¿Qué tipo de fuente de alimentación de CC tiene menos ruido?

Opero un sistema MEG (sensores magnéticos extremadamente sensibles para medir la actividad cerebral) y recientemente descubrí que la fuente de alimentación de CC que alimenta nuestra habitación protegida magnéticamente (energía utilizada para mover el MEG/silla/cama, por lo tanto requerida), produce 60 Hz ruido de línea detectado por los sensores. Detallaré mi comprensión de las fuentes de este ruido, pero mi pregunta básicamente es: ¿qué tipo de suministro o qué características específicas debo buscar para evitar este ruido?

  1. Ruido de las corrientes en los cables. El suministro de corriente es un suministro de CC flotante de modo conmutado barato típico, 24V 0.5A. Hice algunas pruebas para confirmar que aunque la diferencia entre + y - parece "limpia" y constante, cada cable tiene una gran oscilación de voltaje con relación a tierra. Y este "voltaje" parece ser el resultado de una fuente de corriente, por lo que incluso sin carga, habrá una oscilación de densidad de carga en los cables, suficiente para generar un campo magnético detectado por nuestro sistema. (En el rango de kOhm a MOhm entre + y G, obtengo una corriente máxima del orden de 0,1 mA).

  2. Ruido de corrientes de tierra. Desafortunadamente, si conecto el negativo a tierra, por supuesto, la oscilación frente a tierra desaparece, y eso elimina principalmente el ruido detectado, pero la corriente "ofensiva" no se elimina, sino que atraviesa la tierra. Eso también causa algo de ruido, probablemente principalmente porque nuestra habitación blindada está conectada a tierra. Vale la pena mencionar que este ruido es mucho más pequeño.

Editar: el precio no es una preocupación principal. Me doy cuenta de que un suministro de bajo ruido bien diseñado probablemente sería mucho más costoso.

Posiblemente una batería. Algo así como una batería de automóvil o una batería de silla de ruedas dadas las cargas que conduce.
@Brian Gracias, buen punto. Eso definitivamente merece consideración. Pero podría ser algo menos conveniente que un suministro que puedo simplemente "enchufar y olvidar". Curiosidad por otras opciones.
Una bobina de filtro realmente grande fuera de la habitación. Y mantenerse alejado de la tierra con todos los conductores. Pero estoy a favor de la solución de la batería.
¿Fuente de alimentación lineal o conmutada? ¿El ruido es radiado o conducido? Dado que su sistema es un magnetómetro sensible, es muy posible que esté viendo campos B de 60 Hz radiados por los transformadores en las fuentes de alimentación lineales.
@George Switched-mode como dije. Y probé con la fuente encendida, pero desconectada del cable de extensión (blindado) que va a la habitación y desaparece el ruido. Así que es de las corrientes en los cables.
¿Puedes medir el ruido (por ejemplo, con otro cable al lado de los sensores) y restarlo de la señal?
@zorgkang, ¿cuánto voltaje/corriente? Podría probar la idea de Marcus de agregar un regulador lineal después del SMPS.
Creo que los sensores magnéticos para el cerebro son un ejercicio infructuoso a menos que el diseñador tenga una comprensión completa de EMC, considerando que las corrientes dieléctricas y el bucle expuesto son muy pequeños. No hay cables conductores de alta corriente en el cerebro expuestos. Solo los campos E pueden medirse, no los campos H, a menos que se exciten externamente. Recomendaría una jaula Lindgren (marca) para empezar
Un amigo mío diseñó las primeras máquinas de resonancia magnética móviles del mundo que utilizaban todos los sistemas hidráulicos de plástico. Era un experto en RF y EMC. La resonancia magnética solía implosionar todos los escaneos de trama de todas las PC CRT en el edificio de la NRC cuando estaba en funcionamiento. (antes de que los LCD se hicieran populares)
No digo que la detección MAG sea imposible, pero debe saber todo sobre EMC para rastrear campos H de tan bajo nivel de manera segura con cero 60 Hz... y no podemos hacer un volcado de tecnología completo en una página.
Para medir el ruido CM del campo E, adjunte una hoja de papel de aluminio a una sonda de alcance de 10M y mídalo. La envoltura de la bobina debe ser tan grande como un cuerpo humano que actúa como una antena para el campo E.... Para el campo H RF, corte la sonda a sí misma.
Este es un dispositivo médico comercial durante décadas. Y ha sido mi trabajo durante 8 años operarlo. Estoy tratando de reducir el ruido de 60 Hz, pero el sistema funciona bien de lo contrario y la forma en que funciona está completamente fuera del alcance de esta publicación. La gente acaba de filtrar 60 Hz, estoy tratando de mejorar esto un poco, eso es todo.
@Andrew Sí, hay otros enfoques para reducir el ruido en MEG. Lo que mencionas es parte del sistema. Pero eliminarlo en la fuente cuando sea posible suele ser lo mejor.

