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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Transfektion und Zellfusion,
und, genauer ausgedrückt,
ein Gerät
und ein Verfahren zum Leiten von Hochspannungsströmen zu einer
Suspension von Zellen und DNA, die gewöhnlich in einer Küvette enthalten
sind.
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Im
biotechnischen Gebiet ist es bekannt, geklonte DNA in Säugetier-
und andere Zellen unter Verwendung einer elektrischen Entladung
hoher Spannung einzubringen. Diese Verfahrensweise, gewöhnlich als "Transfektion" bezeichnet, beinhaltet
typischerweise die Erzeugung einer Suspension von Zellen in einer
phosphatgepufferten Salzlösung (PBS)
und Zugabe geklonter DNA. Ein Hochspannungsimpuls, der an die Suspension
von einem Impulsgenerator angelegt wird, veranlasst die Zellen, die
exogene DNA aufzunehmen und auszudrücken. Verschiedene Impulsgeneratoren
stehen zu diesem Zweck zur Verfügung.
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US-Patent
4,750,100 schafft einen Transfektionshochspannungsregler, der einen
Hochspannungsstrom in eine Suspension von Zellen und DNA leiten
kann. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm einer bevorzugten
Ausführungsform
für ein darin
offenbartes Transfektionssystem 10 zum Zuführen von
Spannung und Strom zu einer Last 20. Das Transfektionssystem 10 umfasst
einen Steuerprozessor 30, ein Ladesystem 32, eine Auslöserversorgung 34,
einen Auslöser 36,
einen Kondensator 40, einen ersten Widerstand 42,
einen zweiten Widerstand 44, einen dritten Widerstand 46 und
einen Hochjoule- oder Hochenergieschalter 50.
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Der
Steuerprozessor 30 gibt ein Steuersignal an das Ladesystem 32 aus,
um die Erzeugung eines Ladestroms zu veranlassen. Die Auslöserversorgung 34 arbeitet
auf einem Spannungspegel, der an einem Ausgangsanschluss des Ladesystems
vorliegt. Die Auslöserversorgung 34 umfasst
eine Ladungsspeichereinrichtung, um den Auslöser 36 mit einer geeigneten
Auslöseenergie
zu versorgen.
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Der
Widerstand 42 ist an den Ausgangsanschluss des Ladesystems 32 und
einen Ladungsknotenpunkt 52 angeschlossen. Der Widerstand 44 ist zwischen
den Knotenpunkt 52 und Erde geschaltet. Der Widerstand 42 begrenzt
Stromfluss in den Knotenpunkt 52, um Verwendung eines kleineren
Transformators im Ladesystem 32 zu ermöglichen. Der Kondensator 40 ist
zwischen den Knotenpunkt 52 und Erde gekoppelt, und ein
Eingangsanschluss des Hochjoule- oder Hochenergieschalters 50 ist
an den Knotenpunkt 52 gekoppelt. Der Widerstand 44 gibt
in Reihe mit dem Widerstand 46 nach und nach die auf dem
Kondensator 40 gespeicherte Ladung ab. Ein Kontrollsignal
für den
Steuerprozessor 30 wird durch den Widerstand 44 und
Widerstand 46 erzeugt.
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Der
Hochenergieschalter 50 umfasst typischerweise einen halbleitergesteuerten
Gleichrichter (SCR) (oder siliziumgesteuerten Gleichrichter), wie gut
bekannt ist. Der Hochenergieschalter 50 liefert eine Ausgangsspannung
und einen Strom an seinem Ausgangsanschluss als Reaktion auf ein Eingangstorsignal.
Nach Auslösung
wird die in dem Kondensator 40 gespeicherte Ladung/Energie
durch den Hochenergieschalter 50 und in die Last 20 über eine
Lastleitung 53 geleitet. Die Last 20 ist gewöhnlich eine geerdete
Küvette,
die ausgelegt ist, um Zellsuspensionen und dergleichen zu enthalten.
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Der
Steuerprozessor 30 ist an den Auslöser 36 angeschlossen
und wird ein Auslösesignal
an den Auslöser 36 ausgeben.
Als Reaktion auf das Auslösesignal
leitet der Auslöser 36 die
gespeicherte Auslösungsenergie
als das Torsteuersignal für
den Hochenergieschalter 50. Typischerweise muss das Torsteuersignal
eine höhere
Spannung als die Spannungspegel aufweisen, die geeignet durch den
Steuerprozessor 30 erzeugt werden.
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Das
Transfektionssystem 10 umfasst ferner eine Handsteuereinheit 54 zum
Einstellen gewünschter
Spannungspegel und zum Initiieren von Betrieb. Typischerweise umfasst
die Handsteuereinheit 54 zwei unabhängige, normalerweise offene
Schalter, die beide geschlossen gehalten werden müssen, um das
System zu betätigen.
Ein solches System reduziert die Gefahr eines Elektroschocks der
Bedienungsperson.
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In
Betrieb gibt der Steuerprozessor 30 das Steuersignal an
das Ladesystem aus, wenn ein Benutzer die Handsteuerung 54 aktiviert.
Das Ladesystem 32 lädt
den Kondensator 40 auf einen Spannungspegel über dem
durch die Steuereinheit 54 eingestellten vorgeschriebenen
Spannungspegel auf, ohne den Hochenergieschalter 50 auszulösen, wie durch
die Kontrollspannung bestimmt wird. Der Steuerprozessor 30 deaktiviert
das Steuersignal an das Ladesystem 32 und wartet, dass
der Spannungspegel am Knotenpunkt 52 (wie von der Kontrollspannung
bestimmt) auf den richtigen Pegel abfällt, entladen durch den Widerstand 44 und
den Widerstand 46. Wenn die Spannung korrekt ist, gibt
der Steuerprozessor 30 das Auslösesignal an den Auslöser 36 aus,
der seinerseits das Torsteuersignal für den Hochenergieschalter 50 ausgibt.
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Als
Reaktion auf das Torsteuersignal leitet der Hochenergieschalter 50 die
auf dem Kondensator 40 gespeicherte Ladung zur Last 20 über die
Lastleitung 53. Die Ausgangsspannung vom Hochenergieschalter 50 klingt
exponential ab, wie gut bekannt ist, und ist eine Funktion der Kapazität des Kondensators 40 und
des Widerstands der Last 20.
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Das
Transfektionssystem 10 kann Spannungen über 3.000 Volt und Ströme über 1.000
Ampere zuführen.
Aufgrund der Größe der beteiligten
Spannungen und Ströme
und der Anforderung, dass die Ausrüstung häufig durch menschliche Bedienungspersonen
gehandhabt wird, besteht ein durchgehendes Ziel in der Verbesserung
der verknüpften
Sicherheitsmerkmale und Verfahrensweisen.
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Wie
oben beschrieben ist, verwendet das Transfektionssystem 10 einen
halbleitergesteuerten Gleichrichter (SCR) (oder siliziumgesteuerten Gleichrichter)-Hochenergieschalter.
Dieser Gerätetyp
bleibt die einzige praktische Einrichtung zum Liefern sauberer Wellenformen
bei Strömen
von über 1000
Ampere. Hinzufügung
mehrerer SCR-Zellen in Reihe erzeugt einen Hochspannungsschalter.
