Es ist möglich, die oben beschriebenen einfachen Dioden-Kondensator-Schaltungen zu verwenden, um die Spannung einer Gleichstromquelle zu verdoppeln, indem dem Spannungsverdoppler eine Zerhackerschaltung vorgeschaltet wird. Dadurch wird der Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt, bevor er an den Spannungsverdoppler angelegt wird. Effizientere Schaltungen lassen sich aufbauen, indem die Schaltgeräte von einem externen Taktgeber angesteuert werden, so dass beide Funktionen, das Zerhacken und das Vervielfachen, gleichzeitig ausgeführt werden. Solche Schaltungen sind als geschaltete Kondensatorschaltungen bekannt. Dieser Ansatz ist besonders nützlich bei batteriebetriebenen Anwendungen mit niedriger Spannung, wenn integrierte Schaltungen eine höhere Versorgungsspannung benötigen, als die Batterie liefern kann. Häufig ist ein Taktsignal bereits auf der integrierten Schaltung verfügbar, und es werden nur wenige oder gar keine zusätzlichen Schaltungen benötigt, um es zu erzeugen.
Die einfachste Konfiguration mit geschalteten Kondensatoren ist die in Abbildung 5 schematisch dargestellte. Hier werden zwei parallel geschaltete Kondensatoren gleichzeitig auf dieselbe Spannung aufgeladen. Dann wird die Versorgungsspannung abgeschaltet und die Kondensatoren werden in Reihe geschaltet. Der Ausgang wird über die beiden in Reihe geschalteten Kondensatoren abgegriffen, was zu einem Ausgang führt, der doppelt so hoch ist wie die Versorgungsspannung. Es gibt viele verschiedene Schaltvorrichtungen, die in einer solchen Schaltung verwendet werden können, aber in integrierten Schaltungen werden häufig MOSFET-Vorrichtungen eingesetzt.
Ein weiteres Grundkonzept ist die Ladungspumpe, von der eine Version in Abbildung 6 schematisch dargestellt ist. Der Kondensator der Ladungspumpe, CP, wird zunächst auf die Eingangsspannung aufgeladen. Dann wird er so umgeschaltet, dass er den Ausgangskondensator CO in Reihe mit der Eingangsspannung auflädt, was dazu führt, dass CO schließlich auf das Doppelte der Eingangsspannung aufgeladen wird. Es kann mehrere Zyklen dauern, bis es der Ladepumpe gelingt, CO vollständig aufzuladen, aber nach Erreichen des eingeschwungenen Zustands muss CP nur noch eine kleine Ladungsmenge pumpen, die der von CO an die Last gelieferten Menge entspricht. Während CO von der Ladungspumpe getrennt ist, entlädt es sich teilweise in die Last, was zu einer Restwelligkeit der Ausgangsspannung führt. Diese Welligkeit ist bei höheren Taktfrequenzen geringer, da die Entladezeit kürzer ist, und lässt sich auch leichter filtern. Alternativ können die Kondensatoren bei einer gegebenen Welligkeitsspezifikation auch kleiner dimensioniert werden. Die praktische maximale Taktfrequenz in integrierten Schaltungen liegt in der Regel im Bereich von einigen hundert Kilohertz.
Dickson-LadungspumpeBearbeiten
Die Dickson-Ladungspumpe oder der Dickson-Multiplikator besteht aus einer Kaskade von Dioden-/Kondensatorzellen, wobei die untere Platte jedes Kondensators durch einen Taktimpulszug angesteuert wird. Die Schaltung ist eine Abwandlung des Cockcroft-Walton-Multiplikators, nimmt aber einen Gleichstromeingang auf, wobei die Taktzüge das Schaltsignal anstelle des Wechselstromeingangs liefern. Der Dickson-Multiplikator erfordert normalerweise, dass die abwechselnden Zellen von Taktimpulsen mit entgegengesetzter Phase angesteuert werden. Da jedoch ein Spannungsverdoppler, wie in Abbildung 7 dargestellt, nur eine Multiplikationsstufe benötigt, ist nur ein Taktsignal erforderlich.
Der Dickson-Multiplikator wird häufig in integrierten Schaltungen eingesetzt, bei denen die Versorgungsspannung (z. B. von einer Batterie) niedriger ist als die für die Schaltung erforderliche. Bei der Herstellung integrierter Schaltungen ist es von Vorteil, dass alle Halbleiterbauelemente im Wesentlichen vom gleichen Typ sind. MOSFETs sind in vielen integrierten Schaltungen der Standard-Logikblock. Aus diesem Grund werden die Dioden oft durch diesen Transistortyp ersetzt, der jedoch so verdrahtet ist, dass er wie eine Diode funktioniert – eine Anordnung, die als diodenverdrahteter MOSFET bezeichnet wird. Abbildung 8 zeigt einen Dickson-Spannungsverdoppler mit diodenverdrahteten n-Kanal-MOSFETs vom Anreicherungstyp.
