DE847938C

DE847938C - Device for transforming direct current pulses, in particular for generating an electrical stimulus

Info

Publication number: DE847938C
Application number: DEW139A
Authority: DE
Inventors: Viktor Weiss
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1949-10-25
Filing date: 1949-10-25
Publication date: 1952-08-28

Description

Vorrichtung zur Transformation von Gleichstromimpulsen, insbesondere zur Erzeugung eines elektrischen Reizes Es sind @ Vorrichtung bekannt, bei denen mittels Relaisschaltungen in Abständen elektrische Stromstöße hervorgerufen und einem Individium zugeführt werden.Device for transforming direct current pulses, in particular to generate an electrical stimulus There are @ device known in which electrical current surges caused by means of relay circuits at intervals and be fed to an individual.

Die bisher hekannten Verfahren arbeiten hierbei mit gesondertem Energieverbrauch fiir die zeitliche Abstandsregelung und für die Erzeugung des elektrischen Reizes. I)ies ist ein Nachteil, denn die Energiebilanz einer solchen Schaltung zeigt, daß die zur Abstandsregelung hen(jtigte Energie in der Größenordnung der zur Erzeugung eines elektrischen Reizes liegt. zweiter müssen bei den nach dem Induktionsprinzip mittels Schaltstößen arbeitenden \'erfahren die aus der Stromquelle entnommenen Stromstöße, die der Reizwirkung dienen sollen, in Hochspannungsstöße von mehreren tausend ÄTolt umgeformt werden, da infolge der sehr kurzen Zeitdauer eines Induktionsstoßes der Energiegehalt des Impulses klein und nur in Spannungstransformation zu steigern ist. Diese Steigerung der Reizwirkung stellt hohe Isolationsforderungen. The previously known methods work with separate energy consumption for the timing control and for the generation of the electrical stimulus. I) this is a disadvantage because the energy balance of such a circuit shows that the energy required for distance control is of the same order of magnitude as that required for generation an electrical stimulus. second must with the induction principle by means of switching surges working \ 'experience the ones taken from the power source Current surges, which are intended to serve as a stimulus, in high-voltage surges of several thousand ÄTolt are transformed because of the very short duration of an induction surge the energy content of the pulse is small and can only be increased in voltage transformation is. This increase in the irritant effect places high demands on insulation.

Auch haben die hierbei verwendeten Induktionsspulen oder Zündtransformatoren bekanntlich einen geringen NVirkungsgrad.The induction coils or ignition transformers used here also have known to have a low degree of efficiency.

Aus der Hochfrequenztechnik ist bekannt, daß ein niedergespannter Stromstoß längerer Dauer weit nachhaltiger empfunden wird als ein kurzzeitiger hochgespannter. From high frequency technology it is known that a low voltage A long-term power surge is felt to be far more sustained than a short-term, highly stressed one.

Gegenstand der Erfindung ist daher eine energiesparende Schaltung, bei der die zur Abstandsregelung der Stromimpulse benötigte Energie weiter auch zur Erzeugung des elektrischen Reizes genutzt wird und gleichzeitig die Stromimpulse durch zeitliche Dehnung oder durch Umwandlung in hochfrequent schwingende Energie auf eine mittelhohe Spannung transformiert werden, um dadurch den weiteren Vorteil einer erhöhten Reizwirkung bei vereinfachten Isolationsbedingungen zu erreichen. Im Falle der hochfrequenten Energieumwandlung wird dann zum elektrischen Reiz der Hitzereiz des hochfrequenten Strolnes zusätzlich wirken. The subject of the invention is therefore an energy-saving circuit, in which the energy required to regulate the distance between the current pulses continues as well to the Generation of the electrical stimulus is used and at the same time the current impulses by stretching over time or by converting them into high-frequency oscillating ones Energy can be transformed to a medium-high voltage, thereby the further To achieve the advantage of an increased irritant effect with simplified isolation conditions. In the case of high-frequency energy conversion, the electrical stimulus then becomes the The heat stimulus of the high-frequency Strolnes also have an effect.

Die Erfindung besteht darin, daß die zwischen der Energiequelle und dem Verbraucher liegende Schaltung aus energiespeichernden und verlustarmen Widerständen, zweckmäßigerweise aus einem aus Kapazitäten und Induktivitäten bestehenden Kettenleiter, gebildet ist. Dabei kann die Schaltung derart ausgebildet sein, daß die bei der Abstandsregelung bereits gespeicherte Energie zur Erzeugung des Reizes weiter genutzt wird. Außerdem kann die Schaltung aus einer Kombination von Kapazität und Induktivität bestehen. The invention consists in that between the energy source and The consumer-facing circuit made up of energy-storing and low-loss resistors, expediently from a chain conductor consisting of capacitances and inductances, is formed. The circuit can be designed such that the Distance control already stored energy used to generate the stimulus will. In addition, the circuit can consist of a combination of capacitance and inductance exist.

