Señal de HF en un experimento nulo. ¿Cuál es el mecanismo exacto?

Dado que he intentado experimentar con la electrónica, me enfrento al problema del ruido de alta frecuencia y las señales pasan por alto casi todo lo que trato de detener. Esto comenzó con mis intentos de filtrar el ruido de una fuente de alimentación ATX simple, y esto ocurrió una vez más recientemente con mis intentos de rectificar una señal modulada de 5 MHz a 1 khz.

Con respecto al cambio de PSU, en 9.6.8 D, el "Arte de la electrónica" dice "El ruido de cambio se puede omitir en gran medida en un punto , pero simplemente coloque la sonda de alcance a unas pulgadas de distancia y volverá ". Más tarde (9.9) , también cita a James Bryant en respuesta a la pregunta "¿Cómo puedo evitar que el ruido de la fuente de alimentación de modo de conmutación destruya el rendimiento de mi circuito?", Respuesta: "Con gran dificultad, pero esto se puede hacer".

Para ellos, el problema es que las PSU de conmutación están llenas de ruido en un rango muy amplio de frecuencias, lo que ocurre de varias maneras (consulte el final de 9.6.8 D).

En mi opinión, y como intentaré mostrar a continuación, el problema es mucho más fundamental y su interpretación no es tan fácil de encontrar, si es que alguna vez ha sido procesada. ¡Pero veamos lo que dicen sobre eso, muchachos!

Esta vez, me he dado cuenta de lo que Douglas C. Smith llama un experimento nulo , de una manera que puede reproducirse fácilmente y debería ayudar a descartar muchas interpretaciones incorrectas. Aquí está el experimento:

  • Alrededor de la bobina de una rejilla que emite a 5 MHz, se enrollan 2-3 vueltas de cable eléctrico. (ver 2 imágenes a continuación). Observe que un extremo del cable se deja abierto.ingrese la descripción de la imagen aquí ingrese la descripción de la imagen aquí

    • El otro extremo del cable (a aproximadamente 1,5 m) se acerca a los dos extremos unidos de la sonda de alcance. La sonda está configurada en x10 y el osciloscopio en 1mV/div, 1ms/div. Como era de esperar, no ocurre nada más que un ruido de fondo débil (imagen a continuación).ingrese la descripción de la imagen aquí

    • Ahora, sin mover nada, los dos extremos unidos de la sonda están en contacto con el extremo del hilo. En la primera imagen a continuación, la caída de la red está configurada en modulación de onda continua (CW), y en la segunda imagen, está configurada para modular la onda portadora a 1 kHz (MOD). Esto no deja dudas de que la caída de la rejilla está generando una señal en el osciloscopio. Como se puede ver, el osciloscopio ahora indica una señal de aproximadamente 2 mV, es decir, 20 mV (ya que la sonda es x10).ingrese la descripción de la imagen aquí ingrese la descripción de la imagen aquí

La pregunta es: ¿por qué mecanismo exacto genera una señal la caída de la rejilla en la sonda?

Además, agrego:

  1. como para cambiar la fuente de alimentación, es muy difícil "detener" o rectificar esta señal o, más precisamente, saber con el osciloscopio si se ha detenido o no: después de todo, este experimento nulo dice que no tiene esperanza de aprender nada con el alcance no?

  2. la orientación del bucle formado por la sonda no importa en absoluto en este experimento: esto puede probar que no hay influencia magnética a través del aire. Sólo un contacto con el hilo produce el efecto.

Nota: No es necesaria una inmersión en la red para realizar un experimento similar, pero es una buena opción porque emite en un ancho de banda relativamente estrecho. Si esta condición se relaja, se puede hacer lo mismo con una PSU ATX ruidosa que cambia en el rango de MHz como esta:ingrese la descripción de la imagen aquí

Respuestas (3)

Esto no tiene nada que ver con los efectos de antena por lo que puedo ver; es solo el acoplamiento capacitivo de la señal a un cable más corto y luego conectar el extremo de ese cable a través de un inductor de pequeño valor a tierra. El valor pequeño del inductor es el cable de tierra de la sonda del osciloscopio y el voltaje medido por el osciloscopio es el voltaje a través de ese inductor de valor pequeño debido al cable que inyecta corriente a través de él: -

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Una bobina de 3 pulgadas de diámetro se puede hacer así: -

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Y si vas a esta calculadora y estimas la inductancia para un solo giro, obtienes alrededor de 170 nH.

