Soy un físico con un conocimiento limitado de electrónica. Generalmente estudio mis problemas ampliamente en Internet antes de pedir ayuda. Esto significa que aquí presentaré las preguntas y las posibles soluciones y me gustaría que confirme o corrija lo que escribí.

Me gustaría obtener un generador de señal de hobby relativamente barato hasta cca. 10MHz Tengo dos requisitos:

1. Debe dar una señal flotante.
2. Debe ser posible conectar a tierra la salida dentro de la apertura y aún así obtener una señal sin componente de CC.

Anuncio 1: Esta condición se puede cumplir solo si la energía y el generador de señal están separados galvánicamente, lo que se puede lograr mediante el uso de un transformador. Por lo tanto, cualquier generador de señal que funcione con CC (o que tenga una fuente de alimentación de CC externa) está fuera de discusión.

Anuncio 2: La forma razonable de cumplir esta condición es que el generador de señal utiliza un transformador con dos devanados secundarios, por ejemplo, 12V-0V-12V. Cuando el cable común de los devanados secundarios está conectado a tierra, es posible obtener verdaderos voltajes negativos y positivos.

Parece que prácticamente todos los generadores de señales baratos usan una fuente de alimentación de CC (que los descarta automáticamente debido a la condición 1). Una excepción notable es el modelo FY3200S . Sin embargo, de acuerdo con este video , el generador de señal FY3200 no posee una salida realmente flotante (para voltaje de línea de 110 V, 50 V y 100 uA en la tierra flotante). Afortunadamente, la etapa secundaria requiere entradas de -12V, 5V y + 12V, lo que probablemente significa que debería poder hacer señales sin componente de CC (condición 2).

El autor del video sugiere que el problema es que el dispositivo usa una fuente de alimentación de modo de interruptor menos apropiada en lugar de una mejor fuente de alimentación lineal y sugiere reemplazar la fuente de alimentación. [Sospecho que la fuente de alimentación de modo de interruptor menos conveniente se usa para que el dispositivo pueda usarse en líneas de alimentación de 220V y 110V.] Sin embargo, no hay información sobre el diseño de la fuente de alimentación lineal o el beneficio de reemplazar la fuente de alimentación. previsto.

Dado que la fuente de alimentación lineal no debería ser tan difícil de hacer, me parece que la mejor opción sería reemplazar la fuente de alimentación original por algo así:

Podría producir algo así de manera fácil y económica y también agregar un interruptor en la conexión entre el cable común de los devanados secundarios y la tierra . Y usando la segunda etapa del FY3200S (así como su caja) evitaría lidiar con una electrónica mucho más compleja de generación de funciones.

¿Esto parece ser una buena idea? ¿Esto al menos reduciría las corrientes parásitas si no las eliminara por completo? ¿La fuente de alimentación de arriba es apropiada para la aplicación?

De hecho, tengo un generador de señal FY3200S. Cuando lo compré, ya era consciente de la calidad cuestionable de la fuente de alimentación conmutada en su interior y de las altas corrientes de fuga a tierra reportadas. Por esta razón, reemplacé la fuente de alimentación conmutada incorporada por una fuente de alimentación lineal regulada simple (un mod bastante común para estas unidades). Si desea seguir esta ruta, tenga en cuenta que deberá proporcionar + 12V, -12V y + 5V.

Logré encontrar la fuente de alimentación conmutada original para el generador de señal, así que la conecté de nuevo y tomé varias medidas con el conmutador original y el nuevo suministro lineal. Probablemente debería haberlo hecho cuando construí el suministro lineal, pero hey ¯ \ _ (ツ) _ / ¯

Diseño de la fuente de alimentación

La fuente de alimentación lineal es muy sencilla:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Los LED ayudan a la depuración y ayudan a garantizar que los rieles estén regulados en condiciones sin carga. En el momento en que hice esto, tomé medidas para los requisitos actuales, pero olvidé los resultados y no puedo encontrar mis notas sobre este proyecto. Los transformadores son capaces de 133mA (+ 12V y -12V cada uno) y 425mA (+ 5V) respectivamente. Recuerdo que mi diseño no tiene mucho espacio para la cabeza, así que tal vez estos números te ayuden.

El circuito de suministro de energía en su pregunta me parece aceptable (aunque no he ejecutado los números). Es similar, excepto que usa un solo transformador y deriva los + 5V del riel de + 12V. Esperaría que funcione bien, solo asegúrese de que el transformador pueda entregar suficiente corriente para alimentar los + 12V y + 5V en una pata. Investigue cómo dimensionar el transformador y los condensadores; debería haber mucha información sobre ese tema. Estas respuestas pueden ser un buen punto de partida.

La implementación es más complicada que el esquema, porque tuve que conformarme con las partes que tenía por ahí. En particular, el riel de 5V está alimentado por dos transformadores que están en paralelo después de sus puentes, y tuve que usar condensadores en serie (con resistencias de equilibrio) en los rieles de ± 12V para obtener la clasificación de voltaje adecuada (la salida del transformador rectificado es como 24 VCC) a tierra en condiciones sin carga).

