Efektywna i bezpieczna regulacja i wzmocnienie wysokich napięć dzięki odpowiedniemu wysokonapięciowemu wzmacniaczowi operacyjnemu

Istnieje wiele zastosowań wymagających wzmacniaczy operacyjnych, które mogą pracować przy wysokich napięciach (powyżej 60V do 100V) ze względu na charakter ich sygnału wejściowego lub charakterystykę obciążenia wyjściowego. Zastosowania te to m.in. sterowniki piezo w drukarkach atramentowych i 3D, a także przetworniki ultradźwiękowe i inne przyrządy medyczne, sterowniki ATE oraz źródła pola elektrycznego.

Nie są to typowe wzmacniacze operacyjne, ponieważ muszą spełniać wymagania dotyczące szybkości narastania przy obciążeniach nierezystancyjnych (indukcyjnych, pojemnościowych), wymagają precyzyjnie regulowanego zasilacza, a jeśli napięcie przekracza 60V - projektant wpada na surowe i rygorystyczne wymagania przepisów. W zależności od zastosowania mogą występować również wysokie natężenia prądu, co prowadzi do problemów z odprowadzaniem ciepła.

Rozwiązaniem tych problemów mogą być dostępne standardowe wysokonapięciowe wzmacniacze operacyjne monolityczne i hybrydowe oparte na specjalnych procesach. Aby jednak konsekwentnie i bezpiecznie spełniały założenia projektowe układów, potrzebne są specjalne analizy podczas ich doboru, projektowania i rozmieszczania. W niniejszym artykule przyjrzymy się wykorzystaniu wzmacniaczy operacyjnych o wyższym napięciu (>100V) w unikalnych, ale (o dziwo) powszechnych zastosowaniach oraz sposobom ich skutecznego stosowania.

Skąd zapotrzebowanie na wysokie napięcia?

Reprezentatywne zastosowania wzmacniaczy operacyjnych wysokiego napięcia są liczne i zróżnicowane. Większość z nich wymaga zarówno wyższych napięć, jak i precyzyjnej kontroli, ponieważ mamy w nich do czynienia z wzmocnioną wersją sygnału wejściowego o niższym napięciu. W większości przypadków nie są to sygnały wyższego napięcia włączania/wyłączania, dlatego potrzebny jest wzmacniacz liniowy, a nie prostsza funkcja przełączania wysokiego napięcia. Oto niektóre z zastosowań, które często wymagają wyjścia bipolarnego:

• Sterowniki piezo w drukarkach atramentowych, przetworniki ultradźwiękowe i precyzyjne zawory pomiaru przepływu
• Sterowniki zautomatyzowanych urządzeń pomiarowych (ATE) używane do pełnego testowania innych układów scalonych, urządzeń hybrydowych i modułów
• Przyrządy naukowe, takie jak liczniki Geigera
• Diody laserowe o wysokiej intensywności w samochodowych systemach obrazowania i pomiaru odległości (technologia LiDAR)
• Wytwarzanie pól elektrycznych często stosowanych w biomedycznych badaniach płynów

Wiele z tych układów działa, przynajmniej częściowo, przy wyższych napięciach, ale ma prąd o niskim lub umiarkowanym natężeniu (od 10 do 100mA), a więc nie występują tu „duże moce” w zwykłym tego słowa znaczeniu. W rezultacie nacisk w projektowaniu kładzie się bardziej na dostarczanie potrzebnego napięcia i jego kontrolowanie niż na odprowadzanie wytworzonego ciepła.

Na przykład wzmacniacz operacyjny dostarczający do odbiornika napięcie 100V przy natężeniu 100mA charakteryzuje się skromnym zapotrzebowaniem na moc 10W z zasilacza (plus niewielką dodatkową moc na pokrycie strat wewnętrznych, zwykle 20% do 30%). Z pewnością nie jest to scenariusz „mikromocy”, jednak nie musi stwarzać problemów pod względem odprowadzenia ciepła, ponieważ większość z tej mocy 10W trafia do odbiornika, a więc ciepło nie jest rozpraszane przez elementy elektroniczne. Mimo to rozpraszanie ciepła jest czymś, co należy zawsze brać pod uwagę, przystępując do projektowania.