Pero, la inductancia entre estos dos puntos (en azul)....

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... será de aproximadamente 100 nH, por lo tanto, si inyecta una señal de 5 MHz en el extremo unido de la sonda, verá una impedancia de cable a tierra de aproximadamente 3 ohmios y la corriente resultante fluirá (prácticamente) a través del reactivo 3 ohmios y produce una caída de voltaje de señal que mide el o-scopio.

Intente usar una resistencia real de 3 ohmios y este tipo de medición de sonda a través de la resistencia para reducir la inductancia de bucle del cable de tierra: -

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Hola Andy, ¿dónde hay un acoplamiento capacitivo? el cable se enrolla alrededor de la bobina de inmersión de la empuñadura y parece mucho más un acoplamiento inductivo. En segundo lugar, ¿por qué la corriente querría volver a tierra? el cable no está alimentado por ningún generador conectado a tierra (es decir, está flotando).
No, es un acoplamiento capacitivo: con un extremo flotante, no inducirá un voltaje. Su bobina de inmersión de red tendrá un campo eléctrico a su alrededor al que se acopla el cable. El generador es una caja situada sobre el suelo y que podría ofrecer 10 pF. Lo mismo ocurre con la conexión capacitiva con el cable enrollado alrededor de la boquilla GD.
Si la capacitancia en serie total de la boquilla y la capacitancia de tierra es (digamos) 5 pF, a 5 MHz será una impedancia de aproximadamente 6 kohm. Si el "voltaje de la fuente" (es decir, la boquilla) es de 10 Vp-p, entonces podría fluir una corriente de 1,67 mAp-p y esto produciría un voltaje de 5 mVp-p a través de una bobina de reactancia de 3 ohmios.
@MikeTeX después de mirar sus imágenes, la caída de la red está colocada justo encima de otro hardware (que bien podría estar conectado a tierra), por lo tanto, para probar esto, intente aislar más la caída de la red alimentada por batería.
La caída de la red está alimentada por la red principal, por lo que seguramente está conectada a tierra. Con respecto a su afirmación de que el acoplamiento con el cable es capacitivo, no estoy tan seguro de que sea exacto: el efecto es fuerte siempre que el cable se enrolla alrededor de la bobina, no cuando está solo cerca de la bobina; después de todo, se sabe que alguna corriente fluye a través de un cable simple que actúa como una antena dipolo en HF, incluso si no está conectado a nada.
Con respecto a su consejo de intentar reemplazar la punta de la sonda, por supuesto que lo haré y publicaré los resultados aquí. Pero no entiendo muy bien lo que me aconsejas que haga. ¿Puedes elaborar un poco?
@MikeTeX a 5 MHz y las longitudes de cable que tiene es el acoplamiento capacitivo que domina. Intente usar un trozo de papel de aluminio/estaño alrededor de la boquilla que se aproxime a la misma superficie de contacto que las tres vueltas que tiene y verá que estoy seguro. Hacer la punta de la sonda como mostré reduce drásticamente los 100 nH y reducirá drásticamente el voltaje que se ve en el osciloscopio (probablemente en al menos 5:1). Alternativamente, coloque un núcleo de ferrita en el cable de tierra de la sonda para aumentar su inductancia y ver cómo la señal aumenta.
Con respecto al papel de aluminio, eso haré. Todavía no entiendo la sonda en la imagen de su respuesta, y lo que pretende cuando dice "intente usar una resistencia real de 3 ohmios". ¿Por qué hay varias vueltas de cable alrededor del blindaje de tierra en la sonda que mostraste? ¿Es simplemente para hacer un buen contacto con el escudo?
Es solo eso, hacer una buena conexión. Una vez que usa un resorte de tierra en la sonda del osciloscopio, la inductancia cae a una fracción, por lo que la resistencia de 3 ohmios proporciona la misma impedancia para desarrollar un voltaje y, por lo tanto, probar que era un flujo de corriente a alta frecuencia a través del cable de tierra de la sonda del osciloscopio anterior.
¿Y la resistencia de 3 ohmios?
Agregué ese bit arriba
Andy, tú eres el hombre. He probado los experimentos y tenías razón en todo. Para mí, tú y thePhoton sois lo mejor de lo mejor.
@MikeTeX es un placer ayudar cuando llegan comentarios como ese.
@Andy alias: "Hasta donde puedo ver, esto no tiene nada que ver con los efectos de la antena; es solo el acoplamiento capacitivo de la señal a un cable más corto": Bueno, el acoplamiento capacitivo a un cable es un efecto de antena .
@Curd No creo que sea una explicación útil aquí.

