DE2365581C3 - Voltage multiplier circuit - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Spannungsvervielfachungsschallung mit einem Gleichrichter-Kaskadenkreis. The invention relates to voltage multiplication sound with a rectifier cascade circuit.
Bei bekannten Gleichrichter-Kaskadenkreisen (F. E. Term an: »Electronic and Radio Engineering«, McGraw-Hill Book Company, Ine, New York, Toronto, London, 1955, Seiten 707-703; Siemens: »Halbleiter-Schaltbeispiele«, 1971/1972, Se,.en 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 circuits (F. E. Term to: "Electronic and Radio Engineering", McGraw-Hill Book Company, Ine, New York, Toronto, London, 1955, pp. 707-703; Siemens: »Semiconductor switching examples«, 1971/1972, Se, .en 119-121) are an input terminal 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 Spannungsvervielfachungsschalturig mit einem Gleiehrichter-Kaskadenkreis zu schaffen, die mit einer geringstmöglichen Zahl von Schaltungselementen 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 which results in the highest possible voltage multiplication with the smallest possible number of circuit elements. Solved is the task through the features of the characterizing part of the claim. Developments of the invention are specified in the subclaims.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigtThe invention is described with reference to the drawing. It shows
F i g. 1 einen Gleichrichter-Kaskadenkreis,F i g. 1 a rectifier cascade circuit,
F i g. 2 eine erfindungsgemäße Spannungsvervielfachungsschaltung mit zwei Gleichrichter-Kaskadenkreisen, F i g. 2 a voltage multiplier 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 Spannungsvervielfachungsschaltung.die zwei MOS-Feldeffekt-Wandlerstufen und einen Gleiehrichter-Kaskadenkreis aufweist,4 shows a voltage multiplication circuit according to the invention has two MOS field effect converter stages and a rectifier cascade circuit,
F i g. 5A einen verbesserten Gleiehrichter-Kaskadenkreis gemäß der Erfindung,F i g. 5A shows an improved equator cascade circuit according to the invention;
Fig. 5B den Signalverlauf des Kreises gemäß F i g. 5A,FIG. 5B shows the signal curve of the circle according to FIG. 5A,
Fig,6 einen verbesserten Gleichrichter-Kaskadenkreis gemäß der Erfindung mit parallelgeschalteten Kondensatoren,6 shows an improved rectifier cascade circuit according to the invention with capacitors connected in parallel,
Fig.7 einen verbesserten Gleichrichter-Kaskadenkreis gemäß der Erfindung mit einer Serienschaltung von Kondensatoren,7 shows an improved rectifier cascade circuit according to the invention with a series connection of capacitors,
F i g. 8 einen erfindungsgemäß verbesserten Gleiehrichter-Kaskadenkreis mit einer Serien-Parallel-Schaltung von Kondensatoren,F i g. 8 shows an improved rectifier cascade circuit according to the invention with a series-parallel connection of capacitors,
ίο Fig.9 einen erfindungsgemäß verbesserten Gleiehrichter-Kaskadenkreis, der nur negative Eingangssignale anheben kann,ίο Fig. 9 an improved equalizer cascade circle 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
F i g. 11 eine erfindungsgemäße Spannungsvervielfachungsschaltung, die einen Gleiehrichter-Kaskadenkreis mittels komplementärer MOS-Feldeffekt-Wandler-Kreise ansteuern kann.F i g. 11 a voltage multiplier 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 Gleiehrichter-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 um IV anheben kann. Es sind daher 20 Dioden erforderlich, um eine Erhöhung von 25 V zu erreichen.The equator cascade circuit shown in FIG has a variety of circuit elements to obtain the desired high voltage. A diode causes a forward voltage drop in the range of 0.5V, so a single diode only controls the voltage to raise IV. It therefore takes 20 diodes to achieve a 25V increase.
Die Schaltung gemäß Fig.2 verwendet zwei Gleichrichter-Kaskaclenkreise. 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 einerThe 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 Amplitude von 5 V liefern. Eine Blockschaltung 2003 bildet einen zweiten Gleiehrichter-Kaskadenkreis, wobei an dessen Eingang ein Impulssignal mit einer Amplitude von 5 V anliegt. Die Blockschaltung 2001 kann den Pegel je Kondensator 2022 um 1 V und die Diode 2023 um 1 V anheben. Die B'ockschaltung 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 Fig. 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 F i g. 1 erreichten Spannung entspricht, notwendig sind, wesentlich herabsetzen. J5 provide an amplitude of 5 V. A block circuit 2003 forms a second rectifier cascade circuit, at the input of which a pulse signal with a Amplitude of 5 V is applied. The block circuit 2001 can increase the level per capacitor 2022 by 1 V and the Raise diode 2023 by 1 V. The B'ock circuit 2003 can raise the level by 4.5 V, even if a There is a voltage drop of 0.5 V of the forward voltage per capacitor 2034 and per diode 2033. How yourself results from a comparison of FIG. 1 with FIG. 2, 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 of the circuit shown in FIG. 1 reached Voltage corresponds, are necessary, reduce significantly.
