A nagyfeszültség hatékony és biztonságos szabályozása és erősítése a megfelelő nagyfeszültségű műveleti erősítővel

Számos olyan felhasználási terület létezik, amely a bemenőjel jellege vagy a kimeneti terhelés jellemzői miatt nagyfeszültségen (60 V – 100 V felett) működni képes műveleti erősítőket igényel. Ezek közé a területek közé tartoznak a piezoelektromos vezérlőegységek a tintasugaras és 3D nyomtatókban, valamint az ultrahangos átalakítók és más orvosi műszerek, automatikus ellenőrző berendezések (ATE, automatic test equipment) vezérlőegységei és villamos erőteret használó erőforrások.

Ezek nem szokványos műveleti erősítők, mivel nem ohmos ellenállásos (hanem induktív vagy kapacitív) terhelések esetén kell megfelelniük a fel- és lefutási meredekségre (vagy sebességre) vonatkozó követelményeknek, pontosan szabályozott áramellátást igényelnek, és – amint a feszültségek 60 V fölé emelkednek – a tervező szigorú és nagy elvárásokat támasztó jogszabályi előírásokba ütközik. A felhasználási területtől függően nagy áramok is előfordulhatnak, ami a hűtéssel kapcsolatos problémákhoz vezethet.

Ezeknek a problémáknak a megoldására kaphatók egyedi eljárásokon alapuló, szabványos monolitikus és hibrid nagyfeszültségű műveleti erősítők. A rendszer tervezési céljainak következetes és biztonságos teljesítése érdekében azonban különleges megfontolásokat igényel a kiválasztásuk, a tervezésük és az elrendezésük. Ez a cikk a nagyobb feszültségű (> 100 V) műveleti erősítők egyedi (de meglepően gyakori) felhasználási területeivel foglalkozik, és bemutatja, hogyan lehet ezeket sikeresen használni.

Miért van szükség nagyfeszültségre?

A nagyfeszültségű műveleti erősítőknek számos és változatos jellegzetes felhasználási területe van. A legtöbbjük esetében mind nagyobb feszültségre, mind pedig pontos vezérlésre van szükség, mivel a kisebb feszültségű bemenőjelük feszültségerősített változatát adják ki a kimeneten. A legtöbb esetben ezek a kimenőjelek nem nagyobb feszültségű be-ki kapcsoló jelek, ezért az egyszerűbb nagyfeszültségű kapcsolófunkciók helyett itt inkább lineáris erősítőre van szükség. Néhány ilyen – gyakran kétpólusú kimenetet igénylő – felhasználási terület:

• Tintasugaras nyomtatók, ultrahangos átalakítók és nagy pontosságú áramlásmérő szelepek piezoelektromos vezérlőegységei
• Más integrált áramkörök (IC-k), hibrid eszközök és modulok teljes körű tesztelésére szolgál automatikus ellenőrző berendezések (ATE) vezérlőegységei
• Tudományos műszerek, például Geiger-számlálók
• Autóipari fényérzékelő és távolságmérő (LiDAR) képalkotó rendszerek nagy fényerejű lézerdiódái
• Folyadékokon végzett orvosbiológiai vizsgálatokhoz gyakran használt villamos erőterek létrehozása

Sok ilyen rendszer – legalább részben – nagyobb feszültségen működik, de az áramerősségük alacsony vagy mérsékelt (10–100 mA), így ezek a rendszerek a szokásos értelemben nem „nagy teljesítményűek”. Ennek eredményeképpen a tervezés során a hangsúly inkább a szükséges feszültség szabályozásán és leadásán van, mintsem a keletkező hő miatti hűtésen.

Például egy olyan műveleti erősítő, amely 100 V-ot juttat 100 mA mellett egy terhelésre, szerény, 10 W-os teljesítményt igényel a tápegységtől (plusz némi további teljesítményt a belső veszteségek miatt, amelyek jellemzően 20–30%-ot tesznek ki). Bár ez semmiképpen nem egy „mikroteljesítményű” rendszer, hűtési szempontból nem feltétlenül jelent nehéz feladatot, ugyanis a 10 W nagy része a terhelésen jelenik meg, azaz nem az elektronikus alkatrészeket melegíti. A hűtésre azonban még így is mindig oda kell figyelni a tervezés során.

