400Vpp Verstärker

[Gustav G. (gustavgggg)]

Ich hatte schon einmal im Thread 
Beitrag "1500V Linearverstärker" eine Schaltung gezeigt, 
da ich an einem ähnlichen Problem bin.

Ich habe diese Schaltung nun verworfen und mal etwas neues erstellt, 
komme aber an einer Stelle nicht weiter und das ganze Projekt ist auch 
noch ziemlich am Anfang.

Die Anforderung ist erst einmal die geforderten 400Vpp ausgeben zu 
können mit der Option das noch ein bisschen höher zu skalieren. Strom 
soll maximal 0.5A Ausgangsseitig sein. Die Geschwindigkeit ist erstmal 
zweitrangig, alles ab 1kHz Sinus am Ausgang wäre in Ordnung. Die 
Strombegrenzung soll ersteinmal digital erfolgen, später vielleicht noch 
analog der Bipolartransistor.
Die Anwendung wird die Aufnahme von Strom/Spannungskennlinien in Plasmen 
sein. Es muss also diese Art verstärker sein um 4 Quadrant Betrieb zu 
ermöglichen.

In der PDF ist die Schaltung und außerdem eine DC Analyse der 
Ausgangssspannung bei Last.

Ich habe hier schon Q4,Q7,Q6 Kaskadiert um über dem Einzeltransistor 
nicht so ein hohes Uce zu haben. Die Gesamte Verlustleistung bleibt 
natürlich gleich. Ebenso ist das am Stromspiegel Q2,Q9,Q11,Q1,Q8,Q12 
passiert. Das habe ich in der Simulation auch abbilden können und die 
Spannung teilt sich auf.

Momentan bin ich noch bei der DC Simulation. Transient kommt später.

Nun komme ich an einer Stelle nicht weiter. Ich möchte auch Q3 
kaskadieren, sowie Q5 und Q19 um auch hier die Spannungsfestigkeit zu 
erhöhen und die Einzeltransistoren nicht zu sehr belasten. In der 
Simulation sind erstmal keine TVS Dioden für Basis und Gate drin, die 
ich in der realen Schaltung zwingend bräuchte.

Wie kann ich also Q3 sinnvoll kaskadieren? Kann mir jemand vielleicht 
Feedback zu der Schaltung geben und ob das so real vielleicht sofort in 
Rauch aufgeht?

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

Gustav G. schrieb:
> sofort in Rauch aufgeht

weil

Gustav G. schrieb:
> 4 Quadrant Betrieb

die Schaltung nicht vertraegt.

[Falk B. (falk)]

Gustav G. schrieb:

> Die Anforderung ist erst einmal die geforderten 400Vpp ausgeben zu
> können mit der Option das noch ein bisschen höher zu skalieren. Strom
> soll maximal 0.5A Ausgangsseitig sein. Die Geschwindigkeit ist erstmal
> zweitrangig, alles ab 1kHz Sinus am Ausgang wäre in Ordnung.

Dafür braucht man keine kaskadierten MOSFETs, zwei 650V MOSFETs reichen. 
OK, die SOA hat da ein Wörtchen mitzureden, aber das ist ein anderes 
Thema.

> Die
> Strombegrenzung soll ersteinmal digital erfolgen,

Was soll das heißen?

> Die Anwendung wird die Aufnahme von Strom/Spannungskennlinien in Plasmen
> sein. Es muss also diese Art verstärker sein um 4 Quadrant Betrieb zu
> ermöglichen.

Hatten wir das nicht schon mal vor langer Zeit?

> In der PDF ist die Schaltung und außerdem eine DC Analyse der
> Ausgangssspannung bei Last.

Naja, mit KiCAD simulieren nicht viele, LTspice ist das Mittel der 
Wahl.

> Ich habe hier schon Q4,Q7,Q6 Kaskadiert um über dem Einzeltransistor
> nicht so ein hohes Uce zu haben.

Deine Bauteile sind chaotisch bennant, alles durcheinander.

> Nun komme ich an einer Stelle nicht weiter. Ich möchte auch Q3
> kaskadieren, sowie Q5 und Q19 um auch hier die Spannungsfestigkeit zu
> erhöhen und die Einzeltransistoren nicht zu sehr belasten.

Ist bei den Spannungen nicht nötig und sinnvoll.

> In der
> Simulation sind erstmal keine TVS Dioden für Basis und Gate drin, die
> ich in der realen Schaltung zwingend bräuchte.

