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Spannungsverdoppelungsschaltung
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Spannungsverdoppelung
mit einer Reihen schaltung zweier Kondensatoren, an welcher eine Ausgangs spannung
mit gegenüber der an der Schaltungsanordnung angelegten Eingangsspannung doppelter
Amplitude abnehmbar ist.
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Eine bekannte Spannungsverdoppelungsschaltung dieser Art ist als sogenannte
Delon-Schaltung bekannt. Sie enthält die Reihenschaltung zweier Kondensatoren, wobei
dem ersten Kondensator die Reihenschaltung aus einer Wechselspannungsquelle und
einer Einwegdiode parallel geschaltet ist. Die
nicht mit dem ersten
Kondensator verbundene Platte des zweiten Kondensators ist über eine zweite Diode
zwischen Wechselspannungsquelle und Anode der ersten Diode angegeschlossen. Durch
diese Schaltungsanordnung ergibt sich eine doppelte Einwegschaltung, bei welcher
während der positiven Halbwelle der Wechsel spannung der eine Kondensator und während
der negativen Halbwelle der Wechselspannung der andere Kondensator aufgeladen wird.
An der Reihenschaltung der beiden Kondensatoren ist eine Gleichspannung abnehmbar,
die doppelt so groß ist wie die am Eingang dieser Verdoppelungsschaltung anliegende
Wechselspannung.
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Zur Erzielung einer Gleichspannung doppelter Amplitude der Eingangsspannung
ist es allerdings erforderlich, daß die Eingangsspannung eine Wechselspannung ist.
Es läßt sich also mit einer solchen Schaltung nicht unmittelbar eine Gleichspannung
in eine doppelt so hohe Gleichspannung umsetzen. Grundsätzlich kann man allerdings
zur Verdoppelung einer Gleichspannung den eg gehen, zunächst aus der Gleichspannung
mittels eines Wechselrichters eine Wechselspannung zu bilden und diese der Delon-Schaltung
zuzuführen. Ein solcher Weg ist schaltungstechnisch jedoch recht aufwendig und in
seinem Wirkungsgrad wenig befriedigend.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welcher eine Gleichspannung unmittelbar
und ohne zusätzliche Wechselrichter verdoppelt werden kann.
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Diese Aufgabe ist gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst,
daß der erste Kondensator der zwei hintereinander geschaltete Kondensatoren aufweisenden
Schaltungsanordnung
wechselweise zum Aufladen mit der als Gleichspannung
ausgebildeten Eingangs spannung verbunden und zum Entladen an den zweiten Kondensator
in der Weise angeschlossen ist, daß sich die Ladespannungen der hintereinander geschalteten
Kondensatoren addieren. Eine solche Schaltung hat den zusätzlichen Vorteil, daß
die Innenwiderstände gegenüber der Delon-Schaltung wesentlich niedriger sind und
auch ein wesentlich höherer Wirkungsgrad erzielt wird.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch
aus, daß die Eingangsspannung an eine aus einem periodisch betätigten ersten Schalter,
dem ersten Kondensator und einem ersten Stromtor bestehende erste Reihen schaltung
gelegt ist, daß eine aus einem gegensinnig zum ersten betätigten zweiten Schalter,
dem zweiten Kondensator, und einem zweiten Stromtor bestehende zweite Reihenschaltung
dem ersten Kondensator parallel geschaltet ist, daß der Verbindungspunkt zwischen
zweitem Schalter und zweitem Kondensator an der unmittelbar mit einem Potentialpunkt
der Eingangsspannung verbundenen Klemme des ersten Stromtores angeschlossen ist
und daß an der Reihenschaltung von erstem Schalter, erstem Kondensator, erstem Stromtor
und zweitem Kondensator die Ausgangs spannung der Schaltungsanordnung abnehmbar
ist.
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In zweckmäßiger Weise sind dabei nach einer Weiterbildung der Erfindung
die Stromtore als Dioden ausgebildet.
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In einer Variante der Ausgestaltung der Erfindung sind die Stromtore
als Transistoren ausgebildet, die dann entsprechend dem Schließen der Schalter entsprechend
durchgesteuert werden müssen.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Schalter als elektronische
Schalter ausgebildet,und zwar vorzugsweise als Komplementärtransistoren, deren Basen
mit den gleichen Taktsignalen belegt sind. Auf diese Weise können mit einem einzigen
Impulsgenerator die beiden Schalter wechselweise und gegensinnig geschlossen bzw.
geöffnet werden.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
dargestellt.
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Es zeigen: Fig. 1 den Schaltplan der Schaltungsanordnung mit als Dioden
ausgebildete Stromtore, Fig. 2 den Aufbau der Schaltungsanordnung mit als Transistoren
ausgebildete Stromtore und Fig. 3 eine Variante des Schaltungsaufbaues in Fig. 1.
