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Überlegungen zum Design von Hochspannungsnetzteilen in der Massenspektrometrie

Übersicht

In präzisen Analysegeräten wie der Massenspektrometrie werden genau spezifizierte und konzipierte Hochspannungsnetzgeräte benötigt.

Je nach Anwendung sind die Anforderungen an die Stromversorgungen in der Spektroskopie unterschiedlich – deshalb ist ein lösungsorientierter Ansatz gefragt.

Die Verwendung mehrerer Stromversorgungen in ein und demselben Gerät bringt zusätzliche Herausforderungen mit sich. In diesem Beitrag erläutern wir, wie die häufigsten Designprobleme bei Hochspannungsnetzgeräten für die Massenspektrometrie gelöst werden können.

Reduzierung der Restwelligkeit über das Netzgerät hinaus

Hochspannungsnetzgeräte für die Massenspektrometrie müssen hohe Spannungen mit minimaler Restwelligkeit und Rauschen liefern. Bei einem Hochspannungs-DC/DC-Wandler steht die Restwelligkeit im Zusammenhang mit der Schaltfrequenz des Netzgerätes. Hersteller wie XP Power bieten ein breites Spektrum an Miniatur-Hochspannungs-Gleichspannungswandlern mit geringer Restwelligkeit und geringem Rauschen an.

Zur weiteren Reduzierung der Ausgangswelligkeit, die mit der Schaltfrequenz zusammenhängt, können Entwickler zusätzliche Filterkomponenten verwenden, wie z. B. einen RC-Tiefpassfilter. Dieser besteht aus einem Widerstand und einem Kondensator, die parallel geschaltet sind. Der RC-Tiefpassfilter gibt eine Grenzfrequenz vor, sodass Signale mit einer niedrigeren Frequenz durchgelassen werden, während Signale mit einer höheren Frequenz reduziert werden.

Abbildung 1: Ein RC-Tiefpassfilter. (Quelle: XP Power)

Design eines RC-Tiefpassfilters

Der Entwickler bestimmt zunächst, welche Frequenzen herausgefiltert werden müssen. Im folgenden Schaltungsbeispiel haben wir 120kHz als Schaltfrequenz des Hochspannungsmoduls C80N von XP Power gewählt.

Die Grenzfrequenz sollte einen ausreichenden Abstand zu der zu filternden Frequenz haben, um eine gute Schwingungsdämpfung zu erreichen.

Abbildung 2: Berechnung für einen Tiefpass-RC-Filter (Quelle: XP Power)

Für dieses Beispiel haben wir einen 150 kOhm-Widerstand und einen 2 nF-Kondensator gewählt. Die folgenden Oszilloskop-Diagramme zeigen, wie die Restwelligkeit und das Rauschen deutlich reduziert werden.

Abbildung 3: Messung ohne RC-Tiefpassfilter. (Quelle: XP Power)

Abbildung 4: Messung mit RC-Tiefpassfilter. (Quelle: XP Power)

Aufbau von kaskadierten Hochspannungsnetzgeräten

Hochspannungsnetzgeräte in der Massenspektrometrie können mit einem anderen Potential als der Erdung arbeiten. Das bedeutet, dass eine Stromversorgung auf dem Referenzpotential einer anderen Stromversorgung potenzialfrei „schwebt“.

Ein Beispiel für eine solche Anordnung ist ein Detektor, der auf dem Potential einer Driftröhre schwebt. Hierbei besteht die beste Lösung darin, eine isolierte Hochspannungsversorgung zu verwenden, wobei die Isolationsleistung der Stromversorgungen auf dem höheren Potenzial mindestens gleich der schwebenden Spannung sein muss.

Bei einer geregelten Stromversorgung wird diese galvanische Trennung durch den Transformator und andere Geräte erreicht. Die folgenden Diagramme zeigen, wie Hochspannungsmodule in Kaskaden angeordnet werden können.

Abbildung 5: Potentialfreie positive Hochspannung. (Quelle: XP Power)

Abbildung 6: Potentialfreie negative Hochspannung. (Quelle: XP Power)

Design bipolarer Hochspannungsnetzgeräte mit Nulldurchgang

In elektrischen Ionen-Optiken werden häufig bipolare Hochspannungsnetzgeräte benötigt. Bei diesen elektrooptischen Anwendungen kann es erforderlich sein, von negativer zu positiver Hochspannung zu wechseln und dabei den Nullpunkt sauber zu durchlaufen. Das folgende Diagramm zeigt eine einfache Möglichkeit, dies zu erreichen.