Für die Basis sicher nicht, Gate schon eher.

> Wie kann ich also Q3 sinnvoll kaskadieren? Kann mir jemand vielleicht
> Feedback zu der Schaltung geben und ob das so real vielleicht sofort in
> Rauch aufgeht?

Ich mein, so was "basteln" mag ja interessant sein, aber deine Kompetenz 
liegt doch wohl eher woanders, beim Plasma und so. Bist du E-Techniker? 
Oder eher was anderes?
So einen Verstärker kann man fertig für relativ wenig Geld kaufen. Das 
sollte man tun.

https://www.hivolt.de/en/hv-amplifiers/
https://www.hivolt.de/fileadmin/hivolt/pdf/PAD.pdf

PAD113

https://www.falco-systems.com/products.html
https://www.hvproducts.de/amplifiers

[Gustav G. (gustavgggg)]

Falk B. schrieb:
> Dafür braucht man keine kaskadierten MOSFETs, zwei 650V MOSFETs reichen.
> OK, die SOA hat da ein Wörtchen mitzureden, aber das ist ein anderes
> Thema.

SOA für viele Mosfets fällt eben raus deswegen soll es kaskadiert sein.

Falk B. schrieb:
> Was soll das heißen?

Soll hier nicht beachtet werden.

Falk B. schrieb:
> Ich mein, so was "basteln" mag ja interessant sein, aber deine Kompetenz
> liegt doch wohl eher woanders, beim Plasma und so. Bist du E-Techniker?
> Oder eher was anderes?
> So einen Verstärker kann man fertig für relativ wenig Geld kaufen. Das
> sollte man tun.

Schaltungsentwurf kann ich aber die hohen Spannungen sind mir eben nicht 
geläufig. Ich würde das gerne als Einschub kaufen aber in der Bauform 
und so anpasspar gibt es das leider doch nicht. Mit den paar mA komme 
ich bei vielen Herstellern nicht weiter.

PAD189 scheint dennoch brauchbar zu sein aber es geht mir dennoch auch 
um das Verständnis und dabei etwas zu lernen.

[Peter D. (peda)]

Gustav G. schrieb:
> Strom
> soll maximal 0.5A Ausgangsseitig sein.

0,5A ist der Genickbrecher, selbst APEX hat da nichts im Programm.
Der PAD189 schafft nur max 55mA bei 1000VDC.

[Harry R. (harry_r2)]

Wie "400" müssen die 400Vpp sein (da du nur mit +-200V simulierst wohl 
nicht so genau), wie 0.5 der Strom und wie viel/lange kommt da wirklich 
Rückspeisung aus dem Plasma?

Mit einem Apex PA93 bist du Nahe an deinen Werten, ~380V, ~300mA Dauer 
(bei perfekter Kühlung). Ja, das ist Nahe an den abs. max. ratings, aber 
weil die von Apex kommen, wäre ich geneigt, dem Datenblatt bis dort zu 
glauben. Strombegrenzung kann der auch gleich mit, wenngleich die 0.5A 
recht wenig sind, außerhalb der typischen Kurve im Datenblatt.

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

Hier wären ein paar high voltage amplifier mit Schaltbildern:
https://www.sopbyt.top/products.aspx?cname=high+voltage+amplifier&cid=33&url=ozelipekyoluhastanesi.com

Wenn Klirrfaktoren nicht besonders klein sein müssen, dann geht das mit 
Optokopplern im Ansteuerpfad.


400V 0,5A sind 200W.

Power ratings of 20W to 50W for the TO-220 packages and up to 100W for 
the TO-247 package.

D.h. Du mußt in der Endstufe auch Transistoren parallel schalten mit 
Symmetrierungswiderständen (für Transistoren 2V für Mosfet 6V 
zusätzlichen Spannungsabfall berücksichtigen). Wegen der 4-Quadranten 
dann 3 TO-247 oder 6-10 TO-220.

[Gustav G. (gustavgggg)]

Ich muss das revidieren. Der PAD189 ist doch nicht geeignet, da auch der 
in der SOA für diese Spannung nicht mehr geeignet ist.

Ich habe durchaus recherchiert und bin zu dem Schluss gekommen, dass es 
das eben so nicht fertig gibt.

Die 400V sind nicht besonders fix aber es sollte mal bis dahin kommen, 
deswegen sehe ich keinen anderen Weg als kaskadieren, da 
Einzeltransistoren hier einfach an die Grenzen kommen. Ich möchte auch 
gut beschaffbare Teile benutzen, die nicht nach einem Jahr wieder 
abgekündigt sind.

