Hochspannungen mit dem richtigen Hochspannungs-Operationsverstärker effizient und sicher steuern und verstärken

Es gibt zahlreiche Anwendungen, für die Operationsverstärker benötigt werden, die aufgrund der Beschaffenheit ihres Eingangssignals oder der Eigenschaften der Ausgangslast für den Betrieb bei hohen Spannungen (über 60 V bis 100 V) geeignet sind. Solche Anwendungen sind unter anderem Piezo-Treiber in Tintenstrahl- und 3D-Druckern sowie Ultraschall-Messwandler und andere medizinische Instrumente, ATE-Treiber und Quellen für elektrische Felder.

Hierbei handelt es sich nicht um typische Operationsverstärker, da sie angesichts nicht ohmscher (induktiver, kapazitiver) Lasten Anforderungen hinsichtlich der Flankensteilheit erfüllen müssen, eine streng geregelte Stromversorgung benötigen und die Entwickler – sobald Spannungen über 60 V im Spiel sind – strenge und anspruchsvolle Regulierungsanforderungen beachten müssen. Abhängig von der Anwendung können auch hohe Ströme vorhanden sein, die zu Problemen beim Wärmemanagement führen.

Um diesen Problemen zu begegnen, sind monolitische und hybride Hochspannungs-Operationsverstärker erhältlich, die auf speziellen Prozessen basieren. Sie erfordern jedoch besondere Überlegungen hinsichtlich Auswahl, Integration und Layout, um den Zielen des Systemdesigns dauerhaft und sicher gerecht werden zu können. Dieser Artikel geht auf die erfolgreiche Verwendung von Operationsverstärkern für höhere Spannungen (>100 V) in ihren einzigartigen (aber überraschenderweise) üblichen Anwendungen ein.

Warum Hochspannung?

Repräsentative Anwendungen für Hochspannungs-Operationsverstärker sind so zahlreich wie unterschiedlich. Die meisten davon erfordern sowohl höhere Spannungen als auch eine präzise Steuerung, um am Ausgang eine verstärkte Version der niedrigeren Eingangsspannung zu erzeugen. In den meisten Fällen handelt es sich hierbei nicht um höhere Ein-/Aus-Spannungen, sodass anstelle eines einfacheren Hochspannungsschalters ein linearer Verstärker benötigt wird. Hier sind einige Beispiele für derartige Anwendungen, die häufig einen bipolaren Ausgang erfordern:

• Piezo-Treiber in Tintenstrahldruckern, Ultraschall-Messwandler und präzise Dosierventile
• Treiber für automatische Testgeräte, die zur umfassenden Ausführung anderer ICs, Hybridgeräte und Module verwendet werden
• Wissenschaftliche Instrumente wie Geigerzähler
• Die lichtstarken Laserdioden der LiDAR-Bildgebungssysteme in der Automobiltechnik
• Erzeugung elektrischer Felder zur Verwendung in biomedizinischen Tests an Flüssigkeiten

Viele dieser Systeme werden – zumindest teilweise – mit höheren Spannungen betrieben, benötigen jedoch nur niedrige bis geringe Ströme (10 mA bis 100 mA). Daher handelt es sich bei ihnen nicht um „Hochleistungssysteme“ im herkömmlichen Sinne. Deshalb liegt der Schwerpunkt beim Design eher auf der Steuerung und der Bereitstellung der benötigten Spannung als auf dem Wärmemanagement.

Ein Operationsverstärker etwa, der für eine Last bei 100 mA eine Spannung von 100 V liefert, benötigt lediglich eine geringe Leistung von 10 W (sowie eine geringe zusätzliche Leistung für interne Verluste, üblicherweise 20 % bis 30 %). Obwohl es sich hierbei natürlich nicht um ein „Mikropower“-Szenario handelt, macht es bezüglich der erzeugten Wärme keine großartigen Probleme, da der Großteil der 10 W in die Last fließt und daher nicht über die elektronischen Komponenten abgeleitet wird. Dennoch darf die Wärmeableitung bei keinem Design jemals außer Acht gelassen werden.

