Quelltext der Seite Ladungspumpe

Als '''Ladungspumpe''', {{enS|Charge Pump}}, werden mehrere unterschiedliche [[elektrische Schaltung]]en zusammengefasst, welche [[elektrische Spannung]]en im Wert vergrößern oder verkleinern und Gleichspannungen in der Polarität umkehren. Die Ausgangsspannung einer Ladungspumpe ist immer eine [[Gleichspannung]]. Sofern auch die Eingangsspannung eine Gleichspannung ist, zählt die Ladungspumpe zu den [[Gleichspannungswandler]]n. Ladungspumpen kommen als wesentliches Merkmal ohne magnetische Bauelemente wie [[Spule (Elektrotechnik)|Spulen]] oder [[Transformator]]en aus.

Ladungspumpen transportieren die [[elektrische Ladung]] mit Hilfe von elektrischen [[Kondensator (Elektrotechnik)|Kondensatoren]] und durch periodische Umschaltung mit Schaltern, womit unterschiedlich hohe elektrische Ausgangsspannungen erzeugt werden können. Die Verfahren sind ähnlich, wie wenn Wasser mit Eimern von einem niedrigen Ort zu einem höheren Ort befördert und dort mit höherer [[Potentielle Energie|potentieller Energie]] gesammelt wird.

Ladungspumpen kommen dort als Spannungswandler zum Einsatz, wo keine großen [[Elektrischer Strom|Ausgangströme]] erforderlich sind oder wo keine geeigneten magnetischen Bauelemente wie Spulen eingesetzt werden können.

== Speisung ==
=== Wechselspannung ===
Werden Ladungspumpen mit [[Wechselspannung]] gespeist, so werden sie auch zu den [[Gleichrichter]]n mit Spannungsverdopplung wie die [[Greinacher-Schaltung]] gezählt. Werden die Schaltelemente – üblicherweise [[Diode]]n, die durch Potentialunterschiede schalten – mehrfach [[Kaskadierung|kaskadiert]], können sehr hohe Gleichspannungen erzeugt werden und die Schaltung wird als [[Hochspannungskaskade]] bezeichnet. Anwendungen liegen im Bereich von [[Röhrenfernseher]]n/ -monitoren,  [[Laserdrucker]]n zur Hochspannungserzeugung für die Aufbringung des Toners auf das Papier, in [[Hochspannungslabor]]s oder als Teil von [[Teilchenbeschleuniger]]n wie dem [[Cockcroft-Walton-Beschleuniger]].

{{Hauptartikel|Spannungsverdoppler}}

=== Gleichspannung ===
Die Ladungspumpe als Gleichspannungswandler ({{enS|DC-DC Converter}}) wird mit Gleichspannung gespeist und erzeugt je nach Schaltungstyp entweder eine höhere Gleichspannung als die Eingangsspannung mit gleicher Polarität oder eine negative Ausgangsspannung. Zum periodischen Umschalten der Schalter benötigten diese Ladungspumpen einen [[Oszillator]] oder einen extern zugeführten periodischen Umschaltimpuls.

Als Schalter werden Kombinationen von aktiv gesteuerten [[Transistor]]en – üblich sind [[Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor]]en – und Dioden als potentialgesteuerten Schaltern eingesetzt. Bei kleinen Leistungen lassen sich diese Bauelemente gemeinsam mit den Kondensatoren direkt in den [[Integrierter Schaltkreis|integrierten Schaltungen]] unterbringen. Die [[Frequenz|Schaltfrequenzen]] liegen zwischen 100&nbsp;[[Hertz (Einheit)|kHz]] und einigen Megahertz.<ref name="max_app725" />

Im Folgenden werden beispielhafte Schaltungen von Ladungspumpen mit Gleichspannungsspeisung für positive oder negative Ausgangsspannungen beschrieben.

== Positive Ausgangsspannungen ==
=== Spannungsverdopplung ===
[[Datei:Ladungspumpe pos einf.svg|mini|Ladungspumpe zur Spannungsverdopplung]]
In nebenstehender Schaltskizze ist eine Ladungspumpe zur Gleichspannungsverdopplung dargestellt. Die links zugeführte Gleichspannung ''U''<sub>e</sub> wird in eine positive Gleichspannung ''U''<sub>a</sub> mit dem Wert

:<math>U_a = 2 \cdot U_e - 2 \cdot U_D</math>

umgewandelt. Die Spannung ''U''<sub>D</sub> ist die [[Flussspannung]] einer Diode und beträgt bei [[Silizium]]-Dioden ca. 0,7&nbsp;V. Der schematisch eingezeichnete Schalter ''S'' ist in Wirklichkeit eine [[Gegentaktendstufe]] (''CMOS-Inverter''); er wird mit einer bestimmten, von einem Oszillator gelieferten Schaltfrequenz periodisch zwischen den beiden Schaltzuständen umgeschaltet.