Es gibt viele Varianten und Verbesserungen der grundlegenden Dickson-Ladungspumpe. Bei vielen davon geht es darum, die Auswirkungen der Drain-Source-Spannung des Transistors zu verringern. Dies kann sehr wichtig sein, wenn die Eingangsspannung klein ist, z. B. bei einer Niederspannungsbatterie. Bei idealen Schaltelementen ist der Ausgang ein ganzzahliges Vielfaches des Eingangs (zwei für einen Verdoppler), aber bei einer einzelligen Batterie als Eingangsquelle und MOSFET-Schaltern liegt der Ausgang weit unter diesem Wert, da ein Großteil der Spannung über die Transistoren abfällt. Bei einer Schaltung mit diskreten Bauteilen wäre die Schottky-Diode wegen ihres extrem niedrigen Spannungsabfalls im eingeschalteten Zustand die bessere Wahl als Schaltelement. Die Entwickler integrierter Schaltungen ziehen es jedoch vor, den leicht erhältlichen MOSFET zu verwenden und kompensieren dessen Unzulänglichkeiten mit einer höheren Komplexität der Schaltung.
Eine Alkalibatterie hat beispielsweise eine Nennspannung von 1,5 V. Ein Spannungsverdoppler mit idealen Schaltelementen ohne Spannungsabfall gibt das Doppelte aus, nämlich 3,0 V. Der Drain-Source-Spannungsabfall eines als Diode verdrahteten MOSFET muss jedoch im eingeschalteten Zustand mindestens der Gate-Schwellenspannung entsprechen, die typischerweise 0,9 V beträgt. Dieser Spannungsverdoppler kann die Ausgangsspannung nur um etwa 0,6 V auf 2,1 V erhöhen. Eine typische Schottky-Diode könnte dagegen eine Durchlassspannung von 0,3 V haben. Ein Verdoppler mit dieser Schottky-Diode ergibt eine Spannung von 2,7 V bzw. am Ausgang nach der Glättungsdiode 2,4 V.
Kreuzgekoppelte SchaltkondensatorenBearbeiten
Kreuzgekoppelte Schaltkondensator-Schaltungen kommen bei sehr niedrigen Eingangsspannungen zum Tragen. Drahtlose, batteriebetriebene Geräte wie Pager, Bluetooth-Geräte und dergleichen benötigen möglicherweise eine einzellige Batterie, um weiterhin Strom zu liefern, wenn sie sich auf unter ein Volt entladen hat.
Wenn die Uhr ϕ 1 {\displaystyle \phi _{1}\ }
niedrig ist, wird der Transistor Q2 ausgeschaltet. Gleichzeitig wird der Takt ϕ 2 {\displaystyle \phi _{2}\ }
hoch und schaltet den Transistor Q1 ein, wodurch der Kondensator C1 auf Vin geladen wird. Wenn ϕ 1 {\displaystyle \phi _{1}\ }
hoch geht, wird die obere Platte von C1 auf das Doppelte von Vin hochgeschoben. Gleichzeitig wird der Schalter S1 geschlossen, so dass diese Spannung am Ausgang erscheint. Gleichzeitig wird Q2 eingeschaltet, so dass sich C2 aufladen kann. Beim nächsten Halbzyklus sind die Rollen vertauscht: ϕ 1 {\displaystyle \phi _{1}\ }
wird niedrig sein, ϕ 2 {\displaystyle \phi _{2}\ }
wird high, S1 wird geöffnet und S2 geschlossen. Der Ausgang wird also abwechselnd von jeder Seite der Schaltung mit 2Vin versorgt.
Der Verlust ist bei dieser Schaltung gering, weil es keine diodenverdrahteten MOSFETs und die damit verbundenen Schwellenspannungsprobleme gibt. Die Schaltung hat auch den Vorteil, dass die Welligkeit verdoppelt wird, weil es effektiv zwei Spannungsverdoppler gibt, die beide den Ausgang von phasenverschobenen Takten versorgen. Der Hauptnachteil dieser Schaltung besteht darin, dass die Streukapazitäten viel größer sind als beim Dickson-Multiplikator und den größten Teil der Verluste in dieser Schaltung ausmachen.