DE4337179A1 - Spannungswandler, LCD-Anzeige mit Kontraststeuerung sowie Fernsprechendgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Spannungswandler nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, eine LCD-Anzeige mit Kontraststeuerung nach dem Oberbegriff von Anspruch 5 und ein Fernsprechendgerät nach dem Oberbegriff von Anspruch 6.

Bei der Schaltungsentwicklung tritt des öfteren das Problem auf, daß für das Betreiben von bestimmten Bauelementen eine höhere Spannung als die Betriebsspannung benötigt wird. So wird z. B. für eine LCD-Anzeige eine Spannung von etwa 10 V benötigt, wohingegen als Betriebsspannung bei Schaltungen mit integrierten Bauelementen meist nur eine Spannung von 5 V zur Verfügung steht. Dieses Problem tritt häufig auch bei Fernsprechendgeräten auf. Um eine höhere Spannung als die Betriebsspannung zu erhalten, kann ein Spannungswandler nach dem Ladungspumpenprinzip eingesetzt werden.

Die Erfindung geht nun von einem solchen Spannungswandler aus, wie er z. B. in dem Buch "Halbleiterschaltungstechnik", von U. Tietze und Ch. Schenk, 1986, Springer Verlag, im Kapitel 18.6.5. Spannungs-Wandler mit Ladungspumpe, S. 547, S. 548 beschrieben ist.

Die dort beschriebene Schaltung stellt einen Spannungsinverter dar, der nach dem Ladungspumpenprinzip arbeitet. Die an dem Spannungsinverter anliegende Betriebsspannung wird hierbei in ein periodisches, rechteckförmiges Spannungssignal umgewandelt. Dieses Signal lädt während der Dauer jedes seiner positiven Impulse einen ersten Kondensator auf. In der restlichen Zeit gibt der erste Kondensator seine Ladung an einen zweiten Kondensator weiter. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch.

Der zweite Kondensator lädt sich solange auf, bis an ihm eine Spannung anliegt, die der negativen Betriebsspannung entspricht. Daraus ergibt sich eine Spannungsdifferenz zur positiven Betriebsspannung, die doppelt so groß wie die Betriebsspannung ist.

Bei einigen Anwendungen besteht die Forderung, daß die Ausgangsspannung eines solchen Spannungswandlers steuerbar sein muß. Dies ist z. B. bei einer LCD-Anzeige notwendig, um den Kontrast einstellen zu können. Hierfür wird des öfteren die Betriebs- oder Ausgangsspannung eines solchen Spannungswandlers mittels eines Potiometers oder eines D/A Wandlers gesenkt.

Es ist nun die Aufgabe der Erfindung, einen Spannungswandler bereitzustellen, dessen Ausgangsspannung regelbar ist und dessen maximale Ausgangsspannung höher als die Eingangsspannung ist.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Spannungswandler nach der Lehre von Anspruch 1. Vorteilhafte Anwendungen sind den Ansprüchen 5 und 6 zu entnehmen.

Der Grundgedanke der Erfindung ist es, einen Widerstand so in Serie zum ersten Kondensator zu schalten, daß der erste Kondensator über den Widerstand aufgeladen wird und dabei den Wert des ersten Kondensators und des Widerstandes so zu wählen, daß die Zeitkonstante dieses R-C-Gliedes im Bereich der Impulsdauer des positiven Spannungsimpulses liegt. Hierdurch wird der Ladezustand des ersten Kondensators und damit die an ihm liegenden Spannung abhängig von der Impulsdauer des positiven Spannungsimpulses. Die Ausgangsspannung kann so durch die Variation dieser Impulsdauer gesteuert werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß der gewünschte Spannungswandler mit geringem Aufwand realisiert werden kann. Die Lösung ist einfacher und billiger als die Verwendung eines D/A Wandlers und es ist kein Potentiometer nötig, das aufgrund seiner Mechanik anfällig ist. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß die auftretende Verlustleistung geringer als bei der Verwendung eines Potentiometers oder eines D/A-Wandlers ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und zweier Anwendungsbeispiele unter Zuhilfenahme der bei liegenden Zeichnung weiter erläutert.

