Ladepumpenkreis

Die Situation ist einfach: Sie haben eine Niederspannungsversorgungsschiene, z. B. 3,3 V, und möchten etwas mit Strom versorgen, das 5 V benötigt. Dies ist eine schwierige Aufgabe, insbesondere wenn Batterien beteiligt sind. Der einzig offensichtliche Weg ist ein Schaltmoduswandler, genauer gesagt ein Aufwärtswandler.

Hier stoßen wir auf eine Straßensperre - Aufwärtswandler sind bei niedrigen Leistungen ineffizient, da viel Energie verbraucht wird, nur um die Regelung auf dem neuesten Stand zu halten und den Netzschalter zu betätigen. Außerdem sind Schaltmoduswandler dieses Typs verrauscht - dies ist ein Problem, wenn Sie mit empfindlichen Schaltkreisen arbeiten. Sie befinden sich in der unangenehmen Position einer überentwickelten Lösung. Linearregler arbeiten nicht rückwärts, daher ist dies als unterentwickelt ausgeschlossen.

Wo ziehen wir also die Grenze zwischen überentwickelt und unterentwickelt?

Die Antwort auf dieses Problem ist die Ladepumpe, die für sich genommen eine Art Schaltnetzteil darstellt. Wie der Name schon sagt, bewegt diese Art von Wandler diskrete Ladungen und die Komponente, die diese diskreten Ladungen speichert, ist der Kondensator. Daher wird diese Art von Wandler auch als Flying Capacitor Converter bezeichnet.

Eine Ladungspumpe erzeugt unter Verwendung von Kondensatoren diskrete Vielfache der Eingangsspannung.

Wie funktioniert eine Ladepumpe?

Der beste Weg, dies zu verstehen, besteht darin, sich die folgende Situation vorzustellen.

Sie laden einen Kondensator mit einer 9-V-Batterie auf, sodass die Spannung am Kondensator ebenfalls 9 V beträgt. Dann nehmen Sie einen anderen Kondensator und laden ihn ebenfalls auf 9V auf. Verbinden Sie nun die beiden Kondensatoren in Reihe und messen Sie die Spannung über ihnen - 18V.

Dies ist das Grundprinzip der Funktionsweise der Ladungspumpe: Nehmen Sie zwei Kondensatoren, laden Sie sie einzeln auf und schalten Sie sie dann in Reihe. Bei einer realen Ladungspumpe erfolgt die Neuanordnung jedoch elektronisch.

Dies ist natürlich nicht nur auf zwei Kondensatoren beschränkt, sondern es können aufeinanderfolgende Stufen kaskadiert werden, um höhere Spannungen am Ausgang zu erhalten.

Einschränkungen von Ladepumpen

Bevor wir eine bauen, ist es eine gute Idee, die Einschränkungen von Ladungspumpen kennenzulernen.

1. Verfügbarer Ausgangsstrom - Da Ladungspumpen nichts anderes als Kondensatoren sind, die zyklisch geladen und entladen werden, ist der verfügbare Strom sehr niedrig. In seltenen Fällen können Sie mit dem richtigen Chip 100 mA erzielen, jedoch bei niedrigen Wirkungsgraden.

2. Je mehr Stufen Sie hinzufügen, desto höher ist der Spannungsausgang nicht. Jede Stufe lädt den Ausgang der vorherigen Stufe, sodass der Ausgang kein perfektes Vielfaches des Eingangs ist. Dieses Problem wird umso schlimmer, je mehr Stufen Sie hinzufügen.

Aufbau eines Ladungspumpenkreislaufs

Die hier gezeigte Schaltung ist für eine einfache dreistufige Ladungspumpe vorgesehen, die den immergrünen 555-Timer-IC verwendet. In gewisser Weise ist diese Schaltung "modular" - Stufen können kaskadiert werden, um die Ausgangsspannung zu erhöhen (unter Berücksichtigung der Einschränkung Nummer zwei).

Erforderliche Komponenten

1. Für den Oszillator 555

• 555 Timer - bipolare Variante
• 10uF Elektrolytkondensator (Entkopplung)
• 2x 100nF Keramikkondensator (Entkopplung)
• 100pF Keramikkondensator (Timing)
• 1K Widerstand (Timing)
• 10K Widerstand (Timing)

2. Für die Ladepumpe

• 6x IN4148-Dioden (UF4007 ebenfalls empfohlen)
• 5x 10uF Elektrolytkondensatoren
• 100 uF Elektrolytkondensator

Es ist wichtig zu beachten, dass alle in der Ladungspumpe verwendeten Kondensatoren für einige Volt mehr als die erwartete Ausgangsspannung ausgelegt sein müssen.