Im ersten Zustand befindet sich der Schalter ''S'' in der eingezeichneten Position und lädt den Pumpkondensator ''C''<sub>1</sub> über die Diode ''D''<sub>1</sub> auf die Eingangsspannung ''U''<sub>E</sub> auf. Wegen des Spannungsabfalls über der Diode (Flussspannung) wird der Pumpkondensator auf etwas weniger als die volle Eingangsspannung aufgeladen. Danach wird der Schalter nach oben geschaltet. Dann liegen die Eingangsspannung und die Spannung an ''C''<sub>1</sub> in Reihe, womit ''D''<sub>1</sub> in Sperrrichtung liegt und ''D''<sub>2</sub> leitend wird. Dadurch wird Ausgangskondensator ''C''<sub>2</sub> auf etwas weniger als 2·''U''<sub>E</sub> aufgeladen. Danach wiederholt sich der Zyklus.

Der Schalter S wird durch Transistoren realisiert und verkörpert einen Wechselrichter, zu weiteren Schaltungstopologien siehe daher auch unter [[Spannungsverdoppler]].

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=== Spannungsvervielfachung ===
[[Datei:Ladungspumpe pos kaskade.svg|mini|hochkant=1.5|Ladungspumpe in Kaskadenschaltung]]
Obige Schaltung kann durch eine Kaskadierung auch dazu verwendet werden, höhere als die doppelte Eingangsspannung zu liefern, wie in nebenstehender Abbildung dargestellt. Die Ausgangsspannung beträgt bei dieser Schaltung:

:<math>U_a = 3 \cdot U_e - 4 \cdot U_D</math>

Die Funktion des linken Teils der Schaltung – also bis zum Knotenpunkt an C<sub>2</sub> und D<sub>2</sub> – ist identisch zur Schaltung für die einfache Spannungsverdopplung. Der zusätzlich eingefügte Pumpkondensator ''C''<sub>3</sub> wird über ''D''<sub>3</sub> auf ca. die doppelte Eingangsspannung aufgeladen und im nächsten Zyklus addiert sich die Eingangsspannung ''U''<sub>e</sub> zu der Spannung an ''C''<sub>3</sub> zu ca. der dreifachen Eingangsspannung.

Der Schalter S wird durch [[Transistor]]en realisiert und verkörpert einen [[Wechselrichter]]. Zur Schaltungstopologie siehe daher auch bei [[Hochspannungskaskade]].

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=== Dickson-Ladungspumpe ===
[[Datei:Dickson voltage multiplier.svg|mini|Grundprinzip Dickson-Ladungspumpe]]
Eine geringfügige Erweiterung der kaskadierten Ladungspumpe führt zu der als ''Dickson-Ladungspumpe'' bezeichneten Schaltung, deren Schaltprinzip insbesondere im Bereich von integrierten Schaltungen eine Rolle spielt.<ref name="liu" /> Dabei werden statt eines Umschalters ''S'' bzw. einer CMOS-Stufe zwei [[Phasenverschiebung|phasenverschobene]] Taktsignale, wie in nebenstehender Skizze als Φ1 und Φ2 dargestellt, verwendet.

[[Datei:Dickson MOSFET voltage multiplier.svg|mini|Dickson-Ladungspumpe mit MOSFETs]]
[[Datei:Dickson multiplier with 2nd transistor.svg|mini|Dickson-Ladungspumpe mit zusätzlichen Schalttransistoren zur Effizienzsteigerung]]
Die Dickson-Ladungspumpe wird vor allem im Bereich [[Integrierte Schaltung|integrierter Schaltungen]] verwendet, die von einer geringen Batteriespannung, beispielsweise von 1&nbsp;V bis 1,5&nbsp;V, aus arbeiten und die für die im IC notwendigen höheren Spannungen wie 3,3&nbsp;V erzeugen. Nachteilig an der Grundform ist die pro Diode abfallende Flussspannung, welche bei diesen geringen Spannungen einen Betrieb verhindert. Daher werden die Dioden durch [[Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor]]en (MOSFETs) wie in zweiter Schaltung ersetzt.