Von größerer Bedeutung für die Entwickler sind im Zusammenhang mit der Hochspannungsverstärkung über einen Operationsverstärker jedoch die folgenden allgemeinen Themen:

• Auswahl und Verwendung eines geeigneten Operationsverstärkers
• Optimierung der Leistung der Hochspannungs-Betriebsmittel
• Bereitstellung der Hochspannungs-Gleichstromschienen für den Operationsverstärker, die mit denen der Lastversorgung identisch sein können
• Gewährleistung der Sicherheit und Einhaltung der Vorschriften im Zusammenhang mit Layout und Konstruktion

Auswahl und Verwendung des Operationsverstärkers

Ein Hochspannungs-Operationsverstärker unterscheidet sich von einem herkömmlichen Verstärker. Im Allgemeinen liefert ein Verstärker für irgendeine Kombination aus Spannung und Strom eine Leistungsverstärkung für eine üblicherweise resistive Last. Im Gegensatz dazu erhöht ein Operationsverstärker die Spannung und versorgt eine Last mit einem vorgegebenen maximalen Strom. Des Weiteren kann der Operationsverstärker für eine feste oder einstellbare Verstärkung konfiguriert und zusätzlich zur „einfachen“ Spannungsverstärkung in verschiedenen Topologien verwendet werden.

Früher waren die meisten IC-Prozesse, die für lineare Funktionen wie Operationsverstärker verwendet wurden, auf ein Maximum von etwa 50 V beschränkt. Um einen Operationsverstärker für höhere Spannungen zu erhalten, fügten die Entwickler am Ausgang externe diskrete Hochspannungstransistoren als Spannungsbooster hinzu. Abbildung 1 zeigt die Verwendung des Präzisions-JFET-Operationsverstärkers LT1055 von Analog Devices in einem Schaltkreis mit komplementären Verstärkertransistoren zur Bereitstellung einer Spannung von ±120 V.

Abbildung 1: Ein Ansatz für höhere Spannungen am Ausgang des Operationsverstärkers besteht darin, die Grundkomponente (z. B. den Analog Devices LT1055) um komplementäre Verstärkertransistoren zu ergänzen, um sich so die Eingangsmerkmale des Operationsverstärkers zu Nutze zu machen. Mit diesem Design lässt sich eine Ausgangsspannung von ±120 V erzielen. (Bildquelle: Analog Devices)

Obwohl dieser Ansatz funktioniert, bringt er im Vergleich zum reinen IC den Nachteil einer komplexeren und kostspieligeren Stückliste sowie unvermeidbare Layoutprobleme mit sich. Des Weiteren ist es anspruchsvoll, eine Symmetrie zwischen den positiven und negativen Ausgangsschwingungen zu erreichen und aufrechtzuerhalten, wobei gleichzeitig die Verzerrung durch den Nulldurchgang minimiert werden muss. Diese Probleme sind üblicherweise das Ergebnis nicht aufeinander abgestimmter Komponenten (primär der NPN- und PNP-Transistoren) sowie von einem Ungleichgewicht im physischen Layout.

Die Auswahl eines Hochspannungs-Operationsverstärkers beginnt mit der Evaluierung der Parameter, die denen eines jeden anderen Operationsverstärkers ähnlich sind, wobei sich selbstverständlich die genauen Zahlen unterscheiden werden. Etwas vereinfacht wird der Prozess dadurch, dass im Vergleich weniger Hochspannungskomponenten zur Auswahl stehen. Die Designüberlegungen betreffen drei primäre Bereiche:

1. Die wichtigsten Faktoren sind Ausgangsspannung, Ausgangsstrom, Bandbreite, Flankensteilheit sowie unipolare im Vergleich zu bipolarer Leistung.
2. Weitere Punkte betreffen Einschränkungen bei Flankensteilheit und Lasttyp sowie temperaturbezogene Driftfehler, die in der Ausgangswellenform auftreten können.
3. Schließlich gibt es noch Probleme im Zusammenhang mit dem thermischen Überlastschutz, mit Überströmen sowie weitere Probleme, die alle Verstärker betreffen.