Die Beschaffenheit eines SCR besteht darin, Strom bis zu seinem
Schmelzstrom zu liefern. Über
diesem Punkt fährt
der SCR fort, Strom zu liefern, aber als ein vollständiger Kurzschluss.
Nach Auslösung
wird sich der SCR nicht ausschalten, bis ein Eingangsstrom unter
seinen Haltestrom abfällt.
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Aufgrund
der Größe der beteiligten
Spannungen und Ströme
ist es erwünscht,
den Ausgangsstrom von dem SCR nach Erhalt des gewünschten Ausgangsstroms
zu steuern. Wie oben beschrieben ist, ist es nutzlos, zu versuchen,
den Ausgangsstrom durch Abschalten des SCR zu begrenzen, wenn der Ausgangsstrom
von dem SCR einen gewünschten Pegel
erreicht. Ferner ist es aufgrund des Potentialbereichs der beteiligten
Ströme
unpraktisch, Stromnebenschlussdämpfungswiderstände zu verwenden.
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Während der
Lastwiderstand abhängig
von vielen Faktoren variieren wird, gibt es Zeiten, wenn der effektive
Widerstand der Last ein Minimum von etwa zwanzig Ohm betragen wird.
Die maximale Spannung beträgt
typischerweise etwa 2500 Volt und deshalb beträgt der maximale Strom normalerweise etwa
125 Ampere. Unglücklicherweise
wird aufgrund der Größe der Spannungen
manchmal ein Funkenüberschlag
erfolgen, der den Last- (Küvetten-)
Widerstand auf effektiv null Ohm reduzieren wird. Die Entladung
des Transfektionsstroms ohne Widerstand kann die Ausrüstung beschädigen, die
SCRs schmelzen und Gefahren für
das die Ausrüstung
bedienende Personal erhöhen.
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Es
ist bekannt, einen Grenzscheinwiderstand in Reihe mit der Last einzuschließen, um
den maximalen Strom zu begrenzen und dadurch die mit Funkenüberschlägen verknüpften Gefahren
zu senken. Ein solcher Grenzscheinwiderstand würde zwischen dem Hochenergieschalter 50 und
der Last 20 in der Lastleitung 53 hinzugefügt werden.
Obwohl der Reihenscheinwiderstand sich in der Größenordnung von 1,5 Ohm befindet,
wenn der Widerstand der Küvette
niedrig ist, kann der Grenzscheinwiderstand einen bedeutenden Spannungsabfall
erzeugen, wodurch der tatsächliche
Spannungspegel geändert wird,
der an die Last von dem auf dem Kondensator 40 gespeicherten
gewünschten
Pegel angelegt wird.
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Das
in 1 gezeigte Transfektionsgerät enthält einen Handschalter 54 zum
manuellen Betätigen
des Transfektionssystems 10. Bei konventionellen Systemen
ist es während
manuellen Operationen bekannt, dass die Verwendung von zwei Impulsschaltern
wie oben beschrieben benötigt
wird. Zum Aufladen des Kondensators 40 müssen beide
Schalter gedrückt
und zusammen gehalten werden. Ein solches System wirkt zum Reduzieren
der Möglichkeit,
dass eine Bedienungsperson Hochspannungsteile der Ausrüstung während Betrieb
berühren
wird, solange die Ladungs- und Entladungsprozesse ohne Unterbrechung
stattfinden. Wenn eine Bedienungsperson den Betrieb vor Erreichen
der Kondensatorentladung anhält,
dann können
gefährliche
Spannungspegel in dem Kondensator 40 vorhanden sein.
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Zum
Erzeugen genauer Ergebnisse mit dem Transfektionssystem 10 muss
eine präzise
Ladung/Energie an die Last 20 angelegt werden. Um genau
die im Kondensator 40 gespeicherte präzise Ladung/Energie zu bestimmen,
wird ein genauer Kapazitätswert
benötigt.
Aufgrund der Größe der Ladung/Energie,
die der Kondensator 40 speichern muss, ist unglücklicherweise
die einzige mögliche Option
bis heute zum Erzeugen langer Zeitkonstanten (bis zu 3,5 Sekunden)
gewesen, Elektrolytkondensatoren zu verwenden. Es ist unerschwinglich teuer,
Präzisionsschichtkondensatoren
der Größe zu erhalten,
die für
lange Zeitkonstanten in einem Transfektionssystem benötigt werden.
Die Verwendung langer Zeitkonstanten erfordert jedoch maximale Spannungen
von nur 500V, die für
Elektrolyten möglich
sind. Für
Hochspannungs- (2500V) Versuche ist die benötigte Zeitkonstante kürzer (50
MSEC oder weniger), so dass Präzisions-
(±5%
oder ±10%) Schichtkondensatoren
möglich
sind. Infolgedessen verwenden konventionelle Transfektionssysteme
mit langer Zeitkonstante Kondensatoren mit einer Standardtoleranz
von ±25%.
Der Stand der Technik für Elektrolytkondensatoren
ist etwa ±20%.
Solche Variationen und Ungenauigkeit in der Kapazität des Speicherkondensators 40 reduzieren
die Wirksamkeit konventioneller Transfektionssysteme, da verschiedene
Zellen eine spezifische Zeit-Energie-Zufuhr erfordern.
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Das
Fehlen von Präzision
von Elektrolytkondensatoren stellt auch ein Problem beim Schaffen von
Kondensatorerweiterungsmodulen für
das Transfektionssystem 10 dar. Beim Verwenden des Transfektionssystems 10 ist
Feinsteuerung verschiedener Pegel von Ladung/Energie für verschiedene Anwendungen
erforderlich. Es ist erwünscht,
einen Satz von Kondensatoren bereitzustellen, die vom Benutzer ausgewählt werden
können,
um gewünschte Transfektionsenergieprofile
zu erhalten.
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In
einigen Anwendungen wird die gewünschte
Ausgangsspannung relativ klein sein. Während der SCR besonders wirksam
als ein Schalter für
hohe Spannungs- und Strompegel ist, kann der SCR problematisch bei
Verwendung niedriger Spannungen sein. Zum Beispiel kann die tatsächliche
Last etwa 1000 Ohm betragen. Ein typischer Haltestrom für einen
SCR beträgt
etwa 60 Milliampere. Dies erfordert, dass die Spannung am Knotenpunkt 52 größer als etwa
60 Volt sein wird. Wenn die Spannung am Knotenpunkt 52 unter
60 Volt fällt,
bei einer Last von 1000 Ohm, werden einige konventionelle Hochenergieschalter
abfallen und die Ausgangswellenform beschneiden. In der Praxis ist
es erwünscht,
dass Betriebsspannungen für
einen in der vorliegenden Anwendung verwendeten SCR 200 Volt für beste
Genauigkeit übersteigen.
Deshalb ist es erwünscht,
einen Hochenergieschalter zu schaffen, der sowohl bei hohen als
auch niedrigen Spannungspegeln arbeiten kann.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein Gerät und ein Verfahren zum einfachen
und wirksamen Verbessern von Transfektionssystemen des Standes der
Technik. Die vorliegende Erfindung ist ein Hochspannungs-Transfektionskontroller,
der Merkmale zum Messen des tatsächlichen
Lastwiderstands und Ausgleichen jeglicher Auswirkungen eines Grenzscheinwiderstands
in Reihe mit der Last liefert. Außerdem misst die bevorzugte
Ausführungsform
des Transfektionskontrollers der vorliegenden Erfindung die tatsächliche
effektive Kapazität
eines Speicherkondensators, oder von Kondensatoren, und stellt dem
Benutzer durch Verwendung eines Erweiterungsmoduls wirksam einen
Satz vom Benutzer auszuwählender
Kondensatoren mit einer effektiven ±10% Toleranz zur Verfügung, wenn
die Toleranz der einzelnen Elektrolytkondensatoren ±20% beträgt.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
enthält zwei
Abschnitte. Ein Abschnitt des Systems verarbeitet 200–2500 V
und ein anderer Abschnitt verarbeitet niedrige Spannungen (50–500V).