Respuestas (5)

Voy a tomar un enfoque ligeramente diferente a esto.

En primer lugar, ¿estás seguro de que la pastilla es magnética? Si es así, entonces hay esencialmente dos cosas que debe hacer:

  1. Conecte un lado del suministro de CC al blindaje de la habitación justo donde los cables pasan a la habitación (ambas patas del cable de alimentación deben pasar por el mismo orificio en el blindaje de la habitación), esto asegura que las corrientes de tierra circulantes debido a la tapa EMC en el suministro permanece fuera de la habitación.

  2. Todo el cableado interno dentro de la habitación debe estar bien retorcido, esto asegurará una cancelación sustancial del campo. En el peor de los casos, use un grupo de cuatro cables trenzados alrededor de un centroide común (usado en circuitos de micrófonos y conocido como "Starquad" en esa aplicación), el cableado es paralelo a los conductores opuestos, y puede obtener otros 10 o 20 dB de supresión.

Si la captación es de campo E en lugar de H, entonces apantallar los cables (y unir la pantalla al blindaje de la habitación es una solución fácil).

Para responder a la pregunta formulada, un suministro lineal construido con un transformador que tenga una pantalla entre devanados conectada a tierra será casi tan silencioso como una batería.

Es posible que descubra que es útil abrir su conmutador y quitar la tapa a través de la barrera de aislamiento, y luego conectar a tierra una pata de la salida a la pantalla de la sala, el suministro ya no cumplirá con EMC, pero eso puede o no importarle.

Buena suerte, estas cosas pueden ser un oso para rastrear.

Gracias. Sí, estos son sensores magnéticos, tiene que serlo. 1. es más o menos lo que probé en mi punto 2. Como mencioné, funciona, aunque todavía veo algo un poco más que cuando no está encendido, por lo que sospecho que las corrientes de tierra en el blindaje de la habitación podrían ser la causa. Sin embargo, con respecto a los pares trenzados, eso no suprime las señales de modo común, ¿verdad? Examinaré el suministro lineal "apantallado" que describe. Aunque aprecio mucho entender el funcionamiento interno, razón por la cual estoy aquí, no estoy preparado en este momento para hacer/modificar un suministro yo mismo.
El modo común no puede ser magnético, a menos que haya alguna otra forma que no sea su circuito cerrado para que fluya la corriente (¿Posiblemente acoplamiento capacitivo en una de las cargas a la estructura de la habitación?), En cuyo caso ya no es modo común. Un estrangulador de modo común de baja frecuencia de valor adecuadamente alto puede ayudar, al forzar que las corrientes en ambas piernas sean iguales, tal vez tomar un transformador de 50 Hz que tenga dos secundarios y usar los dos devanados secundarios como un estrangulador de modo común con el primario desconectado. Solíamos enrollar estranguladores de modo común en coaxiales de RF en núcleos de transformadores viejos, bastante efectivos.
Estoy diciendo que las corrientes de modo común en el cable de alimentación de CC directo en mi habitación protegida generan un campo magnético detectado por mis sensores. No estoy seguro de lo que quieres decir con "mi bucle apretado". Tenía la impresión de que un estrangulador no sería efectivo a 60 Hz, o tendría que ser demasiado grande. ¿En qué tipo de transformador estás pensando? (Tenga en cuenta que espero un mínimo de retoques).
Debe medir el ruido conducido usando una sonda de alcance sin punta y clip de tierra usando punta/barril LUEGO ruido radiado con clip de tierra en cortocircuito con el clip de sonda y usarlo como una antena, para determinar de dónde proviene EMI, luego reduzca el voltaje de CM por cualquier medio. Trate de ver los efectos de derivación de LC diferencial a tierra. Este es un punto de partida para las pruebas en EMI. Lo más probable es que 60 Hz se deba a una impedancia de CM desequilibrada de 0,000 % a tierra y un voltaje de CM excesivo. SMPS solo se aíslan a baja frecuencia
@zorgkang puede eliminar todos sus problemas con un estrangulador CM coincidente adecuado (CLC o estrangulador diff "pi") (en Diff amp usando un cable STP). {f emparejado significa permeabilidad para baja o alta frecuencia}

Si realmente tiene una fuente de alimentación conmutada barata, entonces la mayor parte del ruido que está viendo probablemente no se deba a la falta de una regulación limpia, sino a que las líneas de CA se acoplan nuevamente a sus líneas de suministro después del suministro del modo de conmutación; sus observaciones bajo "1". coincide con eso. Es realmente difícil evitar eso: solo un diseño de dispositivo muy dedicado y un excelente blindaje de medición pueden eliminar eso.

