DE4115294A1 - Schaltung zur spannungsueberhoehung - Google Patents

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 Spannungen 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 erzeugen lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schaltung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Schaltung vereinigt mehrere Vor­ teile in sich:

• - Ein Schaltungsglied besteht lediglich aus zwei - über zwei Schaltelemente miteinander verbundenen - Kondensatoren, so daß der Schaltungsaufbau sehr einfach ist.
• - Durch Verknüpfung einzelner Schaltungsglieder läßt sich eine kaskadierte Schaltung realisieren, mit der sich beliebig hohe Maximalwerte der Ausgangs­ spannung bzw. Spannungsspitzen erzeugen lassen. Bei entsprechender Ansteuerung der Schaltelemente ist eine Polaritätsdrehung der Ausgangsspannung gegenüber der Eingangsspannung möglich.
• - Da die ersten Kondensatoren der verschiedenen Schaltungsglieder an einer gemeinsamen Signallei­ tung angeschlossen sind, steht die Ausgangsspan­ nung sehr rasch zur Verfügung.
• - Die Kondensatoren und die Schaltelemente können beliebig ausgebildet sein: Als Schaltelemente sind beispielsweise mechanische, elektrische oder elek­ tronische Schalter möglich, die Kondensatoren kön­ nen unipolare oder bipolare Kondensatoren mit un­ terschiedlichen Kapazitätswerten sein.
• - Die Schaltung läßt sich entweder diskret aus dis­ kreten Bauelementen, integriert in einer inte­ grierten Schaltung - wobei eine Integration auf­ grund der Schaltungsanordnung sehr einfach möglich ist - oder mit einer Kombination aus diskreten und integrierten Bauelementen aufbauen.
• - Mit der beschriebenen Schaltung können "Grundele­ mente" zur Spannungsüberhöhung realisiert werden; mehrere derartige Grundelemente - mit einer belie­ bigen Zahl von Schaltungsgliedern - können je nach Bedarf oder Anwendungsfall auf vielfältige Weise miteinander verknüpft werden. Vorzugsweise werden zwei Grundelemente mit gleicher Anzahl an Schal­ tungsgliedern spiegelsymmetrisch aneinanderge­ reiht; mit dieser Schaltungsanordnung wird die ge­ wünschte Ausgangsspannung sehr schnell erreicht.

Die erfindungsgemäße Schaltung soll nachstehend anhand der Fig. 1 bis 3 näher beschrieben werden.

In der Fig. 1 ist ein einzelnes Schaltungsglied darge­ stellt, die

Fig. 2 zeigt ein Schaltungsglied mit Di­ oden als Schaltelemente, die Fig. 3 die Kaskadierung mehrerer Schaltungsglieder und in der

Fig. 4 ist die Zusammenschaltung zweier Grundelemente dargestellt.

Gemäß Fig. 1 besteht ein Schaltungsglied 1 aus zwei Kondensatoren C₁ und C₂. Der erste Anschluß A₁₁ des er­ sten Kondensators C₁ ist durch die beiden Schaltelemen­ te S₁ und S₂ mit jeweils einem Anschluß A₂₁ bzw. A₂₂ des zweiten Kondensators C₂ verbunden. Der zweite An­ schluß A₁₂, A₂₂ der beiden Kondensatoren C₁, C₂ ist je­ weils mit einer der beiden Signalleitungen SL₁, SL₂ verbunden, die das an den beiden Eingängen IN₁, IN₂ an­ stehende Wechselspannungs-Eingangssignal U_E weiterlei­ ten. Die Schaltelemente S₁ und S₂ können über Taktlei­ tungen mit externen Taktgeneratoren verbunden werden, die das Öffnen und Schließen der Schaltelemente S₁ und S₂ synchronisieren. Die beiden Schaltelemente S₁ und S₂ werden invers angesteuert, wobei bei "geschlossenem" Schaltelement S₁ das Schaltelement S₂ geöffnet ist und umgekehrt beim Schließen des Schaltelements S₂ das Schaltelement S₁ geöffnet wird. Dabei müssen die beiden Schalter S₁ bzw. S₂ nicht während der gesamten Halbwel­ le des Wechselspannungs-Eingangssignals U_E geöffnet bzw. geschlossen bleiben.