Notas de configuración de prueba

Tenga en cuenta que mi configuración de prueba es probablemente terrible. Ninguna de mis tomas de corriente tiene tierra de seguridad (lo sé ☹ ...), por lo que mi referencia de tierra para estas mediciones fue un cable conectado a las tuberías de calefacción central (que son de metal y están conectadas a tierra en el calentador central). Además, había cables alargados por todo el lugar captando ruido, etc.

Las formas de onda fueron capturadas usando un Rigol DS1104Z; Las mediciones del multímetro se realizaron usando un EEVBlog 121GW (probé primero mi Fluke 17B +, pero es terrible para medir> 500Hz AC).

Para las pruebas, solo probé el canal 1 del FY3200S. Su salida se estableció en una onda sinusoidal de 10Vpp 1kHz. También realicé todas las pruebas con una onda cuadrada de 10 Vpp a 1 kHz, pero eso no arrojó ninguna información nueva, por lo que esos resultados se han omitido. También utilicé una señal de 0 V CC para las mediciones de ruido de la fuente de alimentación.

Mediciones

En los resultados a continuación, siempre tendré la fuente de alimentación conmutada original a la izquierda y la fuente de alimentación lineal de reemplazo a la derecha.

Forma de onda

Primero una captura de la forma de onda de prueba. Parece limpio, no hay diferencia entre las PSU.

Ruido de conmutación de la fuente de alimentación

Con el generador de señales configurado para generar una "señal" de 0 V CC, esta es una captura de la señal (50 mV / div, 5 µs / div). La imagen de la izquierda muestra la ondulación de conmutación a unos 37 kHz, que está ausente en la imagen de la derecha:

Un primer plano de la ondulación de conmutación (50mV / div, 50ns / div). La imagen de la izquierda muestra la onda de cambio. La imagen correcta parecía tener ruido aleatorio (que a veces el alcance se activaría, a veces no):

Mediciones de forma de onda

El multímetro midió la onda sinusoidal como 3.515VAC RMS (funciona para 10Vpp), a 999.9Hz.

La onda cuadrada midió 4.933VAC RMS (lo suficientemente cerca), a 999.9Hz.

No hubo diferencias significativas entre las dos unidades de suministro de energía.

DC compensaciones

La compensación de CC en la señal se midió con el multímetro en modo CC. Resultados:

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

Hay una pequeña diferencia a favor del cambio de fuente de alimentación. Sospecho que esto podría deberse a la asimetría en los reguladores lineales 7812/7912 que utilicé para la fuente de alimentación lineal, pero no investigé más.

Voltaje de fuga a tierra

Este es el corazón de la pregunta, y la razón más común para reemplazar la PSU en estos generadores de señales. Se midió conectando el osciloscopio o el multímetro entre mi referencia de tierra (tuberías de calefacción central) y la tierra del generador de señal. La señal de salida del generador de señal en sí (seno de 10Vpp 1kHz) se dejó sin conectar.

Claramente, la fuente de alimentación lineal todavía tiene fugas a tierra debido al acoplamiento capacitivo en los transformadores y quizás al cableado, pero se ve mejor que la fuente de alimentación conmutada (ambas imágenes 50V / div, 5ms / div):

Las mediciones del multímetro confirman que el voltaje de tierra a tierra de circuito abierto es de hecho más bajo para la fuente de alimentación lineal (39 VCA RMS) que la fuente de alimentación conmutada (92 VCA RMS):

Corriente de fuga a tierra

Pero la verdadera diferencia está en la corriente de fuga a tierra; a 5.5 µA, estoy un poco decepcionado con el rendimiento lineal de la fuente de alimentación aquí, ¡pero es dos órdenes de magnitud mejor que la fuente de alimentación conmutada a 334 µA!

Conclusión de clases

Así que sí. Estas cosas vienen con una mala fuente de alimentación. Tengo poca fe en su seguridad, y una corriente de fuga de ~ 0.3mA puede arruinar su día en circuitos sensibles. Y de lo que he leído en línea, algunas muestras exhiben> 1 mA de corriente de fuga.

Sin embargo, reemplazar la fuente de alimentación con una fuente de alimentación lineal puede mejorar mucho esto, y puede ser un pequeño proyecto divertido. Utilicé fuentes de alimentación lineales para cada riel (lo que también hace que sea fácil deshacerse de la ondulación de conmutación), pero he oído hablar de otros que usan convertidores CC-CC para derivar los rieles necesarios de una sola fuente de alimentación externa de 12 V CC o 5 V CC.

Si desea seguir esta ruta, también considere lo que le gustaría hacer con el puerto USB, que no está aislado.

Al final, con mi PSU lineal de reemplazo, los resultados parecen aceptables. Sin ondulación de conmutación, corriente de fuga de 5 µA, circuito abierto de tierra a tierra de 30 VCA (que todavía es algo con lo que debe tener cuidado). No es perfecto, pero por <$ 100 está bien en el nivel de hobby.

