Ladungspumpen


engl. charge pump

Dienen der Vervielfachung einer Spannung und/oder der Umpolung einer Spannung. Eine Besonderheit von Ladungspumpen ist, dass diese ohne Induktivitäten aufgebaut werden können.


1. Ladungspumpen für Sinus-förmige Wechselspannungen


Klassische Ladungspumpen zum transformieren einer Wechselspannung.


1.1 Villard-Schaltung


Ladungspumpe zum anheben einer Wechselspannung in den positiven Bereich.

Schaltungssimulation der Villard-Schaltung.

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Die Ausgangsspannung U_A(t) ist die Eingangsspannung U_E(t), die um die Amplitude von U_E(t) angehoben (Offset) wurde, abzüglich der Vorwärtsspannung einer Diode U_D .

Latex formula: U_A(t) = U_E(t) + \hat U_E - U_D


Weiterführende Quellen:



1.2 Grainacher-Schaltung


Umwandeln einer Wechselspannung in Gleichspannung.

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Simulationsergebnisse:
ua: MAX(v(out))=8.65947 FROM 0 TO 0.1
ud: MAX(v(z)-v(out))=0.664004 FROM 0.08 TO 0.1

Eingangsspannungsamplitude: U_E = 5 V
Diodenvorwärtsspannung: U_D = 0.664 V

Aus der Schaltung hergeleitete Formel:

Latex formula: U_A = 2 \cdot (\hat U_E - U_D)

Berechnete Ausgangsspannung: 8,672
Simulierte Ausgangsspannung: 8.660

HorowitzHill1996Keine Zugangsberechtigung, Teil 1, S. 68


1.3 Zweiweg Grainacher-Schaltung


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HorowitzHill1996Keine Zugangsberechtigung, Teil 1, S. 67


1.4 Delton-Schaltung


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Simulationsergebnisse:
uab: MAX(v(a)-v(b))=9.684 FROM 0 TO 0.1
ua: MAX(v(a))=4.85305 FROM 0 TO 0.1
ub: MIN(v(b))=-4.85308 FROM 0 TO 0.1


Nuehrmann1998, Band 3, S. 2586
Rose1996, S. 240
HorowitzHill1996Keine Zugangsberechtigung, Teil 1, S. 67


1.5 Kaskade


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vo1: MAX(v(o1))=19.4829 FROM 0 TO 1.4
vo2: MAX(v(o2))=38.9767 FROM 0 TO 1.4



2. Getaktete Ladungspumpen


Ladungspumpen, die mit rechteck-förmigen Spannungen oder Strömen getaktet werden.

2.1 Kaskade


Spannungsvervielfachung, Spannungsverdopplung, Spannungsinvertierung

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vo1: MAX(v(o1))=9.67516 FROM 0 TO 1.99994
vo2: MAX(v(o2))=14.4 FROM 0 TO 1.99994

U_B: Betriebspannung (5 V in der Simulation)
U_D: Diodenvorwärtsspannung (Annahme 600 mV)
n : Anzahl der Stufen (Im Beispiel sind es zwei)


Allgemeine Berechnungsgleichung für eine beliebige Anzahl von n Stufen
Latex formula: U_A = U_B - n \cdot (U_B - U_D)

BerechnungSimulation
Stufe 19,4 V9.68 V
Stufe 213,8 V14,4 V


Delon-Schaltung
http://www.sprut.de/electronic/switch/schalt.html


Beispiel:
Kaskadenladungspumpe mit Oszillator von 12 V auf -20 V
Beispiel-Projekt mit Praxistest






Siehe auch Ladungspumpe555

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