Sono un fisico con una conoscenza limitata dell'elettronica. Di solito studio ampiamente i miei problemi su Internet prima di chiedere aiuto. Ciò significa che qui presenterò sia le domande che le possibili soluzioni e vorrei che confermassi o correggessi ciò che ho scritto.

Vorrei ottenere un generatore di segnale hobby relativamente economico fino a cca. 10MHz. Ho due requisiti:

1. Deve dare un segnale mobile.
2. Deve essere possibile mettere a terra l'uscita all'interno dell'apertura e ottenere comunque un segnale senza componente CC.

Annuncio 1: questa condizione può essere soddisfatta solo se l'alimentazione e il generatore di segnale sono separati galvanicamente, il che può essere ottenuto utilizzando un trasformatore. Pertanto, qualsiasi generatore di segnale alimentato a corrente continua (o con fonte di alimentazione CC esterna) è fuori discussione.

Annuncio 2: Il modo ragionevole per soddisfare questa condizione è che il generatore di segnale usi un trasformatore con due avvolgimenti secondari, ad es. 12V-0V-12V. Quando il filo comune degli avvolgimenti secondari è messo a terra, è possibile ottenere vere tensioni negative e positive.

Sembra che praticamente tutti i generatori di segnali economici utilizzino una fonte di alimentazione CC (che li esclude automaticamente a causa della condizione 1). Un'eccezione in particolare è il modello FY3200S . Tuttavia, secondo questo video , il generatore di segnali FY3200 non possiede un'uscita realmente flottante (per una tensione di rete di 110 V, 50 V e 100 uA su terra flottante!). Fortunatamente, lo stadio secondario richiede ingressi da -12 V, 5 V e +12 V, il che probabilmente significa che dovrebbe essere in grado di emettere segnali senza componente CC (condizione 2).

L'autore del video suggerisce che il problema è che il dispositivo utilizza un alimentatore in modalità switch meno appropriato invece di un migliore alimentatore lineare e suggerisce di sostituire l'alimentatore. [Sospetto che venga utilizzato l'alimentatore in modalità switch meno conveniente per poter utilizzare il dispositivo su entrambe le linee di alimentazione 220V e 110 V.] Tuttavia, non sono disponibili informazioni sulla progettazione dell'alimentatore lineare o sui vantaggi della sostituzione dell'alimentatore fornito.

Poiché l'alimentatore lineare non dovrebbe essere difficile da realizzare, mi sembra che l'opzione migliore sarebbe effettivamente quella di sostituire l'alimentatore originale con qualcosa del genere:

Potrei produrre in modo semplice ed economico qualcosa del genere e aggiungere anche un interruttore alla connessione tra il filo comune degli avvolgimenti secondari e il terreno . E usando il secondo stadio di FY3200S (così come la sua scatola) eviterei di trattare l'elettronica molto più complessa della generazione di funzioni.

Questa sembra essere una buona idea? Ciò ridurrebbe almeno le correnti vaganti se non le eliminasse completamente? L'alimentatore sopra è appropriato per l'applicazione?

In realtà possiedo un generatore di segnali FY3200S. Quando l'ho acquistato, ero già a conoscenza della discutibile qualità dell'alimentazione di commutazione al suo interno e delle correnti di dispersione verso terra elevate segnalate. Per questo motivo, ho sostituito l'alimentatore incorporato in modalità switch con un semplice alimentatore lineare regolato (una mod abbastanza comune per queste unità). Se vuoi seguire questo percorso, tieni presente che devi fornire + 12V, -12V e + 5V.

Sono riuscito a trovare l'alimentatore originale in modalità switch per il generatore di segnale, quindi l'ho collegato di nuovo e ho effettuato diverse misurazioni sia con lo switcher originale sia con il nuovo alimentatore lineare. Probabilmente avrei dovuto farlo quando ho costruito la fornitura lineare, ma hey ¯ \ _ (ツ) _ / ¯

Progettazione dell'alimentazione

L'alimentazione lineare è molto semplice:

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

I LED aiutano il debug e assicurano che i binari siano regolati in condizioni di assenza di carico. Al momento ho fatto questo, ho preso le misure per i requisiti attuali, ma ho dimenticato i risultati e non riesco a trovare le mie note su questo progetto. I trasformatori sono in grado di supportare rispettivamente 133 mA (+12 V e -12 V) e 425 mA (+ 5 V). Ricordo che il mio design non aveva molto spazio per la testa, quindi forse questi numeri ti aiutano.