Von Optokopplern habe ich bisher in analogen Schaltungen bisher immer 
die Finger gelassen. Es gibt dort durchaus eine Driftkomponente über die 
Zeit.

[Lu (oszi45)]

Falkos Links sind schon interessant. Ob die restlichen Daten geeignet 
sind?

Gustav G. schrieb:
> sehe ich keinen anderen Weg als kaskadieren
Frage ist immer, wieviel Forschungszeit und Lehrgeld nötig sind, bis es 
wunschgemäß und ausreichend zuverlässig funktioniert. Bevor ich einen 
Lötkolben anfasse, würde ich bei hv mal anrufen.

[Michael (michaelp)]

Warum nimmst du nicht einen Audioverstärker und dahinter ein Trafo? Bei 
1kHz ist wahrscheinlich noch nicht mal ein Trafo mit Ferittkern nötig.

Es geht halt kein DC.

[Gustav G. (gustavgggg)]

Michael schrieb:
> Es geht halt kein DC.

Das ist aber bei den von mir angedachten Messungen eine fundamentale 
Anforderung. Es muss ein Wert auf gehalten werden können.

Ich habe mit der von mir erstellten Schaltung mal eine 
Transientensimulation probiert. Ging natürlich nicht. Wenn ich Q3 aber 
durch einen idealen NPN ersetze dann schon.

Es ist mir bewusst, dass hier viele LTspice bevorzugen aber ich bin eher 
an ngspice und kicad gewöhnt. LTSpice hat für mich eine absolut 
unbenutzbare oberfläche und da neue Modelle oder Symbole zu erstellen 
ist die Hölle (Nicht böse gemeint und es soll sich hier keiner verletzt 
fühlen).

[Peter D. (peda)]

Dieter D. schrieb:
> Hier wären ein paar high voltage amplifier mit Schaltbildern:

Diese Schaltung fällt auch unter die Rubrik, funktioniert nur 
theoretisch.

Neben der Temperaturabhängigkeit der Optokoppler kommt noch die der FETs 
TR1, TR2 hinzu. Da sollte man wenigstens eine Treiberschaltung mit OPVs 
nehmen. Die kann man dann so dimensionieren, daß beide LEDs nur einen 
kleinen Ruhestrom bekommen. Und bei Aussteuerung macht ein Optokoppler 
komplett dicht und der andere kann schön aufsteuern.

Und daß die Optokoppler die Endstufe abschalten, ist ne ganz blöde Idee. 
Das gibt hübsche Einschaltspitzen, die die FETs nicht überleben.
Im Bild mal ein Optokoppler der den FET einschaltet. Und ja, das ist 
eine Kaskodenschaltung, der FET wird am Source gesteuert.

Für kleine Frequenzen geht der symmetrische Aufbau ganz gut.
Will man schneller sein, ist ein Optokoppler besser zu beherrschen mit 
aktiver Stromquelle für die andere Richtung.

Ohne Optokoppler, d.h. mit Transistoren und Z-Dioden zum 
Potentialversatz gibt es Probleme mit dem Ripple der 
Versorgungsspannungen. Der läßt sich nicht schnell genug ausregeln, 
aufgrund der hohen Verschiebespannung.

Für sehr hohe Ströme (>50mA) habe ich bisher nichts entwickelt. Ich habe 
vorwiegend statische Lasten (Linsenpotentiale) und kapazitive 
(Ablenkplatten).

[Michael B. (laberkopp)]

Falk B. schrieb:
> Dafür braucht man keine kaskadierten MOSFETs, zwei 650V MOSFETs reichen

Na ja, 400V mit 0.5A sind immerhin 200W, das schafft kein einzelner 
MOSFET linear geregelt alleine weg, da ist es dann auch egal ob die 
mehreren benötigten parallel oder kaskadiert geschaltet werden. Und als 
Schaltnetzteil sind die Spannungstransienten von wenigstens 800V/us 
schon schwer zu beherrschen.

Da steht man mit einem IGBT schon besser da IGW25N120 aber die sind 
schwer linear zu regeln.

[A. F. (chefdesigner)]

Peter D. schrieb:
> 0,5A ist der Genickbrecher, selbst APEX hat da nichts im Programm.