Überwinden von Einschränkungen

Die Entwickler müssen bewerten, welche verfügbaren Hochspannungs-Operationsverstärker nicht nur die obligatorischen Kriterien von Punkt 1 erfüllen, sondern auch über ausreichend niedrige Fehlerspezifikationen zur Erfüllung der Anforderungen verfügen und außerdem angemessene eingebaute Schutzfunktionen bieten oder mit einem externen Schutz (z. B. einem Strombegrenzer) ausgerüstet werden können.

Das Anpassen der Leistung einer Komponente, die annähernd alle Anforderungen erfüllt, erfordert ein gutes Urteilsvermögen. So kann beispielsweise selbst der „beste“ verfügbare Operationsverstärker in einem Punkt den Anforderungen nicht gerecht werden, etwa durch Instabilität bei einer kapazitiven Last, einem nicht ausreichend hohen Ausgangsstrom oder einem übermäßigen temperaturabhängigen Drift. Der Entwickler muss sich entscheiden, ob er nach einem anderen Operationsverstärker Ausschau hält, der wiederum mit einem anderen Manko aufwartet, oder ob er den besten verwendet und seine Leistung weiter verbessert.

Folgende Beispiele machen diese Zwangslage deutlich:

Kapazitive Lasten: Der ADHV4702-1 von Analog Devices ist ein präziser Hochspannungs-Operationsverstärker (Abbildung 2). Die Komponente kann mit zwei symmetrischen Versorgungen von ±110 V, asymmetrischen Versorgungen oder einer einzelnen Versorgung von +220 Volt betrieben werden und liefert Ausgänge von ±12 V bis ±110 V bei bis zu 20 mA.

Ihre Leerlaufverstärkung (A_OL) von 170 Dezibel (dB) ist ein entscheidender Faktor für ihre hohe Leistung. Sie kann problemlos geringe kapazitive Lasten treiben. Wird diese Last jedoch größer, verschieben sich die Pole ihrer Übertragungsfunktion, wodurch am Ausgang Überschwingen und eventuell Instabilität aufgrund der geringeren Phasenreserve auftritt.

Für dieses Problem haben die Entwickler des Operationsverstärkers eine Lösung gefunden. Das Hinzufügen eines Vorwiderstands zwischen dem Ausgang und C_Load ermöglicht der Komponente das Treiben von Lasten größer als 1 Mikrofarad (µF) (Abbildung 2).

Abbildung 2: Durch einen Vorwiderstand (R_S) zwischen Verstärkerausgang und C_LOAD kann der ADHV4702-1 kapazitive Lasten größer als 1 μF treiben. (Bildquelle: Analog Devices)

Durch das Hinzufügen dieses Widerstands kann es jedoch zu geringem Überschwingen an der Last kommen (Abbildung 3).

Abbildung 3: Diese Abbildung zeigt R_S über C_LOAD für ein maximales Überschwingen von 2 dB für den Schaltkreis aus Abbildung 2 für den Verstärkungsfaktor Eins, eine Versorgungsspannung von ±110 V und V_OUT = 100 V_p-p. (Bildquelle: Analog Devices)

Falls selbst ein Überschwingen von 2 dB für die Anwendung zu hoch ist, unterstützt der ADHV4702-1 eine externe Kompensation über einen Kondensator zwischen Kompensationspin und Masse. Bei Auswahl des passenden Widerstands und Kondensators kann für Stabilität bei kapazitiven Lasten mit einem annähernd flachen Verlauf über die gesamte Bandbreite gesorgt werden (Abbildung 4).

