Minimice el ruido en el electroimán usando frecuencias de audio

Tengo un electroimán (bobina con una inductancia de aproximadamente 500 uH y una resistencia de 0,8 ohmios) que quiero conducir a 4 kHz con aproximadamente 3 amperios de corriente. Quiero lograr esto con el mínimo ruido y potencia en cualquier frecuencia que no sea 4 kHz.

Estoy usando un generador de forma de onda (Stanford Research Systems DS345) para generar una onda sinusoidal de 4 kHz (señal no balanceada), que luego se envía a un amplificador de audio (Crown xls 402). La salida del amplificador es una señal balanceada conectada a la bobina. En paralelo con la bobina tengo dos diodos zener para flyback para evitar daños en el amplificador en caso de corte de corriente.

Para minimizar el ruido proveniente del generador de forma de onda o del amplificador, ¿cuál de los siguientes es óptimo? Las frecuencias de ruido más críticas que debo minimizar son las de frecuencias bajas (< 4kHz y en particular las inferiores a 200 Hz) y las superiores a 4 MHz.

(i) Maximice el voltaje proveniente del generador de forma de onda (10 V pico a pico). Luego configure la ganancia en el amplificador para obtener la corriente de salida deseada

(ii) Establezca la ganancia en el amplificador al máximo y luego configure la amplitud de la forma de onda para obtener la corriente de salida deseada

(iii) Algo completamente diferente

¿De dónde viene el ruido?
@DaveTweed Los niveles de ruido ya son realmente bajos, pero nuestra aplicación requiere minimizar absolutamente el ruido tanto como sea posible. Hay algo de ruido de línea a 60 Hz, así como lo que creo que son armónicos del ruido de línea a 120 Hz, 180 Hz, 300 Hz, etc. También hay algo de ruido 1/f. El cable del generador de forma de onda al amplificador podría estar captando RF perdida. El generador de forma de onda en sí podría tener algo de 'ruido' o más bien imperfecciones, ya que es básicamente un convertidor de digital a analógico.
¿Hay alguna razón por la que no pueda colocar un filtro de paso de banda estrecha pasivo en el circuito justo antes de la bobina?
@markt Tenemos un filtro de paso de banda estrecha. Esto ayuda. Dado que nuestra señal de entrada es lo mejor posible, todavía me gustaría saber si es mejor maximizar la amplitud de entrada o la ganancia del amplificador. ¿Cuál produce la señal de salida más verdadera?
No hay reglas generales. Si está realmente preocupado por el ruido a ese nivel (y aún no nos ha dado ningún número), tendrá que analizar toda la cadena de señal, incluidos los componentes internos del generador de señal y el amplificador, para determinar si van a satisfacer sus necesidades. ¿También tiene requisitos igualmente estrictos con respecto a la distorsión de la forma de onda, etc.? Finalmente, ¿ha considerado usar un controlador de clase D, que haría que toda la cadena de señal hasta la etapa de potencia final fuera puramente digital?

Respuestas (2)

Es posible que te estés perdiendo un truco aquí: prueba la serie resonando el inductor con un condensador de exactamente 3.18 uF. Con la bobina de 500uH (y una resistencia en serie de 0,8 ohmios), obtendrá un aumento de voltaje en la bobina de aproximadamente 15:1.

En otras palabras, aplica una onda sinusoidal de 1 V RMS a 4 kHz y obtiene una onda sinusoidal de 15 V RMS en la bobina. También hay otro beneficio: es un filtro bastante ajustado y rechaza la distorsión/ruido del amplificador que lo está impulsando. Su amplificador debe poder manejar una pequeña resistencia de carga porque ahora toda la carga que verá el amplificador son las pérdidas en el inductor, es decir, los 0,8 ohmios, pero si la carga mínima del amplificador es de 2 ohmios, inserte 1,2 ohmios adicionales en serie: el aumento será solo de 6,3 ahora, pero seguirá siendo bastante razonable.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

La frecuencia de resonancia es 1 2 π L C = 1 2 π 500 m ⋅ 3.18 m = 3991.4 H z .

Realmente no te refieres a kHz, ¿verdad? :)
@WhatRoughBeast oooooooooooops LOL... ¡¡¡arreglado!!!
Además, el ancho de banda del circuito en serie es BW = R/L
Como otro refinamiento más, si agrega una resistencia externa, digamos 10 miliohmios, desde la bobina a tierra, puede ajustar el generador para maximizar la eficiencia. Simplemente controle el voltaje a través de la resistencia externa y sintonice el generador para un cambio de fase de 0 grados entre los dos. Dado que los capacitores son famosos por su baja tolerancia, esto le permitiría no preocuparse demasiado por los valores reales del capacitor y la inductancia.

En general, en igualdad de condiciones, la primera etapa de amplificación domina la figura de ruido, por lo que primero intentaría maximizar la ganancia del generador de señal y reducir la ganancia del amplificador de potencia para ver si eso mejora las cosas.

Si va a usar una ruta de señal analógica, en lugar de la digital mencionada anteriormente, experimentaría usando el amplificador de potencia como una fuente de corriente selectiva de frecuencia y conduciendo la bobina con una corriente en lugar de un voltaje. Intente poner una derivación de corriente en serie con la bobina y ejecutar el voltaje desarrollado a través de un ecualizador gráfico con una muesca profunda a 4khz. Luego envíe esto a la cadena lateral de un compresor de audio conectado en serie con el generador de señal y experimente con los ajustes de ataque y liberación, para ver si esto ayuda a anular los armónicos de la línea de alimentación.

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