A műveleti erősítővel végzett nagyfeszültségű erősítéshez kapcsolódóan a tervezőnek néhány általános kérdéssel kell szembenéznie:

• A megfelelő műveleti erősítő kiválasztása és használata
• A nagyfeszültségű eszköz teljesítményének optimalizálása
• A nagy egyenfeszültségű sínek biztosítása a műveleti erősítő számára; ezek lehet azonosak a terhelés áramellátó sínjével
• A nagyfeszültséggel kapcsolatos biztonság szavatolása és a jogszabályi előírások betartása az alkatrész-elrendezés és a kivitelezés során

A műveleti erősítő kiválasztása és használata

A nagyfeszültségű műveleti erősítők nem ugyanolyanok, mint a hagyományos erősítők. Egy erősítő általában a feszültség és az áram erősítésének valamilyen kombinációjával nyújt teljesítményerősítést, és általában ohmos terhelésre dolgozik. Ezzel szemben egy műveleti erősítő úgy van beállítva, hogy a feszültséget erősítse, miközben egy meghatározott maximális áramot ad a terhelésre. A műveleti erősítő beállítható továbbá állandó vagy változtatható erősítésre, és az „egyszerű” feszültségerősítő megoldás mellett számos topológiában használható.

Történelmileg a lineáris funkciókra használt legtöbb integrált áramköri folyamat – például a műveleti erősítők is – maximum 50 V körüli feszültségre volt korlátozva. Nagyobb feszültségű műveleti erősítők létrehozásához a tervezők külső diszkrét nagyfeszültségű tranzisztorokat helyeztek el a kimeneten, feszültségerősítőként használva azokat. Az ábrán az Analog Devices LT1055 jelű nagy pontosságú JFET műveleti erősítőjének használata látható egy komplementer erősítőként összekapcsolt tranzisztorokkal ellátott, ±120 V leadására tervezett áramkörben (1. ábra).

1. ábra: A nagyobb feszültségű műveletierősítő-kimenőjelek előállításának egyik módja, hogy komplementer erősítőként összekapcsolt tranzisztorokat adunk az alapeszközhöz, például az Analog Devices LT1055 műveleti erősítőhöz, hogy kihasználjuk a műveleti erősítő bemeneti jelleggörbéjét. Ezzel a kialakítással ±120 V-ra növelhető a kimenőjel (kép: Analog Devices)

Bár ez az eszköz működik, hátránya, hogy bonyolultabb és költségesebb lesz a sok kiegészítő alkatrész miatt, mint az IC önmagában, valamint elkerülhetetlenül merülnek fel alkatrész-elrendezési problémák is. Az is komoly feladatot jelent, hogy szimmetrikus teljesítményt érjünk el és tartsunk fenn a pozitív és negatív kimeneti félhullámok között, miközben minimálisra csökkentjük a nullpontátmeneti jeltorzítást. Ezeket a problémákat jellemzően az egymáshoz nem illő alkatrészek (elsősorban az npn és pnp tranzisztorok) és a fizikai elrendezés kiegyensúlyozatlansága okozza.

A nagyfeszültségű műveleti erősítő kiválasztása a paraméterek értékelésével kezdődik, amelyek hasonlóak bármelyik műveleti erősítőéhez, bár a konkrét számok természetesen különböznek. Az eljárást némileg egyszerűsíti, hogy nagyfeszültségű műveleti erősítőkből viszonylag szűkösebb a kínálat. A tervezési szempontok három fő területet foglalnak magukban:

1. A legfontosabb tényezők a kimenőfeszültség, a kimenőáram, a sávszélesség, a fel- és lefutási meredekség és az egypólusú, valamint a kétpólusú teljesítmény.
2. További fontos szempontok a fel- és lefutási meredekség korlátai és a terhelés típusa, valamint a hőmérsékleti nullponteltolódás miatti hibák, amelyek a kimeneti hullámformában is megjelenhetnek.
3. Végül pedig ott vannak a hőtúlterhelés és a túláram jelentette problémák és egyéb, minden erősítőt érintő kérdések.