Unter der Annahme, daß die Schaltelemente S₁ und S₂ mit der Phase des Wechselspannungs-Eingangssignals U_E ge­ schaltet werden - dies ist beispielsweise automatisch beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 der Fall, wo die Schaltelemente S₁ und S₂ durch Dioden D₁ und D₂ reali­ siert sind - wird - bei "geschlossenem" Schaltele­ ment S₁ und geöffnetem Schaltelement S₂ - der Kondensa­ tor C₁ in der ersten Halbwelle der Eingangsspannung U_E auf den Spannungswert U_E aufgeladen. In der zweiten Halbwelle der Eingangsspannung U_E wird das Schaltele­ ment S₁ "geöffnet" (die Diode D₁ der Fig. 2 sperrt), und das Schaltelement S₂ wird geschlossen (die Diode D₂ der Fig. 2 ist leitend); am Kondensator C₂ überlagert sich die Eingangsspannung U_E zu der bereits auf diesem Kondensator vorhandenen Spannung U_E, so daß der zweite Kondensator C₂ auf die doppelte Eingangsspannung 2·U_E aufgeladen wird. Als Ausgangsspannung U_A, die an den beiden Anschlüssen A₂₁ und A₂₂ des zweiten Kondensa­ tors C₂ abgegriffen werden kann, erhält man demnach den doppelten Wert (2·U_E) der Eingangsspannung U_E. Die Aufladegeschwindigkeit und damit die Zeit, nach der der Maximalwert der Spannung bzw. die gesamte Energie zur Verfügung steht, hängt einerseits vom Verhältnis der Kapazitätswerte der Kondensatoren C₁ zu C₂ und anderer­ seits von der Frequenz des Wechselspannungs-Eingangssi­ gnals U_E ab.

In der Fig. 3 ist eine kaskadierte Schaltung aus hin­ tereinandergeschalteten Schaltungsgliedern 1 . . . N dar­ gestellt; die Verbindungsleitungen VL verbinden jeweils den ersten Anschluß A₂₁ des zweiten Kondensators C₂ ei­ nes Schaltungsglieds mit dem zweiten Anschluß A₂₂ des zweiten Kondensators C₂ des nachfolgenden Schaltungs­ glieds, so daß die Kondensatoren C₂ aller Schaltungs­ glieder 1 . . . N hintereinandergeschaltet sind. Die Si­ gnalleitung SL₁ ist mit dem zweiten Anschluß A₁₂ der ersten Kondensatoren C₁ jedes Schaltungsglieds 1 . . . N verbunden, so daß die ersten Kondensatoren C₁ verschie­ dener Schaltungsglieder alle an einer gemeinsamen Lei­ tung miteinander verbunden sind.

Die Kondensatoren C₁ aller Schaltungsglieder 1 . . . N werden bei geschlossenen Schaltelementen S₁ und geöff­ neten Schaltelementen S₂ durch das Wechselspannungs- Eingangssignal U_E aufgeladen; beim Öffnen der Schalt­ elemente S₁ werden die Schaltelemente S₂ gleichzeitig geschlossen und alle - in Serie geschalteten - zweiten Kondensatoren C₂ aufgeladen. Durch jedes der Schal­ tungsglieder wird - wie anhand der Fig. 1 beschrieben - die Spannung um den doppelten Betrag (2·U_E) der Eingangsspannung U_E erhöht; die maximale Ausgangsspan­ nung U_max - diese steht zwischen dem zweiten An­ schluß A₂₂ des zweiten Kondensators C₂ des ersten Schaltungsglieds 1 und dem ersten Anschluß A₂₁ des zweiten Kondensators C₂ des letzten Schaltungsglieds N an - beträgt bei N-Schaltungsgliedern somit U_max = 2N·U_E. Der Kapazitätswert der Kondensatoren C₁ und C₂ bestimmt die mögliche speicherbare Energie, wobei der Kapazitätswert von C₂ diejenige Zeit vorgibt, nach der die gesamte Energie zur Verfügung steht.

Falls eine geringere Ausgangsspannung U_A als die maxi.­ male Ausgangsspannung U_max benötigt wird, können belie­ bige Vielfache der doppelten Eingangsspannung (2 · U_E) an der entsprechenden Stelle der Schaltung (beim jewei­ ligen Schaltungsglied) abgegriffen werden.