Der Transfektionskontroller umfasst einen verbesserten Hochenergieschalter,
der in einer Betriebsart von niedriger Spannung und hohem Strom
bei einer niedrigen Abfallspannung arbeitet (zur Verwendung mit
den 500 V (maximal) Elektrolytkondensatoren). Außerdem wird ein zusätzliches
Schutzschaltsystem in Form einer Eingangskurzschlussschaltung nicht
nur Aufladung des Speicherkondensators verhindern, außer wenn ein
Sicherheitsschalter betätigt
wird, es wird ferner Ladung von dem Kondensator an Erde nebengeschlossen,
wenn die Ladungsoperation unterbrochen werden sollte, oder wenn
Strom von dem Transfektionssystem entfernt wird.
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Einem
Aspekt der Erfindung zufolge wird ein Gerät zum Leiten eines ersten vorbestimmten
Stromprofils auf einem zweiten vorbestimmten Hochspannungspegel
in eine chemische Lösung
geschaffen, umfassend: einen Hochjoule- oder Hochenergieschalter
mit einem Tor, einem Eingang zum Empfang eines Hochspannungsstroms,
und einem Ausgang zum Emittieren eines Hochspannungsstroms; einen Grenzscheinwiderstand
mit einem ersten Anschluss, der an den Ausgang des Hochenergieschalters
gekoppelt ist, und einem zweiten Anschluss zum Koppeln an die chemische
Lösung;
eine elektrische Ladungsspeichereinrichtung, die mit dem Eingang
des Hochenergieschalters gekoppelt ist, um den Hochenergieschalter
mit dem Hochspannungsstrom zu versorgen; einen Steuerprozessor,
der an das Tor des Hochenergieschalters zum Ausgeben eines Torsignals
gekoppelt ist, um den Hochenergieschalter zu aktivieren, wenn ein
auf der elektrischen Ladungsspeichereinrichtung gespeicherter Spannungspegel ungefähr gleich
einem ausgleichenden Hochspannungspegel wird; und ein Grenzscheinwiderstand-Ausgleichsgerät, das an
den zweiten Anschluss des Grenzscheinwiderstands und an den Steuerprozessor
gekoppelt ist, um dem Steuerprozessor eine Messung von Lastwiderstand
durch die chemische Lösung
zu dem Steuerprozessor zur Bestimmung des ausgleichenden Hochspannungspegels
zu liefern, der größer als
der zweite vorbestimmte Hochspannungspegel ist, um dadurch einen
Widerstand des Grenzscheinwiderstands so auszugleichen, dass ein
tatsächlicher
Spannungspegel an dem zweiten Anschluss ungefähr gleich dem zweiten vorbestimmten
Spannungspegel wird.
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Einem
anderen Aspekt der Erfindung zufolge, wird ein Verfahren zum Betreiben
eines Transfektionssystems geschaffen, das zum Befördern eines vorspezifizierten
Hochspannungsstroms zu einer chemischen Lösung durch einen Schutzwiderstand ausgelegt
ist, und das die folgenden Schritte umfasst: Messen eines ersten
Widerstands der chemischen Lösung;
und Betreiben des Transfektionssystems bei einem spezifischen Hochspannungsstrompegel,
der größer als
der vorspezifizierte Hochspannungsstrom ist, um einen Spannungsabfall
aufgrund eines zweiten Widerstands des Schutzwiderstands auszugleichen.
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Weitere
bevorzuge Merkmale sind in den Ansprüche 2 bis 14 und 16 bis 19
definiert.
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Bezugnahme
auf die restlichen Teile der Beschreibung einschließlich der
Zeichnungen und Patentansprüche
wird andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung verdeutlichen.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sowie die
Struktur und der Betrieb der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung sind im folgenden detailliert in bezug zu den beigefügten Zeichnungen
beschrieben. In den Zeichnungen kennzeichnen gleiche Ziffern identische
oder funktional ähnliche
Elemente.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein schematisches Diagramm eines konventionellen Hochspannungs-Transfektionssystems;
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2 ist
ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung für
ein Hochspannungs-Transfektionssystem, das ein Lastwiderstandsmessgerät einschließt;
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3 ist
eine schematische Detaildarstellung einer bevorzugten Ausführungsform
der in 2 gezeigten Widerstandsmessschaltung;
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4 ist
ein schematisches Detaildiagramm einer Eingangskurzschluss-Auslöseschaltung
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform;
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5 ist
ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die ein Kapazitätsmessgerät einschließt;
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6 ist
ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform
für eine
Hochenergieschalterschaltung mit niedriger Spannung, hohem Strom
und niedrigem Abfall;
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7 ist
ein Blockdiagramm für
eine in dem Niederspannungstreiber von 6 verwendete
Auslöseschaltung;
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8 ist
ein schematisches Detaildiagramm des in 6 gezeigten
Niederspannungstreibers; und
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9 ist
ein schematisches Detaildiagramm einer bevorzugten Ausführungsform
für ein
Kondensatorerweiterungsmodul.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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2 ist
ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung für
ein Hochspannungs-Transfektionssystem 100, das ein Lastwiderstandsmessgerät 102 zum Messen
eines Widerstands einer Last 104 einschließt. Das
Transfektionssystem 100 umfasst einen Steuerprozessor 110,
ein Ladesystem 112, einen Hochjoule- oder Hochenergieschalter 114,
einen Spannungsteiler 116, einen Speicherkondensator 120,
einen Grenzwiderstand 122, eine Nebenschlussschaltung,
die einen SCR-Eingangskurzschluss 130 mit einem Reihenwiderstand 132 einschließt, und
einen Betriebssteuerschalter 134. Der Steuerprozessor 110 umfasst
einen Mikroprozessor zum Realisieren der hier beschriebenen Merkmale. Der
SCR-Eingangskurzschluss 130 schließt einen SCR
ein.
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Der
Steuerprozessor 110 liefert ein Ladesignal an das Ladesystem 112.
Das Ladesystem 112 ist eine Hochspannungs-Schaltenergiewandlerschaltung,
die im wesentlichen konstanten Strom zu einem Ausgangsanschluss
liefert. Der Speicherkondensator 120 ist zwischen den Ausgangsanschluss des
Ladesystems 112 und Erde gekoppelt. Der Spannungsteiler 116 ist
zwischen den Ausgangsanschluss des Ladesystems 112 und
Erde gekoppelt, wobei ein Stufenanschluss an den Steuerprozessor 110 gekoppelt ist.
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Der
Hochenergieschalter 114 umfasst einen Eingangsanschluss
(Anode), einen Ausgangsanschluss (Kathode) und einen Toranschluss.