Die Erfindung ist an Hand der Zeichnung beispielsweise erläutert. The invention is explained with reference to the drawing, for example.

In Fig. I ist U eine Spannungsquelle, die über eine Zündstrecke g, zum Beispiel in lorm einer Gasentladungsstrecke, an den Eingang a, b eines aus den Induktivitäten L und den Kapazitäten C esteheden Kettenleiters gelegt wird. In diesen dringt eine Energiewelle ein, die nach der Zeit T am Ausgang c, d angekommen ist. Ist U eine Gleichstromquelle, so hört die Energieentnahme aus dieser Quelle U nach der Zeit T auf, die Zündstrecke erlischt und trennt den Kettenleiter L, C von der Spannungsquelle. Im Kettenleiter bleibt der Energiebetrag # L I2 # C U2 + 2 2 auf den Kapazitäten gespeichert zurück. In Fig. I, U is a voltage source which, via an ignition path g, For example, in the form of a gas discharge path, at input a, b one of the Inductances L and the capacities C esteheden chain conductor is placed. In these an energy wave penetrates which has arrived at the exit c, d after the time T. If U is a direct current source, the energy extraction from this source U ceases the time T, the ignition gap extinguishes and separates the ladder L, C from the Voltage source. The amount of energy # L I2 # C U2 + 2 2 remains in the chain ladder the capacities saved back.

Die Ableitung der Kapazitäten bestimmt die Zeit abstände, in denen aus der Spannungsquelle wieder Energie entnommen wird. Ist aber im Punkt c ein elektrischer Leiter, zum Beispiel eine Umfrieduiiu Z (Zaun), angeschlossen und wird dieser von einem Individium (Tier), dessen elektrischer Viderstand li' ist, berührt, so fließt der in der Kette gespeicherte Energiebetrag über das Individium ab. Nach der Entladung dringt sofort eine neue Energiewelle in den Kettenleiter ein. The derivation of the capacities determines the time intervals in which energy is taken from the voltage source again. But it is an electric one at point c Ladder, for example a Umfrieduiiu Z (fence), connected and this from touches an individual (animal) whose electrical resistance is li ', so flows the amount of energy stored in the chain via the individual. After discharge Immediately a new wave of energy penetrates the chain ladder.

Wird der Wellenwiderstand der Kette so gewählt, daß dieser von Glied zu Glied steigt, so tritt während des Fortschreitens der Energiewelle eine Spamlungstransformation ein und das evtl. am Leiter noch verharrende Individium wird jetzt von einer schwingenden überhöhten Spannungswelle getroffen. Es ist zweckmäßig, hierbei den Wellenwiderstand so zu steigern, daß dieser am Ausgang der Kette etwa gleich dem \\7iderstand des Individiums ist, um ein AIaximum an Energie von der Kette abzuziehen. If the wave resistance of the chain is chosen so that this is a link rises to a limb, a spam lung transformation occurs as the energy wave advances one and the individual possibly still remaining on the ladder is now vibrating excessive voltage wave hit. It is useful here to use the wave resistance so that this at the output of the chain is approximately equal to the resistance of the The individual is to draw a maximum of energy from the chain.

Die zeitliche Folge der Impulse ist hierbei durch die Laufzeit T, die der Schwingung hauptsächlich durch den Widerstand des Individiums entspricht, bestimmt. The time sequence of the pulses is given by the transit time T, which corresponds to the vibration mainly through the resistance of the individual, certainly.

Die einzelnen Induktivitäten können auch als über trager ausgebildet werden, an deren sekundären Spulen dann die Einzel- oder Summenspannungen der schreitenden Welle abgenommen werden können.The individual inductances can also be designed as over carriers on whose secondary coils then the individual or total voltages of the striding Shaft can be removed.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform einer Schaltung gegegen, bei der fortgesetzte Impulse erzeugt werden. Hier bedeutet I eine Stromquelle, die über einen Kontakt r eines am Ausgang des Kettenleiters LC liegenden Relais R an den Eingang des Kettenleiters gelegt ist. Das Relais besitzt eine zweite Wicklung und ist so gleichzeitig als Transformator ausgebildet. In Fig. 2, a further embodiment of a circuit is shown, at which continued pulses are generated. Here I means a power source that via a contact r of a relay R located at the output of the chain conductor LC the entrance of the chain ladder is laid. The relay has a second winding and is designed as a transformer at the same time.