Dies bedeutet, daß die Schaltung gemäß F i g. 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 according to FIG. 1 used 25 diodes to get a voltage of 25V, while the circuit of Figure 2 uses 14 diodes and MOSFETs to get a voltage of 6V "= 27V, 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 Schalt-In Figure 3, a circuit according to the invention is illustrated, which consists of two circuits, which are connected to each other. The first switching
«) 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 Schallung, die ein Impulsausgangssignal ohne Lei-«) Kreis uses MOSFETs and enables one Reduction of the power loss caused by the forward voltage drop across the diode will. The device 3004 thus forms a first sound system, which generates a pulse output signal without conduction.
i'i stungsverlust zu liefern vermag, wobei die Amplitude des Impulsausgangssignals dreimal größer ist als die Amplitude der Spannungsquelle.i'i is able to deliver power loss, with 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 a)s Eingangssignal für die Blockschaltung 3005, so daß die Schaltung zur Einstellung des Pegels, wie sie durch die Einrichtung 2002 in F i g. 2 dargestellt wird, nicht erforderlich istThe one shown in Fig.3. Circuit allows the direct use of the output signal of the means 3004 a) s for the input signal block circuit 3005, so that the circuit for adjusting the level, such as by the device 2002 g F i. 2 is not required
In Fig.4 ist eine erfindungsgemäße Schaltung gezeigt, die aus drei Schaltkreisen besteht, welche jeweils miteinander verbunden sind.In Figure 4 is a circuit according to the invention shown, which consists of three circuits which are each connected to one another.
Die Blockschaltung 4006 entspricht der Blockschaltung 3004 in F i g. 3 und besitzt keinen Diodenverlust. Jedoch weist sie zusätzlich eine Gleichrichterschaltung 4041 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 additionally has a rectifier circuit 4041 and 4042 for forming a voltage source and supplying a direct current output signal to the device 4007 . When the voltage 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 Gleichstrom-Ausgangssignal von — 1,5V an eine Leitung 4044 liefern, so daß ein Impulssignal an eine Leitung 4045 gelegt wird, dessen Poteniialdifferenz 4,5 V beträgt, wobei der Maximalwert der Amplitude —1,5 V darstellt. W;?nn dieses Impulssignal von der Leitung 4045 an die Einrichtung 4006 provide a DC output signal of +3 V on line 4043 and a DC output signal of -1.5V on line 4044 , so that a pulse signal is applied to line 4045 , the potential difference of which is 4.5 V, the Represents the maximum value of the amplitude -1.5 V. W;? Nn 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 dis Impulssignal der Leitung 4045 und deren Phasen einander entgegengesetzt sind, wobei diese beiden Signale über die Leitungen 4046 und 4047 geliefert 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 the 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 of the line 4045 and whose phases are opposite to one another, these two signals via the lines 4046 and 4047 to be delivered; a -6V DC output is also applied to line 4048 . These output pulses serve as the input signal for 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 reduce the number of diodes or MOSFETs to 17 such elements without loss of voltage across the MOSFET.
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. dgl., 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 a small 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 Volt, so daß ein Kondensator Gi über eine Diode D31 mit V Volt und mit der in F i g. 31A gezeigten Polarität aufgeladen wird, wenn Impulssignale 50055 und 50065 (Fig. 5B) an die Leitungen 5005 bzw. 5006 angelegt werden. Bei den Schaltungen der F i g. 6 bis 11 wird ein Spannungsabfall einer Diode in Durchlaßrichtung nicht berücksichtigt. Zum Zeitpunkt h ergibt sich da? Potential der Leitung 5006 zu V Volt, so daß das Potential der Leitung 5007 2 VVolt ergibt, während das Potential der Leitung 5006 0 Volt betragt, so daß ein Kondensator Gi über eine Diode Dn mit 2 VVoIt und der in F ί g. 5A gezeigten Polarität aufgeladen wird, Bei l\ beträgt das Potential der Leitung 5005 VVoIt, so daß das Potential der Leitung 5008 sich zu 3 VVoIt ergibt; da das Potential der Leitung 5006 0 Volt beträgt, wird ein Kondensator C32 über eine Diode D33 mit 3 V Volt und der in F i g. 5A gezeigten Polarität aufgeladen.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 volts result at the time t \ , so that a capacitor Gi via a diode D31 with V volts and with the voltage 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 a voltage drop of a diode in the forward direction is not taken into account. At the point in time h there arises? Potential of line 5006 to V volts, so that the potential of line 5007 results in 2 V volts, while the potential of line 5006 is 0 volts, so that a capacitor Gi via a diode Dn with 2 VVoIt and the one in F ί g. 5A is charged. At l \ , the potential of line 5005 is VVoIt, so that the potential of line 5008 is 3 VVoIt; since the potential of line 5006 is 0 volts, a capacitor C 32 is connected to 3 V volts via a diode D 33 and the one in FIG. 5A charged.
