Eu sou um físico com um conhecimento limitado de eletrônica. Geralmente estudo meus problemas extensivamente na Internet antes de pedir ajuda. Isso significa que aqui apresentarei as perguntas e as soluções prováveis ​​e gostaria que você confirmasse ou corrija o que escrevi.

Gostaria de obter um gerador de sinal de passatempo relativamente barato até cca. 10MHz. Eu tenho dois requisitos:

1. Deve dar sinal flutuante.
2. Deve ser possível aterrar a saída dentro da abertura e ainda receber um sinal sem componente DC.

Anúncio 1: Essa condição pode ser cumprida apenas se a energia e o gerador de sinais forem galvanicamente separados, o que pode ser alcançado usando um transformador. Portanto, qualquer gerador de sinal que seja alimentado por CC (ou tenha fonte de alimentação externa) esteja fora de questão.

Anúncio 2: A maneira razoável de atender a essa condição é que o gerador de sinal use um transformador com dois enrolamentos secundários, por exemplo, 12V-0V-12V. Quando o fio comum dos enrolamentos secundários é aterrado, é possível obter tensões negativas e positivas verdadeiras.

Parece que praticamente todos os geradores de sinal baratos usam fonte de energia DC (que os exclui automaticamente devido à condição 1). Uma exceção notável é o modelo FY3200S . No entanto, de acordo com este vídeo , o gerador de sinal FY3200 não possui saída realmente flutuante (para tensão de linha de 110V, 50V e 100 uA no solo flutuante!). Felizmente, o estágio secundário requer entradas de -12V, 5V e + 12V, o que provavelmente significa que deve ser capaz de emitir sinais sem o componente DC (condição 2).

O autor do vídeo sugere que o problema é que o dispositivo usa uma fonte de alimentação de modo de comutação menos apropriada em vez de uma melhor fonte de alimentação linear e sugere a substituição da fonte de alimentação. [Suspeito que a fonte de alimentação de modo menos conveniente seja usada para que o dispositivo possa ser usado nas linhas de 220V e 110V.] No entanto, nenhuma informação sobre o design da fonte de alimentação linear ou o benefício de substituir a fonte de alimentação é forneceu.

Como a fonte de alimentação linear não deve ser difícil de fazer, parece-me que a melhor opção seria substituir a fonte de alimentação original por algo assim:

Eu poderia produzir algo assim de maneira fácil e barata e também adicionar um interruptor na conexão entre o fio comum dos enrolamentos secundários e o solo . E, usando o segundo estágio do FY3200S (assim como sua caixa), eu evitaria lidar com componentes eletrônicos muito mais complexos da geração de funções.

Isso parece ser uma boa ideia? Isso reduziria pelo menos as correntes dispersas se não as eliminasse completamente? A fonte de alimentação acima é apropriada para a aplicação?

Na verdade, possuo um gerador de sinal FY3200S. Quando o comprei, eu já estava ciente da qualidade questionável da fonte de alimentação comutada dentro dela e das altas correntes de fuga à terra relatadas. Por esse motivo, substituí a fonte de alimentação integrada no modo de comutação por uma simples fonte de alimentação linear regulada (um mod bastante comum para essas unidades). Se você quiser seguir esse caminho, observe que precisará fornecer + 12V, -12V e + 5V.

Consegui encontrar o PSU original de modo de comutação para o gerador de sinal, então liguei-o novamente e fiz várias medições com o comutador original e o novo suprimento linear. Eu provavelmente deveria ter feito isso quando construí o suprimento linear, mas ei ¯ \ _ (ツ) _ / ¯

Projeto da fonte de alimentação

A fonte de alimentação linear é muito direta:

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Os LEDs auxiliam na depuração e ajudam a garantir que os trilhos estejam regulados sob condições sem carga. No momento em que fiz isso, fiz medições para os requisitos atuais, mas esqueci os resultados e não consigo encontrar minhas anotações sobre este projeto. Os transformadores são capazes de 133mA (+ 12V e -12V cada) e 425mA (+ 5V), respectivamente. Lembro-me de meu design não ter muito espaço, então talvez esses números o ajudem.

O circuito da fonte de alimentação na sua pergunta parece aceitável para mim (embora eu não tenha executado os números). É semelhante, exceto que usa um único transformador e deriva os + 5V do barramento + 12V. Eu esperaria que ele funcionasse bem, apenas garanta que o transformador possa fornecer corrente suficiente para alimentar os + 12V e + 5V em uma perna. Pesquise como dimensionar o transformador e os capacitores; deve haver muita informação sobre esse assunto. Estes respostas podem ser um bom ponto de partida.

A implementação é mais confusa que a esquemática, porque eu tive que me contentar com as partes que eu tinha por aí. Em particular, o trilho de 5V é alimentado por dois transformadores paralelos após suas pontes, e eu tive que usar capacitores em série (com resistores de balanceamento) nos trilhos de ± 12V para obter a classificação de tensão apropriada (a saída do transformador retificado é de 24VDC aterrar em condições de ausência de carga).