Bardziej istotne dla wzmocnienia wysokiego napięcia za pomocą wzmacniacza operacyjnego są pewne inne ogólne problemy, z którymi borykają się projektanci:

• Dobór i zastosowanie odpowiedniego wzmacniacza operacyjnego
• Optymalizacja wydajności urządzenia wysokiego napięcia
• Zapewnienie szyn wysokiego napięcia prądu stałego dla wzmacniacza operacyjnego, które mogą być takie same jak zasilanie odbiornika
• Zapewnienie bezpieczeństwa wysokiego napięcia i spełnienie wymagań prawnych w zakresie układu i konstrukcji

Dobór i zastosowanie wzmacniacza operacyjnego

Wzmacniacz operacyjny wysokiego napięcia to nie to samo, co tradycyjny wzmacniacz. Ogólnie rzecz biorąc wzmacniacz zapewnia wzmocnienie mocy przy pewnej kombinacji napięcia i prądu, zwykle przy obciążeniu rezystancyjnym. Wzmacniacz operacyjny natomiast jest skonfigurowany do zwiększania napięcia przy jednoczesnym dostarczaniu do odbiornika określonego maksymalnego natężenia prądu. Co więcej, wzmacniacz operacyjny można skonfigurować do pracy ze stałym lub regulowanym wzmocnieniem i stosować w różnych topologiach poza „zwykłym” blokiem wzmocnienia napięcia.

Dawniej większość procesów układów scalonych używanych do funkcji liniowych, takich jak wzmacniacze operacyjne, była ograniczona maksymalnie do napięcia około 50V. Aby stworzyć wzmacniacz operacyjny o wyższym napięciu, projektanci dodali na wyjściu zewnętrzne, dyskretne tranzystory wysokonapięciowe, które pełnią funkcję wzmacniaczy napięcia. Na ilustracji 1 przedstawiono zastosowanie precyzyjnego wzmacniacza operacyjnego JFET LT1055 firmy Analog Devices w obwodzie z komplementarnymi tranzystorami podwyższającymi w celu uzyskania napięcia ±120V.

Ilustracja 1: jednym ze sposobów wytwarzania na wyjściu wzmacniacza operacyjnego wyższego napięcia jest dodanie do podstawowego urządzenia komplementarnego tranzystora podwyższającego, takiego jak LT1055 firmy Analog Devices, który pozwala wykorzystać charakterystykę wejściową wzmacniacza operacyjnego. Taka konstrukcja podnosi napięcie wyjściowe do ±120V. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Chociaż ten sposób działa, ma wadę w postaci bardziej skomplikowanego i kosztownego wykazu materiałów (BOM) w porównaniu z samym układem scalonym, a także nieuniknionych problemów z układem. Wyzwaniem jest również osiągnięcie i utrzymanie symetrycznych parametrów działania między dodatnimi i ujemnymi wahaniami wyjścia, przy jednoczesnym zminimalizowaniu zniekształceń w punkcie przecięcia zera. Problemy te są zazwyczaj wynikiem niedopasowania komponentów (głównie tranzystorów NPN i PNP) oraz niezrównoważenia w układzie fizycznym.

Dobór wysokonapięciowego wzmacniacza operacyjnego rozpoczyna się od oceny jego parametrów, które są podobne do parametrów dowolnego wzmacniacza operacyjnego, chociaż konkretne liczby będą się oczywiście różnić. Proces jest poniekąd uproszczony, ponieważ dostępnych jest stosunkowo niewiele wysokonapięciowych wzmacniaczy operacyjnych. Zagadnienia projektowe obejmują trzy główne obszary:

1. Najważniejszymi czynnikami są napięcie wyjściowe, wyjściowe natężenie prądu, szerokość pasma, szybkość narastania i porównanie unipolarnych i bipolarnych parametrów działania
2. Inne obawy dotyczą ograniczeń szybkości narastania i rodzaju odbiorników, a także błędów dryftu związanych z temperaturą, które mogą pojawić się w przebiegu wyjściowym
3. Wreszcie, istnieją kwestie ochrony przed nadmierną temperaturą, nadmiernym prądem oraz inne problemy wpływające na wszystkie wzmacniacze