Abbildung 4: Diese Abbildung zeigt den Frequenzgang eines Kleinsignals über der externen Kompensation für den ADHV4702-1 für den Verstärkungsfaktor Eins, eine Versorgungsspannung von ±110 V, V_OUT = 100 V_p-p, R_f = 0 Ω und C_COMP = 5,6 Picofarad (pF). (Bildquelle: Analog Devices)

Höherer Treiberstrom am Ausgang: Der Operationsverstärker OPA454AIDDAR von Texas Instruments liefert Spannungen von ±5 V bis ±50 V mit einer einzelnen Versorgung von 10 V bis 100 V. Das entspricht der halben Nennausgangsspannung des ADHV4702-1 (100 V gegenüber 200 V), wobei der Treiberstrom jedoch mehr als doppelt so hoch ist (50 mA gegenüber 20 mA). Es ist jedoch möglich, dass dieser zusätzliche Quell-/Senkstrom für manche Lasten nicht ausreicht, insbesondere dann, wenn sich die Last aus kleineren, parallel geschalteten Lasten zusammensetzt.

Um dieses Problem für den OPA454 zu lösen, stehen zwei Optionen zur Verfügung. Bei der ersten Option werden zwei (oder mehr) OPA454AIDDARs parallel geschaltet (Abbildung 5).

Abbildung 5: Schaltet man zwei Operationsverstärker OPA454AIDDAR parallel, wird der Ausgangsstrom linear erhöht. (Bildquelle: Texas Instruments)

Der Operationsverstärker A1 fungiert als Master-Verstärker und kann beliebig konfiguriert werden, nicht nur als einfache Verstärkereinheit. Der Operationsverstärker A2 – hierbei kann es sich um einen oder mehrere Verstärker handeln – fungiert als Slave. Er ist als Puffer mit Verstärkungsfaktor Eins konfiguriert und verfolgt den Ausgang von A1, während er zusätzlichen Treiberstrom liefert.

Eine Alternative für den Erhalt eines höheren Stroms, als ein einzelner Verstärker oder mehrere Slaves liefern können, besteht darin, externe Verstärkertransistoren für den Ausgangsstrom zu verwenden (Abbildung 6).

Abbildung 6: Eine Alternative zur Parallelschaltung von OPA454-Komponenten ist die Verwendung externer Transistoren am Ausgang. Auf diese Weise können sogar noch höhere Ausgangsströme erzielt werden. In diesem Beispiel wird der Ausgangsstrom auf über 1 A verstärkt. (Bildquelle: Texas Instruments)

Mit den gezeigten Transistoren kann die Konfiguration über 1 A Strom liefern. Die Option mit dem komplementären Verstärkerpaar bietet im Gegensatz zur Verwendung zusätzlicher OPA454-Operationsverstärker unter Umständen jedoch nicht den erforderlichen Grad an Verzerrungsfreiheit und Linearität. Falls jedoch ein höherer Strom benötigt wird und die Transistoren als bevorzugte Lösung gewählt werden, sind eventuell komplementäre PNP-/NPN-Transistorenpaare erforderlich.

Temperaturkoeffizient und Drift: Wie bei allen analogen Komponenten hat der Temperaturkoeffizient Auswirkungen auf Leistung und Genauigkeit und die Temperaturdrift aufgrund der Eingangs-Offsetspannung (dV_OS/dT) wird zu einem Bestandteil des verstärkten Ausgangs. Für den OPA454 ist dV_OS/dT bei ±1,6 μV/°C (typisch) und ±10 μV/°C (maximum) über den angegebenen Temperaturbereich von -40 °C bis +85 °C relativ niedrig.

Wird der Wert zu hoch, kann die Gesamtdrift reduziert werden, indem vor dem Hochspannungs-Operationsverstärker OPA454 ein sogenannter Zero-Drift-Operationsverstärker als Vorverstärker implementiert wird (Abbildung 7). Mit dem OPA735 von Texas Instruments als driftloser Vorverstärker kann die durch den Temperaturkoeffizienten verursachte Drift des Hochspannungs-Operationsverstärkers auf 0,05 μV/°C (maximum) der ersten Stufe gehalten werden, wodurch sich ein Reduktionsfaktor von 200 ergibt.