Deren einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Spannungswandlers.

In dem Ausführungsbeispiel wird die Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Spannungswandlers aufgezeigt, der dazu dient, eine Eingangsspannung in eine regelbare Ausgangsspannung umzuwandeln, deren maximaler Wert über der Eingangsspannung liegt.

Die Figur zeigt einen Spannungswandler CONV mit zwei Eingangsklemmen IN1 und IN2 und zwei Ausgangsklemmen OUT1 und OUT2 und einen Widerstand R2. Zwischen den Eingangsklemmen IN1 und IN2 liegt eine Eingangsspannung Ub und zwischen den Ausgangsklemmen OUT1 und OUT2 eine Ausgangsspannung Ua an. Die beiden Ausgangsklemmen OUT1 und OUT2 sind über den Widerstand R2 miteinander verbunden.

Der Spannungswandler CONV wandelt die Eingangsspannung Ub in die Ausgangsspannung Ua um. Der Widerstand R2 stellt den Lastwiderstand eines Verbrauchers z. B. eines LCD-Displays dar.

Der Spannungswandler CONV hat einen Impulsgenerator GEN, zwei Kondensatoren C1 und C2, zwei Dioden D1 und D2 und einen Widerstand R1.

Der Impulsgenerator GEN hat zwei Eingänge E1 und E2 und einen Ausgang A. Sein Verhalten kann durch ein Steuersignal CONTR verändert werden.

Die Eingangsklemme IN1 ist mit dem Eingang E1 des Impulsgenerators GEN und mit der Ausgangsklemme OUT1 verbunden. Die Eingangsklemme IN2 und der Eingang E2 des Impulsgenerators GEN ist mit Masse verbunden. Der Ausgang A des Impulsgenerators GEN ist über den Kondensator C1 mit der Anode der Diode D2 und mit der Kathode der Diode D1 verbunden. Die Anode der Diode D1 ist über den Widerstand R1 mit Masse verbunden. Die Kathode der Diode D2 ist mit der Ausgangsklemme OUT2 verbunden. Zwischen die beiden Ausgangsklemmen OUT1 und OUT2 ist der Kondensator C2 geschaltet.

Bei dem Impulsgenerator GEN handelt es sich um einen Impulsbreitenmodulator, der einem Takt folgend den Ausgang A abwechselnd mit dem Eingang E1 und dem Eingang E2 verbindet. Zwischen den Eingängen E1 und E2 liegt die Eingangsspannung Ub an, so daß der Impulsgenerator GEN eine rechteckförmige Spannung mit einer Amplitude liefert, die der Eingangsspannung Ub entspricht. Mittels des Steuersignals CONTR kann das Tastverhältnis dieser rechteckförmigen Spannung verändert werden. Die Wiederholfrequenz bleibt dabei konstant.

Es ist auch möglich, daß der Impulsgenerator GEN Spannungsimpulse liefert, die nicht rechteckförmig sind und deren Wiederholfrequenz nicht konstant ist. Es ist dabei jedoch notwendig, daß die Dauer dieser Spannungsimpulse mittels des Steuersignals CONTR variiert werden kann.

Bei dem Steuersignal CONTR handelt es sich z. B. um ein regelbares Gleichspannungssignal, bei dem die Höhe der Spannung das Tastverhältnis bestimmt. Das Steuersignal wird dabei von einer Eingabevorrichtung, z. B. einem Potiometer geliefert.

Es ist auch möglich, daß das Steuersignal CONTR in Abhängigkeit zu der Ausgangsspannung Ua steht oder, insbesondere bei Verwendung des Spannungswandlers für eine LCD-Anzeige, in Abhängigkeit zur Umgebungshelligkeit steht.

