DE4103675A1

DE4103675A1 - Schaltung zur spannungsueberhoehung

Info

Publication number: DE4103675A1
Application number: DE19914103675
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Rauter
Original assignee: Telefunken Electronic GmbH
Current assignee: Atmel Germany GmbH
Priority date: 1991-02-07
Filing date: 1991-02-07
Publication date: 1992-08-20
Anticipated expiration: 2011-02-08
Also published as: DE4103675C2

Description

Für viele Anwendungszwecke ist es erforderlich, aus ei ner zur Verfügung stehenden Spannung - beispielsweise einer geringen Betriebsspannung oder Eingangssignal spannung - benötigte höhere Spannungswerte zu erzeugen; beispielsweise ist der Löschvorgang eines EE-PROMs nicht mit dem "normalen" TTL-Schaltungspegel von 5 V möglich.

Daneben müssen beispielsweise zur Ansteuerung von Lei stungsbauelementen oft kurzzeitig hohe Spannungsspit zenwerte bzw. Ansteuerimpulse zur Verfügung gestellt werden, obwohl nur kleine Impulsspannungen vorhanden sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und leicht zu realisierende Schaltung zur Spannungs überhöhung anzugeben, mit der sich - im Prinzip - be liebige Spannungswerte und hohe Spannungsspitzen erzeu gen lassen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schaltung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Schaltungsglied besteht prinzipiell lediglich aus zwei Schaltelementen und einem Kondensator, so daß der Schaltungsaufbau sehr einfach ist.
Durch Verknüpfung einzelner Schaltungsglieder - die über ein weiteres Schaltelement ("Verbindungselement") hintereinandergeschaltet werden - läßt sich eine Schal tung realisieren, mit der sich beliebig hohe Maximal werte der Ausgangsspannung bzw. Spannungsspitzen und bei entsprechender Wahl bzw. Ansteuerung der Schaltele mente - oder bei geeigneter Modifikation eines oder mehrerer der Schaltungsglieder durch Einbau oder Ent fernen von Schaltungsmitteln - auch kontinuierlich ab gestufte Spannungswerte erzeugen lassen. Diese Spannun gen können an beliebigen Stellen der Schaltung stabil abgegriffen werden; je nachdem, wo die Ausgangsspannung abgegriffen wird, können Kondensatoren eines oder meh rerer Schaltungsglieder eingespart werden. Da die Kondensatoren verschiedener Schaltungsglieder beim Aufladevorgang - bei geschlossenen ersten Schalt elementen und geöffneten Verbindungselementen - zu einander parallelgeschaltet sind, hat die Schaltung einen geringen Innenwiderstand. Beim Öffnen der ersten Schaltelemente und "Schließen" der Verbindungselemente werden alle Kondensatoren in Serie geschaltet; man kann somit einerseits sehr hohe Energiewerte erreichen, an dererseits stehen die gewünschten Ausgangsspannungs werte sofort - nach Öffnen der ersten Schaltelemente - an.
Die Kondensatoren und die Schaltelemente können belie big ausgebildet sein: als erste Schaltelemente sind beispielsweise mechanische, elektrische oder elektroni sche Schalter und als weitere Schaltelemente beispiels weise aktive oder passive Bauelemente möglich. Die Kon densatoren können unipolare oder bipolare Kondensatoren mit unterschiedlichen Kapazitätswerten sein, wobei der Kapazitätswert den Innenwiderstand und damit die Aus gangsleistung, d. h. die zur Verfügung stehende Energie bestimmt; die Anzahl der Kondensatoren resp. der Schal tungsglieder bestimmt die maximal mögliche Spannung. Die Schaltung läßt sich entweder diskret aus diskreten Bauelementen, integriert in einer integrierten Schal tung - wobei eine Integration aufgrund der vorteilhaf ten Schaltungsanordnung sehr einfach möglich ist - oder mit einer Kombination aus diskreten und integrierten Bauelementen aufbauen. Mit der beschriebenen Schaltung können "Grundelemente" zur Spannungsüberhöhung realisiert werden; mehrere der artige Grundelemente - mit einer beliebigen Zahl von Schaltungsgliedern - können je nach Bedarf oder Anwen dungsfall auf vielfältige Weise miteinander verknüpft werden.

Die erfindungsgemäße Schaltung soll nachstehend anhand der Fig. 1 bis 8 näher beschrieben werden.

In der Fig. 1 ist ein einzelnes Schaltungsglied darge stellt, die Fig. 2 beschreibt die Kaskadierung mehre rer Schaltungsglieder zu einem Grundelement, die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Fig. 2 mit Di oden als Schaltelemente.

