Ohjaa ja vahvista korkeajännitteitä tehokkaasti ja turvallisesti sopivalla korkeajännitteisellä operaatiovahvistimella

Monissa sovelluksissa tarvitaan operaatiovahvistimia (op-amp), jotka voivat toimia korkeilla jännitteillä (yli 60–100 V) niiden tulosignaalin luonteen tai lähtökuorman ominaisuuksien vuoksi. Tällaisia sovelluksia ovat esimerkiksi mustesuihku- ja 3D-tulostimissa käytettävät pietso-ohjaimet sekä ultraäänimuuntimet ja muut lääketieteelliset instrumentit, ATE-ohjaimet ja sähkökenttälähteet.

Kyse ei ole tyypillisistä operaatiovahvistimista, sillä näiden on täytettävä ei-resistiivisten (induktiivisten, kapasitiivisten) kuormien muuttumisnopeusvaatimukset. Ne myös vaativat virtalähteen tarkalla jännitelähdöllä, ja suunnittelijan täytyy noudattaa tiukkoja ja vaativia sääntöpohjaisia vaatimuksia, jos jännitteet ylittävät 60 V. Sovelluksesta riippuen myös sähkövirrat voivat olla suuria, mikä aiheuttaa lämmönhallintaongelmia.

Näiden ongelmien ratkaisemiseksi saatavilla on korkeajännitteisiä monoliitti- ja hybridirakenteisia erityisprosesseihin perustuvia operaatiovahvistimia. Niiden valinnassa, suunnittelussa ja layoutissa on kuitenkin otettava huomioon erityisiä näkökohtia, jotta järjestelmän suunnittelutavoitteet täytetään johdonmukaisesti ja turvallisesti. Tässä artikkelissa tarkastellaan sitä, miten korkeajännitteisiä operaatiovahvistimia (>100 V) voidaan käyttää onnistuneesti uniikeissa, (mutta yllättävän) yleisissä käyttökohteissa.

Miksi korkeajännitettä tarvitaan?

Korkeajännitteisiä operaatiovahvistimia käytetään lukemattomiin erilaisiin sovelluksiin. Useimmat niistä vaativat korkeaa jännitettä ja tarkkaa ohjausta, koska niissä käytetään jännitevahvistettua versiota alhaisesta tulojännitesignaalista. Useimmissa tapauksissa kyse ei ole korkean jännitteen signaaleista, jotka ovat yksinkertaisesti päällä tai pois päältä. Tämä vuoksi ne tarvitsevat lineaarisen vahvistimen, pelkkä yksinkertainen korkean jännitteen hakkuri ei riitä niihin. Näihin sovelluksiin, jotka usein edellyttävät bipolaarista lähtöä, kuuluvat muun muassa:

• mustesuihkutulostimien pietso-ohjaimet, ultraäänimuuntimet ja tarkat virtausmittausventtiilit
• muiden mikropiirien, hybridilaitteiden ja moduulien kattavaan testaukseen käytettävät automaattisten testilaitteistojen (ATE) ohjaimet
• tieteelliset instrumentit, kuten geiger-mittarit
• autojen valojen havaitsemiseen ja etäisyyden mittaukseen käytettävien valotutkajärjestelmien (LiDAR) suuritehoiset laserdiodit
• biolääketieteellisissä nesteiden testeissä usein käytettävien sähkökenttien luonti.

Monet näistä järjestelmistä toimivat (ainakin osittain) korkeammilla jännitteillä, mutta niiden virrat ovat pieniä ja vaatimattomia (10–100 mA), joten ne eivät ole ”korkeatehoisia” tavanomaisessa mielessä. Tämän vuoksi suunnittelussa painotetaan enemmän tarvittavan jännitteen ohjausta ja syöttöä kuin tuotetun lämmön hallintaa.

Jos operaatiovahvistin syöttää kuormaan esimerkiksi 100 V:n jännitteen ja 100 mA:n virran, se tarvitsee virtalähteeltä vain 10 W (sekä jonkin verran lisätehoa sisäisiä häviöitä varten, tyypillisesti 20–30 %). Vaikka tämä ei tosiaankaan ole ”mikrotehoskenaario”, se ei välttämättä myöskään aiheuta termisiä ongelmia, koska suurin osa tästä 10 watista menee kuormaan eikä elektronisiin komponentteihin. Lämpöhäviö on kuitenkin asia, joka on otettava suunnittelussa aina huomioon.