Notas de configuração de teste

Observe que minha configuração de teste provavelmente é terrível. Nenhuma das tomadas da minha rede possui aterramento de segurança (eu sei ...), então minha referência de terra para essas medições foi um fio preso aos tubos de aquecimento central (que são metálicos e aterrados no aquecedor central). Além disso, havia fios longos em todo o lugar, captando ruídos, etc.

As formas de onda foram capturadas usando um Rigol DS1104Z; as medições do multímetro foram realizadas usando um EEVBlog 121GW (tentei primeiro o meu Fluke 17B +, mas é terrível medir> 500Hz CA).

Para os testes, testei apenas o canal 1 do FY3200S. Sua saída foi ajustada para uma onda senoidal de 10Vpp 1kHz. Também realizei todos os testes com uma onda quadrada de 10Vpp 1kHz, mas isso não produziu nenhuma informação nova, portanto esses resultados foram omitidos. Eu também usei um sinal de 0V DC para as medições de ruído da PSU.

Medidas

Nos resultados abaixo, sempre terei a PSU original do modo de comutação à esquerda e a PSU linear de substituição à direita.

Forma de onda

Primeiro, uma captura da forma de onda de teste. Parece limpo, sem diferença entre PSUs.

Ruído de comutação da PSU

Com o gerador de sinal configurado para gerar um "sinal" de 0V DC, é uma captura do sinal (50mV / div, 5µs / div). A imagem esquerda mostra ondulação de comutação em cerca de 37kHz, que está ausente na imagem direita:

Um close da ondulação de comutação (50mV / div, 50ns / div). A imagem da esquerda mostra a ondulação de comutação. A imagem certa parecia ter ruído aleatório (que algumas vezes o escopo seria ativado, outras vezes não):

Medições de forma de onda

O multímetro mediu a onda senoidal como 3.515VAC RMS (funciona para 10Vpp), a 999,9Hz.

A onda quadrada media 4.933VAC RMS (perto o suficiente), a 999,9Hz.

Não houve diferença significativa entre os dois PSUs.

Compensações de corrente contínua

O deslocamento DC no sinal foi medido com o multímetro no modo DC. Resultados:

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

Há uma pequena diferença a favor do PSU de comutação. Suspeito que isso possa ter sido causado por assimetria nos reguladores lineares 7812/7912 que usei para a fonte de alimentação linear, mas não investiguei mais.

Tensão de fuga à terra

Este é o cerne da questão e o motivo mais comum para substituir a PSU nesses geradores de sinal. Foi medido conectando o osciloscópio ou multímetro entre a minha referência de terra (tubos de aquecimento central) e o terra do gerador de sinal. O próprio sinal de saída do gerador de sinal (seno 10Vpp 1kHz) foi deixado desconectado.

Claramente, a PSU linear ainda possui vazamento de terra devido ao acoplamento capacitivo nos transformadores e talvez à fiação, mas parece melhor que a PSU de comutação (imagem 50V / div, 5ms / div):

As medições do multímetro confirmam que a tensão terra-terra do circuito aberto é realmente mais baixa para a PSU linear (39VAC RMS) do que a PSU de comutação (92VAC RMS):

Corrente de fuga à terra

Mas a diferença real está na corrente de fuga à terra; a 5,5µA, estou um pouco decepcionado com o desempenho linear da fonte de alimentação aqui, mas são duas ordens de grandeza melhores que a fonte de alimentação comutada a 334µA!

Conclusão das sortes

Então sim. Essas coisas vêm com uma fonte de alimentação ruim. Eu tenho pouca fé em sua segurança, e a corrente de fuga de ~ 0.3mA pode arruinar o seu dia em circuitos sensíveis. E pelo que li online, algumas amostras exibem corrente de fuga> 1mA.

No entanto, substituir a PSU por uma fonte de alimentação linear pode melhorar muito isso, e pode ser um projeto pequeno e divertido. Usei fontes de alimentação lineares para todos os trilhos (o que também facilita a eliminação de oscilações de comutação), mas ouvi falar de outras pessoas que usam conversores DC-DC para derivar os trilhos necessários de uma única fonte de alimentação externa de 12VDC ou 5VDC.

Se você quiser seguir esse caminho, considere também o que gostaria de fazer com a porta USB, que não é isolada.

No final, com minha PSU linear de substituição, os resultados parecem aceitáveis. Sem oscilação de comutação, corrente de fuga de 5µA, circuito aberto de 30VAC terra-terra (o que ainda é algo a se ter cuidado). Não é perfeito, mas por <$ 100 está tudo bem no nível do hobby.

