20/20C-HS-H-CE Hoch­spannungsverstärker 20 kV, 60 mA

Eine Vier-Quadranten-Ausgangsstufe bedeutet, dass der Verstärker sowohl Strom liefern als auch aufnehmen kann und sowohl positive als auch negative Spannungen in die Last treiben kann. Praktisch gesehen ermöglicht dieses Design dem ±20 kV Verstärker, kapazitive oder induktive Lasten ohne Instabilität zu treiben. Bei Bedarf zieht er den Ausgang aktiv in Richtung 0, wodurch eine präzise bipolare Regelung von Hoch­spannungssignalen auch bei reaktiven Lasten möglich ist (z. B. beim schnellen Laden und Entladen eines Kondensators).

Die Kleinsignal-Bandbreite bezeichnet den Frequenzbereich, über den der Verstärker Signale mit kleinerer Amplitude (innerhalb seines linearen Bereichs) originalgetreu wiedergeben kann – hier von DC bis etwa 20 kHz (-3-dB-Punkt). Die Großsignal-Bandbreite ist für Vollaussteuerung definiert und ist geringer (DC bis rund 5,2 kHz bei nahezu 20 kV Spitze-Spitze mit ~1 % Verzerrung). Vereinfacht gesagt kann der Verstärker sehr schnelle, kleine Spannungsänderungen bis in den zweistelligen Kilohertzbereich verarbeiten; bei maximalen 20-kV-Auslenkungen liegt die praktische Frequenzgrenze aufgrund von Slew-Rate- und Leistungsbegrenzungen jedoch in der Größenordnung weniger Kilohertz.

Dieser Verstärker wird in einem breiten Spektrum wissenschaftlicher und industrieller Anwendungen eingesetzt. Typische Anwendungen sind das Ansteuern elektro­statischer Ablenkplatten in Teilchenbeschleunigern, die Bereitstellung einer Bias-Spannung bei der Plasmaerzeugung und in dielectric barrier discharge-Experimenten sowie die Steuerung von Hoch­spannungs-Wellenformen in der Materialwissenschaft (z. B. Polung ferroelektrischer Materialien oder Prüfung des Isolationsdurchschlags). Er eignet sich außerdem sehr gut für elektrooptische Modulation, Elektrospinning-Aufbauten, das Steuern von Ionenstrahlen sowie jede Anwendung, die eine stabile, programmierbare Hoch­spannungsquelle mit schneller Reaktion erfordert. Im Grunde kann jedes Szenario, das bis zu ±20 kV mit feinfühliger Regelung und schnellem Schalten benötigt, vom 20/20C-HS-Verstärker profitieren.

Der Verstärker wird über ein Niederspannungs-Eingangssignal gesteuert: Eine analoge Spannung von ±10 V steuert den Ausgang über den gesamten Bereich von ±20 kV (die feste Verstärkung beträgt 2000 V/V). Sie können diese Steuerspannung über einen BNC-Anschluss an der Frontplatte von einem Funktionsgenerator oder einem DAC einspeisen. Das Gerät stellt außerdem praktische Überwachungsausgänge bereit – ein BNC liefert eine Niederspannungsdarstellung des Hoch­spannungsausgangs (im Maßstab 1/2000, d. h. 10 V entsprechen 20 kV), und ein weiterer BNC stellt einen Strommonitor bereit (1 V Ausgang pro 6 mA Laststrom). Diese Monitorausgänge ermöglichen es, die tatsächliche Ausgangsspannung und den Strom in Echtzeit an einem Oszilloskop oder Messgerät zu beobachten – für eine sichere und präzise Rückmeldung, ohne die Hoch­spannung direkt messen zu müssen.