Suunnittelija kohtaa kuitenkin eräitä laajempia kysymyksiä, kun operaatiovahvistinta käytetään korkeajännitevahvistukseen:

• Sopivan operaatiovahvistimen valinta ja käyttö
• Korkeajännitelaitteen suorituskyvyn optimointi
• Korkeiden DC-jännitetasojen toimittaminen operaatiovahvistimelle. Nämä voivat identtisiä kuorman jännitetason kanssa
• Korkeita jännitteitä koskevien turvallisuusvaatimusten ja viranomaismääräysten noudattaminen layoutissa ja rakenteessa.

Operaatiovahvistimen valinta ja käyttö

Korkeajännitteinen operaatiovahvistin eroaa perinteisestä vahvistimesta. Yleensä vahvistin vahvistaa tehoa (jännitteen ja virran kombinaatio) ja sen kuorma on yleensä resistiivinen. Operaatiovahvistin on sitä vastoin konfiguroitu kasvattamaan jännitettä ja syöttämään kuormaan määritetty enimmäisvirta. Lisäksi operaatiovahvistimen vahvistuskerroin voidaan konfiguroida kiinteäksi tai muuttuvaksi ja sitä voidaan käyttää useissa eri topologioissa ”yksinkertaisen” jännitevahvistimen lisäksi.

Aiemmin useimmat lineaarisiin toimintoihin, kuten operaatiovahvistimiin, käytetyt mikropiiriprosessit oli rajoitettu enintään noin 50 V:n jännitteeseen. Saadakseen korkeajännitteisen operaatiovahvistimen suunnittelijat lisäsivät lähtöön ulkoisia, erillisiä korkeajännitetransistoreja toimimaan jännitevahvistimina. Kuvassa 1 on esitetty Analog Devices JFET-tarkkuusoperaatiovahvistimen LT1055 käyttöä piirissä, johon kuuluu täydentäviä vahvistintransistoreita ±120 V:n jännitteen tuottamiseksi (kuva 1).

Kuva 1: Yksi tapa saada operaatiovahvistimeen korkeajännitteinen lähtö on lisätä vahvistintransistoreja Analog Devices LT1055 -operaatiovahvistimen kaltaiseen peruslaitteeseen. Näin voidaan hyödyntää operaatiovahvistimen tulo-ominaisuuksia. Tällä rakenteella saavutetaan lähtöjännite ±120 V. (Kuvan lähde: Analog Devices).

Vaikka tämä toimii, haittapuolena on kompleksisempi ja kalliimpi BOM-osaluettelo pelkkään mikropiiriin verrattuna sekä väistämättömät layout-ongelmat. On myös haastavaa saavuttaa ja ylläpitää symmetrinen suorituskyky positiivisen ja negatiivisen lähtövaihtelun välillä ja samalla minimoida vääristymät nollapisteen kautta. Näitä ongelmia aiheuttavat yleensä yhteensopimattomat komponentit (pääasiassa NPN- ja PNP-transistorit) ja fyysisen layoutin epätasapaino.

Korkeajännitteisen operaatiovahvistimen valinta alkaa parametrien evaluoinnista, jotka vastaavat minkä tahansa operaatiovahvistimen parametreja, vaikka tietysti varsinaiset numerot poikkeavat toisistaan. Prosessia yksinkertaistaa jonkin verran se, että korkeajännitevaihtoehtoja on tarjolla suhteellisesti vähemmän. Suunnitteluun liittyvät näkökohdat käsittävät kolme ensisijaista aluetta:

1. Tärkeimmät tekijät ovat lähtöjännite, lähtövirta, kaistanleveys, muuttumisnopeus ja unipolaarinen vs. bipolaarinen suorituskyky.
2. Muita huomion arvoisia tekijöitä ovat muuttumisnopeuden ja kuormatyypin rajoitukset sekä lämpötilaan liittyvät ryömintävirheet, jotka voivat vaikuttaa lähdön aaltomuotoon.
3. Lisäksi on otettava huomioon myös suojaus termistä ylikuormitusta, liian suurta virtaa ja muita kaikkiin vahvistimiin liittyviä ongelmia vastaan

