Ladungspumpe

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Als Ladungspumpe bezeichnet man eine elektronische Schaltung zur Erzeugung einer Spannung die höher ist als eine vorhandene Spannung. Ladungspumpen transportieren Ladung mit Kapazitäten von einem niedrigen Potential zu einem höheren, ähnlich wie Wasser mit Eimern von einem niedrigen Ort zu einem höheren befördert wird. Die Ladungspumpe stellt eine Alternative zum DCDC Wandler (Hochsetzsteller, engl. Stepup- oder Boostkonverter) dar, bei dem die höhere Spannung mit einer Induktivität erzeugt wird. Ladungspumpen kommen zum Einsatz, wenn keine großen Ausgangströme erforderlich sind. Der maximale Ausgangsstrom wird durch die Frequenz und die Größe der Kapazitäten bestimmt.

[Bearbeiten] Funktionsweise

Das Bild zeigt einen möglichen, vereinfachten Aufbau einer Ladungspumpe. I1 und I2 sind invertierende Verstärker. In S0 wird ein Rechtecksignal eingespeist, welches damit die Inverterkette I1,I2 treibt. Die Versorgungsspannung ist Vdd, mit der auch die Verstärker versorgt werden. Das obere und untere Bild zeigen die Zustände während der zwei Takte.

Im ersten Takt wird C1 über D1 auf Vdd aufgeladen. Die Ausgangskapazität C3 wird von C2 auf 3Vdd über D3 aufgeladen. D2 sperrt. Die nun anliegenden Spannungen sind grün markiert.

Während der zweiten Phase wird C2 von C1 über D2 auf 2Vdd aufgeladen. D1 und D3 sperren. Sind die Schalter D1 bis D3 ideal und wird dem Ausgang X3 kein Strom entnommen, erscheint an X3 die dreifache Eingangsspannung. Bei dieser Art von Ladungspumpe können beliebig viele Inverter hintereinander geschaltet werden. Die Anzahl der Inverter bestimmt damit die Spannungsvervielfachung.

Es gibt noch einige andere Arten von Ladungspumpen, z.B Hochspannungskaskade. Alle Ladungspumpen haben jedoch das gemeinsame Merkmal, dass mit einer Kapazität und Schaltern eine Ladung von einer niedrigen Spannung zu einer höheren befördert wird.

[Bearbeiten] Anwendungsbeispiel

Zur Kommunikation über eine serielle Schnittstelle nach RS232 sind Signalpegel von +/-12 V erforderlich. Viele digitale Schaltungen arbeiten aber mit einer Versorgungsspannung von 5V. Um auf eine zusätzliche Spannungsquelle von 12V verzichten zu können, kommen Pegelwandler-IC, die nach dem Prinzip der Ladungspumpe funktionieren, zum Einsatz. Dabei werden aus den 5V Betriebsspannung 10V gewonnen und durch einen Spannungsinverter die ebenso benötigten -10V erzeugt. Der Pegelwandler-IC enthält alle Komponenten der Ladungspumpe mit Ausnahme der Kondensatoren, die nicht miniaturisiert werden können. Der am weitesten verbreitete Schaltkreis dieser Art ist der MAX232 und seine Nachfolge-Typen.

Ladungspumpen sind außerdem in allen modernen integrierten Schaltungen enthalten, in denen höhere Spannungen als die Eingangsspannung benötigt werden, insbesondere in Leistungshalbleiterschaltern.