Abbildung 7: Durch Integration des fast driftfreien Operationsverstärkers OPA735 in den Eingangspfad des OPA454 ergibt sich ein zweistufiger Hochspannungsschaltkreis mit einer sehr geringen Temperaturdrift aufgrund der Eingangs-Offsetspannung. (Bildquelle: Texas Instruments)

Thermische Probleme und Schutz

Obwohl die Ströme relativ gering sind, kann die interne Verlustleistung aufgrund der höheren Spannungen zu Problemen führen, und zwar gemäß der Gleichung Leistung = Spannung x Strom. Eine thermische Modellierung ist daher dringend anzuraten, wobei mit der einfachen Gleichung für die Sperrschichttemperatur begonnen werden sollte: T_J = T_A + (P_D × Θ_JA). In dieser Gleichung stehen T_J für die Sperrschichttemperatur, T_A für die Umgebungstemperatur, P_D für die Verlustleistung und Θ_JA für den Wärmewiderstand des Gehäuses gegenüber der Umgebung. Letzterer Wert wird durch Montagetechnik und Umgebung vorgegeben, wobei auch Kühlkörper, Luftstrom und Platinenkupfer berücksichtigt werden.

Angesichts der Bedeutung der vorhandenen Wärmeerzeugung sind ICs wie der OPA454 und der ADHV4702-1 mit einer Übertemperaturabschaltung ausgestattet. Der Schaltkreis im OPA454 etwa löst automatisch eine thermische Abschaltung aus, die den Ausgang mit einer hohen Impedanz beschaltet, wenn die interne Temperatur der Komponente 150 °C erreicht. Die thermische Abschaltung wird beibehalten, bis die Komponente wieder auf 130 °C abgekühlt ist. Diese Hysterese verhindert ein zyklisches Ein- und Ausschalten des Ausgangs um einen thermischen Grenzwert herum.

Die Grenzwerte für die Verlustleistung sind nicht nur eine Funktion der statischen Ausgangsleistung, sondern werden auch von der Betriebsfrequenz und der Flankensteilheit beeinflusst, was zu einer Überhitzung der Ausgangsstufe führen kann. Aus diesem Grund müssen die Diagramme für den sicheren Betriebsbereich unbedingt genauestens studiert werden, wobei mit dem statischen sicheren Betriebsbereich des ADHV4702-1 begonnen wird (Abbildung 8).

Abbildung 8: Die Diagramme für den sicheren Betriebsbereich müssen genauestens studiert werden. Der sichere DC-Betriebsbereich des ADHV4702-1 wird durch den Bereich unterhalb der Kurven dargestellt, und zwar bei Umgebungstemperaturen von 25 °C und 85 °C und mit einer Verstärkung von 20 V und einer Spannungsversorgung von ±110 V. (Bildquelle: Analog Devices)

Der dynamische sichere Betriebsbereich muss ebenfalls berücksichtigt werden. Der ADHV4702-1 verfügt über einen internen Verstärkerschaltkreis für die Flankensteilheit, um eine Kleinsignalbandbreite von 19 Megahertz (MHz) und eine Flankensteilheit von 74 V/Mikrosekunde (µs) zu erreichen. Abhängig vom Signal kann es jedoch sein, dass dieser Verstärkerschaltkreis einen höheren Strom erfordert. Aus diesem Grund können zusammen mit dem ADHV4702-1 externe Dioden verwendet werden, um seine Differenzeingangsspannung zu begrenzen (Abbildung 9).

Abbildung 9: Externe Dioden am Eingang des ADHV4702-1 schützen die Komponente vor den thermischen Auswirkungen des hohen Stroms des Verstärkerschaltkreises, indem sie seine Differenzeingangsspannung beschränken. (Bildquelle: Analog Devices)

Auf diese Weise wird der Verstärker im dynamischen Betrieb zwar geschützt, aber die Flankensteilheit und die Großsignalbandbreite werden beschränkt. Dadurch wiederum werden der vom Verstärkerschaltkreis für die Flankensteilheit erzeugte Strom beschränkt und die interne Verlustleistung verringert (Abbildung 10).