Rajoitusten voittaminen

Suunnittelijoiden on arvioitava, mitkä saatavilla olevista korkeajännitteisistä operaatiovahvistimista täyttävät sekä kohdan 1 pakolliset kriteerit että myös tarjoavat riittävän alhaiset virhespesifikaatiot vaatimusten täyttämiseksi. Lisäksi operaatiovahvistimien tulee tarjota riittävä sisäänrakennettu suojaus tai niihin täytyy voida liittää ulkoinen suojaus, kuten virranrajoitus.

Lähes kaikki vaatimukset täyttävän laitteen suorituskykyyn mukautuminen vaatii hyvää harkintakykyä. Esimerkiksi ”paras” saatavilla oleva operaatiovahvistin voi olla joltakin kantilta edelleen puutteellinen. Se voi olla esimerkiksi epävakaa kapasitiivista kuormaa ohjattaessa tai sen lähtövirtakapasiteetti ei ole riittävä tai sen lämpöryömintä on liian korkea. Suunnittelijan on päätettävä, etsiikö hän toisen operaatiovahvistimen, jolla voi olla jokin muu puute, vai valitseeko hän parhaan operaatiovahvistimen ja parantaa sitten sen suorituskykyä.

Seuraavat esimerkit havainnollistavat tätä hankalaa tilannetta:

Kapasitiiviset kuormat: Analog Devices ADHV4702-1 on korkeajännitteinen tarkkuusoperaatiovahvistin (kuva 2). Laitetta voi käyttää symmetrisellä kaksoisvirtalähteellä ±110 V, epäsymmetrisillä virtalähteillä tai yksipuolisella +220 voltin virtalähteellä. Sen lähtöjännitteet ovat ±12 ... ±110 V enintään 20 mA:n virralla.

Sen 170 desibelin (dB) avoimen silmukan vahvistus (A_OL) on keskeinen tekijä komponentin korkean suorituskyvyn kannalta. Se voi ohjata helposti vaatimattomia kapasitiivisia kuormia, mutta kuorman kasvaessa sen siirtofunktion navat kuitenkin siirtyvät. Tämä aiheuttaa lähdössä huippuja ja mahdollista epävakautta pienentyneen vaihevaran vuoksi.

Operaatiovahvistinten suunnittelijat ovat keksineet ratkaisun tähän ongelmaan. Kun lähdön ja C_Load -nastan väliin lisätään sarjavastus, komponentti voi ohjata yli 1 mikrofaradin (µF) kuormia (kuva 2).

Kuva 2: Kun vahvistimen lähdön ja C_LOAD-kuorman väliin sijoitetaan sarjavastus (R_S), operaatiovahvistin ADHV4702-1 voi ohjata yli 1 μF:n kapasitiivisia kuormia. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Tämän vastuksen lisääminen voi kuitenkin lisätä hieman kuormahuippuja (kuva 3).

Kuva 3: Arvojen R_S ja C_LOAD välinen suhde kuorman maksimihuipulle 2 dB kuvan 2 piirissä yksikkövahvistuksella. Syöttöjännite on ±110 V ja V_OUT = 100 V_p-p. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Jos jopa 2 dB on sovelluksen kannalta liian korkea kuormahuippu, operaatiovahvistin ADHV4702-1 tukee ulkoista kompensointia kondensaattorilla, joka sijoitetaan kompensointinastan ja maan väliin. Kapasitiivisista kuormista on mahdollista saada stabiileja valitsemalla sopiva vastus ja kondensaattori ja niillä voidaan saavuttaa lähes tasainen vaste koko kaistanleveydellä (kuva 4).