Il circuito di alimentazione nella tua domanda mi sembra accettabile (anche se non ho eseguito i numeri). È simile, tranne per il fatto che utilizza un singolo trasformatore e deriva + 5V dalla guida + 12V. Mi aspetto che funzioni bene, assicurati solo che il trasformatore sia in grado di fornire abbastanza corrente per alimentare sia i + 12V che i + 5V su una gamba. Ricerca su come dimensionare trasformatore e condensatori; ci dovrebbero essere molte informazioni là fuori su questo argomento. Queste risposte possono essere un buon punto di partenza.

L'implementazione è più disordinata rispetto allo schema, perché ho dovuto accontentarmi di qualsiasi parte avessi posata in giro. In particolare, la guida a 5 V è alimentata da due trasformatori che sono collegati in parallelo dopo i loro ponti, e ho dovuto usare condensatori in serie (con resistenze di bilanciamento) sulle guide da ± 12V per ottenere la tensione nominale appropriata (l'uscita del trasformatore rettificata è come 24VDC a terra in condizioni di assenza di carico).

Test delle note di installazione

Si noti che la mia configurazione del test è probabilmente terribile. Nessuna delle mie prese di corrente ha una messa a terra di sicurezza (lo so ☹ ...), quindi il mio riferimento di terra per queste misurazioni era un filo collegato ai tubi del riscaldamento centrale (che sono di metallo e collegati a terra al riscaldamento centrale). Inoltre, dappertutto c'erano fili lunghi che raccoglievano rumori, ecc ...

Le forme d'onda sono state catturate usando un Rigol DS1104Z; le misurazioni del multimetro sono state eseguite utilizzando un EEVBlog 121GW (ho provato prima il mio Fluke 17B +, ma è terribile nel misurare> 500Hz AC).

Per i test, ho testato solo il canale 1 dell'FY3200S. La sua uscita era impostata su un'onda sinusoidale da 10 Vpp 1kHz. Ho anche eseguito tutti i test con un'onda quadra da 10 Vpp 1 kHz, ma ciò non ha prodotto nuove informazioni, quindi quei risultati sono stati omessi. Ho anche usato un segnale 0 V CC per le misurazioni del rumore dell'alimentatore.

misure

Nei risultati seguenti, avrò sempre l'alimentatore originale switch-mode a sinistra e l'alimentatore lineare sostitutivo a destra.

Forma d'onda

Prima una cattura della forma d'onda di prova. Sembra pulito, nessuna differenza tra i PSU.

Rumore di commutazione dell'alimentatore

Con il generatore di segnali impostato per generare un "segnale" 0 V CC, si tratta di una cattura del segnale (50mV / div, 5µs / div). L'immagine a sinistra mostra l'ondulazione di commutazione a circa 37 kHz, che è assente sull'immagine a destra:

Un primo piano dell'ondulazione di commutazione (50mV / div, 50ns / div). L'immagine a sinistra mostra l'ondulazione di commutazione. L'immagine giusta sembrava avere un rumore casuale (che a volte si attivava, a volte no):

Misure della forma d'onda

Il multimetro ha misurato l'onda sinusoidale come 3,515 V CA RMS (funziona per 10 Vpp), a 999,9 Hz.

L'onda quadra misurava 4.933VAC RMS (abbastanza vicino), a 999,9Hz.

Non c'era alcuna differenza significativa tra i due alimentatori.