Geht von der Leistungsdichte einfach nicht. Es bräuchte ein so enorm 
großes Gehäuse, daß es sich mit 2en einfacher bauen lässt. Was spricht 
denn gegen eine Parallelschaltung zur Leistungserhöhung?  Strom ist doch 
unkritisch. Besonders bei 1kHz. 400V @ kH1 erfordern gerade 3V/us. Das 
ist für einen solchen OP ein Klacks.

[Vanye R. (vanye_rijan)]

Was haelst du von diesem Konzept:

https://www.edn.com/high-voltage-amplifier-uses-simplified-circuit/

Vanye

[Falk B. (falk)]

Vanye R. schrieb:
> Was haelst du von diesem Konzept:
>
> https://www.edn.com/high-voltage-amplifier-uses-simplified-circuit/

Das hatten wir schon, auch der OP.

Beitrag "400Vpp Verstärker"

Außerdem ist das nur ein Konzept und in dem Schaltplan sind mehrere 
Fehler drin.

Beitrag "Re: 1500V Linearverstärker"

[A. F. (chefdesigner)]

Falk B. schrieb:
> Außerdem ist das nur ein Konzept und in dem Schaltplan sind mehrere
> Fehler drin.

Ich würde wetten, dass der Autor das nie aufgebaut hat, ja nicht einmal 
etwas in der Richtung probiert hat.

[Mark S. (voltwide)]

SIC.JFETs wären hier imho das Mittel der 
Wahl:https://www.mouser.de/ProductDetail/Qorvo/UJ3N065080K3S?qs=byeeYqUIh0OYOU7Cis0jMg%3D%3D

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

Falk B. schrieb:
> Außerdem ist das nur ein Konzept und in dem Schaltplan sind mehrere
> Fehler drin.

So war das. Der Autor dürfte das nur simuliert haben. Gepostet hat 
dieser aber den Schaltplan mit Fehlern. Das ist eine übliche Methode das 
Nachmachen und technologisch Einholen zu vereiteln zu versuchen.

Vor allem fehlen bei diesen Schaltplänen in der Regel die Komponenten, 
die verhindern, dass durch Bauteilstreuungen ein Halbleiter zerschossen 
wird. Im Simulator sind in der Regel alle Halbleiter des gleichen Typs 
gleich.


Nachdem der Link nicht mehr geht, konnte ich aus dem Speicher im 
Offline-Mode noch etwas wiederherstellen und habe das als Screenshot 
angefügt.

Mark S. schrieb:
> SIC.JFETs

Gleiches habe ich auch genannt im anderen Thread des TO.

[Falk B. (falk)]

Mark S. schrieb:
> SIC.JFETs wären hier imho das Mittel der
> 
Wahl:https://www.mouser.de/ProductDetail/Qorvo/UJ3N065080K3S?qs=byeeYqUIh0OYOU7Cis0jMg%3D%3D

Keine Sekunde. Wozu sollen die gut sein? Der OP will einen 
Analogverstärker mit 200Vp / 400Vpp mit sagenhaften 1kHz bauen! Dafür 
reichen auch olle 40 Jahre alte Bipolartransistoren!

[Gerhard H. (ghf)]

Nicht keine Sekunde sondern geradezu grundsätzlich.

Ich habe $DAMALS schon sowas gebaut (plus/minus 400V,
also 800Vpp)
Die Lösung waren wirklich die FETs, vor allem der
damals neue Motorola MTP2P50E p-Kanal.

Prototyp als Doppeleuropakarte mit Kühltunnel.

[Mark S. (voltwide)]

Falk B. schrieb:
> Keine Sekunde. Wozu sollen die gut sein? Der OP will einen
> Analogverstärker mit 200Vp / 400Vpp mit sagenhaften 1kHz bauen! Dafür
> reichen auch olle 40 Jahre alte Bipolartransistoren!
Nein.Es geht nicht nur um die Bandbreite - sondern auch um SOA-Bereiche 
und 4-Quadranten-Betrieb.Zeig mir mal Deinen 40 Jahren alten BJT, der 
bei voller Betriebsspannung von 400V noch seine max Verlustleistung im 
DC-Betrieb erlaubt.

[Gustav G. (gustavgggg)]

Gerhard H. schrieb:
> Nicht keine Sekunde sondern geradezu grundsätzlich.
>
> Ich habe $DAMALS schon sowas gebaut (plus/minus 400V,
> also 800Vpp)
> Die Lösung waren wirklich die FETs, vor allem der
> damals neue Motorola MTP2P50E p-Kanal.
>
> Prototyp als Doppeleuropakarte mit Kühltunnel.