Der Eingangsanschluss ist an den nichtgeerdeten Anschluss des Speicherkondensators 120 gekoppelt,
der Toranschluss ist an den Steuerprozessor 110 gekoppelt, und
der Ausgangsanschluss ist an den Grenzwiderstand 122 gekoppelt.
Der SCR-Eingangskurzschluss 130 umfasst einen Eingangsanschluss
(Anode), einen Ausgangsanschluss (Kathode) und einen Toranschluss.
Der Reihenwiderstand 132 ist an den Eingangsanschluss des
Hochenergieschalters 114 und an den Eingangsanschluss der
Eingangskurzschlussschaltung 130 gekoppelt. Der Ausgangsanschluss
des SCR-Eingangskurzschlusses 130 ist
an Erde gekoppelt, und der Toranschluss ist an den Steuerprozessor 110 gekoppelt.
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Der
Grenzwiderstand 122 ist in Reihe zwischen den Ausgangsanschluss
des Hochenergieschalters 114 und die Last 104 geschaltet.
Der Grenzwiderstand 122 hat typischerweise einen sehr niedrigen
Widerstand, in der Größenordnung
von etwa 1,5 Ohm. In der bevorzugten Ausführungsform, in der ein Hochspannungsabschnitt
(200–2500V)
und ein Niederspannungsabschnitt (50–500V) vorhanden ist, werden
0,5 Ohm für
den Widerstand des Grenzwiderstands 122 beim Betreiben
des Niederspannungsabschnitts und 1,5 Ohm beim Betreiben des Hochspannungsabschnitts
verwendet. Das Lastwiderstandsmessgerät 102 ist an einen
Knotenpunkt zwischen dem Grenzwiderstand 122 und der Last 104 gekoppelt.
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Das
Lastwiderstandsmessgerät 102 umfasst einen
Oszillator zum Erzeugen eines 20 KHz Signals niedriger Amplitude.
Die Lastwiderstandsschaltung 102 arbeitet in einer gut
bekannten Weise zum Injizieren eines Signals niedriger Amplitude
in die Last 104, zum Erzeugen des Widerstands der Last.
Das Messsystem ist jedoch gegen Hochspannung geschützt, die
während
Impulszuführung
erzeugt wird. Die gemessenen Widerstandsergebnisses werden dem Steuerprozessor 110 geliefert.
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3 ist
ein schematisches Detaildiagramm einer bevorzugten Ausführungsform
für die
in 2 gezeigte Widerstandmessschaltung 102.
Die Widerstandmessschaltung 102 umfasst einen Oszillator 150,
Bandpassverstärker 152,
zwei Hochspannungswiderstände
(Widerstand 156 und Widerstand 158), vier Zener-Dioden
(Diode 160, Diode 162, Diode 164, und
Diode 166) und drei Kondensatoren (Kondensator 170,
Kondensator 172 und Kondensator 174). Ein Ausgang
des Oszillators 150 ist durch den Kondensator 170 an
einen Knotenpunkt 180 gekoppelt. Eine Kathode der Diode 160 ist
an einen Knotenpunkt 180 gekoppelt und eine Anode der Diode 160 ist
an eine Anode der Diode 162 gekoppelt, deren Kathode an Erde
gekoppelt ist.
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Der
Widerstand 156 und Kondensator 172 werden in Reihe
zwischen den Knotenpunkt 180 und einen Knotenpunkt 182 gekoppelt,
wobei der Widerstand 156 mit dem Knotenpunkt 180 verbunden
ist und der Kondensator 172 mit dem Knotenpunkt 182 verbunden
ist. Der zu messende Widerstand, wie zum Beispiel der Widerstand
der in 2 gezeigten Last 104, ist an den Knotenpunkt 182 gekoppelt.
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Der
Kondensator 174 und der Widerstand 158 sind in
Reihe zwischen den Knotenpunkt 182 und einen Knotenpunkt 184 geschaltet,
wobei der Kondensator 174 mit dem Knotenpunkt 182 verbunden
ist und der Widerstand 158 mit dem Knotenpunkt 184 verbunden
ist. Eine Diode 164 und eine Diode 166 weisen
jeweils eine Anode und eine Kathode auf. Die Anoden sind miteinander
verbunden, wobei die Kathode der Diode 164 mit dem Knotenpunkt 184 verbunden
ist und die Kathode der Diode 166 mit Erde verbunden ist.
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Ein
Bandpassverstärker 152 umfasst
einen Eingang, einen Ausgang und einen Bereichsauswahleingang (nicht
gezeigt). Der Eingang des Verstärkers 152 ist
mit einem Knotenpunkt 184 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 152 ist
mit einem Analog-Digital-(A/D)Wandler (nicht gezeigt) des Steuerprozessors 110 verbunden.
Der Bandpassverstärker liefert
eine Verstärkung
von etwa 100–400.
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In
Betrieb injiziert die Widerstandmessschaltung 102 Sinuswellen
vom Oszillator 150 mit einer Frequenz von etwa 20 KHz und
einer Amplitude von etwa fünfzig
Millivolt in den Knotenpunkt 182. Der Bandpassverstärker 152 (ein
Wechselstromverstärker)
stellt eine Spannung von dem Knotenpunkt 182 wieder her,
die ungefähr
proportional zum Widerstand der Last 104 ist. Die analoge
Ausgangsspannung wird dem Steuerprozessor 110 geliefert.
Der Steuerprozessor 110 digitalisiert den Ausgangswert vom
Verstärker 152.
Durch Verwendung einer Nachschlagtabelle (nicht gezeigt) linearisiert
der Steuerprozessor 110 die Widerstandswerte zum Bestimmen
des Widerstands der Last 104. Der Bereichsauswahlschalter
erlaubt der Widerstandmessschaltung 102, den Widerstand
im Bereich von 5–1.000 Ohm
zu messen.
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Der
Betriebssteuerschalter 134 umfasst zwei in Reihe geschaltete
Impulsschalter, die zwischen einem Eingang des Steuerprozessors 110 und
Erde eingefügt
sind. Zum Betätigen
des Transfektionssystems 100 muss ein Benutzer jeden der
Impulsschalter des Steuerschalters 134 drücken und
halten.
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In
Betrieb veranlasst der Betriebssteuerschalter 134 den Steuerprozessor 110,
ein Steuersignal an das Ladesystem 112 auszugeben, damit
das Ladesystem 112 seinen Ausgangsstrom erzeugt und zuführt. Der
Ausgangsstrom des Ladesystems 112 lädt den Speicherkondensator 120 auf,
wobei die Spannung am Eingang des Hochenergieschalters 114 erhöht wird.
Der Steuerprozessor 110 kontrolliert den Spannungspegel
am Eingang des Hochenergieschalters 114 über Rückmeldung
von dem Spannungsteiler 116. Wenn der gewünschte Spannungspegel
erreicht worden ist, deaktiviert der Steuerprozessor das Steuersignal
an das Ladesystem 112 und löst den Hochenergieschalter 114 aus.
Der Steuerprozessor 110 löst den Hochenergieschalter 114 durch
Ausgeben des Auslösesignals
an den Toranschluss aus. Auslösung
des Hochenergieschalters 114 koppelt die in dem Speicherkondensator 120 gespeicherte
Ladung/Energie an die Last 104 durch den Grenzwiderstand 122.