Offset DC

L'offset CC nel segnale è stato misurato con il multimetro in modalità CC. risultati:

            |  switching PSU |  linear PSU
------------+----------------+-------------
  sine wave |        17.9 mV |     20.7 mV
square wave |        19.1 mV |     23.8 mV

C'è una piccola differenza a favore del PSU di commutazione. Ho il sospetto che ciò potrebbe essere causato dall'asimmetria nei regolatori lineari 7812/7912 che ho usato per l'alimentatore lineare, ma non ho studiato ulteriormente.

Tensione di dispersione a terra

Questo è il cuore della domanda e il motivo più comune per sostituire l'alimentatore in questi generatori di segnali. È stato misurato collegando l'oscilloscopio o il multimetro tra il mio riferimento di terra (tubi del riscaldamento centrale) e la terra del generatore di segnale. Il segnale di uscita del generatore di segnale stesso (seno 10Vpp 1kHz) è stato lasciato scollegato.

Chiaramente, l'alimentatore lineare ha ancora una dispersione a terra a causa dell'accoppiamento capacitivo nei trasformatori e forse del cablaggio, ma sembra migliore dell'alimentatore di commutazione (entrambi immagine 50 V / div, 5 ms / div):

Le misurazioni del multimetro confermano che la tensione terra-terra a circuito aperto è effettivamente inferiore per l'alimentatore lineare (39VAC RMS) rispetto all'alimentatore di commutazione (92VAC RMS):

Corrente di dispersione verso terra

Ma la vera differenza sta nella corrente di dispersione verso terra; a 5,5 µA, sono leggermente deluso dalle prestazioni della PSU lineare qui, ma è due ordini di grandezza migliori rispetto alla PSU a 334 µA!

Conclusione di sorta

Quindi si Queste cose vengono con un alimentatore scadente. Ho poca fiducia nella sua sicurezza e una corrente di dispersione di ~ 0,3 mA può rovinare la giornata su circuiti sensibili. E da quello che ho letto online, alcuni esemplari mostrano una corrente di dispersione> 1mA.

Tuttavia, sostituire l'alimentatore con un alimentatore lineare può migliorare molto questo, e può essere un piccolo progetto divertente. Ho usato alimentatori lineari per ogni binario (il che rende anche facile sbarazzarsi dell'ondulazione di commutazione), ma ho sentito parlare di altri che usano convertitori CC-CC per ricavare le guide necessarie da un singolo alimentatore esterno da 12 V CC o 5 V CC.

Se vuoi seguire questa strada, considera anche cosa ti piacerebbe fare con la porta USB, che non è isolata.

Alla fine, con il mio alimentatore lineare sostitutivo, i risultati sembrano accettabili. Nessuna ondulazione di commutazione, corrente di dispersione di 5 µA, circuito aperto da 30 V CA terra-terra (che è ancora qualcosa da fare attenzione). Non è perfetto, ma per <$ 100 va bene a livello di hobby.

Qualità del segnale a frequenze più alte

Nell'ultima modifica, hai aggiunto "... fino a circa 10 MHz." Attenzione che questi generatori di segnali a basso costo non sono grandi per le frequenze più alte. Se hai bisogno, diciamo, di buone onde quadrate a 10 MHz, probabilmente dovrai spendere più soldi. Ho aggiunto alcune acquisizioni dell'onda quadra FY3200S 10Vpp a 10kHz, 1MHz, 6MHz e 10MHz:

Non sono nemmeno sicuro di cosa stia succedendo a 10MHz. Forse la frequenza del sintetizzatore non è uniformemente divisibile per 10MHz, quindi non tutti gli impulsi quadrati hanno la stessa lunghezza, il che porta al ghosting che puoi vedere lì.

Le onde sinusoidali sono più facili, quindi sembrano notevolmente migliori, ma alle frequenze più alte mostrano anche alcune piccole distorsioni.

Per quanto a bassa tecnologia sembri, ti consiglio di usare due blocchi al litio da 9V. È semplice, economico, portatile, non ha artefatti da convertitore di rete o buck. E può stare sul tuo scaffale per anni e funziona solo quando ne hai bisogno, ovunque.