La pregunta es: ¿por qué mecanismo exacto genera una señal la caída de la rejilla en la sonda?

Vea la imagen a continuación:

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Cualquier campo magnético cambiante que pase por el área sombreada en rojo induce el voltaje medido por la sonda.

El voltaje viene dado por la ley de inducción de Faraday:

v = ∫ A ∂ B ∂ t d a

EDITAR1:

Para responder a su pregunta de dónde proviene el campo magnético cambiante:
el cable único actúa como una antena (por ejemplo, por su capacitancia contra "infinito"). Es decir, hay una corriente de RF que atraviesa el cable y genera un campo magnético de RF. Ese campo es recogido por el bucle.

EDIT2:
para responder a su pregunta de por qué es solo una señal si toca la sonda con el cable:
el cable solo hace una antena muy ineficaz para su RF de 5MHz (la longitud de onda es de varias decenas de metros), por lo que no hay mucha energía radiada . Esto cambia drásticamente si lo conecta a la sonda con conexión a tierra.
Ver imagen; el color azul indica el camino actual y la fuerza:
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Tenga en cuenta también que hacer que el bucle sea más pequeño no ayuda mucho a minimizar la señal porque el campo magnético se genera principalmente por la corriente que pasa por un lado del bucle. Entonces, la mayor parte del campo magnético siempre pasará a través del área del bucle, sin importar cuán pequeño intente hacerlo.

Por cierto: en general, si tiene una señal de voltaje de RF en los terminales de la sonda en cortocircuito, creo que será muy difícil encontrar otra explicación que no sea la inducción por un campo magnético de RF que pasa a través del bucle formado por los cables de los terminales.

