar way, the capacitors Cn ' and C n via diodes Du and D n with 2 Kbzw. 5 KVoIt and the one shown in FIG. 5A charged.
Das Potential der Leitung 5009 wird durch das Signal bestimmt, das der Leitung 5006 zugeführt wird und das auf 5 Vangehoben wird; dieses Potential ist in Fig. 5B durch den Signalverlauf 50095 dargestellt. Dieses Potential wird durch eine Diode 5036 gleichgerichtet, so daß ein Kondensator 5037 mit 6 V Volt und der in F i g. 5A gezeigten Polarität aufgeladen wird, um ein Gleichstromsignal von 6 WoIt zu liefern.The potential of the wiring 5009 is determined by the signal that the line is fed to 5006 and is raised to 5 V; this potential is represented in FIG. 5B by the waveform 50095. This potential is rectified by a diode 5036, so that a capacitor 5037 with 6 V volts and the one shown in FIG. 5A is charged to provide a 6 WoIt DC signal.
In F i g. 6 ist eine Ausführungsform veranschaulicht, in der alle Kondensatoren, die mit Gleichrichtern verbunden sind, zueinander parallel geschaltet sind.In Fig. 6, one embodiment is illustrated in FIG which all capacitors connected to rectifiers are connected in parallel to each other.
In Fig. 7 wird eine weitere Ausführungsform veranschaulicht, in der alle Kondensatoren zueinander in Serie liegen. Werden die Kondensatoren jeweils parallel zueinander geschaltet, so ist es zwar notwendig, solche mit hoher Durchbruchspannung zu verwenden, jedoch ist eine Reduzierung der Ausgangsimpedanz möglich.In Fig. 7 a further embodiment is illustrated in which all capacitors to each other lie in series. If the capacitors are connected in parallel to each other, it is necessary to using those with high breakdown voltage, however, is a reduction in output impedance possible.
Werden alle Kondensatoren in Serie zueinander geschaltet, so ergibt sich eine vergrößerte Ausgangsimpedanz. Jedoch ist es möglich, Kondensatoren mit geringer Durchschlagspannung zu benützen.If all capacitors are connected in series, the output impedance is increased. However, it is possible to use capacitors with a low breakdown voltage.
Die Fig.8 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die Kondensatoren an Gleichrichter angeschlossen sind und jeweils in Serien-Parallel-Schaltung angeordnet sind. Wenn die Zahl der parallel zueinander angeschlossenen Kondensatoren vergrößert wird, läßt sich der durch die Kondensatoren gespeicherte Spannungswert klein halten. Infolgedessen erlaubt die Änderung der Kondensatorenzahl, welche in Serien-Parallel-Schaltung angeordnet sind, eine Einstellung der Durchbruchspannung, wobei dies für den Kondensator und die Ausgangsimpedanz notwendig ist.The Fig.8 shows a further embodiment in which the capacitors are connected to rectifiers and each arranged in series-parallel connection are. If the number of capacitors connected in parallel to one another is increased, leaves the voltage value stored by the capacitors is kept small. As a result, the Change in the number of capacitors, which are arranged in series-parallel connection, an adjustment of the Breakdown voltage, this being necessary for the capacitor and output impedance.
In F i g. 9 ist eine \usführungsform veranschaulicht, in der das Ausgangspotential in Richtung auf das negative Potential einer Spannungsquelle angehoben werden kann. Die Fig. 10 veranschaulicht eine weitere Ab-Wandlung, bei der das Ausgangspotential in positiver wie auch negativer Richtung angehoben bzw. geändert werden kann.In Fig. 9 illustrates an embodiment in which the output potential moves towards the negative Potential of a voltage source can be increased. Fig. 10 illustrates a further modification, in which the output potential is raised or changed in the positive as well as in the negative direction can be.
Sämtliche vorstehend beschriebenen Ausführungsformen erhalten als Eingangssignale Impulssignale, die gegenphasig zueinander liegen. Die gleiche Arbeitsweise ist bei der Verwendung von Impulssignalen möglich, deren Phasen voneinander verschieden sind.All of the embodiments described above receive as input signals pulse signals that are out of phase with each other. The same way of working is possible when using pulse signals, whose phases are different from each other.
Die vorstehend beschriebene Erfindung verwendet Impulssignale, deren Phasen jeweils unterschiedlich sind, und diese Impulssignale dienen als Eingangssignale bei einem Gleichnchter-Kaskadenkreis; die Erfindung ergibt somit einen Spannungsvervielfachungs-Wirkungsgnd, der im wesentlichen zweimal so groß ist wie der Wirkungsgrad bekannter Anordnungen mit gleicher Zahl an Schaltungselementen.The invention described above uses pulse signals whose phases are different in each case are, and these pulse signals serve as input signals in an equal cascade circuit; The invention thus results in a voltage multiplication effect, which is essentially twice as large as the efficiency of known arrangements with the same Number of circuit elements.
Die F i g. 11 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine komplementäre MOSFET-Schaltung zur Ansteuerung eines Gleichrichter-Kaskadenkreises verwenrlpt i«t. InThe F i g. 11 shows an embodiment in which a Complementary MOSFET circuit for controlling a rectifier cascade circuit used. In
der vorliegenden Ausführungsform bezeichnen 6091 und 6092 MOSFET-Inverter. Die Verwendung dieses Steuersystems ermöglicht, daß im wesentlichen keine Leistung verbraucht wird außer für den Übergangsbereich der komplementären MOSFET-Schaltung und liefert eine Schaltung, die die unter lastfreier Bedingung verbrauchte Leistung erheblich reduziert und die wirksam über einen weiten Lastbercich arbeiten k; indem der veränderliche Leitwert groß gemacht wire Außerdem ist die vorliegende Schaltung imstai eine Gleichspannung zu liefern, die im wesentlic zweimal so groß ist wie die entsprechende Spannung einer bekannten Schaltung mit gleicher Zahl Schaltungselementen.In the present embodiment, 6091 and 6092 denote MOSFET inverters. Using this Control system enables essentially no power to be consumed except for the transition area the complementary MOSFET circuit and provides a circuit that operates under no-load condition Consumed power significantly reduced and which work effectively over a wide load range k; by making the variable conductance large. In addition, the present circuit is imstai to deliver a DC voltage which is essentially twice as large as the corresponding voltage a known circuit with the same number of circuit elements.
Hierzu 5 Blatt ZeichnungenIn addition 5 sheets of drawings
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