Radzenie sobie z ograniczeniami

Projektanci muszą ocenić, które dostępne wysokonapięciowe wzmacniacze operacyjne nie tylko spełniają obowiązkowe kryteria punktu 1, ale charakteryzują się parametrami pracy o wystarczająco niskim współczynniku błędów, aby spełnić wymagania, a także oferują wystarczającą wbudowaną ochronę lub mogą być wyposażone w ochronę zewnętrzną, np. przed nadmiernym natężeniem prądu.

Przystosowywanie parametrów działania urządzenia, które prawie spełnia wszystkie wymagania, wymaga dobrego osądu. Na przykład, czasami „najlepszy” dostępny wzmacniacz operacyjny nadal nie spełnia jednego kryterium, takiego jak stabilność podczas sterowania obciążeniem pojemnościowym, wystarczająca wartość natężenia prądu wyjściowego czy dopuszczalny dryft temperaturowy. Projektant musi zdecydować, czy poszukać innego wzmacniacza operacyjnego, który może mieć inną wadę, czy wybrać ten najlepszy, a następnie udoskonalić jego działanie.

Kilka przykładów ilustrujących taką sytuację:

Obciążenie pojemnościowe: ADHV4702-1 firmy Analog Devices to wysokonapięciowy, precyzyjny wzmacniacz operacyjny (ilustracja 2). Urządzenie może działać z podwójnym zasilaniem symetrycznym ±110V, zasilaniem asymetrycznym lub pojedynczym zasilaniem 220V i może podawać na wyjściu prąd o napięciu od ±12V do ±110V przy natężeniu do 20mA.

Jego wzmocnienie w otwartej pętli (A_OL) o wartości 170dB ma kluczowe znaczenie z punktu widzenia dobrych parametrów działania. Może z łatwością sterować niewielkimi obciążeniami pojemnościowymi, ale wraz ze wzrostem tego obciążenia bieguny jego funkcji przejścia przesuwają się, powodując wykazywanie szczytowych wartości wyjściowych i możliwą niestabilność z powodu zmniejszonego marginesu fazy.

Projektanci wzmacniaczy operacyjnych wymyślili rozwiązanie tego problemu. Dodanie rezystora szeregowego między wyjściem i wtykiem C_Load pozwala na sterowanie obciążeniami większymi niż 1µF (ilustracja 2).

Ilustracja 2: umieszczenie rezystora szeregowego (R_S) między wyjściem wzmacniacza a wtykiem C_LOAD pozwala wzmacniaczowi ADHV4702-1 na sterowanie obciążeniami pojemnościowymi większymi niż 1μF. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Jednak dodanie tego rezystora może spowodować umiarkowane szczytowe obciążenie (ilustracja 3).

Ilustracja 3: rezystancja R_S w funkcji obciążenia C_LOAD dla maksymalnej wartości szczytowej 2dB dla obwodu z ilustracji 2 przy wzmocnieniu równym jedności, napięciu zasilania ±110V i V_OUT = 100V_p-p. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Jeśli nawet 2dB stanowi nadmierne szczytowe obciążenie dla danego zastosowania, wzmacniacz operacyjny ADHV4702-1 obsługuje zewnętrzną kompensację poprzez kondensator umieszczony między wtykiem kompensacyjnym a masą. Poprzez odpowiedni dobór rezystora i kondensatora możliwe jest zapewnienie stabilności przy obciążeniach pojemnościowych z niemal płaską odpowiedzią na całej szerokości pasma (ilustracja 4).