A korlátok leküzdése

A tervezőknek fel kell mérniük, hogy a rendelkezésre álló nagyfeszültségű műveleti erősítők közül melyek azok, amelyek nemcsak az 1. pontban szereplő kötelező kritériumoknak felelnek meg, hanem kellően alacsony meghibásodási mutatókkal is rendelkeznek a követelmények teljesítéséhez, és elegendő beépített védelmet is nyújtanak, vagy elláthatók külső védelemmel, például áramkorlátozással.

A majdnem minden követelménynek megfelelő eszköz teljesítményének kiigazítása jó ítélőképességet igényel. Néha előfordul például, hogy az elérhető „legjobb” műveleti erősítő még mindig nem kielégítő valamelyik mutatót tekintve, például kapacitív terhelés meghajtása közben instabil, vagy nem elegendő a kimenő áramerőssége, esetleg túl nagy a hőmérsékleti nullponteltolódása. A tervezőnek döntenie kell, hogy más műveleti erősítőt keres, amelynek esetleg más hiányossága van, vagy a legjobbat választja, és javítja annak teljesítményét.

Néhány példa ennek a kényszerhelyzetnek a szemléltetésére:

Kapacitív terhelések: Az Analog Devices ADHV4702-1 egy nagyfeszültségű, nagy pontosságú műveleti erősítő (2. ábra). Az eszköz működhet ±110 V-os kettős szimmetrikus tápegységről, aszimmetrikus tápegységről vagy egyetlen +220 V-os tápegységről, és ±12 V és ±110 V közötti kimenőfeszültséget képes szolgáltatni legfeljebb 20 mA áramerősség mellett.

A 170 dB-es nyílt hurokerősítés (A_OL) az eszköz nagy teljesítményének egyik legfontosabb tényezője. A kisebb kapacitív terheléseket könnyedén meghajtja, de ahogy ez a terhelés növekszik, az eszköz átviteli függvényének pólusai eltolódnak, ami a kimeneten túllövést és a csökkent fázistartalék miatti esetleges instabilitást okoz.

A műveleti erősítők tervezői megoldást találtak erre a problémára. Ha egy soros ellenállást iktatunk be a kimenet és a C_LOAD láb közé, az lehetővé teszi, hogy az eszköz 1 µF-nál nagyobb terheléseket is meghajtson (2. ábra).

2. ábra: Ha egy soros ellenállást (R_S) iktatunk be az erősítő kimenete és a C_LOAD láb közé, az lehetővé teszi, hogy az ADHV4702-1 műveleti erősítő 1 μF-nál nagyobb kapacitív terheléseket is meghajtson (kép: Analog Devices)

Ennek az ellenállásnak a beiktatása azonban kisebb mértékű túllövést okozhat (3. ábra).

3. ábra: A 2. ábrán látható áramkör R_S ellenállásának értékét a C_CLOAD kapacitás függvényében mutató grafikon 2 dB-es legnagyobb túllövés esetén, egységnyi erősítés, ±110 V tápfeszültség és V_OUT = 100 V_p-p kimenőfeszültség mellett (kép: Analog Devices)

Ha az adott készülék esetében még a 2 dB is túl nagy túllövést jelent, az ADHV4702-1 lehetővé teszi a külső kompenzációt a kompenzációs láb és a föld közé iktatott kondenzátor használatával. Az ellenállás és a kondenzátor megfelelő kiválasztásával biztosítható a stabilitás kapacitív terhelések esetén, közel lapos jelleggörbével a teljes sávszélességen (4. ábra).