Abbildung 10: Diese Abbildung zeigt den dynamischen sicheren Betriebsbereich bei Umgebungstemperaturen von 25 °C und 85 °C mit und ohne Klemmdioden unter denselben Bedingungen wie für den statischen sicheren Betriebsbereich. (Bildquelle: Analog Devices)

Nicht alle Hochspannungstreiber sind mit einem Übertemperaturschutz ausgestattet, da ein interner Schaltkreis durch die Größe des sicheren Betriebsbereichs zu restriktiv wird. Der PA52 von Apex Microtechnology beispielsweise ist ein leistungsstarker Hochspannungsverstärker, der bei einer Flankensteilheit von 50 V/µs über eine unipolare oder bipolare Spannungsschwankung von 200 V bis zu 40 A (kontinuierlich)/80 A (Spitze) liefern kann. Da die Verlustleistungen so hoch sein können, ist das Diagramm für den sicheren Betriebsbereich eine entscheidende Referenz beim Systemdesign, da es sowohl DC- als auch gepulste Modi abdeckt (Abbildung 11).

Abbildung 11: Der sichere Betriebsbereich für einen Verstärker für hohe Spannungen (±100 V) und hohe Ströme (80/40 A), beispielsweise für den PA52 von Apex Microtechnology, schwankt abhängig davon, ob er im kontinuierlichen oder im gepulsten Modus betrieben wird, über einen großen Bereich. (Bildquelle: Apex Microtechnology)

Für den PA52 werden die Entwickler vermutlich einen externen High-Side-Strommesswiderstand zwischen Ausgang und Last integrieren, um den Ausgangsstrom zu messen und auf diese Weise die Leistung abzuschätzen. Bei der Dimensionierung dieses Widerstands muss immer ein Kompromiss zwischen einem hohen und einem niedrigeren Wert eingegangen werden. Ein höherer Widerstand sorgt für ein stärkeres Signal und ein größeres Signal-Rausch-Verhältnis, wohingegen ein niedrigerer Widerstand sowohl die Eigenverlustleistung des Widerstands und die Verringerung der Ausgangsleistung minimiert.

Ein guter Ausgangspunkt ist die Wahl eines Widerstandswerts, an dem bei maximalem Laststrom eine Spannung von 100 mV abfällt. Außerdem muss der Messkreis mit hohen Gleichtaktspannungen kompatibel sein. In den meisten Fällen ist ein isolierter Messkreis aus mehreren Gründen notwendig: Messung der Signalintegrität, Schutz des restlichen Schaltkreises und Sicherheit des Anwenders.

Lieferung und regulatorische Aspekte

Ein Hochspannungsverstärker ist sehr viel mehr als nur ein Schaltplan und eine Stückliste, da Besonderheiten des physischen Layouts von entscheidender Bedeutung sein können. Für Schaltkreise, die mit Spannungen um oberhalb etwa 60 V betrieben werden, sind bei der Implementierung Sicherheitsaspekte und -standards zu beachten (der tatsächliche Wert hängt von der Endanwendung und dem Land bzw. der Region ab). Für diese Hochspannungsdesigns müssen die Anwender entscheiden, wie die höheren Spannungen von den niedrigeren und weniger gefährlichen Spannungen getrennt werden sollen. Hierfür können auch ein oder mehrere mechanische Mittel wie Barrieren, Verriegelungen, Isolierungen oder Abstände erforderlich sein.

Des Weiteren müssen für das Layout die regulatorischen Vorgaben bezüglich minimalen Kriech- und Luftstrecken für Komponenten und Leiterbahnen erfüllt werden, um Lichtbogenbildung und Funkenüberschlag zu vermeiden. Diese Abmessungen sind eine Funktion der Spannung und der erwarteten Betriebsumgebung (Feuchtigkeit und Staub im Gegensatz zu einer sauberen, trockenen Umgebung). Es kann sinnvoll sein, einen Experten in diesen Dingen als Berater hinzuzuziehen, da die Standards kompliziert sind und viele Feinheiten aufweisen. Die formelle Genehmigung erfordert überdies sowohl Analysen von Designlayout, Konstruktion, Materialien und Abmessungen sowie einen Prototypen für Tests.