Vom Eingang des Kettenleiters eilt wieder eine Energiewelle und erreicht nach Laufzeit T den am Ausgang liegenden Relaistransformator R. Das magnetische Feld des Relaistransformators wird aufgebaut, betätigt den Kontakt r und trennt die Stromquelle. Another wave of energy rushes from the entrance of the chain ladder and reaches after running time T the relay transformer R located at the output. The magnetic The field of the relay transformer is built up, actuates contact r and disconnects the power source.

Die in der Kette gespeicherte Energie fließt weiter über das Relais ab und transformiert so in die Sekundärwicklung einen relativ lang anhaltenden Spannungsimpuls mittlerer Spannungshöhe unter Iooo Volt. Der zeitliche Abstand, die Dauer und die Form der Impulse ist durch Ändern der Induktivitäten L und Kapazitäten C regelbar.The energy stored in the chain continues to flow through the relay and transforms a relatively long-lasting voltage pulse into the secondary winding mean voltage level below Iooo volts. The time interval, the duration and the The shape of the impulses can be regulated by changing the inductances L and capacitances C.

Um den vollen Energiegehalt des Impulses, d. h. die ganze Frequenzgruppe eines Impulses, übertragen zu können, ist es zweckmäßig, den Kettenleiter, wie im Beispiel gezeigt, als Spulenkette auszubilden. Die Grenzfrequenz ist dann möglichst hoch zu legen und der Ausgangstransformator als Breitbandübertrager auszubilden. Die Wirkungsweise der Kette ist jedoch nicht an diese Form gebunden und kann ebenso als Kondensatorwiderstandskette oder eine andere Kettenform ausgebildet werden. To get the full energy content of the pulse, i.e. H. the whole frequency group of an impulse, it is useful to use the ladder, as in Example shown to train as a coil chain. The cut-off frequency is then possible to put high and to train the output transformer as a broadband transformer. The mode of operation of the chain, however, is not tied to this form and can as well be designed as a capacitor resistor chain or some other chain shape.

Ist, wie im Beispiel 2, ein Relais vorgesehen so sind Kapazitäten und Induktivitäten so zueinander zu wählen, daß mit ihrer llilfe die Energiequelle energiesparend an den Verbraucher, hier an das Relais, gelegt wird. Ein Relais benötigt bekanntlich zum Anzug einen weit höheren Strom als zum Halten. Soll das Relais über eine lange Zeitdauer von einer Batterie von Trockenelementen betrieben werden, so muß sein Retriebsstrom bei der tiefsten Spannung zugrunde gelegt sein, d. h. bei jeder höher gelegenen Spannung, praktisch also über die ganze Dauer der Batterieentladung, tritt ein höherer Energieverbrauch auf als zur Relaisbetätigung notwendig ist. If, as in example 2, a relay is provided, then there are capacities and inductivities to choose from one another so that with their help the energy source Energy-saving is placed on the consumer, here on the relay. A relay is required As is well known, a much higher current to pull in than to hold. Should the relay over operated for a long period of time by a battery of dry elements, so must be based on its operating current at the lowest voltage, d. H. at any higher voltage, i.e. practically over the entire duration of the battery discharge, a higher energy consumption occurs than is necessary to actuate the relay.

Da nun ein Kettenleiter wie eine Stromquelle mit einem anpassungsfähigen inneren Widerstand wirkt, bildet die neue Schaltung in dieser Hinsicht einen weiteren Vorteil. Bei Verwendung eines Kettenleiters oder eines Kettenglieds zwischen der Quelle und dem Verbraucher kann nämlich dieser erhöhte Energieverbrauch vermieden werden. Since now a ladder like a power source with an adaptable internal resistance acts, the new circuit forms another in this regard Advantage. When using a chain ladder or a chain link between the Source and the consumer can namely avoid this increased energy consumption will.

Dieser Vorteil wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung dadurch erreicht, daß die Schaltung die Forderungen erfüllt R2 = 4 L/C und t1 = 2 # L/R, wobei L die im Stromkreis liegenden Induktivitäten, C die Kapazitäten, K den Relaiswiderstand und t1 die Anspreclazeit des Relais bilden. According to a development of the invention, this advantage is thereby achieved achieves that the circuit meets the requirements R2 = 4 L / C and t1 = 2 # L / R, where L is the inductance in the circuit, C is the capacitance, K is the relay resistance and t1 form the response time of the relay.