4. ábra: Az ADHV4702-1 kisjelű frekvencia-jelleggörbéje a külső kompenzáció függvényében, egységnyi erősítés, ±110 V tápfeszültség, V_OUT = 100 V_p-p, R_f = 0 Ω és C_COMP = 5,6 pF mellett (kép: Analog Devices)

Nagyobb kimenőáramú meghajtás: A Texas Instruments OPA454AIDDAR műveleti erősítője ±5 V és ±50 V közötti feszültséget ad le a kimeneten egyetlen 10 V és 100 V közötti tápfeszültséget (értelemszerűen) használva. Ez feleakkora kimenőfeszültség, mint az ADHV4702-1 esetében (100 V a 200 V-hoz képest), de több mint kétszer akkora az áramerősség (50 mA a 20 mA-hez képest). Előfordulhat azonban, hogy egyes terheléseknél nem elegendő ekkora mértékű kiegészítő forrás- vagy befolyó áram, különösen ha a terhelést több párhuzamosan kapcsolt kisebb terhelés alkotja.

Az OPA454 esetében két lehetőség van a probléma megoldására. Az első, hogy két (vagy több) OPA454AIDDAR párhuzamosan kapcsolható (5. ábra).

5. ábra: Ha két OPA454AIDDAR műveleti erősítőt párhuzamosan kapcsolunk, az lineárisan növeli az eszköz legnagyobb kimenő áramerősségét (kép: Texas Instruments)

Az A1 erősítő fő („mester” vagy „gazda”) erősítőként működik, és bármilyen műveletierősítő-összeállításhoz beállítható, nem csak elsődleges erősítőegységként. Az A2 erősítő, amelyből lehet egy, de akár több is, alárendelt („szolga”) erősítő. Az A2 egységnyi erősítésű pufferként van beállítva, amely az A1 kimenetét követi, miközben további meghajtóáramot ad annak kimenőáramához.

Egy másik lehetőség az egyetlen erősítővel vagy több alárendelt erősítővel elérhető kimenőáramnál nagyobb áramerősség elérésére a kimenetre kapcsolt külső áramerősítő tranzisztorok használata (6. ábra).

6. ábra: Egy alternatíva a párhuzamosan kapcsolt OPA454 műveleti erősítők helyett a kimenetre kapcsolt külső tranzisztorok használata. Ezzel még nagyobb kimenőáram érhető el. Ezek a fenti ábrán a kimenőáramot több mint 1 A-re növelik (kép: Texas Instruments)

Az ábrán látható tranzisztorok használatával a kapcsolás több mint 1 A erősségű áramot tud leadni a kimeneten. A több OPA454 műveleti erősítő használatával ellentétben azonban a komplementer tranzisztorpár nem biztos, hogy a szükséges torzításmentes teljesítményt és linearitást is képes nyújtani. Ha erre a nagyobb áramerősségre van szükség, és a tranzisztorok jelentik az előnyös megoldást, akkor egymáshoz illesztett komplementer pnp-npn tranzisztorpárokra lehet szükség.

Hőmérsékleti együttható és nullponteltolódás: Mint minden analóg alkatrész esetében, a hőmérsékleti együttható (tempco – temperature coefficient) befolyásolja a teljesítményt és a pontosságot, és a bemenőjelhiba hőmérsékleti nullponteltolódása (dV_OS/dT) az erősített kimenőjel részévé válik. Az OPA454 esetében a dV_OS/dT értéke meglehetősen alacsony, ±1,6 μV/°C (jellegzetes), illetve ±10 μV/°C (maximális) a megadott –40 °C és +85 °C közötti környezetihőmérséklet-tartományban.

Ha ez az érték túl nagy, akkor a nagyfeszültségű OPA454 műveleti erősítő előtt egy úgynevezett nulla nullponteltolódású műveleti erősítőt használva előerősítőként csökkenthető a teljes nullponteltolódás (7. ábra). Nulla nullponteltolódású előerősítőként a Texas Instruments OPA735 előerősítőt használva a nagyfeszültségű műveleti erősítő hőmérsékleti nullponteltolódása az első fokozatnál 0,05 μV/°C-os (maximális) értéken tartható, ami 200-szoros csökkentést jelent.

