Negative Spannung kleiner Leistung

Das Problem
Ladungspumpen
Inverter-Schaltung
DC/DC-Wandler
 

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Problem

• Will man mit einem OPV Signale um 0V verarbeiten, so kommt man oft nicht darum herum, dem OPV neben der positiven auch eine negative Betriebsspannung zu spendieren.
• Da hat man preisgünstig ein tolles LCD-Dotmatrix-Display erstanden, und dann stellt sich heraus: es ist ein Exemplar für den erweiterten Temperaturbereich, das unbedingt eine negative Spannung zur Kontrasteinstellung benötigt.

In beiden Fällen genügt eine negative Spannung von wenigen Volt, die mit einem Strom von etwa 1 mA belastet wird. Dafür lohnt der Aufbau eines separaten Netzteilzweiges oder der Einsatz einer separaten Batterie nicht.

Ladungspumpen

Eine Ladungspumpe benötigt eine Eingangs-Wechselspannung. Das kann eine Trafowicklung sein, es genügt aber auch ein beliebiges Taktsignal das vielleicht ohnehin schon in der verwendeten elektronischen Schaltung existiert. Soll z.B. in einer Schaltung mit einem PIC-Prozessor ein LCD mit einer negativen Kontrastspannung versorgt werden, so wird vielleicht auf dieses Display oder auf eine Tastatur zyklisch zugegriffen. Damit gibt es dann auf den zugehörigen Steuerleitungen eine geeignete Pulsfolge, um die Ladungspumpe zu füttern. Wenn nicht, dann macht man sich einen Rechteck, indem man ein unbenutztes Pin des PIC von der Software zyklisch hin- und her-schalten lässt. Der Takt sollte im Kiloherzbereich liegen, der PIC-Oszillator-Takt  (normalerweise einige MHz) eignet sich also nicht. Das PWM-Modul vieler PICs eignet sich hervorragend.

Wem die Nutzung des PIC als Rechteckgeneratur zu mystisch ist, der kann natürlich einen Rechteckgenerator mit einem 7400 oder einem NE555 aufbauen. Es gibt aber auch fertige Spezialschaltkreise, die als Ladungspumpe arbeiten. Am bekanntesten ist wohl der ICL7660 (gibt es auch als LT7660, TSC7660 oder TC7660). Dieser IC benötigt lediglich zwei externe Kondensatoren, um aus +5V eine Spannung von -5V zu machen. Die bricht unter Last allerdings zusammen, aber bei 18 mA Last stehen immer noch -4V zur Verfügung. Das dürfte für die meisten Anwendungen reichen.
Zur Erziehlung einer negativeren Spannung lassen sich mehrere 7660 kaskadieren. Um mehr Strom zu erzeugen, lassen sie sich parallelschalten.

Da der 7660 intern anstelle von Dioden geschaltete MOSFETs verwendet, ist der Betrag der Ausgangsspannung kaum kleiner als der der Eingangsspannung. Deshalb eignet er sich besonders gut zum Invertieren oder Pumpen von kleinen Spannungen. Steht eine größere Eingangsspannung zur Verfügung, lassen sich auch andere Schaltkreise nutzen.
 

Mit dem NE555 lässt sich ein Oszillator aufbauen, dessen Ausgang mit 200 mA belastet werden kann. Die Amplitude der Schwingung wird genutzt, um eine negative Spannung zu erzeugen. Durch den Spannungsabfall an den Dioden ist die Ausgangsspannung betragsmäßig etwas kleiner als die Eingangsspannung, sie ist aber deutlich stärker belastbar als die vom 7660 erzeugte Spannung. Mit der hier gezeigten Beschaltung schwingt der NE555 mit etwa 2 kHz. Die Frequenz lässt sich mit dem Kondensatort zwischen Pin 1 und 2 einstellen. Warnung: Man berichtete mir, das einzelne NE555 es nicht vertragen, wenn Pin 4 direkt mit den +12V verbunden sind. Ich kann mir das zwar nicht erklären, aber wenn dem so ist, dann sollte man entweder in die Pin-4-Leitung einen 47-kOhm-Widerstand einsetzen, oder Pin 4 mit Pin 5 verbinden anstatt mit 12V.

Inverter

DC/DC-Wandler

Quelle: Application note 051.1 der Firma Intersil