Die Wirkungsweise dieser Schaltung ist an Hand von Fig. 3 erläutert. Der Einfachheit halber sind alle Induktivitäten zu einer Induktivität und alle Kapazitäten zu einer Kapazität vereinigt. In R sei ein Energieverbraucher, z. B. wiedenim ein Relais, in den Stromkreis gelegt. The mode of operation of this circuit is explained with reference to FIG. 3. For the sake of simplicity, all inductors become one inductor and all capacitances united into one capacity. In R let a Energy consumers, e.g. B. as in a relay, placed in the circuit.

Vom Augenblick des Einschaltens ab strebt der Widerstand des Kondensators von Null nach #, jener der ln(luktivitLit von N nach Null. Wählt man Resonanz oder besser gesagt Gleichlauf, d. h. macht man die Zeitkonstanten von Kapazität und Induktivität gleich, so ist ihr Gesamtwiderstand für den Verbrauclier R gleich Null. Wählt man eine Reihenschaltung nach l:ig. 3, so strebt vom Moment des Einschaltens der Widerstand der Induktivität von N?. nach Null, der des Kondensators von Null nach #, d. h. im Falle der (.leicllheit der Zeitkonstanten wirkt auf den Verbraucher der Summenwiderstand von Kondensator und Induktivität so, als sei er stets X . Aus diesen Überlegungen ergibt sich, daß man durch geeignete Wahl der Dämpfung oder durch Abweichen von der Bedingung der Gleichheit der Zeitkonstanten für den Verbraucher hir die Dauer des Einschaltens jeden gewünschten wattaml arbeitenden Vorschaltwiderstand erzwingen kallll. I)as Relais benötigt zum Ansprechen und Halten einen Stromverlauf nach E ig. j. Durch die neue Schaltung wird, unabhängig von der Höhe der Spannung der Energiequelle, immer nur der benötigte Ansprechstrom Ja und der Haltestrom Jh fließen. From the moment it is switched on, the resistance of the capacitor tends to increase from zero to #, that of the ln (luktivitLit from N to zero. If you choose resonance or better said synchronism, d. H. one makes the time constants of capacitance and inductance equal, then their total resistance for the consumer R is zero. One chooses a series connection to l: ig. 3, from the moment of switching on the resistor tends to achieve the inductance of N ?. to zero, that of the capacitor from zero to #, i.e. H. In the case of the (.littleness of the time constants) the total resistance acts on the consumer of capacitor and inductance as if it were always X. From these considerations it follows that one can, by a suitable choice of attenuation or by deviating from the condition of the equality of the time constants for the consumer hir the duration force every desired wattaml working series resistor after switching on kallll. I) the relay needs a current curve according to E to respond and hold ig. j. With the new circuit, regardless of the voltage level of the energy source, Only the required response current Yes and the holding current Jh flow.

Zur Erzeugung der auf Seite 1 erwähnten zeitlich gedehnten Induktionsimpulse ist in der Primärwicklung des Transformators ein Stromfluß nach Fig. 6 erwünscht. Eine solche Funktion wird erfüllt durch die l4e<lingung R'2 L # > I/| LC . To generate the induction impulses mentioned on page 1 a current flow according to FIG. 6 is desired in the primary winding of the transformer. Such a function is fulfilled by the l4e <condition R'2 L #> I / | LC.

In Fig. 7 ist eine einfache Form eines in dieser Weise an die Stromquelle angepaßten Impulsgebers dargestellt. Hierin ist C ein Kondensator, der über einen Wechselkontakt W und über die Induktivität L - R12 # C/4 der Wicklung I eines Relais R an Spannung ( gelegt ist. Parallel zum Kondensator wird über die Arbeitsseite des Wechselkontaktes eine weitere Wicklung II des Relais mit der Induktivität L > C # R1 2/4 angeschaltet. Hierbei sind R2 bzw. R1 die Wirkwiderstände des Relais. Der Kontakt W ist so ausgebildet, daß er infolge einer Hebelwirkung in Form einer Wippe, eines Nockens, eines Schrittschaltwerks oder einer Klinke nur beim Abfall des Relaisankers betätigt wird. wird an diese Schaltung eine Gleichstromquelle J gelegt, so zieht das Relais über den Kondensator und seine Wicklung I an, ohne jedoch den Kontakt W zu betätigen. Nach dem Aufbau des Kondensatorfeldes fällt das Relais ab und betätigt seinen Kontakt W. In Fig. 7 is a simple form of one connected in this way to the power source adapted pulse generator shown. Herein C is a capacitor that has a Changeover contact W and via the inductance L - R12 # C / 4 of winding I of a relay R is connected to voltage (. In parallel with the capacitor, the working side of the changeover contact another winding II of the relay with inductance L > C # R1 2/4 switched on. Here R2 and R1 are the effective resistances of the relay. The contact W is designed so that it as a result of a leverage in the form of a Rocker, a cam, a step switch or a latch only when it drops of the relay armature is actuated. a direct current source J is connected to this circuit placed, the relay picks up via the capacitor and its winding I, but without to operate the contact W. After the capacitor field has been built up, the relay drops out and presses his contact W.