Die Schaltelemente S₁ und S₂ können beliebig ausgebil­ det sein und sind über Taktleitungen mit einem externen Taktgenerator oder mehreren externen Taktgeneratoren verbunden. Durch die geeignete Wahl der Schaltphase des Steuersignals zur Ansteuerung der Schaltelemente (EIN- AUS-Steuerung) kann die Ausgangsspannung beeinflußt werden; je nach Relation bzw. Phasenlage des Steuersi­ gnals zur Phase der Eingangsspannung kann die Polarität und der Wert der Ausgangsspannung verändert werden.

Werden die Schaltelemente S₁ und S₂ allerdings durch Dioden realisiert, schalten sie bereits synchron zur Phase der Eingangs-Wechselspannung U_E; eine externe Taktansteuerung der Schaltelemente ist bei dieser Aus­ führungsform nicht nötig.

Die aus der kaskadierten Schaltung gewonnenen "Grund­ elemente" GE mit einer beliebigen Zahl von Schaltungs­ gliedern können auf vielfältige Weise miteinander ver­ bunden werden.

Die Fig. 4 zeigt beispielsweise die spiegelsymmetri­ sche Verknüpfung zweier Grundelemente GE₁ und GE₂ mit jeweils der gleichen Zahl von N bzw. N′ Schaltungsglie­ dern und den Schaltungseingängen IN₁, IN₂ bzw. IN₁′, IN₂′. Die beiden Grundelemente GE₁, GE₂ sind dabei der­ art aneinandergeschaltet, daß die zweiten Schaltungs­ eingänge IN₂, IN₂′ und die zweiten Kondensatoren C₂ al­ ler Schaltungsglieder beiden Grundelementen GE₁, GE₂ gemeinsam sind und die ersten Kondensatoren C₁ bzw. C₁′ mit einem Anschluß über die Signalleitungen SL₁ bzw. SL₁′ mit den Schaltungseingängen IN₁ bzw. IN₁′ verbun­ den sind. Die Signalleitung SL₂ kann mit dem zweiten Kondensator C₂ des ersten Schaltungsglieds 1 verbunden werden oder aber alternativ ganz entfallen. Die Aus­ gangsspannung steht bei dieser Schaltungsanordnung sehr schnell zur Verfügung.

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.

Einsetzen läßt sich die erfindungsgemäße Schaltung überall dort, wo höhere Spannungen als die zur Verfü­ gung stehenden Spannungswerte benötigt werden. Als ex­ emplarische Anwendungsbeispiele seien die Löschspan­ nungserzeugung für EE-PROMs (ca. 12 V bei einem TTL-Pe­ gel von 5 V), die Ansteuerung von Lumineszenz-Displays (ca. 70 V), die Bereitstellung der benötigten Spannung bei Schnittstellen-ICs (± 12 V), die Erzeugung von Ab­ stimmspannungen für Kapazitätsdioden, die Erzeugung von beliebig hohen Ansteuerimpulsen für Leistungsbauelemen­ te aus kleinen Impulsspannungen (auch mit Polaritäts­ wechsel), und die Erzeugung von Gasentladungs-Spannun­ gen oder die Ansteuerung von Glimmlampen genannt.

Claims (17)