Para mí, su respuesta es insatisfactoria: no hay razón para inducir un campo magnético cambiante a través del bucle mediante un simple contacto con el extremo del cable, especialmente después de haber demostrado que incluso si el bucle está muy cerca del extremo del cable. alambre (pero sin contacto), no se produce nada.
@MikeTeX, ¿qué sucede si solo conecta ese cable a la tierra del alcance? ¿No hay una resistencia grande (9M) entre la punta del visor y la entrada, mientras que la tierra va directamente al visor?
El osciloscopio tiene una impedancia de entrada de 1 Mohm (10 pF en paralelo) y la sonda, configurada en x10, debe agregar 9 Mohm en serie con la punta. Si solo conecta el cable a la tierra del alcance, no sucede nada definitivo, pero si conecta el otro lado de la sonda con una antena dipolo (como un destornillador), se genera algo de ruido, pero no el efecto claro indicado anteriormente.
@MikeTeX, ¿qué sucede si usa una sonda 1X?
@MikeTeX: el cable único actúa como una antena (por ejemplo, por su capacitancia contra "infinito"). Es decir, hay una corriente de RF que entra y sale provocando un campo magnético de RF
Si uso una sonda x1, el voltaje se multiplica por 10. Cuajada, esto todavía es insuficiente para mí: excepto el hecho de que el cable actúa como una antena, no veo cómo esto puede inducir un campo magnético al contacto con la sonda. Tengo que irme y volveré mañana por la noche. Luego responderé a otros comentarios.
@MikeTeX ¿El multiplicador es exactamente 10?
@MikeTex: Supongo que conectar el cable corto con la sonda aumenta la eficiencia de la "antena" (porque el cable protector de la sonda también se convierte en antena), lo que hace que fluya más corriente en la "antena", lo que hace que el campo magnético más fuerte sea captado por el lazo.
@MikeTeX, intente esto... retire el sujetador del extremo de la sonda. ¿Ve un pequeño anillo plateado justo detrás de la punta afilada de la sonda? Envuelva unas pocas vueltas de cable de calibre 26..30 alrededor de esto y conecte el otro extremo a una tierra MUY CERCA del nodo que desea sondear con el alcance. Haga esta conexión a tierra de media pulgada o menos. ¿Eso reduce el ruido observado?
Cuajada, tu imagen es engañosa (y al menos una parte de tu interpretación bien puede ser incorrecta): nada cambia si ato el extremo de tierra de la sonda a la punta de plástico (es decir, no más bucle en el extremo). Si su explicación fuera correcta, esto debería anular el flujo de inducción, por lo tanto, también el efecto. Pero esto no es lo que sucede. Además, cualquier interpretación basada en el campo magnético "captado" por la "antena de la sonda" falla porque no se capta nada cuando el bucle de la sonda está muy cerca del cable: un simple contacto no puede producir un flujo de inducción de la nada.
Casi termino. El próximo jueves estaré en el laboratorio y jugaré con los extremos de la sonda, luego publicaré los resultados aquí. Esto probablemente descartará muchas posibles interpretaciones incorrectas.
@MikeTeX: explique qué es engañoso en mi imagen. Incluso si el efecto descrito no fuera la fuente (única o principal) de sus mediciones, no haría que la imagen fuera engañosa. Tenga en cuenta que solo podemos hacer conjeturas más o menos inteligentes en función de lo que diga. No dijo en su publicación original que minimizar el área del bucle no elimina la señal. Parece que tampoco ha leído/comprendido mi otro comentario que explica por qué solo hay una señal si prueba la sonda. Así que lo agregaré también a la respuesta.
@MikeTex: Por cierto: todavía no tengo una mejor explicación para una señal diferencial en su sonda en cortocircuito que por inducción a través del bucle (por pequeña que sea su área).
Cuajada, solo para que sepas, he hecho los experimentos propuestos por Andy Aka (ver sus respuestas y comentarios). Tiene razón en todo, en particular, obtengo exactamente el mismo efecto al insertar una resistencia de 2 ohmios en lugar del cable de tierra de la sonda. Además, verifiqué que el cable está efectivamente acoplado capacitivamente con la bobina de inmersión de la red, y al quitar la sonda de tierra se divide la señal recibida por aproximadamente 10 (como él previó). Aunque gracias por haberme respondido.

Considere un cable largo, de 4" de un bucle cuadrado de cable (quizás la sonda del osciloscopio + cable GND, aunque no cuadrado) que tiene un área de 4" por 4". El cable tiene corriente con dI/dT de 1 millón de amperios por segundo ¿Qué voltaje se induce en la espira por las fuerzas magnéticas?

Vinduce = 2e-7 * Área/Distancia * dI/dT

Vinduce = 2e-7 * 0,1 metro * 0,1 metro / 0,1 metro * 1e6 amperios/segundo

Vinduce = 2e-7 * 0,1 * 1e6 = 2e-8 * 1e+6 = 2e-2 = 0,02 voltios

analogsystemsrf. Conozco las leyes de inducción. Desafortunadamente, el efecto es exactamente el mismo si ato el bucle formado por la sonda de tierra al plástico de la punta de la sonda (no más superficie de bucle). No hay inducción magnética a través del aire como dije en la pregunta. Por lo tanto, su interpretación es probablemente incorrecta.
Señal de HF en un experimento nulo. ¿Cuál es el mecanismo exacto?
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