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In Fig. 1 ist an die Reihenschaltung aus einem PNP-Transistor 1,einem
ersten Kondensator 2 und einer Diode 3 die Eingangsspannung UE der Schaltungsanordnung
gelegt. Dem ersten Kondensator 2 ist eine Reihenschaltung aus einem NPN-Transistor
4, einem zweiten Kondensator 5 und einer zweiten Diode 6 parallelgeschaltet. Der
Verbindungspunkt
von Emitter des NPN-Transistors 4 und dem zweiten
Kondensator 5 ist mit der Kathode der Diode 3 und damit mit dem unteren Potentialpunkt
der Eingangsspannung UE verbunden.
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Die Basen der Transistoren 1 und 4 sind über je einen Widerstand 7
und 8 an den Eingang eines Impuls- oder Taktgenerators 9 angeschlossen. Zwischen
dem oberen Potentialpunkt der Spannungsquelle und dem Verbindungspunkt von zweitem
Kondensator 5 und Anode der zweiten Diode 6, also an der Reihenschaltung von Transistor
1 erstem Kondensator 2, Diode 3 und zweitem Kondensator 5, ist die Ausgangsspannung
UA abnehmbar, die doppelt so groß ist wie die Eingangsspannung UE der Schaltungsanordnung.
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Die Wirkungsweise dieser Schaltung ist wie folgt: Es wird angenommen,
daß die Kondensatoren 2 und 5 noch ungeladen sind und der Impulsgenerator 9 Taktsignale
abgibt, so daß am Ausgang des Impulsgenerators abwechselnd das Signal H oder L ansteht.
Mit dem Zustand L wird der Transistor 1 durchgeschaltet und der Transistor 4 gesperrt.
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Der Kondensator 2 wird über den Transistor 1 an die Eingangsspannung
UE angeschlossen. Es fließt ein Ladestrom über den Transistor 1 und die Diode 3
in den Kondensator 2.
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Steht am Ausgang des Impulsgenerators 9 das Signal H an, so ist der
Transistor 1 gesperrt und der Transistor 4 leitet. Der Kondensator 2 entlädt sich
über den Transistor 4, den zweiten Kondensator 5 und die Diode 6. Der Kondensator
5 wird teilweise geladen. Dieser Vorgang wiederholt sich, so daß schließlich nach
Beendigung des Einschwingvorganges am Kondensator 5 ebenso wie am Kondensator 2
eine Spannung anliegt, die ebenso groß ist wie die Eingangsspannung UE der Schaltungsanordnung.
Am Ausgang der Schaltungsanordnung
addieren sich die beiden Ladespannungen
der Kondensatoren 2 und 5, somit ist die Ausgangsspannung UA doppelt so groß wie
die Eingangsspannung UE.
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Die Schaltungsanordnung in Fig. 2 unterscheidet sich von der Schaltungsanordnung
in Fig. 1 dadurch, daß die in Fig. 1 als Dioden 3 und 6 ausgebildeten Stromtore
in Fig. 3 durch Transistoren 10 und 11 ersetzt sind. Soweit die Bauteile in Fig.
1 und 2 übereinstimmen, sind sie mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es muß bei
der Ausbildung der Stromtore als Transistoren durch geeignete Schaltmaßnahmen dafür
gesorgt werden, daß diese Transistoren zum gleichen Zeitpunkt durchgeschaltet werden,
in welchem auch die entsprechenden, als Transistoren 1 und 4 ausgebildeten Schalter
schließen.
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Zu diesem Zweck ist die Basis des NPN-Transistors 11 mit seinem Kollektor
und die Basis des NPN-Transistors 10 über einen Widerstand 12 und einen PNP-Transistor
13 mit dem oberen Potentialpunkt der Eingangs spannung UE verbunden.
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Weiterhin ist die Basis des PNP-Transistors 1 über einen Widerstand
14 und einen NPN-Transistor 15 mit dem unteren Potentialpunkt der Eingangsspannung
UE verbunden. Die beiden Basen der Transistoren 13 und 15 sind je über einen Widerstand
16 und 17 und über einen NPN-Transistor 18 miteinander verbunden, dessen Basis einerseits
über einen Widerstand 19 mit dem unteren Potentialpunkt der Eingangsspannung UE
und über einen Widerstand 20 und einen Inverter 21 mit dem Impulsgenerator 9 verbunden
ist. Die Basis des Transistors 4 ist im Gegensatz zu Fig. 1 hier einerseits über
eine Sperrdiode 22 und einen Widerstand 23 mit dem oberen Potentialpunkt der Eingangs
spannung UE und über einen NPN-Transistor 24 mit dem unteren Potentialpunkt der
Eingangsspannung verbunden. Die Basis dieses Transistors 24
ist
über einen Widerstand 25 an den Emitter des NPN-Transistors 18 angeschlossen. Ansonsten
stimmt der Schaltungsaufbau in Fig. 2 mit dem Schaltungsaufbau in Fig. 1 überein,
und die Ausgangs spannung UA der Schaltungsanordnung ist ebenso wie in Fig. 1 an
der Reihenschaltung von Transistor 1, erstem Kondensator 2, Transistor 10 und zweitem
Kondensator 5 abnehmbar.