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Danach
entlädt
sich der Speicherkondensator 120 durch die Last 104,
bis die meiste seiner gespeicherten Ladung erschöpft ist. Die Erschöpfungsgröße während Entladung
durch die Last 104 hängt von
dem Haltestrom des Hochenergieschalters 114 ab. Der Grenzwiderstand 122 begrenzt
die maximale Stromlast.
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Zum
Sicherstellen, dass der Grenzwiderstand 122 nicht nachteilig
die Größe der an
die Last 104 angelegten Spannung beeinflusst, bestimmt
das Lastwiderstandsmessgerät 102 den
tatsächlichen Lastwiderstand.
Die Widerstandmessschaltung 102 versorgt den Steuerprozessor 110 mit
der Widerstandsmessung der Last.
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Da
der Steuerprozessor 110 danach den tatsächlichen Lastwiderstand und
den Wert des Grenzwiderstands 122 kennt, lässt der
Steuerprozessor 110 den Spannungspegel auf dem Speicherkondensator 120 auf
einen höheren
Pegel ansteigen, um den Spannungsabfall über dem Grenzwiderstand 122 auszugleichen.
Das Vorsehen von quantitativ bestimmten hochgetriebenen Spannungspegeln
auf dem Speicherkondensator 120 ermöglicht dem Transfektionssystem 100,
genaue Ausgangsspannungen sogar bei Verwendung des Grenzwiderstands 122 zu
erzeugen. Der Grenzwiderstand 122 ermöglicht dem Transfektionssystem 100,
Funkenüberschlag
ohne Schaden zu tolerieren.
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In 2 ist
die Eingangskurzschluss-Nebenschlussschaltung gekoppelt an den Eingangsanschluss
des Hochenergieschalters 114 gezeigt. Der Zweck des SCR-Eingangskurzschlusses 130 besteht darin,
in dem Speicherkondensator 120 gespeicherte Ladung durch
Leiten der gespeicherten Ladung an Erde zu entsorgen. In Betrieb
veranlasst Ausgabe des Auslösesignals
an den SCR-Eingangskurzschluss 130 den SCR-Eingangskurzschluss,
als ein Niederwiderstandsschalter zu wirken. Der SCR-Eingangskurzschluss 130 bleibt
solange eingeschaltet, wie der Eingangsstrom den Haltestrom übersteigt. Wenn
der Strom abnimmt, schaltet sich der SCR- Eingangskurzschluss automatisch aus.
Normale Strompegel, die aus der Entladung des Kondensators 120 resultieren,
sind typischerweise viel höher
als der Haltestrom. Daher entfernt der SCR-Eingangskurzschluss 130 wirksam
potentiell gefährliche
Ladungspegel, die in dem Speicherkondensator 120 gespeichert
sind.
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Die
Verwendung des Reihenwiderstands 132 begrenzt die Größe des Eingangsstrom
in den SCR-Eingangskurzschluss 130. Durch Begrenzen des
Eingangsstroms in den SCR-Eingangskurzschluss 130 kann
der SCR-Eingangskurzschluss kleinere, weniger teuere SCR-Geräte in seinem
Aufbau verwenden. In der bevorzugten Ausführungsform hat der Reihenwiderstand 132 einen
Widerstand von etwa 1000 Ohm.
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Wie
oben beschrieben ist, wird das Transfektionssystem 100 nur
arbeiten, wenn der Steuerschalter 134 richtig aktiviert
ist. Der Steuerprozessor 110 wird ermitteln, ob einer der
Impulsschalter des Steuerschalters 134 losgelassen wird,
bevor der Kondensator 120 durch den Hochenergieschalter 114 in
die Last 104 entladen wird. Loslassen eines oder beider der
Impulsschalter führt
dazu, dass der Steuerprozessor 110 den SCR-Eingangskurzschluss 130 auslöst, um jegliche
auf dem Kondensator 120 gespeicherte Ladung zu entfernen.
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Es
ist nicht nur erwünscht,
den SCR-Eingangskurzschluss 130 auszulösen, wenn ein Impulsschalter
losgelassen wird, die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung löst
den SCR-Eingangskurzschluss 130 auch aus, wenn der Strom
ausgeschaltet werden sollte. 4 ist ein schematisches
Detaildiagramm einer Eingangskurzschluss-Auslöseschaltung 200 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform.
Die Auslöseschaltung 200 ist
in der bevorzugten Ausführungsform
in den Steuerprozessor 110 eingebaut und arbeitet, um Auslösung zu
aktivieren, sollte der Betriebsstrom ausgeschaltet werden. Auslösung wird
auch aktiviert, wenn ein Auslöseeingangskurzschluss-Eingangssignal ausgegeben
wird.
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Die
Auslöseschaltung 200 umfasst
einen bipolaren PNP-Transistor
Q1, einen bipolaren NPN-Transistor Q2, und eine Diode D1. Die Diode
D1 ist an Vcc (Versorgungsspannung) gekoppelt, die in der bevorzugten
Ausführungsform
17 Volt beträgt. Die
Diode D1 weist eine Anode gekoppelt an Vcc zum Leiten von Strom
von Vcc auf. Die Auslöseschaltung 200 umfasst
einen Widerstand 201, der in Reihe zu einer Kathode der
Diode D1 geschaltet ist, und einen Kondensator 202, der
zwischen den Widerstand 201 und Erde geschaltet ist. Ein
Emitter des Transistors Q1 ist an einen Knotenpunkt N1 zwischen
den Widerstand 201 und den Kondensator 202 gekoppelt.
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Ein
Kondensator 204 koppelt Vcc an eine Basis des Transistors
Q1 und ein Widerstand 206 koppelt den Knotenpunkt N1 an
die Basis des Transistors Q1. Ein Kondensator 208 koppelt
die Basis des Transistors Q1 an Erde. Ein Kollektor des Transistors
Q1 liefert das Auslöseausgangssignal.
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Ein
Widerstand 210 koppelt einen Kollektor des Transistors
Q2 an die Basis des Transistors Q1. Ein Emitter des Transistors
Q2 ist an Erde gekoppelt und eine Basis des Transistors Q2 empfängt das Auslöseeingangskurzschluss-Eingangssignal.
In der bevorzugten Ausführungsform
ist der Kondensator 202 bei etwa 10 Mikrofarad und 25 Volt
bemessen, und der Kondensator 204 und Kondensator 208 sind Kondensator
mit 0,01 Mikrofarad.
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Während in
Betrieb der Auslöseschaltung 200 Energie
zugeführt
wird, fließt
Strom durch die Diode D1 und den Widerstand 201 zum Aufladen
des Kondensators 202. Der Kondensator 204 koppelt
die Versorgungsspannung an die Basis des Transistors Q1, wodurch
der Transistor Q1 nichtleitend gestaltet wird. Ausgabe des Auslöseeingangskurzschluss-Eingangssignals
schaltet den Transistor Q2 ein, wodurch das Spannungspotential am
Kollektor des Transistors Q2 auf einen niedrigen Wert gedrückt wird.
Das niedrige Potential am Kollektor des Transistors Q2 veranlasst
ein Absinken des Potentials an der Basis des Transistors Q1 auf
einen niedrigen Wert, und schaltet ihn ein. Einschaltung des Transistors
Q1 führt
dazu, dass Vcc Strom zum Ausgeben des Auslösungssignals geliefert wird.
Der Strom wird von in dem Kondensator 202 gespeicherter
Ladung geliefert, was langsamer erfolgt, und bei einem niedrigen
Strom, geladen durch D1 und den Widerstand 201.