Kuva 4: Operaatiovahvistimen ADHV4702-1 piensignaalin taajuusvaste suhteessa ulkoiseen kompensointiin yksikkövahvistuksella. Syöttöjännite on ±110 V, V_OUT = 100 V_p-p, R_f = 0 Ω ja C_COMP = 5,6 pikofaradia (pF). (Kuvan lähde: Analog Devices)

Korkeampi lähtövirta: Texas Instrumentsin operaatiovahvistin OPA454AIDDAR tarjoaa lähtöjännitteen ±5 ... ±50 V yksipuolisella 10–100 V:n virtalähteellä. Tämä tarkoittaa puolet pienempää lähtöjänniteluokitusta kuin operaatiovahvistimella ADHV4702-1 (100 V vs. 200 V), mutta sen lähtövirta on >2 kertaa suurempi (50 mA vs. 20 mA). Tämä korkeampi nielu-/lähdevirta ei kuitenkaan välttämättä riitä kaikille kuormille, erityisesti jos kuorma koostuu pienemmistä rinnakkain kytketyistä kuormista.

On kaksi vaihtoehtoa, jotka ratkaisevat tämän ongelman käytettäessä operaatiovahvistinta OPA454. Ensinnäkin kaksi OPA454AIDDAR-operaatiovahvistinta (tai enemmän) voidaan kytkeä rinnakkain (kuva 5).

Kuva 5: Kahden OPA454AIDDAR-operaatiovahvistimen kytkeminen rinnakkain kasvattaa lineaarisesti niiden lähtövirtakapasiteettia. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

Vahvistin A1 toimii päävahvistimena. Se voidaan konfiguroida mihin tahansa operaatiovahvistinkonfiguraatioon perusvahvistinkäytön sijasta. Vahvistin A2 – joita voi olla vain yksi tai useita – toimii slave-tilassa. Se on konfiguroitu yksikkövahvistuspuskuriksi, joka seuraa vahvistimen A1 lähtöä ja mahdollistaa korkeamman lähtövirran.

Vaihtoehto, jolla saadaan enemmän virtaa kuin yksi ainut vahvistin tai useampi slave-tilassa oleva vahvistin voivat tuottaa, on käyttää ulkoisia vahvistintransistoreita kasvattamaan lähtövirtaa (kuva 6).

Kuva 6: Vaihtoehto OPA454-operaatiovahvistinten rinnakkainkytkennälle on käyttää ulkoisia lähtötransistoreita. Näin voidaan saavuttaa vielä suurempi lähtövirta. Tässä esimerkissä ne vahvistavat lähtövirran yli 1 ampeeriin. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

Kuvassa näkyvien transistorien avulla konfiguraatio voi tuottaa yli 1 ampeerin virran. Lisätransistoripari ei kuitenkaan välttämättä tarjoa riittävää suorituskykytasoa säröttömyydessä ja lineaarisuudessa ylimääräisten operaatiovahvistinten OPA454 käyttöön verrattuna. Jos tällaista suurempaa virtaa tarvitaan ja ratkaisussa halutaan käyttää transistoreja, saatetaan tarvita komplementaarisia valikoituja PNP/NPN-transistoripareja.

Lämpötilakerroin (tempco) ja ryömintä: Lämpötilakerroin vaikuttaa kaikkien analogisten komponenttien suorituskykyyn sekä tarkkuuteen ja offset-tulojännitteen lämpöryömintä (dV_OS/dT) vaikuttaa myös vahvistettuun lähtöön. Operaatiovahvistimen OPA454 dV_OS/dT-spesifikaatio on melko alhainen ±1,6 μV/°C (tyypillinen) ja ±10 μV/°C (maksimi) komponentille määritellyllä ympäristön lämpötila-alueella -40 ... +85 °C.

Jos tämä arvo on liian suuri, kokonaisryömintää voidaan pienentää lisäämällä niin kutsuttu ”nollaryöminnän” operaatiovahvistin esivahvistimeksi korkeajännitteisen OPA454-operaatiovahvistimen eteen (kuva 7). Kun Texas Instrumentsin operaatiovahvistinta OPA735 käytetään ”nollaryömintäesivahvistimena”, korkeajännitevahvistimen lämpötilakertoimen aiheuttama ryömintä voidaan pitää ensimmäisen asteen ryöminnässä 0,05 μV/°C (maksimi), mikä antaa vähennyskertoimen 200.