1. Schaltung zur Spannungsüberhöhung eines Wechselspan­ nungs-Eingangssignals (U_E), das an zwei Schaltungsein­ gängen (IN₁, IN₂) ansteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung eine beliebige Anzahl von Schaltungsglie­ dern aufweist, daß ein einzelnes Schaltungsglied (1) aus zwei Kondensatoren (C₁, C₂) und zwei Schaltelemen­ ten (S₁, S₂) besteht, wobei der erste Anschluß (A₁₁) des ersten Kondensators (C₁) über die beiden Schaltele­ mente (S₁, S₂) jeweils mit einem Anschluß (A₂₁ bzw. A₂₂) des zweiten Kondensators (C₂) verbunden ist, daß das Wechselspannungs-Eingangssignal (U_E) über zwei Si­ gnalleitungen (SL₁, SL₂) an den zweiten Anschlüssen (A₁₂, A₂₂) der beiden Kondensatoren (C₁, C₂) anliegt, und daß an den beiden Anschlüssen (A₂₁ bzw. A₂₂) des zweiten Kondensators (C₂) eine Ausgangsspannung (U_A) ansteht, deren Amplitude größer als die des Wechsel­ spannungs-Eingangssignals (U_E) ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schaltungsglieder (1, 2 . . . N) hin­ tereinandergeschaltet sind, wobei Verbindungsleitungen (VL) den ersten Anschluß (A₂₁) des zweiten Kondensators (C₂) eines Schaltungsglieds mit dem zweiten Anschluß (A₂₂) des zweiten Kondensators (C₂) des nachfolgenden Schaltungsglieds verbinden, und die zweiten Anschlüsse (A₁₂) der ersten Kondensatoren (C₁) aller Schaltungs­ glieder (1 . . . N) über die vom ersten Schaltungseingang (IN₁) herführende Signalleitung (SL₁) miteinander ver­ bunden sind.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Schaltungsglied (1, 2 . . . N) die maximale Ausgangsspannung (U_max) um den doppelten Spannungswert (2 · U_E) des Wechselspannungs-Eingangssignals (U_E) er­ höht, und daß die maximale Ausganssspannung (U_max) zwi­ schen dem zweiten Anschluß (A₂₂) des zweiten Kondensa­ tors (C₂) des ersten Schaltungsglieds (1) und dem er­ sten Anschluß (A₂₁) des zweiten Kondensators (C₂) des letzten Schaltungsglieds (N) ansteht.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Steuerleitungen zu den Schaltele­ menten (S₁, S₂) der Schaltungsglieder (1, 2 . . . N) vor­ gesehen sind, über die die Schaltelemente (S₁, S₂j durch Schaltsignale gesteuert werden.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (S₁, S₂) durch die Schaltsignale derart gesteuert werden, daß während einer bestimmten Zeitdauer in der ersten Halbwelle des Wechselspannungs- Eingangssignals (U_E) beim Aufladen des ersten Kondensa­ tors (C₁) das erste Schaltelement (S₁) geschlossen und das zweite Schaltelement (S₂) geöffnet ist, und daß während einer bestimmten Zeitdauer in der zweiten Halb­ welle des Wechselspannungs-Eingangssignals (U_E) beim Aufladen des zweiten Kondensators (C₂) das erste Schaltelement (S₁) geöffnet und das zweite Schaltele­ ment (S₂) geschlossen ist.

6. Schaltung nacn Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wert und die Polarität der Ausgangs­ spannung (U_A) in Abhängigkeit der Phasenlage der Schaltsignale bezüglich der Phase des Wechselspannungs- Eingangssignals (U_E) veränderbar sind.

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (S₁, S₂) durch Dioden realisiert sind, die in Abhängigkeit der Polari­ tät des Wechselspannungs-Eingangssignals (U_E) schalten.

8. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (S₁, S₂) elek­ tronische Schalter sind.

9. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (S₁, S₂) Transistoren sind.

10. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (S₁, S₂) mecha­ nische Schalter sind.

11. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß der Ausgang eines oder mehre­ rer der Schaltungsglieder mit den Schaltungseingängen (IN₁, IN₂) zu einer Rückkoppelschleife verbunden ist, und daß durch diese Rückkoppelschleife der Wert der ab­ gegriffenen Ausgangsspannung stabilisiert wird.

12. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß sie aus diskreten Bauelemen­ ten aufgebaut ist.

13. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß sie als integrierte Schaltung aufgebaut ist.

14. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß Grundelemente (GE) zur Span­ nungsüberhöhung mit einer beliebigen Zahl von Schal­ tungsgliedern gebildet werden, und daß zwei oder mehre­ re der Grundelemente (GE) miteinander verknüpft werden.

15. Schaltung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Grundelemente (GE₁, GE₂) mit gleicher Anzahl von Schaltungsgliedern (N, N′) spiegelbildlich aneinan­ dergefügt werden, wobei die zweiten Kondensatoren (C₂) der Schaltungsglieder für beide Grundelemente (GE₁, GE₂) gemeinsam sind, und daß ein Anschluß der ersten Kondensatoren (C₁, C₁′) aller Schaltungsglieder (N, N′) über erste Signalleitungen (SL₁, SL₁′) mit den ersten Schaltungseingängen (IN₁, IN₂) verbunden ist.

16. Schaltung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Signalleitung (SL₂) mit dem zweiten An­ schluß (A₂₂) des zweiten Kondensators (C₂) des ersten Schaltungsglieds (1) verbunden ist.

17. Schaltung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Anschluß (A₂₂) des zweiten Kondensators (C₂) des ersten Schaltungsglieds (1) lediglich mit den beiden ersten Schaltern (S₁) der ersten Schaltungsglie­ der (1) beider Grundelemente (GE₁, GE₂) verbunden ist.