Ladungspumpe für negative Spannung

Ein Operationsverstärker soll ein Signal bis ganz hinunter auf 0 V verarbeiten, ein LCD will eine negative Kontrastspannung, ein Messverstärker braucht eine kleine negative Hilfsspannung – aber die Platine hat nur +5 V. Eine Ladungspumpe löst das ohne Spule und ohne zweites Netzteil: Ein Kondensator wird abwechselnd an die Versorgung und verkehrt herum an den Ausgang geschaltet. Heraus kommt eine Spannung von etwa −U_E, genug für einige Milliampere.

Die Schaltung mit dem 7660 und seinen Nachfolgern ist seit Jahrzehnten der Standard dafür. Hier baust du sie mit dem LMC7660 auf, einer CMOS-Version, die ohne Zusatzdiode gegen Latch-up auskommt.

Schaltplan

• IC1, LMC7660: Spannungsinverter im DIP-8 oder SO-8 mit vier CMOS-Schaltern und einem Oszillator von 10 kHz. Er arbeitet an 1,5 bis 10 V.
• C2, 10 µF: Pumpkondensator. Er transportiert die Ladung von der Eingangs- zur Ausgangsseite.
• C3, 22 µF: Speicherkondensator am Ausgang. Er liegt mit dem Pluspol an Masse, weil der Ausgang negativ ist.
• C1, 10 µF: Pufferkondensator am Eingang; die Schalter ziehen ihren Strom in Pulsen.
• LV und OSC offen: LV darf nur bei Versorgungen bis 3,5 V an Masse; bei 5 V bleibt er offen, sonst geht das IC kaputt. OSC braucht man nur zum Verstellen der Frequenz.

So funktioniert die Schaltung

Im IC sitzen vier Schalter, die im Takt umschalten:

1. Laden: Zwei Schalter verbinden CAP+ mit +5 V und CAP− mit Masse. C2 lädt sich auf 5 V auf, Plus oben.
2. Umladen: Die beiden anderen Schalter verbinden jetzt CAP+ mit Masse und CAP− mit dem Ausgang. Der Pluspol von C2 liegt auf 0 V, also liegt sein Minuspol bei −5 V. C2 gibt Ladung an C3 ab und zieht ihn ins Negative.

Nach einigen Takten liegt C3 auf fast −5 V. Die Ladung, die die Last in jedem Takt entnimmt, muss C2 nachliefern. Dafür muss seine Spannung im Ladetakt etwas nachgeben – und so verhält sich die Ladungspumpe wie eine Spannungsquelle mit Innenwiderstand: Die Ausgangsspannung sinkt mit dem Laststrom. Wie ein Kondensator dabei Ladung aufnimmt und abgibt, steht unter Kondensator an Gleichspannung; das Ersatzbild mit Quelle und Innenwiderstand erklärt Ersatzspannungsquelle.

Dimensionierung

Gegeben: +5 V Versorgung; ein Operationsverstärker samt Messschaltung braucht etwa −5 V mit bis zu 5 mA. Der OPV soll mit mindestens −4,5 V arbeiten.

1. Ausgangsspannung. Das Datenblatt nennt mit 10-µF-Kondensatoren bei 20 mA einen Ausgangswiderstand von typisch 55 Ω, höchstens 100 Ω:

Im ungünstigsten Fall sind es −(5 V − 0,5 V) = −4,5 V – gerade noch genug.

2. Woher der Ausgangswiderstand kommt. Er setzt sich aus den Schalterwiderständen, dem ESR der Kondensatoren und einem Anteil des Pumpkondensators zusammen. Gepumpt wird mit der halben Oszillatorfrequenz, also 5 kHz. Der Anteil von C2 beträgt etwa

Mit 47 µF statt 10 µF sinkt er auf gut 4 Ω, der Ausgangswiderstand auf etwa 40 Ω. Größer lohnt nicht, dann dominieren die Schalter.

3. Welligkeit. C3 muss die Last in der Hälfte jedes Pumptakts allein versorgen:

Für einen OPV mit guter Versorgungsunterdrückung ist das unkritisch. Für empfindliche Messungen hängst du ein RC-Glied mit 10 Ω und 47 µF dahinter; es kostet bei 5 mA nur 50 mV. Grenzfrequenzen solcher Filter rechnest du mit RC-Grenzfrequenz.

4. Verluste. Im Ausgangswiderstand gehen I_L² · R_aus = (5 mA)² · 55 Ω ≈ 1,4 mW verloren, der Ruhestrom von 120 µA kostet weitere 0,6 mW. Bei 23,6 mW Ausgangsleistung liegt der Wirkungsgrad bei rund 92 %. Ohne Last zieht die Schaltung nur den Ruhestrom.

5. Kondensatoren. Beide Elkos sehen höchstens 5 V; 16-V-Typen genügen. Bei 5 kHz kommt es kaum auf den ESR an, gewöhnliche Elkos reichen. Keramik mit 10 µF geht ebenso, wenn sie für 10 V oder mehr spezifiziert ist.

Bauteilliste

Varianten

Kleiner und kräftiger. Neuere Inverter wie der TPS60403 schalten mit 250 kHz, liefern bis 60 mA und kommen mit 1-µF-Keramikkondensatoren im SOT-23-Gehäuse aus. Die Rechnung bleibt dieselbe, nur wird R_C2 wegen der höheren Frequenz viel kleiner.

Geregelte negative Spannung. Brauchst du genau −5 V, invertierst du eine höhere Spannung, etwa 9 V zu rund −8,5 V, und regelst sie mit einem 79L05 nach. Für eine einstellbare Spannung bis 0 V im einstellbaren Netzteil mit LM317 genügt schon die ungeregelte Spannung des Inverters mit einem Teiler.

Ohne IC. Ein Rechtecksignal, etwa ein PWM-Pin oder ein NE555, pumpt über einen Kondensator und zwei Schottky-Dioden (BAT85) ebenfalls eine negative Spannung. Sie liegt wegen der Dioden um etwa 0,6 V niedriger und ist weicher, für ein LCD-Kontrastsignal reicht sie oft. Das Gegenstück für positive Spannungen ist der Spannungsverdoppler.

Symmetrische Versorgung. Für OPV-Schaltungen mit ±5 V ist die Ladungspumpe eine Lösung, die virtuelle Masse die andere: Sie teilt eine einzelne Spannung in zwei Hälften.

Typische Fehler

• C3 verpolt: Der häufigste Fehler. Der Elko liegt mit dem Minuspol am Ausgang, weil dieser negativ ist. Falsch herum wird er warm und gibt irgendwann auf.
• IC stirbt bei 5 V: LV an Masse gelegt. Das ist nur bis 3,5 V erlaubt.
• Ausgang weit unter Erwartung: Last zieht mehr als gedacht. Strom messen und mit dem Diagramm vergleichen; ab etwa 10 mA lieber ein kräftigeres IC nehmen.
• Pfeifton im Audiopfad: Die Pumpfrequenz von 5 kHz liegt mitten im Hörbereich. Ein RC-Filter am Ausgang oder ein IC mit über 100 kHz Schaltfrequenz hilft.
• Ausgang am Pluspol kurzgeschlossen: Das verbietet das Datenblatt ausdrücklich; das IC kann dabei zerstört werden.

Selbsttest