Negative Versorgungsspannung erzeugen
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In der Praxis benötigt man immer wieder mal eine negative Versorgungsspannung in einem Gerät, welches jedoch nur mit einer einzigen Spannung versorgt wird. Oft wird damit ein Operationsverstärker zur Signalaufbereitung oder ein LCD (Kontrast-Spannung) versorgt. Meist muss die negative Spannung nur recht gering belastbar sein. Hierfür gibt es eine Reihe von Möglichkeiten, wie man dieses elegant ohne zusätzliches Netzteil lösen kann.

Oft verwendet man hierfür einen Spannungsinverter mit Dioden und Kondensatoren

Funktionsprinzip:

der Schalter S1 wird ständig umgeschaltet. dabei passiert folgendes:

Wenn der Schalter in Stellung 1 ist, wird der Kondensator C1 über den Schalter und die Diode D1 aufgeladen. Der Minus-Pol von C1 liegt dabei auf einem Potential von ca 0.7V (Durchlass-Spannung von D1).

Da kein weiterer Widerstand den Ladestrom von C1 begrenzt, lädt sich dieser also sehr schnell auf eine Spannung von Vcc-0.7 auf.

Wird jetzt der Schalter S1 umgeschaltet, liegt der Plus-Pol von C1 auf Masse-Potential.

Der Minus-Pol von C1 wird damit auf ein negatives Potential von (Vcc-0.7) gelegt. D2 'sieht' nun diese negative Spannung, und somit wird über D2 der Kondensator C2 auf ein negatives Potential von (vcc-0.7)-0.7 aufgeladen.

Bei jedem Umschaltvorgang des Schalters wird also eine gewisse Ladungsmenge von C1 nach C2 umgeschaufelt und so die Spannung abzüglich 2*Durchlass-Spannung invertiert.

Dieses Konzept nennt sich also logischerweise Ladungspumpe (engl. Charge Pump).

Die Spannung an C2 erreicht im Unbelasteten Zustand in etwa den Wert -(Vcc-1.4). Bei Belastung bricht sie recht schnell zusammen, aber für viele Anwendungen reicht es locker aus.

In der Praxis macht man das natürlich nicht mit einem Schalter, sondern ersetzt diesen durch eine elektronische Variante. (ich habe aber auch schon mal Varianten mit Relais gesehen!)

Dabei ist dieses Konzept recht vielseitig. Nahezu jedes Bauteil, welches eine geeignete Ausgangsstufe beinhaltet, kann den Schalter ersetzen:

Mit einem NE555

Mit geeigneter Aussenbeschaltung (hier nicht gezeigt) liefert der NE555 ein Rechtecksignal an seinem Ausgang Q, welches invertiert wird.

Mit einem Microcontroller:

Die meisten modernen Mikrocontroller haben Komplemäntäre Ausgangsstufen, die sich für diesen Zweck Missbrauchen lassen.

Dimensionierung der Bauteile: Je nach Schaltfrequenz C1 ca 1 bis 100uF, C2 ca 2-3*C1

verwendet man Schottky-Dioden, hat man geringere Verluste durch die Durchlass-Spannungen.

Mit einem ICL 7660 (und Verwandten)

Auf einem Ähnlichen Prinzip basiert der Charge Pump Baustein ICL7660. Er benötigt als Aussenbeschaltung nur zwei Kondansatoren.

Nachteil aller diese Varianten ist zum einen die geringe Strombelastbarkeit der negativen Spannung, zum anderen eventuelle Störsignale. Diese Art von Ladungspumpen wird meist mit einigen kHz Schaltfrequenz betrieben, so dass sich durch die hohen Schaltströme im Umschaltmoment Störungen ergeben könnten. Dieses ist beim Schaltungsentwurf unbedingt zu berücksichtigen!

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