Kuva 7: Operaatiovahvistimen OPA735 lisääminen operaatiovahvistimen OPA454 tulopolulle luo kaksivaiheisen korkeajännitepiirin erittäin alhaisella tulojännitteen lämpöryöminnällä. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

Lämpötekijät ja suojaus

Vaikka virtatasot olisivat alhaisia, korkeiden jännitteiden aiheuttama sisäinen tehohäviö voi aiheuttaa ongelmia yhtälön teho = jännite × virta mukaisesti. Terminen mallinnus on siksi välttämätöntä. Se aloitetaan siirtymävyöhykkeen lämpötilan perusyhtälöstä: T_J = T_A + (P_D × Θ_JA), jossa T_J tarkoittaa siirtymävyöhykkeen lämpötilaa, T_A ympäristön lämpötilaa, P_D tehohäviötä ja Θ_JA kotelon lämpöresistanssia suhteessa ympäristöön. Jälkimmäinen arvo määräytyy asennustekniikan ja ympäristön mukaan. Myös jäähdytyselementit, ilmavirta ja piirilevyn kupari on otettava huomioon.

Operaatiovahvistimien OPA454 ja ADHV4702-1 kaltaisissa mikropiireissä on huomioitu lämmön muodostus ja sen merkitys lisäämällä niihin terminen katkaisupiiri. Esimerkiksi OPA454-operaatiovahvistimen sisäinen piiri laukaisee automaattisen termisen katkaisun laitteen sisäisen lämpötilan noustessa 150 celsiusasteeseen, jolloin lähtö kytkeytyy korkeaimpedanssiseen tilaan. Termistä katkaisua jatketaan kunnes laite jäähtyy 130 celsiusasteeseen, jolloin laite käynnistetään uudelleen. Tämä hystereesi estää lähtöä oskilloimasta termisen rajan ympärillä.

Tehohäviö ei riipu pelkästään staattisesta lähtötehosta, vaan siihen vaikuttaa myös toimintataajuus ja muuttumisnopeus, jotka voivat johtaa lähtöasteen ylikuumenemiseen. On ratkaisevan tärkeää tutustua kaikkien tällaisten komponenttien turvallisen toiminta-alueen (SOA) kuvaajiin aloittaen ADHV4702-1-operaatiovahvistimen staattisesta turvallisesta toiminta-alueesta (kuva 8).

Kuva 8: Turvallisen toiminta-alueen (SOA) kuvaajiin tutustuminen on erittäin tärkeää. Operaatiovahvistimen ADHV4702-1 turvallista DC-toiminta-aluetta esittää kuvaajien alapuolelle jäävä alue ympäristölämpötiloissa 25 ⁰C ja 85 ⁰C vahvistuksen ollessa 20 V ja syöttöjännitteen ±110 V. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Myös dynaaminen turvallinen toiminta-alue on otettava huomioon. ADHV4702-1-operaatiovahvistin käyttää sisäistä muuttumisnopeuden vahvistuspiiriä, joka mahdollistaa piensignaalille 19 megahertsin (MHz) kaistanleveyden ja 74 V/mikrosekunnin (µs) muuttumisnopeuden. Tämä vahvistinpiiri voi kuitenkin signaalista riippuen kuluttaa paljon virtaa. Tästä syystä ADHV4702-1-operaatiovahvistimen kanssa voidaan käyttää ulkoisia diodeja rajoittamaan sen differentiaalista tulojännitettä (kuva 9).

Kuva 9: Operaatiovahvistimen ADHV4702-1 tulossa olevat ulkoiset diodit suojaavat laitetta vahvistuspiirin korkean virran aiheuttamilta termisiltä vaikutuksilta rajoittamalla sen differentiaalista tulojännitettä. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Tämä suojaa vahvistinta dynaamisessa käytössä, mutta rajoittaa muuttumisnopeutta ja laajaa signaalikaistan leveyttä. Tämä puolestaan rajoittaa muuttumisnopeuden vahvistuspiirin tuottamaa virtaa ja vähentää sisäistä tehohäviötä (kuva 10).

