Einfache DC-DC Wandler
Einige Schaltungen mit Microprozessoren brauchen manchmal höhere Spannungen die nur gering belastet werden. Bei Batteriebetrieb passen die aber nicht so richtig ins Konzept. Da kommen dann nur DC-DC-Wandler in Frage. Zu diesem Thema kam mir eine Ladungspumpe in den Sinn. Dafür gibt es ja einige Bausteine. Doch auch diese Spezialteile wollte ich einsparen. Deshalb habe ich einfach mal versucht den Prozessor als Ladungspumpe zu mißbrauchen. Ich verwende hier wieder mal einen PIC. Der kann auch bei positivem Ausgang Strom liefern. Das ist bei der Ladungspumpe erforderlich. Der Prozessor braucht eigentlich nichts weiter zu tun als ein Rechtecksignal an einen beliebigen Ausgang zu liefern. Am einfachsten geht das indem ein meist sowieso benötigter Timerinterrupt die Polarität dieses Ausgangspins regelmäßig invertiert. Programmieraufwand und Rechenzeit ist fast Null. Die Dioden sollten Schottky-Dioden sein. Sonst wird die Ausgangsspannung kleiner.

Die Testschaltung:

Ladungspumpe mit PIC

Der Ausgang ist nicht sehr belastbar. Bei mehr als 2,5mA bricht die Spannung schon ganz gut ein. Um z.B. einen LowPower OP zu versorgen reicht es aber. Im Leerlauf wird fast eine Spannungsverdoppelung erreicht.

Hier ein paar Messwerte:

Pumpenfrequenz 125Hz / 4ms Timerinterrupt
Welligkeit 100mVss bei Ub=5V und RLast=3k3

Ub / RLast Leerlauf 10k 3k3
2,5V 4,8V 4,4V 3,9V
3,0V 5,85V 5,35V 4,9V
3,7V 7,2V 6,75V 6,2V
4,5V 8,8V 8,3V 7,7V
5,0V 9,8V 9,3V 8,7V

Das passiert wenn die Pumpenfrequenz verkleinert wird:

Pumpenfrequenz 62,5Hz / 8ms Timerinterrupt
Welligkeit steigt auf 200mVss bei Ub=5V und RLast=3k3

Ub / RLast Leerlauf 10k 3k3
2,5V 4,8V 4,4V 3,9V
3,7V 7,2V 6,7V 6,15V
5,0V 9,8V 9,2V 8,55V

Wer etwas mehr Dampf braucht und keinen Prozessor benutzen möchte kann auch einen Rechteckgenerator mit nachgeschalteten Treibern einsetzen.

Ladungspumpe mit CMOS-Gattern

Diese Schaltung liefert mehr als dreimal soviel Strom wie die mit dem PIC.

Pumpenfrequenz 220Hz bei 2,5V und 320Hz bei 5V
Welligkeit 100mVss bei Ub=2,5V und RLast=1k
Welligkeit 150mVss bei Ub=5V und RLast=1k

Ub / RLast Leerlauf 10k 3k3 1k 500
2,5V 4,9V 4,5V 4,35V 4,05V 3,65V
3,0V 5,9V 5,5V 5,35V 4,95V 4,55V
3,7V 7,3V 6,9V 6,7V 6,3V 5,8V
4,5V 8,8V 8,4V 8,25V 7,8V 7,25V
5,0V 9,8V 9,45V 9,2V 8,7V 8,1V

Die Welligkeit wird geringer wenn C3 von 47n auf z.B. 6n8 verkleinert wird. Die Pumpenfrequenz ist dann 1,3kHz bei 2,5V und 2kHz bei 5V. Welligkeit bei Ub=5V und RLast=1k dann nur noch 50mVss.

Wer noch mehr Spannung braucht kann eine Kaskade aufbauen.

Spannungsverdreifachung
 

Welligkeit 120mVss bei Ub=2,5V und RLast=1k
Welligkeit 250mVss bei Ub=5V und RLast=1k

Ub / RLast Leerlauf 10k 3k3 1k
2,5V 7,2V 6,45V 5,95V 4,95V
5,0V 14,6V 13,75V 13,0V 11,45V

Nach demselben Prinzip kann auch eine negative Spannung erzeugt werden. Mit einer Stufe wird aber keine Verdoppelung der Spannung erreicht, sondern nur eine Invertierung.

Spannungsinverter

Pumpenfrequenz 220Hz bei 2,5V und 320Hz bei 5V
Welligkeit 50mVss bei Ub=2,5V und RLast=1k
Welligkeit 80mVss bei Ub=5V und RLast=1k

Ub / RLast Leerlauf 10k 3k3 1k 500
2,5V -2,35V -2,0V -1,9V -1,75V -1,6V
3,0V -2,85V -2,5V -2,4V -2,2V -2,0V
3,7V -3,55V -3,2V -3,1V -2,9V -2,65V
4,5V -4,3V -4,0V -3,85V -3,6V -3,35V
5,0V -4,8V -4,5V -4,35V -4,1V -3,8V


  Auch der Inverter kann kaskadiert werden.

Inverter mit Spannungsverdoppelung

Welligkeit 110mVss bei Ub=2,5V und RLast=1k
Welligkeit 200mVss bei Ub=5V und RLast=1k

Ub / RLast Leerlauf 10k 3k3 1k
2,5V -4,67V -4,0V -3,65V -3,0V
5,0V -9,65V -8,87V -8,35V -7,3V

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