610E-K-CE Hoch­spannungsverstärker 10 kV, 2 mA

Dieser Hoch­spannungsverstärker unterstützt sechs wählbare Betriebsarten. Er kann als Standard-Hoch­spannungsverstärker (mit wahlweise 100 V/V oder 1000 V/V Verstärkung), als Hoch­spannungs-Referenzversorgung, als Transkonduktanzverstärker (Spannungs-zu-Strom-Wandler), als Präzisionsstromquelle oder als Hoch­spannungsregler betrieben werden. Jede Betriebsart verändert, wie das Gerät den Ausgang regelt: So stellen Sie im Versorgungsmodus den Ausgang über einen Drehregler an der Frontplatte ein, während im Verstärkermodus ein externes Signal originalgetreu verstärkt wird. Diese Multi-Mode-Fähigkeit ermöglicht es, dass ein einziges Gerät im Labor viele Aufgaben übernimmt – von der Erzeugung stabiler DC-Hoch­spannungen über die Verstärkung dynamischer Signale bis hin zur Stromregelung in einer Schaltung.

Der 610E-K-CE verfügt über einen Bereichswahlschalter an der Frontplatte, mit dem Sie den Ausgangsspannungsbereich auswählen können. Intern wird dabei die Verstärkung des Verstärkers umgeschaltet: Im Niedrigbereich beträgt die Verstärkung 100 V/V (für einen Eingang von ±10 V werden bis zu ±1 kV am Ausgang erzeugt), und im Hochbereich beträgt die Verstärkung 1000 V/V (für denselben Eingang werden bis zu ±10 kV am Ausgang erzeugt). Durch Umschalten dieses Bereichsschalters tauschen Sie maximale Spannung gegen eine feinere Regelauflösung. Das bedeutet, dass Sie empfindliche Niederspannungsexperimente im ±1-kV-Bereich durchführen und bei Bedarf unkompliziert auf den vollen ±10-kV-Bereich umschalten können – alles am selben Gerät.

„Kleinsignalbandbreite“ bezeichnet den Frequenzbereich, in dem der 610E-K-CE Signale mit kleiner Amplitude unverfälscht verstärken kann (typischerweise gemessen am –3-dB-Punkt bei sehr geringer Ausgangsaussteuerung). Bei diesem Verstärker reicht die Kleinsignalbandbreite bis ungefähr 10 kHz; das bedeutet, er kann in diesem Frequenzbereich Wellenformen bzw. schnelle Spannungsänderungen verarbeiten, solange die Amplitude klein ist. Großsignalbandbreite hingegen beschreibt die Bandbreite, wenn der Verstärker einen wesentlichen Anteil seiner vollen Ausgangsspannung aussteuert (d. h. Hoch­spannungshübe). In diesem Fall ist die Bandbreite geringer – bei voller ±10-kV-Ausgangsspannung liegt sie ungefähr bei bis zu 1,2 kHz (bei –3 dB Dämpfung). Praktisch ausgedrückt zeigt die Großsignalbandbreite, wie schnell sich der Ausgang bei hohen Spannungspegeln umsteuern lässt. Für noch strengere Linearität (z. B. Verzerrungen unter 1%) liegt die effektive Großsignalbandbreite bei etwa 600 Hz. Zusammengefasst kann der 610E-K-CE bei kleinen Spannungen sehr schnelle Änderungen ausgeben, bei der maximalen Amplitude von 10 kV ist die Geschwindigkeit jedoch auf den kHz-Bereich begrenzt.

Ja. Der Verstärker ist als Vierquadranten-Ausgangsgerät ausgelegt, d. h., er kann über den positiven und negativen Spannungsbereich sowohl Strom liefern als auch Strom aufnehmen. Diese Fähigkeit ist besonders wichtig für das Ansteuern kapazitiver oder anderer reaktiver Lasten (z. B. piezoelektrischer Wandler oder elektro­statischer Platten), die bei Spannungsänderungen Strom in den Verstärker zurückspeisen können. Die Ausgangsstufe des 610E-K-CE bleibt bei kapazitiven Lasten stabil und kann rückfließende Energie aktiv aufnehmen, sodass solche Lasten ohne Oszillation angesteuert werden können. In der Praxis bedeutet das, dass Sie Kondensatoren, Piezo-Elemente oder Hoch­spannungsaktoren direkt an den Verstärker anschließen können, und er reagiert zuverlässig sowohl beim Laden als auch beim Entladen – je nach Ihrem Signalverlauf – und hält dabei die Regelung in allen vier Quadranten des Betriebs aufrecht.