7. ábra: Ha az OPA735 közel nulla nullponteltolódású műveleti erősítőt beiktatjuk az OPA454 műveleti erősítő bemenetére, egy kétfokozatú nagyfeszültségű áramkört kapunk, nagyon alacsony hőmérsékleti bemenőjelhiba-nullponteltolódással (kép: Texas Instruments)

A hűtéssel kapcsolatos kérdések és hővédelem

Még ha az áramerősségszintek kicsik is, a teljesítmény = feszültség × áramerősség (P = UI) egyenletet alapul véve a magasabb feszültségek miatti belső hőtermelődés problémát jelenthet, A termikus modellezés alapvető fontosságú, kezdve a pn-átmenet hőmérsékletének alapegyenletével: T_J = T_A + (P_D × Θ_JA), ahol T_J a pn-átmenet hőmérséklete, T_A a környezeti hőmérséklet, P_D az energiaveszteség, Θ_JA pedig a tok környezeti hőellenállása. Ez utóbbit a szerelési módszerek és a környezet határozza meg, beleértve a hűtést, a légáramlást és a nyomtatott áramköri lap rezét.

A keletkező hő fontosságát és jelenlétét felismerve az olyan IC-k, mint az OPA454 és az ADHV4702-1, tartalmaznak hőleállító áramköröket. Például az OPA454 hőleállító áramköre automatikus hőleállítást indít el, ahol a kimenet magas impedanciájú állapotba kerül, amikor az eszköz belső hőmérséklete eléri a 150 °C-ot. Az eszköz mindaddig hőleállítási állapotban marad, amíg le nem hűl 130 °C-ra, ekkor újból bekapcsol. Ez a hiszterézis megakadályozza a kimenetnek egy hőhatár körüli ki-be kapcsolgatási lengését.

A veszteségi teljesítmény határértékei nem kizárólag a statikus kimeneti teljesítmény függvényei, hanem a működési frekvencia és a fel- és lefutási meredekség is befolyásolja őket, ami a végfok túlzott felmelegedéséhez vezethet. Minden ilyen meghajtó esetében fontos tanulmányozni a biztonságos működési területet (SOA) mutató grafikonokat, kezdve az ADHV4702-1 statikus biztonságos működési területével (8. ábra).

8. ábra: A biztonságos működési területet (SOA) mutató grafikonok tanulmányozása kritikus fontosságú. Az ADHV4702-1 egyenáramú biztonságos működési területét a görbék alatti terület mutatja 25 ⁰C és 85 ⁰C környezeti hőmérsékleten, 20 V-os erősítés és ±110 V tápfeszültség esetén (kép: Analog Devices)

A dinamikus biztonságos működési terület szintén lényeges szempont. Az ADHV4702-1 el van látva egy belső fel- és lefutásimeredekség-javító áramkörrel a 19 MHz kisjelű sávszélesség és a 74 V/µs fel- és lefutási meredekség eléréséhez, de ez a javítóáramkör a jeltől függően több áramot fogyaszthat. Emiatt az ADHV4702-1 esetében külső diódák használatával lehet korlátozni a bemeneti feszültségkülönbséget (9. ábra).

9. ábra: Az ADHV4702-1 bemenetére kapcsolt külső megfogódiódák a bemeneti feszültségkülönbség korlátozásával megvédik az eszközt a javítóáramkör nagy áramának hőhatásaitól (kép: Analog Devices)

Ez megvédi az erősítőt a dinamikus működés során, de korlátozza a fel- és lefutási meredekséget és a nagy jelek sávszélességét, és ezzel korlátozza a fel- és lefutási meredekséget javító áramkör által termelt áramot, valamint csökkenti a belső energiaveszteséget (10. ábra).

10. ábra: A dinamikus biztonságos működési területet mutató grafikonok 25 °C és 85 °C környezeti hőmérsékleten, megfogódiódákkal és azok nélkül, a statikus biztonságos működési területével azonos feltételek mellett (kép: Analog Devices)

Nem minden nagyfeszültségű meghajtó tartalmaz hővédelmet, mivel a kiterjedt biztonságos működési terület túlságosan korlátozóvá teszi a belső áramkört. Az Apex Microtechnology PA52 például egy nagyfeszültségű, nagy teljesítményű erősítő, amely akár 40 A (folyamatos)/80 A (csúcs) áram leadására is képes 50 V/µs fel- és lefutási meredekséggel, 200 V csúcstól csúcsig mért egy- vagy kétpólusú feszültség mellett. Mivel a veszteségiteljesítmény-szintek ennyire magasak lehetnek, ennek az eszköznek a mind az egyenáramú, mind az impulzusos üzemmódokra kiterjedő biztonságos működési területét mutató grafikon (SOA-grafikon) a rendszertervezés kritikus eleme (11. ábra).

