Sperrschwinger mit Mitteln zur Stabilisierung seiner Frequenz bei Speisespannungsänderungen
Der vorliegende Erfindung betrifft einen Sperrschwinger, insbesondere für die Steuerung eines implantabilen Kardiostimulators, wobei der Sperrschwinger auch bei einem Spannungsabfall der Speisespannungsquelle Stimulierimpulse mit einer stabilen Frequenz liefern soll.
Ein implantabiler Kardiostimulator : ist ein Generator, der elektrische Impulse, die zur Regelung der Herztätigkeit bei schweren Herzrythmusstörungen verwendet werden, liefert.
Dieser Generator weist einen sehr niedrigen Stromverbrauch auf und wird aus Batterien mit langer Lebensdauer gespeist. Der Generator samt Batterien ist in einer aus einem gesundheitsunschädlichen Material hergestellten Hülle eingeschlossen und kann in den menschlichen Körper einoperiert, d.h. implantiert werden. Bei den bisher bekannten Kardiostimulatoren steigt die Frequenz der Stimulierimpulse beim Absinken der Speisespannung an, weshalb die Stimulatoren im menschlichen Körper ausgetauscht werden müssen. Ausserdem kann bei extremem Ansteigen der Impulsfrequenz das Leben des Patienten gefährdet werden.
Es ist ein Ziel der Erfindung, die oben angeführten Nachteile zu beheben.
Der Sperrschwinger nach der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Frequenzstabilisierung im RC-Zeitkreis mindestens eine Halbleiterdiode mit dem Widerstand in Serie geschaltet ist und die Schaltungselemente und die Betriebsspannung so gewählt sind, dass die maximale Ladespannung des Kondensators des Zeitkreises unter dem Wert von 2 V liegt.
Die Erfindung soll nun anhand der Figuren an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt die bisher allgemein verwendete Schaltungsanordnung eines Sperrschwingers für Kardiostimulatoren,
Fig. 2 zeigt die allgemeine Schaltungsanordnung eines ist, müsste die Funktion Uc = f (U) linear sein. Bei den Sperrschwingers nach der Erfindung mit dem zur Stabilisierung der Frequenz dienenden Element,
Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung für einen implantabilen Kardiostimulator.
Bei den üblichen Schaltungsanordnungen für Sperrschwinger für implantabile Kardiostimulatoren, gemäss Fig. 1, wird beim Einschalten des Transistors T der Kondensator C aus der Speisespannungsquelle U über den Transformator Tr auf die Spannung Uc geladen. Bei längerer Betriebszeit sinkt die Spannung U der Speisespannungsquelle infolge Erschöpfung um einen Wert A U auf die Spannung U1 = U - A U ab. Der relative
AU Abfall ist dann . 100 ( , c)-
U
Für die Spannung am Kondensator gilt deshalb: Uc = f (U) Diese Funktion hat in dem interessierenden Bereich eine positive Ableitung, d.h. sie ist eine monoton steigende Funktion.
Für die Periodenlänge von Sperrschwingerschwingungen gilt:
U+Uc U+f(U) T = RC in = RC In in
U U Um bei der abgesunkenen Spannung U1 = U - A U die gleiche Periodenlänge T zu erreichen, muss gelten: U+f(U) U1+f(U1)
U U1 oder f(U) U f(ul) U
Damit die Frequenz von der Spannung unabhängig ist, müsste die Funktion Uc = f (U) linear sein. Bei den üblichen Schaltungsanordnungen ist diese Bedingung nicht erfüllt, weshalb die Frequenz des Sperrschwingers mit absinkender Spannung steigt.
Schaltet man mit dem Entladewiderstand R ein die Spannung konstant haltendes Element D (Fig. 2), zum Beispiel eine Zenerdiode in Serie, so ändert sich die die Lade- sowie die Entladezeit des Kondensators C bestimmende Spannung Uv. Es gilt Uv = U - UD, WO UD der Spannungsabfall über dem Element D ist.
Für die Periodenlänge der Schwingungen gilt: Uv+f(U) U-Un+f(U) T = RC in = RC in
Uv U - UD Die Bedingung für unveränderte Periodenlänge bei absinkender Spannung lautet dann folgendermassen: U - UD + f (U) U, - UD +f(U)
U - UD = U1 - UD oder f(U) U - UD f(U1) U1 - UD Daraus errechnet sich: f(U)#U1 - f(U1)#U
UD = # f(U) - f(U1) Danach ist es möglich, durch die geeignete Wahl von UD eine Frequenzunabhängigkeit zu erreichen. Für einen gegebenen Spannungsabfall kann die Frequenzänderung des Sperrschwingers kompensiert werden.