Schaltplan

So sieht es auf dem Steckbrett aus:

Beschreibung des Ladepumpenkreises

1. Der 555 Timer

Die hier gezeigte Schaltung ist ein einfacher, stabiler 555-Timer-Oszillator. Die Timing-Komponenten führen zu einer Frequenz von etwa 500 kHz (was für einen bipolaren 555 an sich schon eine Leistung ist). Diese hohe Frequenz stellt sicher, dass die Kondensatoren an der Ladungspumpe regelmäßig "aufgefrischt" werden, damit die Spannung am Ausgang nicht zu stark wellig wird.

2. Die Ladepumpe

Dies ist der einschüchterndste Teil der gesamten Strecke. Wie die meisten anderen Dinge kann man es verstehen, indem man es in eine Einheit zerlegt:

Nehmen wir an, dass Pin 3, der Ausgang des 555-Timers, während des Startvorgangs niedrig ist. Dies führt dazu, dass der Kondensator über die Diode aufgeladen wird, da der negative Anschluss jetzt geerdet ist. Wenn der Ausgang hoch geht, geht auch der negative Pin hoch - aber da der Kondensator bereits geladen ist (was aufgrund der Diode nirgendwo hingehen kann), ist die am positiven Anschluss des Kondensators gesehene Spannung effektiv doppelt so hoch wie die Eingangsspannung.

Hier ist der Pluspol des Kondensators:

Das Endergebnis ist, dass Sie dem Ausgang des 555-Timers effektiv einen Offset von V _CC hinzufügen.

Jetzt ist diese Spannung direkt als Ausgang unbrauchbar, da es eine massive Welligkeit von 50% gibt. Um dies zu lösen, fügen wir einen Spitzendetektor hinzu, wie in der folgenden Abbildung gezeigt:

Dies ist der Ausgang der obigen Schaltung:

Und wir haben den Spannungsausgang erfolgreich verdoppelt!

Tipps zum Schaltungsaufbau

Der Bipolar 555 ist bekannt für die Versorgungsspitzen, die er auf der Versorgungsschiene erzeugt, da die Ausgangs-Push-Pull-Stufe die Versorgung während der Übergänge fast kurzschließt. Eine Entkopplung ist also obligatorisch.

Ich mache einen kurzen Umweg, um Ihnen etwas über die richtige Entkopplung zu erzählen.

Hier ist der V _CC- Pin des Oszillators ohne Entkopplung:

Und hier ist der gleiche Stift mit der richtigen Entkopplung:

Sie können deutlich sehen, welchen Unterschied ein wenig Entkopplung macht.

Für die Ladungspumpenstufe werden keramische SMD-Kondensatoren mit niedriger Induktivität empfohlen. Schottky-Dioden mit einem geringen Durchlassspannungsabfall verbessern ebenfalls die Leistung.

Die Verwendung eines CMOS 555 mit einer geeigneten Ausgangsstufe (möglicherweise sogar eines Gate-Treibers wie dem TC4420) kann die Versorgungsspitzen reduzieren (aber nicht beseitigen).

Variationen der Ladepumpe

Ladepumpen erhöhen nicht nur die Spannung, sie können auch zur Umkehrung der Spannungspolarität verwendet werden.

Diese Schaltung funktioniert genauso wie der Spannungsverdoppler - wenn der 555-Ausgang hoch geht, lädt sich die Kappe auf, und wenn der Ausgang niedrig wird, wird die Ladung in umgekehrter Richtung durch den zweiten Kondensator gezogen, wodurch eine negative Spannung am Ausgang erzeugt wird.

Wo verwende ich eine Ladepumpe?

• Bipolaritätsversorgung für Operationsverstärker in einem Stromkreis, in dem nur eine einzige Spannung verfügbar ist. Operationsverstärker verbrauchen nicht viel Strom, daher ist dies eine perfekte Passform. Das Schöne daran ist, dass ein Wechselrichter und ein Verdoppler mit demselben Ausgang betrieben werden können, wodurch beispielsweise eine ± 12-V-Versorgung aus einer 5-V-Versorgung entsteht.
• Gate-Treiber - Bootstrapping ist eine Option, aber eine Ladungspumpe kann möglicherweise eine höhere Spannung erzeugen, z. B. mit einem 12-V-Gate-Treiber aus einer 3,3-V-Versorgung. Bootstrapping würde in diesem Fall nicht mehr als 7V liefern.

Ladepumpen sind also einfache und effiziente Geräte, mit denen diskrete Vielfache der Eingangsspannung erzeugt werden.