Abbildung 7: Bipolare Hochspannungskonfiguration. (Quelle: XP Power)

Die Ausgangsspannung des ersten Moduls ist auf -1 kV eingestellt. Der Ausgang eines zweiten Moduls kann auf diese -1 kV bezogen werden. Das isolierte 2 kV-Modul wird kaskadiert über das Modul geschaltet und von 0 bis 2 kV geregelt.

Dieses Modul erzeugt eine Spannung, die linear von -1 kV bis +1 kV ohne nennenswerte Nichtlinearitäten oder Instabilitäten beim Übergang von negativ zu positiv geregelt werden kann.

Der Ausgangsbereich darf bei eingeschalteter Stromversorgung nicht potentialfrei sein, da sich der Ausgang elektrostatisch auf eine Spannung aufladen kann, die über dem Isolationswert liegt, was zu Schäden führen kann.

Durch diesen Ansatz lassen sich die Kosten und der Platzbedarf eines herkömmlichen bipolaren Netzteils vermeiden. Zudem bietet er eine Lösung für OEM-Designs.

In den folgenden Diagrammen ist dargestellt, wie die Hochspannung linear durch den Wert 0 verläuft. Dabei kann jeder Wert präzise eingestellt werden, auch in der Nähe von Null.

Abbildung 8: Messung von +1 kV bis -1 kV linear durch 0. (Quelle: XP Power)

Abbildung 9: Messung von Ausgangsspannungen im Bereich +1 kV bis -1 kV. (Quelle: XP Power)

Schutz von Hochspannungsnetzgeräten vor Spannungsspitzen

In einem Massenspektrometer können viele verschiedene elektrische Potentiale nebeneinander liegen, sodass es zu Wechselwirkungen zwischen den Hochspannungsnetzgeräten kommen kann.

Zum Schutz gegen Spannungsspitzen empfiehlt XP Power bei Systemen mit mehreren Hochspannungsversorgungen zusätzliche Schutzschaltungen für jede Versorgung.

Bei einem Lichtbogen zwischen zwei Hochspannungsnetzgeräten mit unterschiedlichen Ausgangsspannungen, aber gleicher Polarität, kann das Netzgerät mit der niedrigeren Nennspannung durch Überspannung beschädigt werden.

Der Hochspannungslichtbogen kann ein Vielfaches der Nennspannung des Moduls mit der niedrigeren Nennspannung betragen und zu einem Ausfall des Netzteils führen. Als Lösung bietet sich die Verwendung einer Hochspannungsschutzdiode am Ausgang der Hochspannungsquelle mit der niedrigeren Nennspannung an.

Das nachstehende Diagramm zeigt, wie die Stromquelle mit der niedrigeren Ausgangsspannung durch eine Hochspannungsdiode geschützt werden kann.

Abbildung 10: Schutz gegen Spannungsspitzen. (Quelle: XP Power)

Die Diode sollte eine Durchbruchsspannung in Sperrrichtung haben, also die Höchstspannung, bei der ein Lichtbogen auf das Modul überspringen kann. Der Nennstrom sollte höher sein als der höchste Strom im System.

Schutz von Hochspannungsnetzgeräten vor Rückströmen

Wenn ein Lichtbogen zwischen Hochspannungsmodulen mit unterschiedlichen Polaritäten entsteht, versucht jedes Netzteil, seinen Nennstrom zu liefern. Dadurch wird ein Ausgang einem Netzteil mit einem höheren Strom entgegengesetzter Polarität ausgesetzt.

Das Netzteil mit dem geringeren Strom kann dadurch „gezwungen“ sein, einen Strom zu liefern, der seine Kapazität übersteigt, was zu einer Überlastung und Beschädigung des Netzteils führen kann.

Dieses Problem kann durch den Einsatz einer Diode mit umgekehrter Vorspannung am Ausgang der Hochspannungsversorgung vermieden werden. Die Diode muss in der Lage sein, den Strom des Hochspannungsnetzteils zu führen, das die entgegengesetzte Polarität aufweist.

Abbildung 11: Schutz gegen unterschiedliche Polarität. (Quelle: XP Power)

Abbildung 12: Schutz gegen unterschiedliche Polarität. (Quelle: XP Power)

Fazit

Bei Hochspannungsnetzgeräten für die Massenspektrometrie kommt es vor allem auf Genauigkeit, Zuverlässigkeit und zusätzliche spezifische Funktionalitäten an. Mit bereits verfügbaren Hochspannungs-DC/DC-Wandlern lassen sich diese Anforderungen erfüllen.

Der Beitrag „Design Considerations for High-Voltage Power Supplies in Mass Spectrometry" wurde von Maik Donix verfasst und wird hier mit seiner Erlaubnis wiederveröffentlicht.