Auf das praktische Ausführungsbeispiel angewendet, kann dieser Ableitung entnommen werden, dass die die Lade- sowie die Entladezeit des Kondensators C bestimmende Spannung Uv mit der Zeit um den Wert A Uv = A U sinkt. Der relative Abfall ist # Uv # Uv # # 100 = # # 100 (%)
Uv U - UD
Die beiden Spannungen U und Uv weisen den gleichen absoluten Abfall A U = A Uv auf. Durch die Wahl der Spannung UD ist es aber möglich, den relativen Abfall der Spannung Uv zu ändern. Sinkt zum Beispiel die Spannung U = 5 V um 1 V ab, so ist der relative Abfall 20 %.
Durch die Verwendung einer Zenerdiode mit UD = 2 V ist der relative Abfall der Sapnnung UV gleich
1 # 100 = 33 %
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In dem betrachteten Bereiche für die Änderungen der Spannungsquelle ist es möglich, den relativen Abfall der das Entladen des Kondensators C bestimmenden Spannung Uv derart zu wählen, dass dieser Abfall die durch den Abfall der Spannung U, welche das Laden des Kondensators C bestimmt, verursachten Frequenzänderungen kompensiert.
Eine beispielsweise Ausführung eines Sperrschwingers in der Schaltungsanordnung eines Kardiostimulators stellt die Fig. 3 dar. Der Sperrschwinger besteht aus dem Transistor Tl, dessen Basis mit einem Zeitkreis C1, R1, R2, D1, D2 verbunden ist. Eine Klemme des Kondensators C1 ist mit einem Ende der Primärwicklung des Transformators Tr verbunden, deren zweites Ende mit dem Emitter des Transistors T1 verbunden ist. Die Se riekombination der Widerstände R1, R5 und der Dioden D1, D2 ist an die erste Klemme der Speisespannungsquelle B angeschlossen. Der Kollektor des Transistors T1 ist an die Sekundärwicklung des Transformators Tr geschaltet, deren zweites Ende ebenfalls mit der ersten Klemme der Speisespannungsquelle B verbunden ist.
Diese Sekundärwicklung ist ausserdem durch eine Diode D5 überbrückt. Der Emitter des Transistors T1 ist über den Widerstand R3 mit der zweiten Klemme der Speisespannungsquelle B und gleichzeitig über den Widerstand R4 mit der Basis des Schalttransistors T2 verbunden, dessen Kollektor über den Kondensator C mit der für den Anschluss der aktiven Stimulierelektrode bestimmten Ausgangsklemme und über den Widerstand R5 mit der ersten Klemme der Speisespannungsquelle B verbunden ist. Der Emitter des Schalttansistors T2 ist mit der zweiten Klemme der Speisespannungsquelle B und mit der für die aktive Stimulierelektrode bestimmten Klemme verbunden.
Die Arbeitsbedingungen des Sperrschwingers, das Transformatorsübersetzungsverhältnis n und die Kapazität des Kondensators C1 werden derart gewählt, dass der Kondensator C1 während des Schaltens des Transistors T1 nur auf 10 - 20 % der Spannung der Spannungsquelle B aufgeladen wird. Anstelle der Zenerdiode werden zwei übliche in Serie geschaltete Siliziumdioden D1, D2 verwendet. Dabei wird hier der Knick der Strom Spannungs-Kannlinie, der bei etwa 0,4 - 0,6 V in der Durchlassrichtung auftritt, ausgenützt.
Durch die Änderung der Anzahl der in Serie geschalteten Dioden kann die gewünschte Abhängigkeit der Frequenz von der Speisespannung erzielt werden. In der beschriebenen Schaltanordnung wurden zwei Dioden verwendet. Bei der Verwendung von drei oder mehreren Dioden kann eine umgekehrte Abhängigkeit erhalten werden, wobei die Frequenz mit absinkender Speisespannung abnimmt.
Durch die Verwendung der stabilisierten Schaltanordnung des Sperrschwingers für den implantabilen Kardiostimulator ist es möglich, die in einer Speisequelle gespeicherte Energie sehr viel besser als bei der Verwendung von unstabilisierten Schaltanordnungen auszunutzen. Dadurch wird die mögliche Betriebsdauer des Gerätes im menschlichen Körper verlängert. Durch die Schaltanordnung kann weiter die Gefahr des Ansteigens der Frequenz bei einem schnellen Speisespannungsabfall, -zum Beispiel beim Defekt eines die Speisequelle bildenden Elementes, stark vermindert werden.
Die beschriebene stabilisierte Schaltanordnung des Impulsgenerators kann auch überall dort verwendet werden, wo eine stabilisierte Impulsfrequenz auch bei ver änderlicher Speisespamlung eingehalten werden soll.