Kuva 10: Dynaaminen turvallinen toiminta-alue ympäristölämpötiloissa 25 °C ja 85 °C rajoitusdiodien kanssa ja ilman niitä, samoissa olosuhteissa kuin staattinen turvallinen toiminta-alue. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kaikki korkeajänniteohjaimet eivät sisällä lämpösuojausta, koska laaja turvallinen toiminta-alue tekee sisäisestä piiristä liian rajoittavan. PA52 (valmistaja Apex Microtechnology) on esimerkki korkeajännitteisestä suurtehovahvistimesta, joka voi syöttää jopa 40 ampeeria (jatkuva) / 80 ampeeria (huippu) muuttumisnopeudella 50 V/µs unipolaarisella tai bipolaarisella jännitevaihtelulla 200 V. Koska tämän laitteen häviötasot ovat niin korkeat, sen turvallisen toiminta-alueen kaavio on kriittinen elementti järjestelmäsuunnittelussa. Tämä kaavio kattaa sekä DC- että pulssitilat (kuva 11).

Kuva 11: Apex Microtechnology PA52:n kaltaisen korkeajännite- (±100 V) ja suurvirtavahvistimen (80/40 ampeeria) turvallinen toiminta-alue vaihtelee suuresti sen mukaan, käytetäänkö sitä tasapainotilassa vai pulssitilassa. (Kuvan lähde: Apex Microtechnology)

Suunnittelijat haluavat todennäköisesti lisätä PA52-vahvistimen lähdön ja kuorman väliin ulkoisen yläpuolen virran mittausvastuksen lähtövirran mittaamiseksi ja siten tehon arvioimiseksi. Tämän vastuksen mitoitus on aina korkean vastusarvon ja alhaisen vastusarvon välinen kompromissi. Korkeampi vastus tarjoaa vahvemman signaalin ja korkeamman signaalikohinasuhteen (SNR), kun taas alhaisempi vastus minimoi vastuksen oman tehohäviön ja syötettävän lähtötehon pienenemisen.

Hyvä lähtökohta on valita vastuksen arvo siten, että vastuksen ylitse oleva jännite on suurimmalla kuormitusvirralla 100 mV. Lisäksi mittauspiirin täytyy tukea korkeita yhteisjännitteitä (CMV). Useimmissa tapauksissa mittauspiirin erottaminen on välttämätöntä monista syistä, joihin kuuluvat: mitatun signaalin eheys, muun piirin suojaaminen ja käyttäjien turvallisuus.

Virtalähde ja lakisääteiset määräykset

Korkeajännitevahvistin on paljon muutakin kuin pelkkä kytkentäkaavio ja BOM-osaluettelo, sillä fyysisen layoutin yksityiskohdat ovat ratkaisevan tärkeitä. Noin yli 60 V:n jännitettä käytettäviin piireihin liittyy turvallisuusominaisuuksien toteutusta koskevia huomioon otettavia tekijöitä ja standardeja (varsinainen arvo riippuu loppusovelluksesta ja maasta/alueesta). Käyttäjien on päätettävä tällaisissa korkeajänniteratkaisuissa miten korkeat jännitteet erotetaan matalista ja turvallisista jännitteistä. Tähän voidaan tarvita yksi tai useampi mekaaninen keino, kuten esteet, lukot, eristykset tai etäisyydet.

Lisäksi layoutin on täytettävä komponenttien ja piirilevyjohdinten pienimpiä sallittuja ilma- ja pintavälimittoja koskevat viranomaismääräykset, niin että valokaaria ja kipinäläpilyöntiä ei voi syntyä. Nämä mitat riippuvat jännitteestä ja odotettavasta käyttöympäristöstä (kosteus ja pöly verrattuna puhtaaseen ja kuivaan ympäristöön). Näihin aiheisiin erikoistuneen konsulttiyrityksen käyttö voi olla järkevää, koska standardit ovat monimutkaisia ja sisältävät monia yksityiskohtia. Virallinen hyväksyntäprosessi puolestaan edellyttää sekä mallin layoutin, rakenteen, materiaalien, mittojen ja materiaalien analyysejä että testausmallin testausta.