Ilustracja 4: odpowiedź częstotliwościowa małego sygnału w funkcji kompensacji zewnętrznej dla ADHV4702-1 przy wzmocnieniu jednostkowym, zasilanie ±110V, V_OUT = 100V_pp, R_f = 0Ω i C_COMP = 5,6pF. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Wyższy wyjściowy prąd wysterowania: wzmacniacz operacyjny OPA454AIDDAR firmy Texas Instruments dostarcza napięć od ±5V do ±50V z pojedynczego źródła odpowiednio od 10V do 100V. Jest to o połowę niższe napięcie wyjściowe niż w przypadku wzmacniacza ADHV4702-1 (100V w porównaniu z 200V), ale prąd wysterowania jest ponad dwukrotnie wyższy (50mA w porównaniu z 20mA). Jednak dodatkowy prąd źródła/odbioru może nie wystarczyć dla niektórych odbiorników, zwłaszcza jeśli odbiornik składa się z mniejszych odbiorników połączonych równolegle.

Istnieją dwie opcje, które rozwiązują ten problem w przypadku wzmacniacza operacyjnego OPA454. Po pierwsze, istnieje możliwość równoległego podłączenia dwóch (lub więcej) wzmacniaczy operacyjnych OPA454AIDDAR (ilustracja 5).

Ilustracja 5: umieszczenie dwóch wzmacniaczy operacyjnych OPA454AIDDAR równolegle spowoduje liniowe zwiększenie ich prądu wyjściowego. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Wzmacniacz A1 działa jako wzmacniacz główny i może być połączony w dowolnej konfiguracji wzmacniacza operacyjnego, nie tylko jako podstawowe urządzenie wzmocnienia. Wzmacniacz A2, który może być tylko jeden lub może być ich wiele, jest urządzeniem podrzędnym. Jest skonfigurowany jako bufor o wzmocnieniu jednostkowym, który śledzi wyjście A1, jednocześnie dodając dodatkowy prąd sterujący.

Kolejną opcją pozwalającą uzyskać wyższy prąd oprócz zastosowania pojedynczego wzmacniacza lub kilku urządzeń podrzędnych jest użycie zewnętrznych tranzystorów podwyższających natężenie prądu wyjściowego (ilustracja 6).

Ilustracja 6: alternatywą dla równoległego połączenia wzmacniaczy operacyjnych OPA454 jest użycie zewnętrznych tranzystorów wyjściowych. Dzięki temu można osiągnąć jeszcze wyższy prąd wyjściowy. Tutaj zwiększają one natężenie prądu wyjściowego do ponad 1A. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Użycie przedstawionych tranzystorów w tej konfiguracji pozwala uzyskać prąd o natężeniu 1A. Jednak w przeciwieństwie do użycia dodatkowych wzmacniaczy operacyjnych OPA454, para komplementarnych tranzystorów może nie zapewniać wymaganego poziomu liniowości i braku zniekształceń. Jeśli potrzebny jest wyższy prąd, a preferowanym rozwiązaniem są tranzystory, konieczne mogą być dopasowane komplementarne pary tranzystorów PNP/NPN.

Współczynnik temperaturowy (tempco) i dryft: podobnie jak w przypadku wszystkich komponentów analogowych, współczynnik temperaturowy wpływa na parametry działania i dokładność, a w skład wzmocnionego sygnału wyjściowego wchodzi dryft temperaturowy niezrównoważenia sygnału wejściowego (dV_OS/dT). Dla wzmacniacza operacyjnego OPA454, parametr dV_OS/dT jest dość niski na poziomie ±1,6μV/°C (wartość typowa) i ±10μV/°C (wartość maksymalna) w określonym specyfikacjami zakresie temperatur otoczenia od -40°C do +85°C.

Jeśli ta liczba jest zbyt duża, dodanie tak zwanego wzmacniacza operacyjnego o zerowym dryfcie jako przedwzmacniacza przed wysokonapięciowym wzmacniaczem operacyjnym OPA454 zmniejszy dryft ogólny (ilustracja 7). Stosując wzmacniacz OPA735 firmy Texas Instruments jako przedwzmacniacz o zerowym dryfcie, dryft temperaturowy wzmacniacza wysokonapięciowego można utrzymać na poziomie dryftu pierwszego stopnia 0,05μV/°C (wartość maksymalna), co daje współczynnik redukcji 200.