11. ábra: Egy nagyfeszültségű (±100 V), nagyáramú (80/40 A) erősítő – amilyen például az Apex Microtechnology PA52 – biztonságos működési területe tág tartományban változik attól függően, hogy állandósult vagy impulzusos üzemmódban működik-e (kép: Apex Microtechnology)

A PA52 esetében a tervezőknek érdemes egy külső magasoldali áramérzékelő ellenállást beiktatni a kimenet és a terhelés közé a kimenőáram mérésére és így a teljesítmény értékelésére. Ennek az ellenállásnak a méretezése mindig valamiféle kompromisszum a nagyobb és a kisebb ellenállásérték között. A nagyobb ellenállás nagyobb jelet és nagyobb jel-zaj viszonyt (SNR) kínál, míg a kisebb ellenállás minimálisra csökkenti az ellenálláson keletkező veszteséget és ennélfogva a leadott kimenőteljesítmény csökkenését.

Ökölszabályként érdemes az ellenállás értékét úgy megválasztani, hogy a rajta eső feszültség a legnagyobb terhelőáram esetén 100 mV legyen. Az érzékelő áramkörnek el kell viselnie a nagy közös módusú feszültségeket (CMV) is. A legtöbb esetben több okból is elszigetelt érzékelő áramkörre van szükség: az érzékelt jel épsége, az áramkör többi részének védelme és a felhasználó biztonsága miatt.

Az áramellátással és jogszabályi előírásokkal kapcsolatos kérdések

Egy nagyfeszültségű erősítő sokkal több, mint egy egyszerű kapcsolási rajz és egy csomó alkatrész, mivel a fizikai elrendezés sajátosságai is kiemelt fontosságúvá válnak. A körülbelül 60 V felett működő áramkörök esetében vannak a megvalósítás biztonságával kapcsolatos kérdések és szabványok (a tényleges érték a végfelhasználástól és az országtól/régiótól függ). Ezeknél a magasabb feszültségű készülékeknél a felhasználóknak el kell dönteniük, hogyan különítik el a magasabb feszültségeket az alacsonyabb, biztonságosabb feszültségektől. Ez magában foglalhat egy vagy több mechanikai eszközt, például potenciálgátakat, reteszeléseket, szigetelést vagy biztonsági távolságokat.

Az elrendezésnek meg kell ezenkívül felelnie az alkatrészek és a nyomtatott áramköri lapon lévő vezetőcsíkok közötti minimális kúszóáramutakra és légrésméretekre vonatkozó jogszabályi előírásoknak, hogy ne jöhessenek létre ívek vagy áthúzások. Ezek a méretek a feszültség és a várható működési környezet (páratartalom és por a tiszta, száraz környezethez képest) függvényei. Érdemes lehet olyan tanácsadót igénybe venni, aki szakértője ezeknek a területeknek, mivel a szabványok bonyolultak, sok finomsággal, miközben a hivatalos jóváhagyási eljárás megköveteli mind a tervezési elrendezés, a szerkezeti felépítés, az anyagok és a méretek elemzését, mind pedig egy teszteléshez használható próbamodellt.

Egy kisfeszültségből nagyfeszültséget előállító váltakozóáram-átalakítós (AC–DC) vagy egyenáram-átalakítós (DC–DC) tápegység elméletileg viszonylag egyszerű, és felépíthető egy teljes hullámú egyenirányítót (váltakozó áram esetén), valamint egy diódákból és kondenzátorokból álló feszültségsokszorozó áramkört használva. A nagyfeszültségű tápegységek tervezésénél azonban számos gyakorlati kérdés merül fel, például annak biztosítása, hogy ezeknek a passzív eszközöknek megfelelő legyen a névleges feszültségük.