In ähnlicher Weise werden die Kondensatoren C32' und C33 über Dioden D» und D35 mit 2 Vbzw. 5 VVoIt und der in F i g. 5A gezeigten Polarität aufgeladen.In a similar way, the capacitors C 32 'and C33 via diodes D » and D 35 with 2 V or. 5 VVoIt and the in F i g. 5A charged.
Das Potential der Leitung 5009 wird durch das Signal bestimmt, das der Leitung 5006 zugeführt wird und das auf 5 V angehoben wird; dieses Potential ist in F i g. 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 Fig.5A gezeigten Polarität aufgeladen wird, um ein Gleichstromsignal von 6 VVoIt zu liefern.The potential of line 5009 is determined by the signal applied to line 5006 which is raised to 5 volts; this potential is shown in FIG. 5B represented by the signal curve 50095. This potential is rectified by diode 5036 so that capacitor 5037 is charged to 6 volts and the polarity shown in Figure 5A to provide a DC signal of 6 volts.
In F i g. 6 ist eine Ausführungsform veranschaulicht, in der alle Kondensatoren, die mit Gleichrichtern verbunden sind, zueinander parallel geschaltet sind.In Fig. Figure 6 illustrates an embodiment in which all capacitors are 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.
J5 Die F i g. 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 KondensatorJ5 The F i g. 8 shows a further embodiment at 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 for the capacitor
und die Ausgangsimpedanz notwendig ist.and the output impedance is necessary.
In F i g. 9 ist eine Ausführungsform 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 Ausführungs'ormen erhalten als Eingangssignale Impulssignale, die gegenphasig zueinander liegen Die gleiche Arbeitsweise ist bei der Verwendung von Impulssignaien möglich, deren Phasen voneinander verschieden sind.All of the above-described design standards receive impulse signals as input signals that are in phase opposition to each other. The same mode of operation is possible when using pulse signals whose phases are different from one another.
Die vorstehend beschriebene Erfindung verwendet Impulssignale, deren Phasen jeweils unterschiedlichThe invention described above uses pulse signals whose phases are different in each case
wi sind, und diese Inpulssignale dienen als Eingangssignale bei einem Gleichrichter-Kaskadenkreis; die Erfindung ergibt somit einen Spannungsvervielfachungs-Wifkungsgrad, der im wesentlichen zweimal so groß ist wie der Wirkungsgrad bekannter Anordnungen mit gleicherwi, and these pulse signals serve as input signals with a rectifier cascade circuit; the invention thus results in a voltage multiplication degree, which is essentially twice as large as the efficiency of known arrangements with the same
i> > Zahl an Schaltungselementen.i>> number of circuit elements.
Die Fi g. 11 zei0! eine Ausführungsform, bei der eine komplementäre MOSFET-Schaltung zur Ansteuerung eines Gleichrichter-Kaskadenkreises verwendet ist. InThe Fi g. 11 point 0 ! an embodiment in which a complementary MOSFET circuit is used to control a rectifier cascade circuit. 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 Lastbereich arbeiten kann, indem der veränderliche Leitwert groß gemacht wird.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 can work effectively over a wide load range, by making the variable conductance large.
Außerdem ist die vorliegende Schaltung imstande, eine Gleichspannung zu liefern, die im wesentlichen zweimal so groß ist wie die entsprechende Spannung bei einer bekannten Schaltung mit gleicher Zahl an Schaltungselementen.In addition, the present circuit is capable of supplying a DC voltage that essentially is twice as large as the corresponding voltage in a known circuit with the same number Circuit elements.
Hierzu 5 Blatt ZeichnungenIn addition 5 sheets of drawings
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