Ilustracja 7: dodanie wzmacniacza operacyjnego OPA735 o niemal zerowym dryfie na ścieżce wejściowej OPA454 daje dwustopniowy obwód wysokiego napięcia z bardzo niskim dryftem temperaturowym niezrównoważenia sygnału wejściowego. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Problemy termiczne i zabezpieczenia

Chociaż poziomy prądu mogą być niewielkie, problem może stanowić wewnętrzne rozpraszanie spowodowane wyższymi napięciami, zgodnie z równaniem moc = napięcie × natężenie prądu. Niezbędne jest modelowanie termiczne, zaczynając od podstawowego równania temperatury złącza: T_J = T_A + (P_D × Θ_JA), gdzie T_J to temperatura złącza, T_A to temperatura otoczenia, P_D to straty mocy, a Θ_JA to opór cieplny obudowy do otoczenia. Ten ostatni parametr zależy od technik montażu i środowiska, w tym sposobu odprowadzania ciepła, przepływu powietrza i miedzi na płytce drukowanej.

W związku z generowanym ciepłem i jego istotnym oddziaływaniem, takie układy scalone jak OPA454 i ADHV4702-1 wyposażono w obwód wyłączania termicznego. Na przykład obwód we wzmacniaczu OPA454 wyzwala automatyczne wyłączenie termiczne, w którym wyjście przechodzi w stan wysokiej impedancji, gdy wewnętrzna temperatura urządzenia osiągnie 150°C. Pozostaje ono w stanie wyłączenia termicznego, do momentu ostygnięcia do 130°C, po czym nastąpi włączenie zasilania. Ta histereza zapobiega oscylacyjnym włączeniom-wyłączeniom wyjścia przy wartościach bliskich limitowi termicznemu.

Limity rozpraszania są nie tylko funkcją statycznej mocy wyjściowej, ale mają również wpływ na częstotliwość roboczą i szybkość narastania, co może powodować nadmierne nagrzewanie się stopnia wyjściowego. Niezwykle ważne jest przestudiowanie wykresów bezpiecznego obszaru roboczego (SOA) dla każdego takiego sterownika, począwszy od statycznego SOA ADHV4702-1 (ilustracja 8).

Ilustracja 8: bardzo ważne jest przestudiowanie wykresów bezpiecznego obszaru roboczego (SOA). Bezpieczny obszar roboczy prądu stałego (DC SOA) dla wzmacniacza operacyjnego ADHV4702-1 jest reprezentowany przez obszar pod krzywymi, w temperaturze otoczenia 25°C i 85°C, przy wzmocnieniu 20V i napięciu ±110V. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Problemem jest również dynamiczny bezpieczny obszar roboczy (SOA). Wzmacniacz operacyjny ADHV4702-1 jest wyposażony w wewnętrzny obwód podwyższający szybkość narastania, aby osiągnąć szerokość pasma małego sygnału na poziomie 19MHz i szybkość narastania 74V/µs, jednak ten obwód podwyższający może zużywać większą ilość prądu w zależności od sygnału. Z tego powodu wraz ze wzmacniaczem operacyjnym ADHV4702-1 można używać zewnętrznych diod, aby ograniczyć różnicowe napięcie wejściowe (ilustracja 9).

Ilustracja 9: zewnętrzne diody na wejściu wzmacniacza operacyjnego ADHV4702-1 chronią urządzenie przed wpływem temperatury wynikającym z wysokiego prądu obwodu podwyższającego poprzez ograniczenie różnicowego napięcia wejściowego. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Chroni to wzmacniacz podczas pracy dynamicznej, ale ogranicza szybkość narastania i dużą szerokość pasma sygnału, a tym samym ogranicza prąd wytwarzany przez obwód podwyższający narastanie i zmniejsza wewnętrzne straty mocy (ilustracja 10).