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Wenn
Energie von dem System entfernt wird, fällt die Versorgungsspannung
auf null ab. Der Versorgungsspannungspegel ist an die Basis des Transistors
Q1 durch den Kondensator 204 gekoppelt. Wenn der Spannungspegel
an der Basis des Transistors Q1 tief genug gefallen ist, wird der
Transistor Q1 eingeschaltet. Während
die an den Emitter des Transistors Q1 gekoppelte Versorgungsspannung
nicht mehr zum Aktivieren des Auslösungssignals zur Verfügung steht,
ist der Kondensator 202 groß genug zum Speichern einer
ausreichenden Ladung zum Ausgeben des Auslösungsausschaltsignals.
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Wie
oben beschrieben ist, entfernt die Ausgabe des Auslösungssignals
an den in 2 gezeigte SCR-Eingangskurzschluss 130 Ladung
aus dem Speicherkondensator 120. Ein Kombination des Widerstands
des Reihenwiderstands 132 und der Kapazität des Speicherkondensators 120 definiert
die Zeitkonstante zum Entfernen der Ladung aus dem Speicherkondensator 120.
Da die maximale für
den Speicherkondensator 120 verwendete Hochspannungskapazität in der
vorliegenden Ausführungsform
etwa 50 Mikrofarad beträgt,
und der Widerstand des Reihenwiderstands 132 etwa 1000
Ohm beträgt,
ist die Zeitkonstante für
Entladung durch den SCR-Eingangskurzschluss 130 im
schlechtesten Falle 50 Millisekunden. Dies reduziert auch
die Möglichkeiten von
Funkenüberschlag
durch den Kondensatorauswahlschalter, wenn der Kondensatorauswahlschalter gewechselt
wird. Verschiedene Hochspannungskondensatoren werden durch einen
Kondensatorschalter ausgewählt.
Wenn der Schalter mit einem teilweise aufgeladenen Kondensator turnusmäßig gewechselt werden
würde,
würde Funkenüberschlag
erfolgen. Nach der Zeit, wenn die Impulstasten umgekehrt wurden
und die Hand sich zum Auswählen
eines anderen Kondensators bewegt hat, wird der SCR-Eingangskurzschluss
jedoch die Ladung abgelassen haben.
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5 ist
ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung für
das Transfektionssystem 100, das ein Kapazitätsmessgerät einschließt. Wie
oben beschrieben ist, ist das Transfektionssystem 100 ein
kapazitives Entladungssystem, das große Schicht- und Elektrolytkondensatoren
zum Speichern der in dem System benötigten Ladung verwendet. Eine
Zeitkonstante der Entladung sowie die Dauer der Entladung wird durch
die Last und den bestimmten verwendeten Kondensator bestimmt.
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Eine
exponentiale Wellenform ist erwünscht, da
sie sanfter zu Zellen als eine viel einfacher zu erzeugende Rechteckwelle
ist. Da die Zeitkonstante von der Kapazität abhängt, ist es erwünscht, einen tatsächlichen
Kapazitätswert
des Speicherkondensators zum Zeitpunkt des Gebrauchs zu erhalten.
Kapazitätswerte ändern sich
im Verlauf der Zeit, und die Kapazität kann eine Funktion ausgedrückter Spannung
und Frequenz sein. Deshalb ist es erwünscht, ein System zu schaffen,
dass nicht nur die Kapazität zum
Zeitpunkt des Gebrauchs misst, sondern auch die Kapazität in einem
Verfahren misst, das ähnlich zum
tatsächlichen
Gebrauch ist.
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Die
Verwendung des SCR-Eingangskurzschlusses 130 vereinfacht
die Messung der Kapazität des
Speicherkondensators 120 durch Hinzufügung eines Spannungsteilers 300,
eines Verstärkers 302, von
drei Spannungskomparatoren (Komparator 304, Komparator 306 und
Komparator 308), eines Zählers 310 sowie eines
torgesteuerten Oszillators 312.
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Der
Spannungsteiler 300 skaliert die auf dem Speicherkondensator 120 vorhandene
Spannung. Die skalierte Spannung wird dem Verstärker 302 zugeführt. Der
Verstärker 302 ist
ein Puffer und treibt einen Knotenpunkt 303 auf den skalierten
Spannungspegel. Jeder der Spannungskomparatoren, Spannungskomparator 304,
Spannungskomparator 306 und Spannungskomparator 308 weist
einen Eingang gekoppelt an den Knotenpunkt 303 auf. Der
Komparator 304 wird eingestellt, um ein Rückstellsignal
an den Zähler 310 auszugeben,
wenn der Spannungspegel am Knotenpunkt 303 einen vorspezifizierten Wert übersteigt.
Der Komparator 304 und der Komparator 308 bauen
zusammen einen Fensterkomparator auf. Ausgaben des Komparators 306 und
Komparators 308 werden als verdrahtetes ODER behandelt,
um eine UND-Funktion von den Komparatoren zu erzeugen und ein Tor-EIN-Signal
an den torgesteuerten Oszillator 312 zu liefern, wenn der
Spannungspegel zwischen zwei vorspezifizierten Spannungspegeln liegt.
Eine Ausgabe des torgesteuerten Oszillators 312 wird dem
Zähler 310 geliefert.
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In
Betrieb skaliert der Spannungsteiler 300 die auf dem Speicherkondensator 120 gespeicherte Hochspannung
auf einen niedrigeren Spannungspegel. Es ist erwünscht, dass auf der niedrigsten
Ausgangsspannung die Spitze der skalierten Wellenform mindestens
220 Volt aufweist. Der Komparator 204 wird in einer gut
bekannten Weise eingestellt, um das Rückstellsignal auszugeben, wenn
der Spannungspegel am Knotenpunkt 303 220 Volt übersteigt.
Das Rückstellsignal
löscht
den Zähler 310.
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Der
Komparator
306 gibt das Torsignal aus, wenn der Spannungspegel
am Knotenpunkt
303 unter 200 Volt fällt. In ähnlicher Weise gibt der Komparator
308 des
Torsignal aus, solange der Spannungspegel am Knotenpunkt
303 (etwa
73,58) Volt übersteigt.
Solange die Spannung zwischen 200 Volt und etwa 73,58 Volt bleibt,
wird das Torsignal an den torgesteuerten Oszillator
312 ausgegeben.
Die Dauer des Fensters stellt die Zeit für die Spannung am Knotenpunkt
303 dar,
auf den Zeitkonstantenwert abzufallen, da die Spannungsverhältnisse
sind. Für eine Wellenform ist
da
Wenn das Verhältnis von
Daher ist die Fensterimpulsbreite
genau gleich der Zeitkonstanten. Der Zähler
310 wird durch
den Oszillator
312 getrieben, und der Oszillator
312 läuft nur während des
Fensters. Der Wert des Zählers
310 ist daher
proportional zur Zeitkonstanten.
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Das
Kapazitätsmesssystem
wird erzeugt, indem zuerst der Speicherkondensator 120 aufgeladen und
derselbe danach durch einen bekannten Widerstand entladen wird.
