DE2365581C3

DE2365581C3 - Spannungsvervielfachungsschaltung

Info

Publication number: DE2365581C3
Application number: DE2365581A
Authority: DE
Inventors: Shigeru Morokawa; Fukuo Sekiya
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 1972-09-20
Filing date: 1973-09-20
Publication date: 1979-01-18
Also published as: CH613341GA3; CH613341B; DE2347404A1; DE2347404C2; DE2365581A1; DE2365581B2; CH577769A5

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannungsvervielfachungsschallung mit einem Gleichrichter-Kaskadenkreis.

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.

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.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Gleichrichter-Kaskadenkreis,

F i g. 2 eine erfindungsgemäße Spannungsvervielfachungsschaltung mit zwei Gleichrichter-Kaskadenkreisen,

Fig.3 eine erfindungsgemäße Spannungsvervielfachungsschaltung zur Lieferung eines Ausgangsimpulssignals, das dreimal so groß ist wie das Eingangsimpulssignal,

Fig.4 eine erfindungsgemäße Spannungsvervielfachungsschaltung.die zwei MOS-Feldeffekt-Wandlerstufen und einen Gleiehrichter-Kaskadenkreis aufweist,

F i g. 5A einen verbesserten Gleiehrichter-Kaskadenkreis gemäß der Erfindung,

Fig. 5B den Signalverlauf des Kreises gemäß F i g. 5A,

Fig,6 einen verbesserten Gleichrichter-Kaskadenkreis gemäß der Erfindung mit parallelgeschalteten Kondensatoren,

Fig.7 einen verbesserten Gleichrichter-Kaskadenkreis gemäß der Erfindung mit einer Serienschaltung von Kondensatoren,

F i g. 8 einen erfindungsgemäß verbesserten Gleiehrichter-Kaskadenkreis mit einer Serien-Parallel-Schaltung von Kondensatoren,

ίο Fig.9 einen erfindungsgemäß verbesserten Gleiehrichter-Kaskadenkreis, der nur negative Eingangssignale anheben kann,

Fig. 10 einen erfindungsgemäß verbesserten Gleichrichter-Kaskadenkreis, der positive und negative Eingangssignale anheben kann, und

F i g. 11 eine erfindungsgemäße Spannungsvervielfachungsschaltung, die einen Gleiehrichter-Kaskadenkreis mittels komplementärer MOS-Feldeffekt-Wandler-Kreise ansteuern kann.

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.

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 einer

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.

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.

In Fig.3 ist eine erfindungsgemäße Schaltung veranschaulicht, die aus zwei Schaltkreisen besteht, welche miteinander verbunden sind. Der erste Schalt-

«) 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-

i'i stungsverlust zu liefern vermag, wobei die Amplitude des Impulsausgangssignals dreimal größer ist als die Amplitude der Spannungsquelle.

Eine Blockschaltung 3005 bildet einen Gleichrichter-

Kaskadenkreis,

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 ist

In Fig.4 ist eine erfindungsgemäße Schaltung gezeigt, die aus drei Schaltkreisen besteht, welche jeweils miteinander verbunden sind.

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 Blockschaltung

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

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.

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.

Die Fi g. 5 bis 11 zeigen erfindungsgemäß verbesserte Gleichrichter-Kaskadenkreise, die als Eingangssignal zwei Impulssignale verwenden, deren Phasen jeweils entgegengesetzt zueinander stehen.

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 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.

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.

In F i g. 6 ist eine Ausführungsform veranschaulicht, in der alle Kondensatoren, die mit Gleichrichtern verbunden sind, zueinander parallel geschaltet sind.

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.

Werden alle Kondensatoren in Serie zueinander geschaltet, so ergibt sich eine vergrößerte Ausgangsimpedanz. Jedoch ist es möglich, Kondensatoren mit geringer Durchschlagspannung zu benützen.

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 Kondensator

und die Ausgangsimpedanz notwendig ist.

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.

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.

Die vorstehend beschriebene Erfindung verwendet Impulssignale, deren Phasen jeweils unterschiedlich

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 gleicher

i> > Zahl an Schaltungselementen.

Die Fi g. 11 zei₀! eine Ausführungsform, bei der eine komplementäre MOSFET-Schaltung zur Ansteuerung eines Gleichrichter-Kaskadenkreises verwendet ist. 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.

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.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1, Spannungsvervielfacbungsscbaltung mit einem Gleiehrichter-Kaskadenkreis, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (2002, 3004, 4007, 6091, 6092) zum Anlegen von zwei impulsförmigen Signalzügen mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung von 180° an den Gleichrichter-Kaskadenkreis und durch eine Reihenschaltung eines Kondensators (4053, 5037, 5037') und einer Diode (5036, 5036') zwischen dem Ausgang des Gleichrichter-Kaskadenkreises und einem festen Potential.

Z Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Anlegen Feldeffekttransistoren enthält.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Anlegen ein Vervielfachungskreis (3004, 4007) mit Feldeffekttransistoren ist.

4. Schalung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daÖ die Einrichtung zum Anlegen einen komplementären MOS-lnverter (2002, 6091, 6092) enthäit.