Ilustracja 10: dynamiczny obszar roboczy (SOA) w temperaturach otoczenia 25°C i 85°C, z diodami poziomującymi i bez nich, w warunkach identycznych jak dla statycznego obszaru roboczego (SOA). (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Nie wszystkie sterowniki wysokonapięciowe posiadają zabezpieczenie termicznie, ponieważ duży bezpieczny obszar roboczy sprawia, że obwód wewnętrzny jest zbyt restrykcyjny. Na przykład wzmacniacz PA52 firmy Apex Microtechnology jest wysokonapięciowym, wysokoprądowym wzmacniaczem, który może dostarczać prąd o natężeniu 40A (ciągły) / 80A (szczytowy) z szybkością narastania 50V/µs przy jednobiegunowym lub dwubiegunowym wahaniu napięcia na poziomie 200V. Ponieważ poziomy rozpraszania mogą być wysokie, wykres bezpiecznego obszaru roboczego tego urządzenia jest krytycznym elementem w projektowaniu układów, obejmującym zarówno tryby prądu stałego, jak i impulsowego (ilustracja 11).

Ilustracja 11: bezpieczny obszar roboczy dla przykładowego wysokonapięciowego (±100V), wysokoprądowego (80/40A) wzmacniacza, PA52 firmy Apex Microtechnology, znacznie się zmienia w zależności od tego, czy wzmacniacz pracuje w stanie ustalonym, czy trybie pulsacyjnym. (Źródło ilustracji: Apex Microtechnology)

W przypadku PA52 projektanci najprawdopodobniej będą chcieli dodać między wyjściem a odbiornikiem zewnętrzny rezystor pomiarowy prądu po stronie wysokiej, który miałby mierzyć prąd wyjściowy, a tym samym pomóc w oszacowaniu mocy. Dobór rozmiaru takiego rezystora nieodłącznie wiąże się z kompromisem pomiędzy wysoką i niską wartością rezystancji. Wyższa rezystancja zapewnia większy sygnał i wyższy stosunek sygnału do szumu (SNR), podczas gdy niższa rezystancja minimalizuje rozpraszanie własne rezystora i redukcję dostarczanej mocy wyjściowej.

Dobrym punktem wyjścia jest dobór wartości rezystora w taki sposób, aby powstałe na nim napięcie wynosiło 100mV przy maksymalnym prądzie obciążenia. Ponadto obwód pomiarowy będzie musiał być kompatybilny z wysokimi napięciami sygnału wspólnego (CMV). W większości przypadków izolowany obwód pomiarowy jest konieczny z wielu powodów: integralność wykrywanego sygnału, ochrona reszty obwodów oraz bezpieczeństwo użytkownika.

Kwestie dotyczące zasilania oraz przepisów

Wzmacniacz wysokonapięciowy to znacznie więcej niż tylko schemat i wykaz materiałów BOM, jako że krytyczne znaczenie zyskuje tutaj specyfika fizycznego układu. W przypadku obwodów pracujących powyżej napięcia około 60V pojawiają się problemy z bezpieczeństwem wdrożeniowym, w stosunku do którego obowiązują pewne normy (rzeczywista wartość zależy od zastosowania końcowego i kraju/regionu). W przypadku takich projektów o wyższym napięciu użytkownicy muszą zdecydować, jak oddzielić wyższe napięcia od niższych, bezpieczniejszych. Może to wiązać się z jednym lub kilkoma środkami mechanicznymi, takimi jak bariery, blokady, izolacja lub odstępy.

Co więcej, układ musi spełniać wymagania prawne dotyczące minimalnych wymiarów drogi upływu i odstępów dla komponentów i ścieżek na płytce drukowanej, aby nie mogło dojść do wyładowań łukowych ani przeskoków iskry. Wymiary te zależą od napięcia i przewidywanego środowiska pracy (środowisko wilgotne i zapylone, czy może czyste i suche). Sensowne może być skorzystanie z usług konsultanta będącego ekspertem w tych dziedzinach, ponieważ normy są skomplikowane i jest w nich wiele niuansów, a formalny proces wydawania aprobaty wymaga zarówno analizy układu projektu, konstrukcji, materiałów i wymiarów, jak i przedstawienia modelu próbnego do badań.