Die Fig. 4a, 5a und 6 zeigen die Beschaltung eines Grundelements, die Fig. 4b und 5b damit erreichbare Spannungsverläufe.

In den Fig. 7 und 8 ist an zwei Beispielen die Ver knüpfung zweier Grundelemente dargestellt.

Gemäß Fig. 1 besteht ein Schaltungsglied 1 aus dem Kondensator C, dessen erster Anschluß A₁ durch ein Schaltelement S₁ mit der Signalleitung SL₁ und dessen zweiter Anschluß A₂ durch ein Schaltelement S₁ mit der Signalleitung SL₂ verbunden ist; die beiden Signallei tungen SL₁ und SL₂ leiten das an den beiden Eingängen IN₁, IN₂ anstehende Wechselspannungs-Eingangssignal U_E weiter. Am ersten Anschluß A₁ des Kondensators C ist ein weiteres Schaltelement S₂ - das Verbindungselement - angeschlossen. Die Schaltelemente S₁ können über Verbindungsleitungen mit externen Taktgeneratoren verbunden werden, die das Öffnen und Schließen der Schaltelemente S₁ und des Schaltelements S₂ synchronisieren. Die beiden Schalt elemente S₁ werden synchron angesteuert; bei "geschlossenem" Schaltelement S₁ wird der Kondensator C durch die Eingangsspannung U_E auf deren Spannungswert (U_E) aufgeladen.

In der Fig. 2 ist eine Schaltung aus - über die weite ren Schaltelemente S₂ verbundene - hintereinanderge schalteten Schaltungsgliedern 1 .. N dargestellt; die beiden Signalleitungen SL₁, SL₂ sind mit jeweils einem Anschluß der ersten Schaltelemente S₁ jedes Schaltungs glieds 1 .. N verbunden, so daß alle Kondensatoren C verschiedener Schaltungsglieder bei geschlossenen Schaltelementen S₁ parallelgeschaltet sind. Die Spannungsüberhöhung ergibt sich dadurch, daß die Kondensatoren C aller Schaltungsglieder 1 .. N bei ge schlossenen Schaltelementen S₁ und geöffneten Verbin dungselementen S₂ durch das Wechselspannungs-Eingangs signals U_E auf die Eingangsspannung aufgeladen werden. Wird das Verbindungselement S₂ nicht durch einen zu öffnenden Schalter, sondern durch passive Halbleiter- Bauelemente realisiert, wird am Schaltungsglied S₂ die Verlustleistung erzeugt. Beim Öffnen der Schaltelemente S₁ (synchron), werden die Schaltelemente S₂ gleichzei tig geschlossen und demzufolge alle Kondensatoren in Serie geschaltet. Durch jedes Schaltungsglied wird die Spannung um den Betrag der Eingangsspannung U_E erhöht; die maximale Ausgangsspannung U_max - diese steht zwi schen einem Anschluß A₁ bzw. A₂ des Kondensators C des ersten Schaltungsglieds 1 und dem anderen Anschluß A₂ bzw. A₁ des Kondensators C des letzten Schaltungs glieds N an - beträgt bei N-Schaltungsgliedern U_max = (N-1)·U_E. Der Kapazitätswert der Kondensatoren be stimmt die mögliche gespeicherte Energie. Falls eine geringere Ausgangsspannung U_A als die maxi male Ausgangsspannung U_max benötigt wird, können belie bige Vielfache der Eingangsspannung an der entsprechen den Stelle der Schaltung (beim jeweiligen Schaltungs glied) abgegriffen werden. Beliebige kontinuierliche Spannungswerte U_A lassen sich erzeugen, wenn an einer (oder mehreren) geeigneten Stelle(n) Schaltungsmittel eingefügt, entfernt oder durch andere Bauelemente, Netzwerke dieser Bauelemente oder durch Signalquellen ersetzt werden. Beispielsweise können Zenerdioden zur Spannungsbegrenzung, Transisto ren zur gemeinsamen Stromversorgung oder Emitterfolger schaltungen zur kontinuierlichen Abstufung der Span nungswerte eingefügt werden. Die Schaltelemente S₁ und S₂ können beliebig ausgebil det sein; beispielsweise können die Verbindungselemente S₂ durch passive Bauelemente (Widerstände) oder aktive Bauelemente (Transistoren) realisiert werden. Bei einer Verwendung von Transistoren können diese niederohmig geschaltet werden, wodurch die Verlustleistung re duziert wird.