Jännitettä nostava AC/DC- tai DC/DC-virtalähde on periaatteessa yksinkertainen ratkaisu, joka voidaan toteuttaa käyttämällä (AC:lle) kokoaaltotasasuuntaajaa sekä diodeista ja kondensaattoreista koostuvaa jännitekerroinpiiriä. Korkeajännitelähteen suunnitteluun liittyy käytännössä kuitenkin monia osatekijöitä. On esimerkiksi varmistettava, että näillä passiivisilla laitteilla on sopivat jänniteluokitukset.

Jopa virtalähteen sijoitus on otettava huomioon. Sovelluksissa, joissa käytetään vain alhaisen jännitteen virtalähdettä (kymmenien volttien luokkaa tai vähemmän), voi olla järkevää viedä alhaisen jännitteen johtimet korkeajännitteisten operaatiovahvistintoimintojen lähellä sijaitsevaan erotettuun jännitekertoimeen. Pienemmän jännitteen virrankulutus tarkoittaa kuitenkin korkeampaa virta-vastushäviötä (IR) ja I²R-tehohäviötä näissä johtimissa. Tämä saattaa olla tärkeämpää kuin erotuksen tuomat edut. Toinen vaihtoehto on käyttää pidempiä korkeajännitejohtimia, mikä vähentää häviöitä, mutta lisää turvallisuus- ja lakisääteisiä rajoitteita.

Valmistaminen vs. ostaminen

Ellei suunnitteluryhmä ole asiantunteva ja kokenut, on yleensä järkevämpää ostaa korkeajännitelähde kuin yrittää suunnitella ja rakentaa se itse – sijoituspaikasta riippumatta. Näihin laitteisiin liittyy monia huomioitavia tekijöitä ja sertifioinnin saanti on vaikeaa. Virtalähde tekee paljon muutakin kuin vain ottaa vastaan tulojännitteen ja muuntaa sen halutuksi lähtöjännitteeksi:

• sen on oltava tarkka ja stabiili
• sen on täytettävä aaltoilu- ja transienttisuorituskykyä koskevat tavoitteet
• sen tulee sisältää erilaisia suojaus- ja sammutusominaisuuksia
• sen on täytettävä EMI-standardit
• sen tulee mahdollisesti olla myös galvaanisesti eristetty.

Saatavilla on monia korkeajännitelähteitä, jotka vaihtelevat pienivirtaisista malleista monia ampeereja mahdollistaviin malleihin. Esimerkiksi XP Powerin EMCO High Voltage -yksikön FS02-15 on piirilevylle asennettava ja erotettu korkeajännitemoduuli (kuva 12). Se on 2,25 tuumaa pitkä, 1,1 tuumaa leveä ja 0,5 tuumaa korkea (57 millimetriä (mm) × 28,5 mm × 12,7 mm). Se toimii 15 voltin DC-virtalähteellä ja tarjoaa 200 V (±100 V) 50 mA:n virralla. Moduuli täyttää kaikki suorituskyky- ja lakisääteiset vaatimukset ja tarjoaa myös toiminnot, jotka ovat nykypäivänä tavallisia ja joita täysin varustellulta jännitelähteeltä odotetaankin.

Kuva 12: Valmiit virtalähteet, kuten XP Powerin FS02-15 (lähtöjännite ±100 V, lähtövirta 50 mA, tulojännite 12 V), eliminoivat suunnittelu- ja lakisääteiset ongelmat, joita korkeajännitteisten operaatiovahvistimien turvalliseen ja erotettuun jännitelähteeseen liittyy. (Kuvan lähde: XP Power)

Yhteenveto

Korkeajännitteiset operaatiovahvistimet ovat välttämättömiä monissa elektroniikkajärjestelmissä kattaen instrumentoinnin, lääketieteen, fysiikan, pietsosähköiset muuntimet, laserdiodit jne. Vaikka suunnittelijat voivat käyttää tällaisia jännitteitä tukevia operaatiovahvistimia, heidän tulee ymmärtää selvästi niiden ominaisuudet ja rajoitukset, koska >100 voltin jännitteen käyttäminen tuo mukanaan suorituskyky-, lämpö-, säätö- ja turvallisuusvaikutuksia.