Der 20/20C-HS-H-CE ist mit umfassenden Schutzfunktionen ausgestattet. Er verfügt über eine einstellbare Strom-Limit/Trip-Schaltung: Versucht die Last, mehr als den eingestellten Stromschwellwert zu ziehen (z. B. aufgrund eines Kurzschlusses oder einer Lichtbogenentladung), begrenzt der Verstärker entweder den Ausgangsstrom oder schaltet ab (Trip), um Schäden zu verhindern. Der Ausgang ist außerdem von Natur aus kurzschlussgeschützt, d. h. kurzzeitige Kurzschlüsse gegen Masse zerstören das Gerät nicht. Zusätzlich geht der Verstärker in einen Out-of-Regulation- bzw. Fehlerzustand, wenn er den vorgegebenen Sollwert nicht aufrechterhalten kann (z. B. wenn er über seine Bandbreite oder Leistungsfähigkeit hinaus belastet wird), und deaktiviert den Hoch­spannungsausgang, bis der Zustand behoben ist. Für solche Fehler- oder Trip-Zustände gibt es Statusanzeigen auf der Frontplatte; zudem umfasst das Design Sicherheitsverriegelungen (der Hoch­spannungsausgang wird beispielsweise automatisch deaktiviert, wenn eine Abdeckung entfernt wird). All diese Funktionen gewährleisten einen sicheren Betrieb und schützen sowohl den Anwender als auch die an den Verstärker angeschlossenen Geräte.

Ja. Der Verstärker ist DC-stabil, d. h., er kann eine konstante Hoch­spannung am Ausgang ohne Drift halten – ähnlich wie ein geregeltes Hoch­spannungsnetzteil. Sie können einen DC-Pegel einstellen (indem Sie eine konstante Steuerspannung anlegen), und der Verstärker gibt eine entsprechende DC-Spannung bis 20 kV mit hoher Genauigkeit aus. Dank seines Closed-Loop-Designs bleibt der Ausgang stabil (die Drift ist nach dem Aufwärmen sehr gering und liegt in der Größenordnung von einigen zehn ppm pro Stunde). Dadurch eignet er sich für das Biasen von Bauteilen oder Materialien mit hoher DC-Spannung über lange Zeiträume. Beachten Sie jedoch, dass der kontinuierliche Ausgangsstrom auf 20 mA begrenzt ist – innerhalb dieser Stromgrenze verhält er sich wie eine programmierbare HV-Versorgung. Das Gerät wird sogar mit einem Kalibrierzertifikat geliefert, sodass Sie darauf vertrauen können, dass die Ausgangsspannung exakt Ihrer Einstellung entspricht (innerhalb der spezifizierten Genauigkeit).

Der 20/20C-HS-H-CE ist in einem standardmäßigen 19-Zoll-Rackmount-Gehäuse ausgeführt (ca. 11 Zoll hoch, entsprechend 6U Höhe). Er passt physisch in ein Standard-Geräterack oder kann auf der Laborbank betrieben werden. Mit einem Gewicht von ca. 25 kg ist das Gerät recht schwer, sodass für den Rack-Einbau ggf. ein ausziehbarer Fachboden oder das Anheben durch zwei Personen erforderlich ist; eingebaut steht es jedoch sehr stabil. Hinsichtlich der Strom­versorgung wird das Modell „-H-CE“ über eine übliche Netzversorgung betrieben (werkseitig auf 180–250 V AC, 50/60 Hz für CE-Konformität eingestellt, mit einer alternativen Konfiguration für 115 V AC bei Bedarf). Integrationstechnisch ist die Ansteuerung über BNC-Steck­verbinder unkompliziert, und die Frontplatte ermöglicht einen einfachen Zugriff auf Bedienelemente und Statusanzeigen. Insgesamt ist der Verstärker – sofern ausreichend Platz und eine passende Netzversorgung vorhanden sind – für Hoch­spannungsanwendungen weitgehend Plug-and-Play. Es empfiehlt sich, für eine ordnungsgemäße Erdung zu sorgen und die Hinweise im Benutzerhandbuch zu Belüftung und Sicherheit zu beachten; eine spezielle Infrastruktur über die übliche Laborausstattung hinaus ist jedoch nicht erforderlich.