Zu den wesentlichen Merkmalen eines rein linear geregelten Präzisions- Leistungsverstärkers zählen eine geringe Restwelligkeit, ein optimales Signal-/Rauschverhältnis, der echte 4-Quadrantenbetrieb als Quelle und Senke, präzise Nulldurchgänge, hohe Bandbreite und beliebige arbiträre Funktionen. Außerdem dürfen keine Schaltstörungen auftreten und der Quellwiderstand des Ausgangs im U-Betrieb muss gegen null Ohm gehen bzw. im I-Betrieb extrem hochohmig sein.
Anhand des Wirkschaltbildes (Bild 2) und der Bilder 3, 4 und 5 wird im Folgenden die Funktion eines Hero Präzisions-Leistungsverstärkers erklärt.
Die Steuerspannung von einem Funktionsgenerator oder einer PC-Karte gelangt über den Analogeingang (UIN) zur Regel- und Steuerplatine, die für die unterschiedlichsten Applikationen anpassbar ist. Hierzu ist eine Reihe von Steckplätzen vorgesehen. Nach der Pegelanpassung mittels OpAmps erfolgt die galvanische Trennung über Isolierverstärker von Analog Devices (3 in Bild 3). Dann erfolgt die nötige Signalkonditionierung (zum Beispiel Umschaltung U auf I oder Soll/Ist-Vergleich, 8 in Bild 3), abgestimmt auf die geforderten Spezifikationen.
Nun wird das aufbereitete Steuersignal zum Sollwert und der Leistungsendstufe (Bild 4) zugeführt. Mit dem zurückgeführten Ausgangssignal (Istwert – Steckverbinder 7 in Bild 3) entsteht der Regelkreis, der mit höchster Präzision abgeglichen wird, um auch bei hoher Bandbreite L- und C-Lasten betreiben zu können. Die Leistungsendstufe besteht aus einer Vielzahl von parallelgeschalteten n- und p-Kanal Power-MOSFETs (beispielsweise von Hitachi, das Bild 4 zeigt 144 der insgesamt 432 MOSFETs), die selektiert und gepaart wurden. Der Ausgangsstrom gelangt über zwei Hochleistungsshunts der Firma Isabellenhütte (in Bild 5 nur einer sichtbar) zum Ausgang des Verstärkers. Die Shunts sind auf massivem Kühlkörper montiert, um einer Temperaturdrift vorzubeugen.
Die über den Shunts erfasste Spannung steht galvanisch getrennt (3 in Bild 3) über die Anzeigeverstärker (Operationsverstärker) an den Ausgängen IMON, IPeakMON zur Verfügung, die Ausgangsspannung wird an einem entsprechenden Teiler abgegriffen, mit Differenzverstärkern (3 in Bild 3) entkoppelt und steht am Ausgang UMON zur Verfügung.
Die Regelgröße des Verstärkers kann innerhalb von µs digital zwischen Spannung und Strom (8 in Bild 3) umgeschaltet und außerdem der Leistungsverstärker zwischen zwei Leistungsbereichen umgeschaltet werden. Die Temperaturüberwachung der Endstufe erfolgt mittels Sensoren, die über Anschlüsse (6 in Bild 3) mit der Regelplatine verbunden sind. Außerdem wird die Verlustleistung kontinuierlich überwacht (Anschluss 5 in Bild 3). Die Steuerung des Verstärkers erfolgt über die Frontplatte (angeschlossen an Steckverbinder 4a in Bild 3) oder Remote (4b) von einem Computer aus. Anzeigeinstrumente werden bei 1 in Bild 3 angeschlossen.
Wesentliche technische Daten der Hero-Serie
- Regelgröße Ua/Ia umschaltbar
- ±50 V/±50 A bis ±150 A/200 ms
- ±25 V/±50 A bis ±150 A/200 ms
- Frequenzbereich I-Betrieb 40 kHz (-3 dB)
- Nullpunkt-Stabilität ±0,005 %/K vom Endwert
- DC-Linearität ±0,01 % vom Messwert
- AC-Stabilität-Aussteuerung 0,01 %/K bei unter 1 kHz
- 2 analoge Monitore für Ia1-Skalierung 1 V = 10 A; Ia2-Skalierung 1 V = 50 A
- Verlustleistung bei RT dauernd 900 W DC/AC-Betrieb
- Spitzenverlustleistung 10 µs < 100 µs = 10 kW
Siegfried W. Best
(jj)