Emellett fontos szempont még a tápegység elhelyezése is. Azokban a készülékekben, amelyek csak kis (legfeljebb néhányszor tíz volt nagyságrendű) tápfeszültséggel rendelkeznek, érdemes lehet a kisebb feszültségű vezetékeket egy a nagyfeszültségű műveleti erősítő funkcióinak közelében található lezárt feszültségsokszorozóhoz vezetni. A kisebb feszültségen történő áramfelvétel azonban az ellenálláson való további (IR nagyságú) áramerősség-csökkenést és I²R teljesítményveszteséget jelent ezekben a vezetékekben, és ez semmissé teheti a szétválasztás jelentette előnyöket. A másik lehetőség, hogy a nagyfeszültségű vezetékek futnak hosszabb távon, ami csökkenti a veszteséget, de a biztonságra vonatkozóan magasabb követelményeket támaszt, és szigorúbb jogszabályi előírások vonatkoznak rá.

Döntés a gyártás és a vásárlás között

Hacsak a tervezőcsapat nem rendelkezik megfelelő szaktudással és tapasztalattal, az elhelyezéstől függetlenül általában érdemes inkább megvásárolni a nagyfeszültségű tápegységet, mint megpróbálni megtervezni és megépíteni. Ezekkel a saját tervezésű tápegységekkel sok a gond, és nehéz a tanúsítás megszerzése. A tápegység sokkal többet csinál annál, mint hogy felvesz valamilyen bemenőfeszültséget, majd átalakítja azt a kívánt kimenőfeszültséggé:

• Pontosnak és stabilnak kell lennie
• Meg kell felelnie a búgófeszültségre, valamint az áram- és feszültséglökésekre vonatkozó elvárásoknak
• Különböző védelmi és leállítási funkciókat kell tartalmaznia
• Meg kell felelnie az elektromágneses zavarásra vonatkozó szabványoknak
• Lehet, hogy galvanikusan is le kell választani

Számos nagyobb feszültségű tápegység kapható a kisáramú típusoktól kezdve a néhány vagy még több amper leadására képes változatokig. Az XP Power cég EMCO High Voltage (nagyfeszültségű) részlege által kifejlesztett FS02-15 például egy nyomtatott áramköri lapra szerelt szigetelt nagyfeszültségű modul (12. ábra). Méretei: 2,25 hüvelyk hosszú × 1,1 hüvelyk széles × 0,5 hüvelyk magas (57 mm × 28,5 mm × 12,7 mm), 15 V-os egyenfeszültségű tápegységről működik, és 200 V (±100 V) feszültséget képes leadni 50 mA áramerősség mellett. A modul megfelel az összes teljesítménykövetelménynek és jogszabályi előírásnak, és emellett tartalmazza mindazokat a funkciókat is, amelyek ma már szabványosak, és elvártak egy teljes értékű tápegységtől.

12. ábra: Az XP Power FS02-15 típusú, 15 V-os tápsínről 50 mA áramerősség mellett ±100 V kimenőfeszültséget szolgáltató, készen kapható tápegységek és hasonszőrű társaik kiküszöbölik a nagyfeszültségű műveleti erősítők biztonságos, elkülönített áramellátásának megtervezése és a jogszabályi előírások teljesítése jelentette problémákat (kép: XP Power)

Összegzés

Nagyfeszültségű műveleti erősítőkre számos elektronikai rendszerben szükség van a műszerektől az orvostudományon és a fizikán át a piezoelektromos átalakítókig és lézerdiódákig terjedő rengeteg szakterületen. A tervezők beszerezhetnek olyan műveleti erősítőket, amelyek megfelelnek ezeknek a feszültségeknek, de ezek tulajdonságait és korlátait világosan meg kell érteni, tekintettel arra, hogy milyen vonzatokkal jár 100 V feletti működésük a teljesítmény, a hűtés és a biztonság terén, és milyen jogszabályi előírások vonatkoznak rájuk.