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Die Wirkungsweise dieser Schaltung ist wie folgt: Es wird wiederum
angenommen, daß die Kondensatoren 2 und 5 zunächst leer sind und im Impuls generator
eine Taktfolge ausgesendet wird, so daß am Eingang des Inverters 21 abwechselnd
das Signal L oder H ansteht. Tritt am Ausgang des Impulsgenerators 9 das Signal
L auf, so wird der Transistor 18 leitend und damit auch die Transistoren 13, 15
und 24. Damit werden auch die Transistoren 1 und 10 leitend, und da die Sättigungsspannung
des Transistors 24 geringer als die Knickspannung der Diode 22 ist, wird die Basisspannung
von Transistor 4 Null und der Transistor 4 gesperrt. Mit Leitendwerden der Transistoren
1 und 10 wird der Kondensator 2 an die Eingangs spannung UE gelegt und der Kondensator
lädt sich auf diese Spannung auf.
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Steht anschließend am Ausgang des Impulsgenerators das Signal H an,
so sperrt der Transistor 18und ebenso sperren die Transistoren 13, 15 und 24. Damit
sperren auch die Transistoren 1 und 10 und die Basis des Transistors 4 liegt über
den Widerstand 23 an dem oberen Potentialpunkt der Eingangs spannung UE und wird
somit leitend. Mit Durchschalten des Transistors 4 wird auch der Transistor 11 leitend
und der Kondensator 2 entlädt sich über den Transistor 4, den Kondensator 5 und
den Transistor 11. An den
Kondensatoren baut sich eine Ladespannung
auf. Nun wiederholt sich der erstbeschriebene Vorgang, woran sich der nachfolgend
beschriebene Vorgang wieder anschließt. Am Ende des Einschwingvorganges weisen beide
Kondensatoren eine Ladespannung auf, die ebenso groß ist wie die Eingangsspannung
UE Da diese beiden Ladespannungen der Kondensatoren sich addieren, ist am Ausgang
der Schaltungsanordnung eine Spannung abnehmbar, die doppelt so groß ist wie die
Eingangsspannung UE.
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Wie aus den Fig. 1 und 2 sinnfällig abzuleiten ist, wird mit Hilfe
dieser Schaltungsanordnung die Eingangs spannung UE an dem unteren Potentialpunkt
der Eingangsspannungszuführung gespiegelt. Ebenso läßt sich natürlich diese Spannungsverdoppelungsschaltung
auch dadurch realisieren, daß die Eingangsspannung an dem oberen Potentialpunkt
der Eingangsspannungszuführung gespiegelt wird.
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Eine solche Schaltungsanordnung zeigt die Fig. 3, die, abgesehen von
dieser Änderung, identisch mit Fig. 1 ist, so daß hier gleiche Bauelemente mit gleichen
Bezugsziffern versehen sind, die lediglich zur Unterscheidung einen Beistrich führen.
Hier ist die Reihenschaltung aus der Diode 3', dem ersten Kondensator 2' und dem
PNP-Transistor 1' an die Eingangsspannung UE gelegt. Dem Kondensator 2' ist die
Reihen schaltung aus einer zweiten Diode 6', dem zweiten Kondensator 5' und dem
NPN-Transistor 4' parallelgeschaltet, wobei der Verbindungspunkt von Kollektor des
Transistors 4' und dem Kondensator 5' an die Anode der Diode 3' und damit an den
oberen Potentialpunkt der Eingangs spannung UE angeschlossen ist. Die Basen der
Transistoren 1' und 4' sind über je einen Widerstand 7' bzw. 8' mit dem Eingang
eines
Imputlsgenerators 9' verbunden. Die Ausgangsspannung UA der
Schaltungsanordnung ist wiederum an der Reihenschaltung aus Kondensator 5', Diode
3', Kondensator 2' und Transistor 1' abnehmbar. Die Wirkungsweise dieser Schaltungsanordnung
entspricht der Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung.
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Durch Hintereinanderschaltung mehrerer solcher Verdoppelungsschaltungen
gem. den Fig. 1 - 3 läßt sich die Eingangsspannung UE vervielfachen, wobei die Ausgangsspannung
UA = 2n U und n eine ganze Zahl ist.
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E Durch Parallelschaltung mehrerer solcher Schaltungen können sehr
niedrige Innenwiderstände erreicht werden.
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Außerdem gestattet das vorstehend beschriebene erfindungsgemäß Prinzip
der Umladung auch Spannungen leistungslos zu untersetzen, wie dies bei geregelten
Spannungsversorgungen angestrebt wird.
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Schließlich kann man Schaltungen dieser Art als Frequenz-Spannungs-Konverter
benutzen.
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