Zwar ist der Spannungsabfall an den MOSFETs geringer als die Flussspannung von rund 0,7&nbsp;V bei Silizium-Dioden, allerdings werden in diesem Fall die MOSFETs im linearen Bereich betrieben, was noch immer zu Spannungsverlusten von rund 0,3&nbsp;V pro MOSFETs führt. Bei beispielsweise einer Dickson-Ladungspumpe mit fünf MOSFETs und einer Eingangsspannung von 1,5&nbsp;V wird nur eine tatsächliche Ausgangsspannung knapp über 2&nbsp;V erreicht. Durch Parallelschalten von zusätzlichen MOSFETs, die als Schalter dienen, wie in darunter stehender Abbildung dargestellt und deren Gate-Spannung von höheren Spannungszweigen aus gewonnen wird, lässt sich in diesem Fall eine Ausgangsspannung von rund 4&nbsp;V erzielen. Der Spannungsabfall pro Stufe liegt in diesem Fall bei rund 0,15&nbsp;V. Das ist für den Betrieb üblicher CMOS-Schaltungen im Regelfall ausreichend.

Darüber hinaus existieren noch über die Dickson-Ladungspumpe hinausgehende Erweiterungen, wie die ''Mandal-Sarpeshkar-Ladungspumpe'' welche die in diesem Fall störende [[Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor#Schwellenspannung|Schwellenspannung]] der MOSFETs in der Auswirkung weiter reduziert. Die ''Umeda-Ladungspumpe'' und die ''Nakamoto-Ladungspumpe'' vermeidet den Effekt der Schwellenspannung der MOSFETs gänzlich, benötigt aber im ersten Fall eine zusätzliche, von extern zugeführte höhere Spannung, welche nicht in allen Anwendungen zur Verfügung steht. Die ''Nakamoto-Ladungspumpe'' erzeugt sich diese höhere Hilfsspannung intern, ist aber mit einem deutlich höheren Schaltungsaufwand verbunden.<ref name="liu" />

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== Negative Ausgangsspannungen ==
=== Spannungsinvertierung ===
[[Datei:Ladungspumpe neg einf.svg|mini|Schaltung zur Spannungsinvertierung]]
Ladungspumpen können auch zur Spannungsinvertierung eingesetzt werden. Damit wird eine negative Gleichspannung mit einem Spannungswert unterhalb des Bezugspotentials zur symmetrischen Speisung von beispielsweise [[Operationsverstärker]]n gewonnen.

In nebenstehender Schaltskizze befindet sich der Schalter ''S'' zunächst in der eingezeichneten Grundstellung und lädt den Pumpkondensator ''C''<sub>1</sub> über die Diode ''D''<sub>1</sub> auf die Eingangsspannung auf. Danach wird die positive Seite von ''C''<sub>1</sub> durch Umschalten von ''S'' auf Bezugspotential (Masse) geschaltet, womit die andere Kondensatorplatte eine gegenüber Masse negative Spannung annimmt. Dadurch sperrt ''D''<sub>1</sub> während der Ausgangskondensator ''C''<sub>2</sub> über ''D''<sub>2</sub> auf die negative Ausgangsspannung aufgeladen wird. Die Ausgangsspannung beträgt in diesem Fall:

:<math>U_a = -U_e + 2 \cdot U_D</math>

Eine seit Mitte der 1980er Jahre angebotene, somit als klassisch zu bezeichnende integrierte Ladungspumpe für die Erzeugung von −5&nbsp;V aus +5&nbsp;V ist der [[Integrierter Schaltkreis|integrierte Schaltkreis]] ''*7660'', als ICL7660 von [[Intersil]] eingeführt.<ref name="icl7660" /> Hier werden Schalter und Dioden durch Transistoren gebildet, ein intern erzeugter Takt von 10&nbsp;kHz steuert alle aktiven Bauteile. Da die Kondensatoren nicht integrierbar sind, müssen sie extern angeschlossen werden. Während C2 oft ohnehin in der Schaltung vorhanden ist, betrifft das insbesondere C1, der eine übliche Größe 10&nbsp;µF hat. Manche Hersteller bieten 7660 mit bis 12&nbsp;V erweitertem Betriebsspannungsbereich, die dann dementsprechend auch −12&nbsp;V erzeugen können.