Liegt nun eine positive Spannung am Ausgang A des Impulsgenerators GEN an, so wird die Diode D1 leitend und die Diode D2 gesperrt. Dadurch wird der Kondensator C1 über die Diode D1 und den Widerstand R1 aufgeladen. Der Kondensator C1 und der Widerstand R1 bilden ein RC-Glied mit einer Zeitkonstante, die im Bereich der Dauer des positiven Impulses der rechteckförmigen Spannung am Ausgang A des Impulsgenerators GEN liegt. Dadurch wird der Ladezustand des Kondensators C1 und damit die an an ihm anliegende Spannung abhängig von der Dauer des positiven Impulses. Je länger der Kondensator Zeit hat, sich aufzuladen, umso größer ist dabei die an ihm anliegende Spannung.

Liegt der Ausgang des Impulsgenerators auf Masse, so wird die Diode D2 leitend und die Diode D1 gesperrt. Dadurch wird die Ladung des Kondensators C1 an den Kondensator C2 weitergegeben.

Dieser Vorgang, Aufladen des Kondensators C1, Weiterreichen der Ladung an den Kondensator C2, wiederholt sich ständig. Der Kondensator C2 entlädt sich seinerseits ständig über den Widerstand R2. Hierdurch stellt sich ein Gleichgewicht ein, wobei sich an der Ausgangsklemme OUT2 eine Spannung gegen Masse ergibt, die in etwa der inversen Spannung an dem Kondensator C1 abzüglich der Flußspannungen der beiden Dioden D1 und D2 entspricht. Ist die Dauer des positiven Impulses des rechteckförmigen Spannungssignals genügend groß, um den Kondensator C1 voll aufzuladen, so resultiert daraus eine Spannung an der Ausgangsklemme OUT2 gegen Masse, die der invertierten Spannung der Eingangsspannung Ub addiert mit den Flußspannungen der beiden Dioden D1 und D2 entspricht. Damit ergibt sich eine Eingangsspannung Ua zwischen den Ausgangsklemmen OUT1 und OUT2, die der doppelten Spannung der Ausgangsspannung Ub minus Flußspannungen der beiden Dioden D1 und D2 entspricht. Wird die Dauer des positiven Impulses des rechteckförmigen Spannungssignals verringert, so wird der Kondensator C1 nicht mehr vollständig aufgeladen, die Spannung an ihm nimmt ab und damit auch die Ausgangsspannung Ua.

Es ist auch möglich, anstelle der beiden Dioden D1 und D2 einen gesteuerten Schalter einzusetzen. Ein solcher Schalter könnte z. B. aus mehreren CMOS-Transistoren bestehen. Dieser Schalter müßte den Kondensator C1 bei einem positiven Impuls des rechteckförmigen Spannungssignals mit dem Widerstand R und ansonsten mit dem Kondensator C2 verbinden. Der Einsatz eines solchen Schalters anstelle von Dioden ist vorteilhaft, da dadurch die Verringerung der max. Ausgangsspannung Ua durch die Flußspannungen der beiden Dioden D1 und D2 vermieden werden kann.

Der Kondensator C2 könnte auch zwischen die Ausgangsklemme OUT2 und Masse geschaltet werden.

In einem ersten Anwendungsbeispiel wird die Funktionsweise einer erfindungsgemäßen LCD-Anzeige mit Kontraststeuerung erläutert. Eine solche Vorrichtung besteht aus der eigentlichen LCD-Anzeigenvorrichtung und einem Spannungswandler nach Fig. 1, der die Betriebsspannung liefert. Eine solche Vorrichtung kann mit einer geringeren Spannung versorgt werden, als eigentlich für den Betrieb einer LCD-Anzeigenvorrichtung notwendig ist. Darüberhinaus ist es möglich, den Kontrast der LCD-Anzeige mittels des Spannungswandlers zu steuern.

Als zweites Anwendungsbeispiel wird der Einsatz einer LCD-Anzeige nach dem ersten Anwendungsbeispiel in einem Fernsprechendgerät angeführt. Aufgrund der eingesetzten integrierten Bauelemente ist bei einer Vielzahl solcher Geräte die interne Versorgungsspannung geringer als die Betriebsspannung einer LCD-Anzeigenvorrichtung, wodurch sich der Einsatz einer erfindungsgemäßen LCD-Anzeige anbietet.