Zasadniczo zasilanie prądem stałym lub zasilanie z konwersją prądu zmiennego na stały z niskim napięciem na wejściu i wysokim na wyjściu jest proste i można je osiągnąć przy użyciu prostownika pełnookresowego (dla prądu zmiennego) wraz z obwodem powielacza napięcia złożonym z diod i kondensatorów. Jednak z projektowaniem zasilania wysokonapięciowego związanych jest wiele problemów praktycznych, takich jak dobór odpowiedniego napięcia znamionowego urządzeń pasywnych.

Problemem jest nawet umieszczenie zasilacza. W zastosowaniach, w których występuje tylko niskie napięcie zasilania (rzędu dziesiątek woltów lub mniejsze), sensowne może być doprowadzenie przewodów o niższym napięciu do odciętego powielacza napięcia znajdującego się w pobliżu wzmacniacza operacyjnego wysokiego napięcia. Jednak pobór prądu przy niższym napięciu oznacza dodatkowy spadek napięcia spowodowany przepływem prądu przez rezystancję (IR) i straty mocy I²R w tych przewodach, a to może przewyższać zalety separacji. Inną opcją jest poprowadzenie przewodów wysokiego napięcia na odległość, zmniejszając w ten sposób straty, ale zwiększając ograniczenia bezpieczeństwa i regulacyjne.

Decyzja „zrobić czy kupić?”

Zasilacz wysokiego napięcia, bez względu na jego umiejscowienie, zwykle lepiej jest kupić niż próbować go zaprojektować i zbudować, chyba że zespół projektowy ma odpowiednią wiedzę i doświadczenie. Tego typu zasilacze sprawiają wiele problemów, a ich certyfikacja jest trudnym procesem. Zasilacz nie tylko pobiera napięcie wejściowe i przekształca je w pożądane napięcie wyjściowe. Oprócz tego:

• Musi być dokładny i stabilny
• Musi posiadać odpowiednie parametry docelowe tętnień i stanów nieustalonych
• Powinien posiadać różne funkcje zabezpieczeń i wyłączania
• Musi spełniać normy w zakresie zakłóceń elektromagnetycznych (EMI)
• Może również wymagać izolacji galwanicznej

Istnieje wiele dostępnych zasilaczy o wyższym napięciu, od modeli niskoprądowych po modele, które mogą dostarczać kilka amperów lub więcej. Na przykład zasilacz FS02-15 z oddziału EMCO High Voltage firmy XP Power jest izolowanym modułem wysokiego napięcia do montażu na płytce drukowanej (ilustracja 12). Ma 57mm (2,25”) długości, 28,5mm (1,1”) szerokości i 12,7mm (0,5”) wysokości. Jego napięcie wejściowe prądu stałego wynosi 15V, a wyjściowe 200V (±100V) przy natężeniu prądu 50mA. Moduł spełnia wszystkie wymagania dotyczące parametrów pracy i przepisów, a także zawiera funkcje, które są obecnie standardem i których oczekuje się od w pełni funkcjonalnego zasilacza.

Ilustracja 12: przykładowe gotowe zasilacze FS02-15 firmy XP Power o napięciu wyjściowym ±100V przy 50mA zasilane z szyny 12V, eliminują problemy związane z projektowaniem i przepisami dotyczącymi dostarczania izolowanego zasilania dla wysokonapięciowych wzmacniaczy operacyjnych. (Źródło ilustracji: XP Power)

Podsumowanie

Wysokonapięciowe wzmacniacze operacyjne są niezbędne w wielu układach elektronicznych stosowanych w oprzyrządowaniu, medycynie, fizyce, przetwornikach piezoelektrycznych, diodach laserowych i nie tylko. Podczas gdy projektanci mogą sięgnąć po wzmacniacze operacyjne kompatybilne z odpowiednimi napięciami, ich atrybuty i ograniczenia muszą być dobrze zrozumiane, biorąc pod uwagę implikacje w zakresie parametrów działania, parametrów termicznych, przepisów i dotyczące bezpieczeństwa działania przy napięciach przekraczających 100V.