In der Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die Schaltelemente S₁ und S₂ durch Dioden D und Widerstände R realisiert sind, so daß alle Schaltele mente synchron zur Phase der Eingangsspannung U_E schal ten und das Wechselspannungs-Eingangssignal nur jeweils in einer Halbwelle durchlassen; eine externe Taktan steuerung ist bei dieser Ausführungsform nicht nötig. Werden die Schaltelemente S₁ bzw. S₂ nicht durch Dioden realisiert, kann mit Hilfe der Schaltphase des Steuer signals zur Ansteuerung der Schaltelemente (EIN-AUS- Steuerung), die Ausgangsspannung beeinflußt werden; je nach Relation bzw. Phasenlage des Steuersignals bezüg lich der Eingangsspannung kann die Polarität und der Wert der Ausgangsspannung verändert werden.

Die Fig. 4a und 5a zeigen die Ansteuerung eines aus N-Schaltungsgliedern gebildeten Grundelements GE, wobei dem Eingang IN₁ die Spannung U₁ und dem Eingang IN₂ die Spannung U₂ zugeführt wird; vor dem Eingang IN₂ (Fig. 4a) bzw. dem Eingang IN₁ (Fig. 5a) ist ein Schaltelement S anordnet. Zwischen den Punkten A und B kann beim Öffnen des Schalters S eine - abhängig von der Ausgestaltung des Grundelements GE - erhöhte Ausgangsspannung abgegriffen werden; die Ausgangsspannung U_A1 gemäß Fig. 4a ist in Phase mit der Eingangsspannung, bei der Schaltung gemäß Fig. 5a steht eine erhöhte Ausgangsspannung U_A2 an, deren Polarität gegenüber der Eingangsspannung inver tiert ist.

Die Fig. 4b und 5b veranschaulichen diesen Sachver halt; dort wurde beispielsweise als Spannung U₁ der Wert 5 V und als Spannung U₂ der Wert 0 V gewählt. Bei geschlossenem Schalter S sind die Ausgangsspannungen U_A1 resp. U_A2 0 V resp. 5 V (so groß wie U₂ bzw. U₁), beim Öffnen des Schalters S (Zeitpunkt t₁) ergibt sich gemäß Fig. 4b eine positive (U_A1) bzw. gemäß Fig. 5b eine negative (U_A2) Spannungsspitze so lange, wie der Schalter S geöffnet bleibt (Zeitpunkt t₂). Derartige Spannungsspitzen können beispielsweise zur Ansteuerung von Triacs (U_A1) oder zur Impulswandlung (U_A2) dienen.

Gemäß dem Schaltungsbeispiel der Fig. 6 werden beide Eingangsspannungen U₁ und U₂ über Schalter S den beiden Eingängen IN₁ und IN₂ des Grundelements GE zugeführt. Die entsprechenden Ausgangsspannungen können dann iso liert gegenüber der Ansteuerung abgegriffen werden.

Die beschriebenen Grundelemente lassen sich auf vieler lei Art miteinander verknüpfen; in den Fig. 7 und 8 sind dazu exemplarisch zwei Möglichkeiten dargestellt, mit denen eine Spannungsmultiplikation erreicht werden kann. Gemäß der Fig. 7 werden die beiden Grundelemente GE₁ und GE₂, die beide beispielsweise jeweils eine fünf fache Spannungserhöhung bewirken, miteinander verbun den, wobei sie durch die Diode D₁ und den Kondensator C₁ entkoppelt werden. Am Schaltungsausgang kann als Ausgangsspannung U_A das 25fache der Eingangsspannung abgegriffen werden; die Spannungsmultiplikation kann mit oder ohne Entkopplung durchgeführt werden. Die Ausgangsspannungen müssen nicht unbedingt gegenüber der Versorgungsspannung abgegriffen werden. So ent spricht beispielsweise in der Fig. 8 die Ausgangsspan nung U_A zwischen den Punkten A und B - bei gleichen Grundelementen GE₁ und GE₂ mit jeweils 5facher Span nungsverstärkung - dem 10fachen Wert der Eingangsspan nung.

Einsetzen läßt sich die erfindungsgemäße Schaltung ne ben den beschriebenen Anwendungsmöglichkeiten überall dort, wo höhere Spannungen als die zur Verfügung ste henden Spannungswerte benötigt werden. Als ex emplarische Anwendungsbeispiele seien die Erzeugung von beliebig hohen Ansteuerimpulsen für Leistungsbauele mente aus kleinen Impulsspannungen (auch mit Polari tätswechsel), die getaktete Spannungsverstärkung sowohl negativer als auch positiver Spannungen, und die Erzeu gung von Gasentladungs-Spannungen oder die Ansteuerung von Glimmlampen genannt.

Die Ausgangsspannung kann optional auch auf die Schal tungseingänge zurückgeführt werden, so daß Spannungsre gelschleifen entstehen; damit ist eine Spannungsrege lung zur Konstanthaltung der Spannung über die Regelung der Impulsbreite bzw. Impulsfrequenz der Schaltimpulse möglich.