Claims (6)

1. Spannungswandler mit einem Impulsgenerator (GEN) zum Erzeugen einer Folge von Spannungsimpulsen, mit einem ersten Kondensator (C1) der als Ladekondensator dient, mit einem zweiten Kondensator (C2), der als Glättungskondensator dient, und mit einer Schalteinrichtung, die mit dem ersten Kondensator (C1) und dem zweiten Kondensator (C2) verbunden ist und so ausgestaltet ist, daß sie während der Dauer eines Spannungsimpulses das Aufladen des ersten Kondensators (C1) veranlaßt und ansonsten den ersten Kondensator (C1) mit dem zweiten Kondensator (C2) verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator (GEN) so ausgestaltet ist, daß die Impulsdauer der Spannungsimpulse variiert werden kann, daß in dem Pfad, über den der erste Kondensator (C1) über die Schalteinrichtung aufgeladen wird, ein Widerstand (R1) eingefügt ist, und daß der erste Kondensator (C1) und der Widerstand (R1) zusammen ein RC-Glied bilden, dessen Zeitkonstante im Bereich der mittleren Impulsdauer der Spannungsimpulse liegt.

2. Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator (GEN) von einem Impulsbreitenmodulator mit fester Wiederholfrequenz und veränderbarem Tastverhältnis gebildet wird.

3. Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung von zwei Dioden (D1, D2) gebildet wird.

4. Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung ein gesteuerter Schalter ist, der mehrere Transistoren, insbesondere CMOS Transistoren, enthält.

5. LCD-Anzeige mit Kontraststeuerung, mit einem Spannungswandler (CONV), der mit einem Impulsgenerator (GEN) zum Erzeugen einer Folge von Spannungsimpulsen, mit einem ersten Kondensator (C1), der als Ladekondensator dient, mit einem zweiten Kondensator (C2), der als Glättungskondensator dient, und mit einer Schalteinrichtung, die mit dem ersten Kondensator (C1) und dem zweiten Kondensator (C2) verbunden ist und so ausgestaltet ist, daß sie während der Dauer eines Spannungsimpulses das Aufladen des ersten Kondensators veranlaßt und ansonsten den ersten Kondensator (C1) mit dem zweiten Kondensator (C2) verbindet, versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator (GEN) so ausgestaltet ist, daß die Impulsdauer der Spannungsimpulse variiert werden kann, daß in dem Pfad, über den der erste Kondensator (1) über die Schalteinrichtung aufgeladen wird, ein Widerstand (R1) eingefügt ist, und daß der erste Kondensator (C1) und der Widerstand (R1) zusammen ein RC-Glied bilden, dessen Zeitkonstante im Bereich der mittleren Impulsdauer der Spannungsimpulse liegt.

6. Fernsprechendgerät mit einer LCD-Anzeige mit Kontraststeuerung, die mit einem Spannungswandler (CONV) versehen ist, der mit einem Impulsgenerator (GEN) zum Erzeugen einer Folge von Spannungsimpulsen, mit einem ersten Kondensator (C1), der als Ladekondensator dient, mit einem zweiten Kondensator (C2), der als Glättungskondensator dient, und mit einer Schalteinrichtung, die mit dem ersten Kondensator (C1) und dem zweiten Kondensator (C2) verbunden ist und so ausgestaltet ist, daß sie während der Dauer eines Spannungsimpulses das Aufladen des ersten Kondensators (C1) veranlaßt und ansonsten den ersten Kondensator (C1) mit dem zweiten Kondensator (C2) verbindet, versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator (GEN) so ausgestaltet ist, daß die Impulsdauer der Spannungsimpulse variiert werden kann, daß in dem Pfad, über den der erste Kondensator (C1) über die Schalteinrichtung aufgeladen wird, ein Widerstand (R1) eingefügt ist, und daß der erste Kondensator (C1) und der Widerstand (R1) zusammen ein RC-Glied bilden, dessen Zeitkonstante im Bereich der mittleren Impulsdauer der Spannungsimpulse liegt.