Calidad de señal a frecuencias más altas

En su última edición, agregó "... hasta cca. 10MHz". Tenga en cuenta que estos generadores de señales baratos no son excelentes en frecuencias más altas. Si necesita, digamos, buenas ondas cuadradas a 10MHz, probablemente tendrá que gastar más dinero. Agregué algunas capturas de la onda cuadrada FY3200S 10Vpp a 10kHz, 1MHz, 6MHz y 10MHz:

Ni siquiera estoy seguro de lo que está sucediendo a 10MHz. Quizás la frecuencia del sintetizador no sea divisible de manera uniforme por 10MHz, por lo que no todos los pulsos cuadrados son de igual longitud, lo que lleva al efecto fantasma que puede ver allí.

Las ondas sinusoidales son más fáciles, por lo que se ven considerablemente mejor, pero a las frecuencias más altas también muestran algunas pequeñas distorsiones.

Tan bajo como suena, recomiendo usar dos bloques de litio de 9V. Es simple, barato, portátil, no tiene artefactos ni convertidor de dinero. Y puede permanecer en su estante durante años y simplemente funciona cuando lo necesita, en cualquier lugar.

Para sus aserciones originales,

AD1, el aislamiento galvánico es la norma, digamos que está apagando un paquete de salida de CC, que tendrá un transformador de red dentro de la parte que se adhiere al enchufe seguido de un rectificador y un condensador, siempre que su fuente de CC sea sin referencia a tierra como una fuente de alimentación de computadora, entonces el voltaje de CC puede flotar dentro de lo razonable (generalmente + -500V desde la conexión a tierra máxima, a menos que se indique lo contrario)

AD2, para baja complejidad, entonces sí, puede usar esa disposición para rectificar un riel de suministro positivo y negativo. Hay muchas formas en que también se puede hacer con modos de conmutación, pero a menos que desee más información al respecto, lo dejaré a los transformadores.

Ahora que he aclarado que un suministro de CC puede aislarse galvánicamente de la tensión de red, debería cubrir la siguiente parte, su comentario sobre el FY3200S, este es un efecto secundario de estar aislado de la red, los suministros de modo de conmutación como los lineales pueden ser construido para ser aislado,

El problema es que la cosa que conecta los 2 lados, por ejemplo, el transformador en sí, ya sea un transformador de 60Hz para un suministro lineal o un transformador de frecuencia más alta para un modo de conmutación, tiene un poco de capacitancia entre los 2 devanados, esta capacitancia en general termina dejando aproximadamente la mitad de la tensión de red a una corriente muy baja superpuesta en los "lados" aislados de los lados aislados. Esto es lo que puedo ver al rozar ese enlace de video, los suministros lineales tienen el mismo problema.

También debo señalar que dice "100uA", no 50mA, 50mA sería letal para cualquiera.

Y para completar, el esquema que usó muestra la tierra de la red conectada a la tierra de salida por este motivo, pero vencería su deseo de aislamiento galvánico. La solución real es conectar su cable de referencia antes de conectar su señal

El enfoque perezoso para reducirlo generalmente es una resistencia de 100K o 1 megaohmio entre la tierra de salida y la tierra de la red, de esta manera la amplitud de la red superpuesta es menor, mientras que aún se puede alejar de ese punto si es necesario.

A veces la fuerza bruta tiene sus atractivos.

Existe una clase de transformadores llamados transformadores de aislamiento. Su objetivo es hacer exactamente lo que desea aislando completamente la unidad de la red eléctrica.

Si va a Digi-key y utiliza su función de búsqueda, puede encontrar un transformador de aislamiento de 50 VA 120/240 a 120 VCA por menos de $ 20.

Otra forma de lograr el aislamiento es usar un generador de funciones ordinarias y colocar el transformador de aislamiento en la salida. En rangos de frecuencia estrechos, los transformadores son fáciles de construir. A medida que el rango de frecuencia se hace más grande, se hace más difícil hacer un transformador de aislamiento de señal.

Los suministros lineales también hacen mucho ruido de alta frecuencia debido a los armónicos de las frecuencias de red que se generan en los rectificadores de potencia. Estos armónicos están típicamente presentes y medibles en sistemas de hasta aproximadamente 20MHz. A menudo son visibles en los informes EMI del producto tanto para suministros lineales como para conmutadores. Los armónicos se reducen mediante el uso de rectificadores de potencia con velocidades de conmutación más rápidas. Los rectificadores más rápidos almacenan menos carga. El mecanismo para crear las frecuencias altas es que la corriente del rectificador se desconecta rápidamente después de que la carga inversa en el diodo se agota por la corriente inversa. La corriente inversa fluye por un corto tiempo cuando el diodo se apaga.

Este cambio rápido en la corriente del diodo durante el apagado puede generar frecuencias aún más altas. Por ejemplo, los diodos especializados que se disparan rápidamente se utilizan para generar señales de microondas. Se llaman diodos de recuperación escalonada.

Estas altas frecuencias pasarán a través de pequeñas capacidades que unen la barrera de aislamiento. En los sistemas de audio, esto puede provocar un zumbido que puede ser difícil de eliminar.