Der 610E-K-CE verfügt über mehrere Sicherheits- und Schutzfunktionen. Erstens besitzt er einen automatischen Kurzschlussschutz, der im Fall eines Lichtbogens oder eines direkten Kurzschlusses am Ausgang den Ausgangsstrom begrenzt und so Schäden am Gerät und am Prüfling verhindert. Der Verstärker ist außerdem CE-konform, das heißt, er erfüllt strenge Sicherheitsnormen (einschließlich Anforderungen an Isolation, Erdung und EMC) für den Umgang mit Hoch­spannung. Zusätzlich befindet sich an der Frontplatte eine Sicherheitsverriegelung bzw. ein Freigabeschalter für Hoch­spannung – häufig als Schlüsselschalter oder Drucktaster ausgeführt –, sodass sich die Hoch­spannungsausgabe schnell deaktivieren oder per TTL-Signal fernsteuern lässt. Zudem gibt es einen Ausgangspolaritätswahlschalter mit einer Off-Position, mit dem sich der Ausgang vollständig spannungsfrei schalten lässt, ohne das gesamte Gerät auszuschalten. Zusammen gewährleisten diese Funktionen, dass der Bediener beim Arbeiten mit den ±10-kV-Ausgängen mehrere Schutz- und Kontrollebenen hat.

Der 610E-K-CE ist für ein Hoch­spannungsgerät sehr ansprechfreudig. Seine Anstiegsrate liegt bei über 35 V/µs (35 Volt pro Mikrosekunde) und ist ein Maß dafür, wie schnell sich der Ausgang ändern kann. Zur Einordnung: Ein 10-kV-Sprung wird bei dieser Rate in wenigen hundert Mikrosekunden durchlaufen. Formeller ausgedrückt: Die Einschwingzeit auf etwa 1 % eines neuen Sollwerts bei einem vollen 0- bis 10-kV-Sprung liegt unter 1 Millisekunde. Diese schnelle Reaktion ist vorteilhaft, wenn die Hoch­spannung schnellen Sollwertänderungen folgen soll oder wenn schnelle Spannungssignalformen erzeugt werden. Sie stellt sicher, dass der Ausgang des Verstärkers auch dann, wenn Sie eine abrupte Änderung am Eingangssignal anlegen oder den Ausgangsdrehknopf deutlich verstellen, den neuen gewünschten Spannungswert nahezu sofort erreicht (bei einer Änderung über den vollen Bereich innerhalb einer Tausendstelsekunde).

Dieser Verstärker wird in einer Vielzahl spezialisierter Anwendungen in Engineering und Forschung eingesetzt. So kann er beispielsweise in Experimenten zur geschlossenen Ladungsregelung eine definierte Hoch­spannung bereitstellen, um Materialien oder Komponenten aufzuladen, während der Ladezustand überwacht und konstant gehalten wird. In der elektrofotografischen Forschung (z. B. bei der Entwicklung und Erprobung von Komponenten für Laserdrucker oder Fotokopierer) ist seine Fähigkeit, sehr stabile Hoch­spannungen zu liefern, für das Aufladen und den Transfer von Toner essenziell. Der 610E-K-CE wird außerdem häufig für Isolationsprüfungen und die Bewertung dielektrischer Materialien eingesetzt – er kann eine hohe DC-Vorspannung oder eine Wellenform an eine Materialprobe anlegen und so helfen, deren Isoliereigenschaften oder Durchschlagspannung zu beurteilen. Darüber hinaus profitiert jede Anwendung, die eine präzise Hoch­spannungs-Vorspannung oder -Ansteuerung erfordert: Beispiele sind die Ansteuerung von piezoelektrischen Aktoren, elektro­statischen Ablenkplatten, Elektroden zur Ionenstrahlablenkung oder auch der Einsatz als programmierbare Hoch­spannungsquelle in Kalibrierlaboren. Kurz gesagt: Immer dann, wenn eine stabile, regelbare Hoch­spannung bis 10 kV mit geringem Rauschen und hoher Genauigkeit benötigt wird, ist dieser Verstärker eine sehr gute Wahl.

Der 610E-K-CE ist auf hohe Genauigkeit ausgelegt: Ein Rückkopplungs­system im geschlossenen Regelkreis überwacht und korrigiert den Ausgang kontinuierlich, damit er dem gewünschten Sollwert entspricht. Das Gerät verfügt über eine spezifizierte Genauigkeit der Spannungsverstärkung (z. B. besser als 0,3 % vom Skalenendwert im Verstärkermodus), d. h., der Ausgang entspricht sehr genau dem Eingangssollwert. Um dieses Präzisionsniveau sicherzustellen, wird jede Einheit mit einem NIST-traceable calibration certificate ausgeliefert. Das bedeutet, dass Ausgangsmessung und -anzeige anhand von Standards des National Institute of Standards and Technology kalibriert wurden, sodass Sie den ausgegebenen Spannungs- und Stromwerten vertrauen können. Im Laufe der Zeit kann – wie bei allen Präzisionsinstrumenten – eine Neukalibrierung erforderlich sein; der Hersteller bietet hierfür empfohlene Kalibrierintervalle und Services an, um den Verstärker innerhalb der Spezifikation zu halten. Im täglichen Betrieb tragen die geringe Drift und die DC-Stabilität des Designs dazu bei, die Genauigkeit ohne häufige Nachjustierungen zu bewahren. Kurz gesagt: Ab dem ersten Tag ist die Genauigkeit des Verstärkers verifiziert, und sein Design sorgt dafür, dass er die Sollwerte für Spannungs- und Stromausgang zuverlässig einhält.