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=== Invertierte Spannungsvervielfachung ===
[[Datei:Ladungspumpe neg kaskade.svg|mini|hochkant=1.5|Negative Spannungsvervielfachung mit Kaskade]]
Wie bei positiver Spannungsvervielfachung kann auch die Schaltung zur invertierten Spannungsvervielfachung kaskadiert werden, um so betragsmäßig höhere Ausgangsspannungen als die Eingangsspannung zu erhalten. Die Schaltung ist dabei wieder im linken Teil identisch zum einfachen Inverter und wird durch einen zusätzlichen Pumpkondensator ''C''<sub>2</sub> ergänzt. Die Ausgangsspannung beträgt in diesem Fall:

:<math>U_a = -2 \cdot U_e + 4 \cdot U_D</math>

Um die Verluste zufolge der Flussspannungen ''U''<sub>D</sub> der Dioden zu vermeiden, werden in integrierten Schaltungen typischerweise alle Schalter in Form von gesteuerten Feldeffekttransistoren mit möglichst kleinen [[RDSON|''R''<sub>DS(on)</sub>]] ausgeführt. Um die Umladeverluste in den Kondensatoren möglichst klein zu halten, werden die Kapazitäten möglichst groß, bei Bedarf bei integrierten Schaltungen in Form von externen Kondensatoren, und die Schaltfrequenzen möglichst hoch gewählt.

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== Anwendungsbeispiele ==
=== RS232-Pegelwandlung ===
Zur Kommunikation über eine serielle [[Schnittstelle]] nach [[EIA-232]] (RS232) sind Signalpegel von ±12&nbsp;V erforderlich. Viele digitale Schaltungen arbeiten aber mit einer Versorgungsspannung von 5&nbsp;V oder weniger. Um auf eine zusätzliche Spannungsquelle von ±12&nbsp;V verzichten zu können, werden Ladungspumpen zur Spannungsvervielfachung und zur Spannungsinvertierung im Schnittstellenbaustein eingesetzt. Dabei werden aus den 5&nbsp;V Betriebsspannung zunächst durch Verdoppeln 10&nbsp;V gewonnen und nachfolgend durch Spannungsinvertierung die −10&nbsp;V erzeugt. Die erzeugten Spannungen von ±10&nbsp;V liegen innerhalb des [[Toleranzfeld]]es der RS232 und sind daher ausreichend.

Solche Pegelwandler-ICs enthalten in der Regel alle Komponenten der Ladungspumpe mit Ausnahme der Kondensatoren, die in der erforderlichen Kapazität nicht bei allen integrierten Schaltkreisen direkt am Substrat integriert werden können. Ein verbreiteter Schaltkreis dieser Art ist der ''MAX232'' von [[Maxim Integrated|Maxim Integrated Products]] und seine Nachfolgetypen.<ref name="max232" />

=== Programmierspannungserzeugung ===
Eine weitere Anwendung von Ladungspumpen ist die Erzeugung der für die Programmierung von [[Flash-Speicher]] notwendigen Programmierspannung im Bereich von 10&nbsp;V bis 15&nbsp;V. Zum Beschreiben der [[Floating Gate]]s der einzelnen Speicherzellen werden höhere Spannungen benötigt als die üblicherweise von außen dem Speicherchip zugeführten 3,3&nbsp;V. Diese höhere Programmierspannung wird dabei direkt auf dem Speicherchip in Form einer kleinen Ladungspumpe mit integrierten Kondensatoren erzeugt. Die Kapazitäten der Kondensatoren sind dabei vergleichsweise klein und bewegen sich im Bereich einiger pF – für den Schreibvorgang werden allerdings auch nur geringe Ströme benötigt. Der schaltungstechnische Vorteil besteht darin, dass die Speicherchips mit Hilfe der integrierten Ladungspumpen mit nur einer einzigen Versorgungsspannung versorgt werden können.