Ich habe versuchsweise mal eine andere Topologie gewählt. Nämlich die 
aus dem 1500V Linearverstärker thread.

Ich bekomme das mit idealen Modell aus ngspice ans laufen aber sobald 
ich da mal zum beispiel einen IXTH10P60 benutze läuft gar nichts mehr. 
Der Ruhestrom wird dann mehrere Ampere groß.

[H. H. (Gast)]

Gustav G. schrieb:
> IXTH10P60

Noch einer?
Beitrag "Ngspice 42 Mosfet Simulation"

Zeig das verwendete Modell.

[Gustav G. (gustavgggg)]

H. H. schrieb:
> Zeig das verwendete Modell.

Angehängt das Modell.

[H. H. (Gast)]

Gustav G. schrieb:
> H. H. schrieb:
>> Zeig das verwendete Modell.
>
> Angehängt das Modell.

Fehler in Zeile 3!

[Gustav G. (gustavgggg)]

H. H. schrieb:
> Fehler in Zeile 3!

Wo ist der Fehler? Ngspice meckert nicht. Das pin mapping setze ich in 
Kicad richtig.

[H. H. (Gast)]

Gustav G. schrieb:
> Das pin mapping setze ich in
> Kicad richtig.

Sicher?

[Gustav G. (gustavgggg)]

H. H. schrieb:
> Gustav G. schrieb:
>> Das pin mapping setze ich in
>> Kicad richtig.
>
> Sicher?

Die Simulation mache ich direkt in Kicad. Im Dialog für das Pin Mapping 
habe ich die richtig gesetzt.

[H. H. (Gast)]

Gustav G. schrieb:
> Die Simulation mache ich direkt in Kicad. Im Dialog für das Pin Mapping
> habe ich die richtig gesetzt.

Besser nochmals kontrollieren.

[Gustav G. (gustavgggg)]

H. H. schrieb:
> Gustav G. schrieb:
>> Die Simulation mache ich direkt in Kicad. Im Dialog für das Pin Mapping
>> habe ich die richtig gesetzt.
>
> Besser nochmals kontrollieren.

Ich habe mir die Netzliste exportiert. Das ist richtig so.

[H. H. (Gast)]

Gustav G. schrieb:
> H. H. schrieb:
>> Gustav G. schrieb:
>>> Die Simulation mache ich direkt in Kicad. Im Dialog für das Pin Mapping
>>> habe ich die richtig gesetzt.
>>
>> Besser nochmals kontrollieren.
>
> Ich habe mir die Netzliste exportiert. Das ist richtig so.

Dann müsste die Simulation ja richtig laufen.

[Gustav G. (gustavgggg)]

H. H. schrieb:
> Dann müsste die Simulation ja richtig laufen.

Oder die Schaltung ist Müll.

[Gerhard H. (ghf)]

In dem o.a. Verstärker mit dem Bild kommt übrigens ein
kapazitiv gekoppelter ISO-Verstärker von Burr-Brown (jetzt TI) vor.
24 Pin-Gehäuse mit nur den äußersten 8 Pins wirklich vorhanden.

Die Dinger sind tückisch. Wenn eine "Hochspannungsleitung" in
der Nähe irgendwelche Aktivitäten macht, dann gibt es Offsetfehler
in erschreckendem Umfang.

Gerhard

[Peter D. (peda)]

Gerhard H. schrieb:
> Die Dinger sind tückisch.

Kann ich bestätigen. Die AD204 mit Trafokopplung sind deutlich robuster.

[Gustav G. (gustavgggg)]

Gerhard H. schrieb:
> Nicht keine Sekunde sondern geradezu grundsätzlich.
>
> Ich habe $DAMALS schon sowas gebaut (plus/minus 400V,
> also 800Vpp)
> Die Lösung waren wirklich die FETs, vor allem der
> damals neue Motorola MTP2P50E p-Kanal.
>
> Prototyp als Doppeleuropakarte mit Kühltunnel.

Darfst du dafür eine Schaltung veröffentlichen?

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

Gerhard H. schrieb:
> Die Dinger sind tückisch. Wenn eine "Hochspannungsleitung" in
> der Nähe irgendwelche Aktivitäten macht, dann gibt es Offsetfehler
> in erschreckendem Umfang.

Es gibt Messgeräte, die den Effekt ausnutzen.