Ladungspumpe berechnen

[Florian E. (fofi1)]

Servus,

ich versuche gerade eine Ladungspumpe zu berechnen. Die Ladungspumpe 
wird durch 2 parallele Prozessorpins eines AVRs mit Takt versorgt und 
soll am Ausgang eine Spannung von ungefähr -2,7V ausgeben.

Ich habe eine Frage zur Berechnung der Ladezeit (orangener Strompfad):
Der Prozessor kann an jedem Pin 20mA Strom liefern (die AVR Pins sind 
strombegrenzt). Also fließen am Eingang der Ladungspumpe maximal 40mA. 
Die Spannung des Prozessors sind 3,3V.
Ich weiß wie man die Ladezeit auf 3 tau mit Konstantstrom und 
Konstantsspannung berechnet, aber ich finde keine Lösung wie ich es mit 
diesem strombegrenzten Ausgang rechnen soll.

Wäre über jeden Tipp dankbar

Gruß,
Flo

Edit: Falls wer die Werte wissen will, die man kaum lesen kann: 10R und 
10uF im "Ladezweig". Diode hat 0,3V Flussspannung und ich nehme die 
jetzt mal als ideal an um den Aufwand gering zu halten.

[Falk B. (falk)]

@ Florian Eberl (fofi1)

>wird durch 2 parallele Prozessorpins eines AVRs mit Takt versorgt und
>soll am Ausgang eine Spannung von ungefähr 2,7V ausgeben.

-2,7V

R21 und R22 kannst du dir sparen, die Ausgänge des AVRs sind so oder so 
schon hochohmig genug.

>Ich habe eine Frage zur Berechnung der Ladezeit (orangener Strompfad):

Hmm, die meisten Westeuropäer würden den EINGANG einer Ladungspumpe eher 
links zeichnen.

Beitrag "Re: Hardware-Designtipps des Monats: Der Schaltplan"

>Der Prozessor kann an jedem Pin 20mA Strom liefern (die AVR Pins sind
>strombegrenzt).

Mehr oder minder.

>Also fließen am Eingang der Ladungspumpe maximal 40mA.

Naja.

>Die Spannung des Prozessors sind 3,3V.

>Ich weiß wie man die Ladezeit auf 3 tau mit Konstantstrom und
>Konstantsspannung berechnet,

In dem Bereich arbeitet eine Ladungspumpe eher nicht. Der Trick ist der, 
daß die Kondensatoren pro Zyklus nur wenig entladen werden, sagen wir 
mal max. 20%, eher weniger. Da muss man nicht mit der klassischen 
e-Funktion rechnen.

Beitrag "Re: Kräftige Ladepumpe 12V?"

> aber ich finde keine Lösung wie ich es mit
> diesem strombegrenzten Ausgang rechnen soll.

Eben mit der Kondensatordefinition.

C = I * t / U

Nach t umstellen.

>10uF im "Ladezweig". Diode hat 0,3V Flussspannung und ich nehme die

Nimm einem BAT54-S, da hast du 2 Dioden im kleinen SOT23 Gehäuse.

[Michael B. (laberkopp)]

Florian E. schrieb:
> ich versuche gerade eine Ladungspumpe zu berechnen

Deine Schaltung sieht nicht nach invertierender Ladungspumpe aus.

Vielleicht ist mir auch nur unklar, wo EIngang, Ausgang und VCC seie 
soll.

Wenn 10R als Quellwiderstand gelten, wird man 10R als Lastwiderstand 
nicht versorgen können.

[Konstantin (Gast)]

Der Eingang ist rechts und die beiden 10R Widerstände können, so wie 
Falk schon gesagt hat, weggelassen werden.

Das mit der Doppeldiode BAT54-S ist eine gute Idee, den Trick kannte ich 
noch nicht.

Das Aufladen hängt auch von der Frequenz ab. Bei 40kHz können auch 1µF 
Vielschichtkondensatoren angewendet werden, wegen des besseren 
Wirkungsgrades. Das Aufladen geht jedenfalls relativ fluxartig.

[someone (Gast)]

Ich kann dir zwar nicht bei der Berechnung helfen, habe jedoch gute 
Erfahrungen damit gemacht, Ladungspumpen zu simulieren, z.B. mit 
LTSpice. Das sollte auch für jemanden machbar sein, der bisher noch 
nichts simuliert hat, da die Schaltung ja doch recht einfach ist.

[Florian E. (fofi1)]

Morgen,

also erstmal danke an alle. Ja das Schaltbild ist komisch gezeichnet, 
weil es aus einem größeren Schaltplan stammt. Ich hab mal die 
Ladungspumpe+"Verbraucher" angehängt(dieses mal auch gespiegelt ;) ). 
Sorry für die Verwirrung. Hoffe nun ist es etwas klarer.

Über die Diode des Opto muss ein Strom von mindestens 507,25uA fließen. 
Gleichzeitig darf die Spannung am Ausgang der Ladungspumpe nicht so weit 
fallen, dass die Diode des Opto (Uf=1,4V) nicht mehr leitet. Simulation 
+ Messung in der Realität habe ich mit großzügig gewählten Werten für 
die Kondensatoren schon erfolgreich gemacht. Nun würde ich aber gerne 
meine beiden Kondensatoren rechnerisch in Abhängigkeit von der 
Eingangsfrequenz bestimmen können.

Der 10R Widerstand am Eingang/Ausgang kommt raus bzw. wird dann gegen 0R 
ersetzt. Der ist unnötig, da habt ihr recht. Die BAT54S ist eine gute 
Idee.

@falk: Könntest du mir das mit den 20% Entladung genauer erläutern? Ich 
bin ja bei den ersten paar Prozent Entladung am steilsten Punkt der 
Strom/Spannungskurve der Kondensatorspannung. Würdest du das dann über 
eine Gerade annähern?