Hierdurch wird die auf dem Kondensator gespeicherte Energie an die Wicklung II des Relais abgegehell. Das Relais zieht erneut an und gibt gleichzeitig einen Stromstoß annähernd der in der Fig. 6 dargestellten Kurve iii die N'.icklung I ab, der im Punkte Z dem Energieverbraucher zugeleitet werden kann.As a result, the energy stored on the capacitor is transferred to the Winding II of the relay is lightened. The relay picks up again and gives at the same time a current impulse approximates the curve iii shown in FIG. 6 I, which can be sent to the energy consumer in point Z.

Nach beendetem Abbau des Kondensatorfeldes fillt clas Relais wiederum ab und legt den Wechselkontakt W in die Ausgangsstellung zurück, wodurch das geschilderte Schaltspiel immer wieder von neuem eingeleitet wird. Da die Kontaktöffnungen jeweils dann erfolgen, wenn keine Energien mehr über diese fließen, arbeiten sie funkenfrei und sind praktisch von unbegrenzter Haltbarkeit und können in mechanisch kleinsten Abmessungen gebaut werden, wenn man sie zusätzlich durch Einkapseln vor der Verstaubung schützt. Eine solche Einrichtung arbeitet, wie die Versuche ergeben haben, mit einer hervorragenden Energiebilanz, so daß von Windspielen getriebene Kleinstdynames zur Energieversorgung voll ausreichend sind, oder die Batterie einer Taschenlampe genügt, um diese Einrichtung wochenlang in Betrieb zu halten. After the capacitor field has been dismantled, the relay fills again from and puts the changeover contact W back into the starting position, whereby the described Switching cycle is initiated again and again. Since the contact openings respectively then, when no more energies flow through them, they work without sparks and are practically of unlimited durability and can be mechanically small Dimensions are built when you add them by encapsulating them from dusting protects. Such a device works, as the experiments have shown, with a excellent energy balance, so that small dynamics driven by wind chimes for Energy supply are fully sufficient, or the battery of a flashlight is sufficient, to keep this facility in operation for weeks.

Claims

PATENT CLAIMS: I. Device for transforming direct current pulses, in particular for generating an electrical stimulus in humans or animals, thereby characterized in that the lying between the energy source and the consumer Circuit of energy-storing, low-loss resistors, expediently from a chain conductor consisting of capacitances and inductances is.

2. Apparatus according to claim I, characterized by a training the circuit in such a way that the each stored in it during the distance control Energy is used to generate the stimulus.

3. Apparatus according to claim I or 2, characterized in that the circuit consists of a combination of capacitance and inductance that can also vibrate at high frequencies.

4. Apparatus according to claim 3, characterized in that the winding a relay or parts of the winding to form the inductances of the chain conductor be used.

5. Apparatus according to claim 2 or 3, characterized by a Broadband transmitter, the relatively slow pulses, expediently to a medium one Voltage level below 100 volts, transformed to the energy consumer.

6. Apparatus according to claim 5, characterized in that the broadband transmitter is designed as a relay transformer.

7. Apparatus according to claim 3, characterized in that the from Inductance and capacitance formed resistances of the chain conductor are adjustable.

8. Apparatus according to claim 2, 3, 4, 5, 6 or 7, characterized due to a wave resistance of the chain from chain link to chain link, expediently up to the resistance level given by the energy consumer increases by As the energy wave progresses, a voltage transformation is generated.

9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that that the circuit meets the requirements R2 = 4 # L / C and t1 2 # L / R, where L is the Inductivities in the circuit, C the capacitance, R the relay resistance and t1 form the response time of the relay.

Io. Device according to claim 5 or 6 with relay circuit, characterized characterized in that the circuit meets the requirement R / 2 L #> gL-C where R forms the resistance of the secondary winding of the relay.

II. Device according to claim 6, characterized by a circuit, which the built on the relay transformer, expediently encapsulated, Contacts are only actuated when there is no current flowing through them, preferably when the relay armature drops.

I2. Device according to one of the preceding claims with a pasture fence serving as an energy consumer, characterized in that as a power source a flashlight battery or a similar low-energy power source is used.

References: British Patent No. 513878.