Wenn der Widerstandswert bekannt ist, wie es der Fall ist, wenn
der Eingangskurzschluss aktiviert wird, erzeugt der Zähler 310 Zählungen,
die proportional zu der Kapazität
des Speicherkondensators 120 sind, anstelle eine Zählung, die proportional
zu einer Zeitkonstante ist, das heißt, wiederum, ein Produkt von
Kapazität
und Widerstand. Wenn der Eingangskurzschluss jedoch nicht ausgelöst wird,
misst die Verwendung der Komparatoren, des torgesteuerten Oszillators
und Zählers
die Zeitkonstante direkt, ein anderes Parameter zum Auslesen. Durch
Verwendung der Nebenschlussschaltung, die den Reihenwiderstand 132 einschließt (mit
einem bekannten Widerstand), schließt das Transfektionssystem 100 die
gewünschte
Verbesserung ein, wobei die Kapazität direkt gemessen wird, die
Zeitkonstante gemessen wird und die Kapazität unter Bedingungen gemessen
wird, die ähnlich
zum tatsächlichen Gebrauch
sind, um Genauigkeit zu verbessern.
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6 ist
ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform
einer Hochenergieschalterschaltung 400 mit niedriger Spannung,
hohem Strom und niedrigem Abfall. Die Treiberschaltung 400 umfasst
einen SCR 402. Die Treiberschaltung 400 kann deshalb
in dem in 2 gezeigten Transfektionssystem 100 als
der Hochenergieschalter 114 verwendet werden. Die Treiberschaltung 400 umfasst
einen bipolaren Isolierschichttransistor 404 parallel mit
dem SCR 402. Der Transistor 404 schaltet sich
bei Haltestrom nicht aus. Daher liefert die Parallelkombination
aus SCR 402 und Transistor 404 Vorteile beider
Treibertypen: der SCR 402 liefert die sauberen Ausgangswellenformen
bei hohen Spannungen und Strömen,
und der bipolare Transistor 404 liefert den Niederspannungsbetrieb.
Die Treiberschaltung 400 umfasst ferner einen Stromermittelungswiderstand 406 und
eine Auslöseschaltung 408.
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Der
SCR 4023 umfasst ein Tor 410, das an einen Ausgang des
Transistors 404 gekoppelt ist, eine Anode 412,
die an einen Eingang der Treiberschaltung 400 gekoppelt
ist, und eine Kathode 414 gekoppelt an einen Ausgang der
Treiberschaltung 400. Ein Kollektor des Transistors 404 ist
an die Anode 412 gekoppelt, ein Gate des Transistors 404 ist
an einen Ausgang des Auslösers 408 gekoppelt,
und ein Emitter des Transistors 404 ist an das Tor 410 gekoppelt.
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Der
Stromermittelungswiderstand 406 koppelt das Tor 410 an
die Kathode 414. Die Auslöseschaltung 408 empfängt ein
Torsteuersignal zum Aktivieren der Treiberschaltung 400.
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In
Betrieb wird der Transistor 404 eingeschaltet gelassen,
bis der Speicherkondensator 120 (gezeigt in 2)
beinahe vollständig
entladen ist. Das Transfektionssystem 100 von 2 enthält einen
Komparator (nicht gezeigt), der dem Steuerprozessor 110 anzeigt,
wenn die der Last 104 zugeführte Wellenform auf weniger
als fünf
Volt abgefallen ist.
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Der
Transistor 404 ist nur betriebsfähig beim Steuern von Ausgangsströmen bis
zu Strompegeln von etwa dreißig
Ampere. In der bevorzugten Ausführungsform
weist der Stromermittelungswiderstand 406 etwa 0,1 Ohm
auf, wodurch ihm die Bestimmung ermöglicht wird, wann der Transistor 404 etwa
fünfzehn
Ampere zum Ausgang steuert. Fünfzehn
Ampere durch den Stromermittelungswiderstand 406 erzeugen
eine Spannung am Tor 410, die zum Auslösen des SCR 402 ausreicht.
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Wenn
der SCR 402 ausgelöst
wird, schließt er
wirksam den Transistor 404 kurz, wobei der meiste des Stroms
am Eingang der Treiberschaltung 400 durch ihn selbst zum
Ausgang geleitet wird. Wenn die Eingangsspannung unter den Haltestrom
des SCR 402 fällt,
nimmt der Transistor 404 automatisch den Betrieb wieder
auf. Die Auslöseschaltung 408 ist
für die
Lieferung einer ausreichenden Spannung zum Betrieben des Transistors 404 als
Reaktion auf das Torsteuersignal verantwortlich. In der bevorzugten Ausführungsform
isoliert die Auslöseschaltung 408 auch
die Torspannung von Erde.
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Abhängig von
der bestimmten Anwendung, werden, wenn höhere Spannungen gewünscht sind, als
es von einer einzelnen Treiberschaltung 400 möglicht ist,
zwei oder mehr Treiberschaltungen wie die Treiberschaltung 400 in
Reihe zum Hochtreiben der Ausgangstreibfähigkeit hinzugefügt. In der
bevorzugten Ausführungsform
enthält
die Treiberschaltung 400 einen Schutzwiderstand von etwa
0,5 Ohm (nicht gezeigt) in Reihe mit dem Ausgang zum Begrenzen des
maximalen Stroms. Die Treiberschaltung 400 liefert eine
maximale Ausgangsspannung von etwa 500 Volt (obwohl sie bis etwa
600 Volt bedienbar ist), deshalb wird der maximale Ausgangsstrom
etwa 1000 Ampere betragen.
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7 ist
ein Blockdiagramm für
die Auslöseschaltung 408,
die in der Treiberschaltung 400 von 6 verwendet
wird. In der bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Auslöseschaltung 408 einen torgesteuerten
50 KHz Oszillator 500, der an eine Transformator/Gleichrichterschaltung 505 gekoppelt ist.
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8 ist
ein schematisches Detaildiagramm des in 6 gezeigten
Niederspannungstreibers 400, das eine bevorzugte Ausführungsform
der Auslöseschaltung 408 zeigt.
In 8 schließt
ein Oszillator 500 zwei Doppeleingangs-NAND-Gatter (NAND-Gatter 605 und
NAND-Gatter 608), einen NPN-Transistor 610, einen
Kondensator 612, und vier Widerstände (Widerstand 620,
Widerstand 622, Widerstand 624 und Widerstand 626)
ein.
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Der
Widerstand 620 koppelt das Eingangstorsteuersignal an Erde.
Das NAND-Gatter 605 weist einen ersten Eingang gekoppelt
an den nichtgeerdeten Anschluss des Widerstands 620 auf.
Ein Anschluss des Widerstands 622 ist zwischen den zweiten
Eingang des NAND-Gatters 605 und einen Knotenpunkt 580 geschaltet.
Der Widerstand 624 koppelt einen Ausgang des NAND-Gatters 605 an
den Knotenpunkt 580. Beide Eingänge des NAND-Gatters 608 sind
zusammenkoppelt und mit dem Ausgang des NAND-Tors 605 gekoppelt.
Der Kondensator 612 koppelt einen Ausgang des NAND-Gatters 608 an den
Knotenpunkt 580. Der Widerstand 626 koppelt den
Ausgang des NAND-Gatters 608 an eine Basis des Transistors 610.
Ein Emitter des Transistors 610 ist an Erde gekoppelt.
Ein Kollektor des Transistors 610 ist an einen Primärwicklungsanschluss
des Transformators 650 (der an 17 Volt durch den Widerstand 660 angeschlossen
ist) der Transformator/Gleichrichterschaltung 505 gekoppelt.