Gruß,
Flo

Edit: Die Trennung über den Opto und die negative Ladungspumpe sind mir 
im Rahmen eines Hochschulprojektes vorgegeben worden. Über den Sinn der 
ganzen Sache kann man natürlich diskutieren, umsetzen muss ich es 
trotzdem ;)

[Helmut S. (helmuts)]

Der 10Ohm Widerstand am Eingang ist doch OK. Der begrenzt den Strom. 
Eigentlich müsste der noch viel höher sein (>100Ohm). Simulier das mal 
mit LTspice. Dann siehst du welche Ströme da fließen. Dann überlege dir 
ob du den Prozessor so "quälen" willst.

[Falk B. (falk)]

@Florian Eberl (fofi1)

>Ladungspumpe+"Verbraucher" angehängt(dieses mal auch gespiegelt ;) ).
>Sorry für die Verwirrung. Hoffe nun ist es etwas klarer.

Hä? Warum um alles in der Welt baut man eine Ladungspumpe, um einen 
Optokoppler anzusteuern? Das kann man DIREKT mit deinen 3,3V machen, 
natürlich mit Vorwiderstand.

>@falk: Könntest du mir das mit den 20% Entladung genauer erläutern?

Was soll man da erklären? Die Kondensatoren müssen so groß sein, daß sie 
sich bei maximalem Laststrom und der gewählten Taktfrequenz halt nur um 
max. 20% entladen.

> Ich
>bin ja bei den ersten paar Prozent Entladung am steilsten Punkt der
>Strom/Spannungskurve der Kondensatorspannung. Würdest du das dann über
>eine Gerade annähern?

BINGO!

>Edit: Die Trennung über den Opto und die negative Ladungspumpe sind mir
>im Rahmen eines Hochschulprojektes vorgegeben worden. Über den Sinn der
>ganzen Sache kann man natürlich diskutieren, umsetzen muss ich es
>trotzdem ;)

AUA!

Mein nicht-akademische Beileid

P S Lies mal das hier. Man sollte positive Spannungen immer oben und 
Masse bzw. negative Spannungen unten zeichnen. Damit muss man nicht 
immer dreimal um die Ecke denken. Das geistige Bild eines Wasserfalls 
ist da sehr hilfreich (Wasser oben = viel Spannung)

Schaltplan richtig zeichnen

[Joe F. (easylife)]

Florian E. schrieb:
> Über den Sinn der ganzen Sache kann man natürlich diskutieren, umsetzen
> muss ich es trotzdem

Um das Prinzip der Ladungspumpe zu erlernen, oder warum?
In allen anderen Fällen würde ich mal ein klärendes Gespräch mit dem 
Aufgabensteller führen.

[Thomas E. (picalic)]

Falk B. schrieb:
> Über den Sinn der
>>ganzen Sache kann man natürlich diskutieren, umsetzen muss ich es
>>trotzdem ;)
>
> AUA!
>
> Mein nicht-akademische Beileid

So unsinnig, wie es dem ein oder anderen erscheinen mag, ist es 
vielleicht nicht, einen OC über eine Ladungspumpe anzusteuern!
Es könnte ein Sicherheits-Feature sein - wenn der µC kaputt geht oder 
abstürzt, ist so zumindest gewährleistet, daß der FET abschaltet, egal, 
welchen statischen Pegel der µC an seinem Pin ausgibt.

[Falk B. (falk)]

@Thomas Elger (picalic)

>> Mein nicht-akademische Beileid

>Es könnte ein Sicherheits-Feature sein - wenn der µC kaputt geht oder
>abstürzt, ist so zumindest gewährleistet, daß der FET abschaltet, egal,
>welchen statischen Pegel der µC an seinem Pin ausgibt.

Man muss nicht in jeden akademischen Unfug die große Weisheit 
reininterpretieren.

[apollo2mond (Gast)]

lese mal hier ... im Anhang

[Jens G. (jensig)]

@ Thomas Elger (picalic)

>So unsinnig, wie es dem ein oder anderen erscheinen mag, ist es
>vielleicht nicht, einen OC über eine Ladungspumpe anzusteuern!
>Es könnte ein Sicherheits-Feature sein - wenn der µC kaputt geht oder
>abstürzt, ist so zumindest gewährleistet, daß der FET abschaltet, egal,
>welchen statischen Pegel der µC an seinem Pin ausgibt.

Gut - und was ist, wenn der Mosfet kaputt geht, und dauerhaft ON ist?

[Joe F. (easylife)]

Jens G. schrieb:
> Gut - und was ist, wenn der Mosfet kaputt geht, und dauerhaft ON ist?

Kommt bei richtiger Auslegung des FETs wohl deutlich seltener vor als 
eine Fehlfunktion in der Steuerung - da muss man mal ehrlich sein.
Mir fallen 1000 Gründe ein, warum eine Firmware unerwartet hängen 
bleiben kann. Fängt mit ESD-Strike an, endet bei "Subsystem liefert 
unerwartete Daten"...

Allerdings könnte man statt der Ladungspumpe auch einen einfachen 
Kondensator + R + Optokoppler mit AC-Input nehmen (z.B. SFH620A).

[Jens G. (jensig)]

>Kommt bei richtiger Auslegung des FETs wohl deutlich seltener vor als
>eine Firmware-Fehlfunktion - da muss man mal ehrlich sein.

Kommt sicher drauf an, wie diese Firmware-Fehlfunktion generiert wird.
Ist es ein Bug, oder Bit-Kipper ... Beides kann man bei "richtiger 
Auslegung" des Layouts und der Firmware minimieren.