Per le tue asserzioni originali,

AD1, l'isolamento galvanico è la norma, diciamo che lo si spegne da un plug-in di uscita CC, che avrà un trasformatore di rete all'interno della parte che si attacca nella spina seguito da un raddrizzatore e un condensatore, purché la sorgente CC sia non collegato a terra come un alimentatore per computer, quindi la tensione CC è in grado di fluttuare entro limiti ragionevoli (generalmente + -500 V dalla massa massima della rete, se non diversamente indicato)

AD2, per una bassa complessità, quindi sì, è possibile utilizzare tale disposizione per rettificare un binario di alimentazione positivo e negativo. Ci sono molti modi in cui può essere fatto anche con switch-mode, ma a meno che tu non voglia maggiori informazioni su ciò, lo lascerò ai trasformatori.

Ora che ho chiarito che un alimentatore CC può essere galvanicamente isolato dalla tensione di rete, dovrei coprire la parte successiva, il tuo commento sull'FY3200S, questo è un effetto collaterale dell'isolamento dalla rete, gli alimentatori a commutazione come quelli lineari possono essere costruito per essere isolato,

Il problema è, la cosa che collega i 2 lati, ad esempio il trasformatore stesso, sia esso un trasformatore a 60Hz per un'alimentazione lineare, o un trasformatore di frequenza più elevata per una modalità di commutazione, ha un po 'di capacità tra i 2 avvolgimenti, questa capacità in generale finisce per lasciare circa la metà della tensione di rete a una corrente molto bassa super-imposta sui lati isolati "terra", questo è ciò che posso vedere scremando quel collegamento video, le forniture lineari hanno lo stesso problema.

Devo anche sottolineare che dice "100uA" non 50mA, 50mA sarebbe letale per chiunque.

E solo per completezza, lo schema che hai usato mostra la messa a terra collegata alla terra di uscita per questo motivo, ma vanificherebbe il tuo desiderio di isolamento galvanico. La vera soluzione è collegare il filo di riferimento prima di collegare il segnale

L'approccio pigro per ridurlo è generalmente un resistore da 100K o 1 Mega-ohm tra la terra di uscita e la terra di rete, in questo modo l'ampiezza della rete sovrapposta è inferiore, pur potendo comunque essere allontanata da quel punto se necessario.

A volte la forza bruta ha le sue attrazioni.

Esiste una classe di trasformatori chiamati trasformatori di isolamento. Hanno lo scopo di fare esattamente quello che vuoi isolando completamente l'unità dalla rete elettrica.

Se vai su Digi-key e usi la loro funzione di ricerca, puoi trovare un trasformatore di isolamento da 50 VA da 120/240 a 120 V CA per meno di $ 20.

Un altro modo per ottenere l'isolamento è usare un normale generatore di funzioni e mettere il trasformatore di isolamento all'uscita. Su intervalli di frequenza ristretti, i trasformatori sono facili da costruire. Man mano che la gamma di frequenza aumenta, diventa più difficile realizzare un trasformatore di isolamento del segnale.

Anche gli alimentatori lineari producono molto rumore ad alta frequenza a causa delle armoniche delle frequenze di rete generate nei raddrizzatori di potenza. Queste armoniche sono generalmente presenti e misurabili in sistemi fino a circa 20 MHz. Sono spesso visibili nei report EMI del prodotto sia per alimentatori lineari che per commutatori. Le armoniche vengono ridotte utilizzando raddrizzatori di potenza con velocità di commutazione più elevate. I raddrizzatori più veloci immagazzinano meno carica. Il meccanismo per creare le alte frequenze è che la corrente del raddrizzatore si stacca rapidamente dopo che la carica immagazzinata nel diodo è esaurita dalla corrente inversa. La corrente inversa scorre per un breve periodo quando il diodo si spegne.

Questo rapido cambiamento della corrente del diodo durante lo spegnimento può generare frequenze ancora più elevate. Ad esempio, diodi specializzati che si staccano rapidamente vengono utilizzati per generare segnali a microonde. Si chiamano diodi Step Recovery.

Queste alte frequenze passeranno attraverso piccole capacità che colmano la barriera di isolamento. Nei sistemi audio questo può portare a un ronzio che può essere difficile da eliminare.