Claims

1. Schaltung zur Spannungsüberhöhung eines Wechselspan nungs-Eingangssignals, das an zwei Schaltungseingängen (IN₁, IN₂) ansteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung eine beliebige Anzahl von Schaltungsgliedern aufweist, daß ein einzelnes Schaltungsglied (1) aus ei nem Kondensator (C) und drei Schaltelementen (S₁, S₂) besteht, wobei jeweils ein Kondensatoranschluß (A₁, A₂) mit einem Anschluß der beiden ersten synchron schalten den Schaltelemente (S₁) verbunden ist, daß das Wechsel spannungs-Eingangssignal (U_E) über zwei Signalleitungen (SL₁, SL₂) den anderen Anschlüssen der beiden ersten Schaltelemente (S₁) zugeführt wird, und daß an einem Anschluß (A₁ bzw. A₂) des Kondensators (C) ein weiteres Schaltelement (S₂) angeschlossen ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schaltungsglieder (1, 2 .. N) über die weiteren Schaltelemente (S₂) hintereinandergeschal tet sind, wobei die weiteren Schaltelemente (S₂) einen Anschluß (A₁ bzw. A₂) des Kondensators (C) eines Schal tungsglieds mit dem anderen Anschluß (A₂ bzw. A₁) des Kondensators (C) eines nachfolgenden Schaltungsglieds verbinden, und daß die zweiten Anschlüsse der ersten Schaltelemente (S₁) aller Schaltungsglieder (1 .. N) jeweils über die beiden von den Eingängen (IN₁, IN₂) herführenden Signalleitungen (SL₁ bzw. SL₂) miteinander verbunden sind.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Schaltungsglied die maximal mögliche Aus gangsspannung (U_max) um den Spannungswert des Eingangs signals (U_E) erhöht, und daß die maximal mögliche Aus gangsspannung (U_max) zwischen einem Anschluß (A₁ bzw. A₂) des Kondensators (C) des ersten Schaltungsglieds (1) und dem anderen Anschluß (A₂ bzw. A₁) des Kondensa tors (C) des letzten Schaltungsglieds (N) ansteht.

4. Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß eines oder mehrere der Schaltungsglieder (1, 2 .. N) durch Einfügen zusätzlicher Schaltungsmit tel oder Signalquellen oder durch Entfernen bestehender Schaltungsmittel modifiziert werden, so daß beliebige kontinuierliche Werte der Ausgangsspannung (U_A) an ver schiedenen Punkten der Schaltung stabil abgegriffen werden können.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliche Schaltungsmittel aktive, passive Bauelemente oder Kombinationen dieser Bauelemente vor gesehen sind.

6. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliche Signalquellen Wechselspannungsquel len, Gleichspannungsquellen oder Kombinationen dieser Spannungsquellen vorgesehen sind.

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Steuerleitungen zu den Schalt elementen (S₁, S₂) der Schaltungsglieder (1, 2 .. N) vorgesehen sind, über die die Schaltelemente (S₁, S₂) durch Schaltsignale derart gesteuert werden, daß die ersten Schaltelemente (S₁) synchron beim Aufladen der Kondensatoren (C) geschlossen sind und anschließend ge öffnet werden und daß die weiteren Schaltelemente (S₂) beim Aufladen der Kondensatoren (C) geöffnet sind und beim Öffnen der ersten Schaltelemente (S₁) geschlossen werden.

8. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Schaltelemente (S₁) durch Dioden realisiert sind, so daß die Schaltelemente in Abhängigkeit der Polarität des Wechselspannungs-Ein gangssignals (U_E) schalten.

9. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Schaltelemente (1) elektronische Schalter sind.

10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Schaltelemente (S₁) Transistoren sind.

11. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Schaltelemente (S₁) mechanische Schalter sind.

12. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da durch gekennzeichnet, daß die weiteren Schaltelemente (S₂) passive Bauelemente sind.

13. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da durch gekennzeichnet, daß die weiteren Schaltelemente (S₂) aktive Bauelemente sind.

14. Schaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Schaltelemente (S₂) Transistoren oder Dioden sind.

15. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da durch gekennzeichnet, daß sie aus diskreten Bauelemen ten aufgebaut ist.

16. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, da durch gekennzeichnet, daß sie als integrierte Schaltung aufgebaut ist.

17. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, da durch gekennzeichnet, daß Grundelemente (GE) zur Span nungsüberhöhung mit einer beliebigen Zahl von Schal tungsgliedern gebildet werden, und daß zwei oder meh rere der Grundelemente (GE) miteinander verknüpft wer den.