Als Reaktion auf ein Torsteuersignal arbeitet der Oszillator 500 bei
etwa 500 KHz und steuert den Transformator 650 an.
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Die
Transformator/Gleichrichterschaltung 505 umfasst einen
Transformator 650, eine Diode 652, eine Zenerdiode 654,
einen Kondensator 656 und vier Widerstände (Widerstand 660,
Widerstand 662, Widerstand 664 und Widerstand 666).
Der Transformator 650 weist eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung
auf. Der Widerstand 660 koppelt Vcc an einen Anschluss
der Primärwicklung
gegenüberliegend
vom Transistor 610. Eine Diode 652 und der Widerstand 662 schaffen
einen Halbwellengleichrichter, der durch den Kondensator 656 geglättet wird.
Die Zener-Diode 654 regelt die Ausgangswellenform auf der
gewünschten
Spannung zum Ansteuern des bipolaren Isolierschichttransistors 404. In
der bevorzugten Ausführungsform
beträgt
die Spannung am Gate des Transistors 404 etwa 15 Volt.
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9 ist
ein schematisches Detaildiagramm einer bevorzugten Ausführungsform
für ein
Kondensatorerweiterungsmodul 700. Ein Erweiterungsmodul ermöglicht Hinzufügen von
Niederspannungs-(500 Volt)
Elektrolytkondensatoren zum in 2 gezeigten
Transfektionssystem 100 anstelle des Speicherkondensators 200.
Das Erweiterungsmodul umfasst eine Mehrzahl von Kondensatoren, daher
ist es erwünscht,
elektronisches Schalten vorzusehen, um bestimmte der Kondensatoren
des Erweiterungsmoduls auszuwählen.
Da die Elektrolytkondensatoren außerdem für ein Maximum von 500 Volt
bemessen sind, und die typische maximale Last 20 Ohm beträgt, muss
die Schaltsteuerung des Erweiterungsmoduls in der Lage sein, Ströme von 25
Ampere zu bewältigen.
Zusätzlich
erlaubt die Erweiterungszelle vorzugsweise die parallele Hinzufügung von
zwei oder mehr Kondensatoren.
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Das
Erweiterungsmodul 700 umfasst eine Mehrzahl Elektrolytkondensatoren,
C1 bis Cn. Jeder Kondensator
weist einen ersten Anschluss gekoppelt an einen Ladungsknotenpunkt 702 auf.
Das Ladungssystem 112 (gezeigt in 2) liefert
Ladungsstrom zum Knotenpunkt 702, in der bevorzugten Ausführungsform
etwa 200 Milliampere, Spitze (tatsächlich eine Reihe von 200 Milliampere
Spitzenimpulsen bei etwa 35 KHz und etwa 33% Tastgrad). Gekoppelt an
jeden Kondensator ist eine Zelle, die eine Hochleistungsdiode 703,
einen Strombegrenzungswiderstand 704 und einen Leistungs-FET
(oder bipolaren Isolierschichttransistor) 706 einschließt. In einer
Zelle ist eine Kathode der Diode 703 an einen zweiten Anschluss
des Kondensators Ci gekoppelt. Die Diode 703 umfasst
eine Anode, die geerdet ist. Daher kann der Kondensator Ci nur unter Verwendung der Diode 703 entladen
werden.
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Zusätzlich weist
der Strombegrenzungswiderstand 704 einen Anschluss gekoppelt
an die Kathode der Diode 703 und einen zweiten Anschluss gekoppelt
an eine Source des FET 706 auf. Ein Drain des FET 706 ist
an Erde gekoppelt. Ein Steuersignal aktiviert oder deaktiviert den
FET 706 abhängig
davon, ob der Kondensator Ci in seiner Zelle
aufzuladen ist.
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In
Betrieb wird ein Steuersignal an jeden FET 706 in jeder
Zelle ausgegeben, die einen aufzuladenden Kondensator Ci enthält. Ladestrom
am Ladungsknotenpunkt 702 lädt nur diejenigen Kondensatoren in
Zellen mit aktiviertem FET 706 auf. Es fließt kein Strom
durch die Diode 703 während Aufladung
des Kondensators. Ein Strombegrenzungswiderstand 704 begrenzt
den maximalen Strom im FET 706. Strom in einem bestimmten
Kondensator Ci kann den von dem Ladesystem
vorgesehenen maximalen Ladungsstrom übersteigen, wie zum Beispiel
wenn ein FET 706 aktiviert wird, wenn ein anderer Kondensator
Ci parallel eine Ladung speichert.
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Zur
Entladung der Kondensatoren Ci ist es unwichtig,
welche Zellen einen aktivierten FET 706 aufweisen, alle
Kondensatoren werden entladen. Die Kondensatoren Ci entladen
sich durch die Diode 703 (eine Hochleistungsdiode wie zum
Beispiel MR756), die Stromstöße über 1000
Ampere für
kurze Impulse bewältigen
kann.
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Daher
ermöglicht
das Erweiterungsmodul 700 Aktivierung nur ausgewählter Kondensatorzellen für parallele
Aufladung, parallele Entladung aller geladenen Zellen. Das Schalten
wird elektronisch gesteuert und sicher für die Umschaltkomponenten.
Infolgedessen verwendet das Erweiterungsmodul 700 zwölf Elektrolytkondensatoren
(einen 25 Mikrofarad Kondensator, einen 50 Mikrofarad Kondensator
und zehn 100 Mikrofarad Kondensatoren) zum Erzeugen von dreiundvierzig
verschiedenen Kapazitätswerten bei
einer Präzision
von 25 Mikrofarad.
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Ein
Erweiterungsmodul gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
(Plus Modul) umfasst zwei 1100 Mikrofarad Kondensatoren zum Liefern
eines Bereichs von 25–3275
Mikrofarad (131 Werte) mit einer Präzision von 25 Mikrofarad. Das
Erweiterungsmodul umfasst auch einen 40 Mikrofarad Kondensator (einen
Dither-Kondensator).
Eine durch den Steuerprozessor gesteuerte Betriebsart ermöglicht dem Mikroprozessor,
durch Verwendung der Kondensatormessfunktion unter Verwendung des
SCR-Eingangskurzschlusses,
alle der Kondensatoren zu messen. Folglich liegen dem Mikroprozessor
dann die Informationen bezüglich
des Kapazitätswerts nahe
zur Gebrauchszeit vor. Wenn die Bedienungsperson einen gewünschten
Kondensator auswählt, regelt
der Mikroprozessor folglich die beste Kombination zum Erzeugen des
tatsächlichen
gewünschten Kapazitätswerts.
Diese Verfahrensweise ermöglich es,
das Kondensatoren von ± 20%
zu Kondensatoren von ±10%
werden. Diese Verfahrensweise ist ein wichtiges Merkmal der bevorzugten
Ausführungsform
des Transfektionssystems.
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Zusammengefasst
schafft die vorliegende Erfindung eine einfache, effiziente Lösung für ein Problem
von Molekularbiologie. Während
das Obige eine vollständig
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
ist, können
verschiedene Alternativen, Abwandlungen und Äquivalente verwendet werden.
Deshalb sollte die obige Beschreibung nicht als den Umfang der Erfindung
begrenzend angesehen werden, welcher durch die anliegenden Ansprüche definiert
ist.