Qualidade do sinal em frequências mais altas

Na sua edição mais recente, você adicionou "... até cca. 10MHz". Cuidado que esses geradores de sinal baratos não são ótimos em frequências mais altas. Se você precisar, digamos, de boas ondas quadradas a 10 MHz, provavelmente precisará gastar mais dinheiro. Adicionei algumas capturas da onda quadrada FY3200S 10Vpp a 10kHz, 1MHz, 6MHz e 10MHz:

Eu nem tenho certeza do que está acontecendo em 10 MHz. Talvez a frequência do sintetizador não seja igualmente divisível por 10 MHz, portanto, nem todos os pulsos quadrados têm o mesmo comprimento, levando ao fantasma que você pode ver lá.

As ondas senoidais são mais fáceis, por isso parecem consideravelmente melhores, mas nas frequências mais altas também mostram pequenas distorções.

Por mais baixa tecnologia que pareça, eu recomendo o uso de dois blocos de 9V de lítio. É simples, barato, portátil, não possui rede elétrica nem artefatos de conversor buck. E ele pode ficar na sua prateleira por anos e funciona quando você precisar - em qualquer lugar.

Para suas afirmações originais,

AD1, o isolamento galvânico é a norma, digamos que você o desligue de um plug-pack de saída DC, que terá um transformador de rede dentro da parte que fica no plugue seguida de um retificador e um capacitor, desde que sua fonte DC seja Se não houver referência à terra como uma fonte de alimentação de computador, a tensão DC poderá flutuar dentro da razão (geralmente + -500V a partir da rede elétrica máxima, a menos que seja indicado de outra forma)

AD2, para baixa complexidade, sim, você pode usar esse arranjo para retificar um trilho de suprimento positivo e negativo. Existem várias maneiras de fazer isso com os modos de comutação, mas, a menos que você queira mais informações, deixarei isso para transformadores.

Agora que esclareci que uma fonte CC pode ser galvanicamente isolada da tensão da rede elétrica, devo cobrir a próxima parte, seu comentário sobre o FY3200S. Esse é um efeito colateral de ser isolado da rede elétrica, fontes de modo de comutação, como as lineares, podem ser construído para ser isolado,

A questão é: a coisa que liga os dois lados, por exemplo, o transformador em si, seja um transformador de 60Hz para uma alimentação linear ou um transformador de frequência mais alta para um modo de comutador, possui um pouco de capacitância entre os 2 enrolamentos, geralmente essa capacitância acaba deixando cerca de meia tensão de rede a uma corrente muito baixa sobreposta nos lados isolados "terra". Isso é o que posso ver ao escanear esse link de vídeo, os suprimentos lineares têm o mesmo problema.

Devo também salientar que ele diz que "100uA" não 50mA, 50mA seria letal para qualquer pessoa.

E, apenas por uma questão de exaustividade, o esquema que você usou mostra o aterramento principal conectado ao aterramento por esse motivo, mas anularia seu desejo de isolamento galvânico. A solução real é conectar seu fio de referência antes de conectar seu sinal

A abordagem preguiçosa para reduzi-lo geralmente é um resistor de 100K ou 1 Mega-ohm entre o terra de saída e o terra da rede, desta forma a amplitude da rede sobreposta é menor, enquanto ainda pode ser afastada desse ponto, se necessário.

Às vezes, a força bruta tem suas atrações.

Existe uma classe de transformadores chamados transformadores de isolamento. Eles se destinam a fazer exatamente o que você deseja, isolando completamente a unidade da rede elétrica.

Se você for para a Digi-key e usar a função de pesquisa, poderá encontrar um transformador de isolamento de 50 VA 120/240 a 120 VCA por menos de US $ 20.

Outra maneira de obter isolamento é usar um gerador de funções comum e colocar o transformador de isolamento na saída. Em faixas de frequência estreitas, os transformadores são fáceis de construir. À medida que a faixa de frequência aumenta, fica mais difícil fazer um transformador de isolamento de sinal.

As fontes lineares também produzem muito ruído de alta frequência devido aos harmônicos das frequências da rede elétrica geradas nos retificadores de potência. Esses harmônicos normalmente estão presentes e mensuráveis ​​em sistemas de até 20MHz. Eles geralmente são visíveis nos relatórios EMI do produto para suprimentos lineares e comutadores. Os harmônicos são reduzidos usando retificadores de potência com velocidades de comutação mais rápidas. Os retificadores mais rápidos armazenam menos carga. O mecanismo para criar as altas frequências é que a corrente do retificador se solte rapidamente após a carga armazenada no diodo ser esgotada pela corrente reversa. A corrente reversa flui por um curto período de tempo quando o diodo é desligado.

Essa rápida mudança na corrente do diodo durante o desligamento pode gerar frequências ainda mais altas. Por exemplo, diodos especializados que se soltam rapidamente são usados ​​para gerar sinais de microondas. Eles são chamados de Diodos de recuperação de etapas.

Essas altas frequências passarão por pequenas capacitâncias que atravessam a barreira de isolamento. Nos sistemas de áudio, isso pode causar um zumbido difícil de se livrar.