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=== Spannungserzeugung im DRAM ===
Synchrone dynamische Speicher wie die [[Synchronous Dynamic Random Access Memory|SDRAMs]] werden üblicherweise mit nur einer Versorgungsspannung betrieben, die je nach Standard bei z.&nbsp;B. 1,5&nbsp;V für [[DDR-SDRAM#DDR3-SDRAM|DDR3]] liegt. Im SDRAM-Chip werden zur Ansteuerung des Speicherfeldes mehrere unterschiedliche Spannungen benötigt, die teilweise oberhalb der Versorgungsspannung liegen oder negativ sind. Insbesondere sind das die Spannungen für die Wortleitungen, V<sub>PP</sub> und V<sub>NWL</sub> (V ‚pumped‘ und V ‚negative word line‘). Diese Spannungen liegen in Bereichen von ca. 2,5–3,5&nbsp;V für V<sub>PP</sub> und ca. −1&nbsp;V bis 0&nbsp;V für V<sub>NWL</sub> (je nach Prozess und Hersteller). Für beide Spannungen werden Ströme bis in den Bereich von 10–100&nbsp;mA benötigt. Insbesondere für die V<sub>PP</sub>-Ladungspumpen, die aufgrund der Spannungsverhältnisse in [[DDR-SDRAM#DDR2-SDRAM|DDR2]] oder DDR3-Speichern zwei- oder dreistufig sein müssen, wird daher im Vergleich zu anderen Spannungsgeneratoren relativ viel Chipfläche benötigt.<ref name="keeth" />

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=== Treiber- und Bootstrap-Schaltungen ===
[[Datei:Wiko Rainbow 4G - Flash LED with SGM3140 LED Driver -5572.jpg|mini|Ladungspumpen-IC (unten) für den Betrieb des LED-Blitzes eines [[Smartphone]]s]]
Ladungspumpen sind in vielen Schaltungen enthalten, in denen höhere Spannungen als die Eingangsspannung benötigt werden oder diese Spannungen ein veränderliches Bezugspotential haben müssen, z.&nbsp;B. in [[Gate-Treiber|Treiberschaltkreisen]] zur Ansteuerung von Leistungshalbleiter-Schaltern (Stichworte ''level shifter, high side switches'').

Das ist z.&nbsp;B. dann der Fall, wenn im oberen Schaltzweig einer Brückenschaltung ein [[Bipolartransistor|NPN-]] bzw. [[Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor|NMOS-Transistor]] verwendet werden soll. Oft wird die Ladungspumpe aus der ohnehin vorhandenen Ausgangswechselspannung gespeist und besteht dann nur aus einer Diode und einem Kondensator. Sie wird auch als [[Bootstrapping (Elektrotechnik)|Bootstrap-Schaltung]] bezeichnet bzw. der zugehörige Kondensator als ''Bootstrap''-Kondensator.

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== Einzelnachweise ==
<references>
<ref name="max_app725">{{Webarchiv|url=http://www.maxim-ic.com/app-notes/index.mvp/id/725 |wayback=20100715184542 |text=DC-DC Conversion Without Inductors |archiv-bot=2022-03-13 09:14:55 InternetArchiveBot }}, Firmenschrift (Application Note) 725, Maxim-IC, 22. Juli 2009, engl.</ref>
<ref name="keeth">
Brent Keeth, R. Jacob Baker, Brian Johnson: ''DRAM Circuit Design: Fundamental and High-Speed Topics.'' 2. Auflage. Wiley & Sons, 2007, ISBN 0-470-18475-2.
</ref>
<ref name="icl7660">
[https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/ICL7660-MAX1044.pdf Datenblatt] (PDF; 1,73&nbsp;MB) der Ladungspumpe ''ICL7660'' von Intersil/MAXIM (englisch)
</ref>
<ref name="max232">
{{Webarchiv |url=http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX220-MAX249.pdf |wayback=20100201005036 |text=+5V-Powered, Multichannel RS-232 Drivers/Receivers |archiv-bot=2019-04-24 17:35:52 InternetArchiveBot}} (PDF; 1,9&nbsp;MB), Datenblatt von Maxim-IC, Januar 2006, engl.
</ref>
<ref name="liu">
{{Literatur |Autor=Mingliang Liu |Titel=Demystifying Switched-Capacitor Circuits |Verlag=Newnes |Datum=2006 |ISBN=0-7506-7907-7}}
</ref>
</references>

== Literatur ==
* {{Literatur
   |Autor=Ulrich Tietze, Christoph Schenk
   |Titel=Halbleiterschaltungstechnik
   |Auflage=12.
   |Verlag=Springer
   |Datum=2002
   |ISBN=3-540-42849-6}}

== Weblinks ==
* [https://www.joretronik.de/Web_NT_Buch/Kap5/Kapitel5.html Jörg Rehrmann, das neue InterNetzteil- und Konverter-Handbuch]
* [https://www.falstad.com/circuit/e-volttriple.html Java-animierte Kaskade (Verdreifachung)]

[[Kategorie:Gleichspannungswandler]]