Im Prinzip ist eine AC/DC- oder DC/DC-Versorgung für niedrige bis hohe Spannungen eine einfache Lösung, die mit einem Vollwellengleichrichter (für AC) und einem aus Dioden und Kondensatoren bestehenden Spannungsvervielfacher realisiert werden kann. Beim Design von Hochspannungsversorgungen gibt es jedoch viele praktische Probleme zu beachten. So muss beispielsweise sichergestellt werden, dass diese passiven Komponenten über angemessene Nennspannungen verfügen.

Selbst die Platzierung der Versorgung stellt ein Problem dar. In Anwendungen mit einer Niederspannungsversorgung (in der Größenordnung von weniger als 20 V) kann es Sinn machen, Drähte mit niedrigeren Spannungen zu einem abgetrennten Spannungsvervielfacher in der Nähe der Funktionen des Hochspannungs-Operationsverstärkers zu führen. Der Stromverbrauch bei niedrigeren Spannungen bringt jedoch einen zusätzlichen Spannungsabfall (IR-Drop) und eine I²R-Verlustleistung in diesen Drähten mit sich, was dazu führen kann, dass die Vorteile der Abtrennung wieder aufgewogen werden. Die andere Option ist, die Hochspannungsdrähte für die Distanz zu verwenden. Auf diese Weise werden zwar die Verluste reduziert, aber es müssen zusätzliche Punkte in Bezug auf Sicherheit und Vorschriften beachtet werden.

Eigenentwicklung oder Kauf

Unabhängig von der Platzierung macht es – sofern das Entwicklerteam nicht über fundierte Kenntnisse und Erfahrung verfügt – Sinn, die Hochspannungsversorgung zu kaufen, anstatt zu versuchen, sie eigenständig zu entwickeln und zu bauen. Diese Versorgungen bringen viele Probleme mit sich und es ist nicht leicht, eine Zertifizierung zu erhalten. Eine Spannungsversorgung macht sehr viel mehr, als lediglich eine Eingangsspannung in den gewünschten Ausgang umzuwandeln:

• Sie muss exakt und stabil sein.
• Sie muss Leistungsvorgaben hinsichtlich Welligkeit und Transienten erfüllen.
• Sie sollte über verschiedene Schutz- und Abschaltvorrichtungen verfügen.
• Sie muss den EMI-Standards genügen.
• Eventuell muss sie galvanisch isoliert sein.

Am Markt sind viele Hochspannungsversorgungen erhältlich, die von Modellen für niedrige Ströme bis hin zu solchen für mehrere Ampere reichen. Das FS02-15 der Abteilung EMCO High Voltage von XP Power etwa ist ein leiterplattenmontiertes, isoliertes Hochspannungsmodul (Abbildung 12). Es ist 57 Millimeter (mm) lang, 28,5 mm breit und 12,7 mm hoch (2,25 Zoll x 1,1 Zoll x 0,5 Zoll), wird über eine 15-Volt-DC-Versorgung betrieben und liefert 200 V (±100 V) bei 50 mA. Das Modul erfüllt sämtliche Leistungs- und behördlichen Anforderungen und bietet außerdem die Funktionen, die heutzutage Standard sind und bei einer voll ausgestatteten Versorgung erwartet werden.

Abbildung 12: Ab Lager erhältliche Versorgungen wie die FS02-15 von XP Power, die bei 50 mA über eine 12-V-Schiene ±100 V liefert, sorgen dafür, dass es hinsichtlich Design und regulatorischen Aspekten keine Probleme mehr im Zusammenhang mit der sicheren Bereitstellung von isolierten Spannungsversorgungen für Hochspannungs-Operationsverstärker gibt. (Bildquelle: XP Power)

Fazit:

Hochspannungs-Operationsverstärker sind Voraussetzung für viele elektronische Systeme wie Instrumentierungen, medizinische Geräte, piezoelektrische Wandler, Laserdioden und vieles mehr. Obwohl den Entwicklern Operationsverstärker zur Verfügung stehen, die für diese Spannungen ausgelegt sind, ist angesichts der leistungsbezogenen, thermischen, regulativen und sicherheitsrelevanten Auswirkungen ihres Betriebs bei Spannungen von über 100 V ein klares Verständnis ihrer Attribute und Einschränkungen erforderlich.