Sin embargo, hay un par de cosas que a menudo se hacen para superar esto:

  1. Asegúrese de que no haya ningún cable de alimentación conectado a sus cámaras de medición. Eso se aplica especialmente a las luces de techo, etc.
  2. Mejora tu suelo. Si su nivel de tierra comienza a oscilar cuando conecta su suministro a tierra, simplemente tiene una alta impedancia contra la "tierra".

En general, si desea construir una fuente de alimentación algo eficiente, barata y de bajo nivel de ruido, a menudo busca una fuente de alimentación de modo de conmutación, como la barata que está usando, seguida de un condensador relativamente grande que garantiza que los cambios de carga y las ligeras fluctuaciones no importan mucho, seguidos por un capacitor de baja ESR (típicamente, de cerámica), seguido por un regulador lineal, seguido, nuevamente, por un capacitor de compensación. De esa manera, puede obtener el comportamiento del SMPS "que no consume energía, se adapta rápidamente a los cambios de carga" y las propiedades de bajo ruido de un buen regulador lineal (podría valer la pena buscar un mínimo un poco más lejos que los reguladores 780X y LM317 habituales y antiguos: hay algunos reguladores lineales más modernos en el mercado, y algunos de ellos tienen una mejor inmunidad al ruido).

Que yo sepa, el estado del arte en reguladores lineales de bajo ruido es el LT3042/LT3045. Tenga en cuenta que se debe prestar mucha atención al diseño de PCB, el conector y las técnicas de blindaje para obtener el máximo rendimiento de un regulador cuando el ruido es tan crítico.
Su punto 1 está bien cuidado. Con respecto a la tierra, tenemos una tierra "algo dedicada" para nuestro laboratorio, pero no completamente "separada" como recomienda el fabricante. Sin embargo, supongo que se probó la calidad del suelo cuando se instaló el sistema en 2010. No sé cómo podría determinar si mi nivel del suelo cambia sin otra referencia del suelo. Con respecto a su último párrafo, según mi conocimiento limitado, todo esto parece que reduciría las fluctuaciones de + wrt -, no las fluctuaciones de "modo común" wrt ground. ¿Puedes aclarar?

La corriente "ofensiva" que menciona es una corriente de fuga dentro de su fuente de alimentación conmutada. Esta corriente parásita proviene del acoplamiento capacitivo entre el devanado primario y secundario del transformador de aislamiento de alta frecuencia y crea corrientes parásitas a la frecuencia de la red de CA. Podría haber un acoplamiento de CC más pequeño (intencional), para evitar el aislamiento total de la tierra. Esta fuga de CA también estará en PS sin conmutador, ya que todavía habrá un transformador en el medio. No es posible evitar este acoplamiento, solo se puede reducir fabricando transformadores de aislamiento especiales con blindaje puesto a tierra entre los devanados a expensas de la eficiencia. Es curioso, acabo de mirar las especificaciones de las llamadas fuentes de alimentación médica, enumeran la fuga aprobada en 0,5 mA, cinco veces más grande de lo que ha medido.

Para reducir el efecto de las corrientes de fuga, debe diseñar un buen esquema de conexión a tierra para toda la instalación, para separar las corrientes de retorno de la electrónica de potencia de las conexiones a tierra de los instrumentos sensibles y devolver la corriente de fuga a tierra antes de que ingrese a su habitación protegida. Este es siempre un problema desafiante. Buena suerte.

0,5 mA también es estándar de facto. para fuentes de alimentación de consumo (CE/CSA/UL)

Si desea el ruido más bajo y no está demasiado preocupado por el costo, el tamaño y las pérdidas, entonces el suministro lineal es el mejor. Todavía los fabrican a un precio para uso en laboratorio. con un conmutador. Si aún desea hacer un conmutador, busque una topología de conmutación suave o algún esquema resonante. Hice algunas Apples con Apples, realicé pruebas de EMC y descubrí que mi circuito resonante de interruptor suave no era mejor alrededor de 150 KHz, pero era mucho más mejor en el rango de MHz. La trama de EMC conducida cayó rápida y repentinamente con la frecuencia como los acantilados de Dover, mientras que el PWM ortodoxo de conmutación dura era como una colina rodante. Esto implica que algún esquema de reducción de pérdida de conmutación lo ayudará para la EMC radiada. Recuerde que esto, por supuesto, no es tan silencioso como un lineal,y también tenga en cuenta que muchas fuentes de alimentación chinas tienen pegatinas de cumplimiento de EMC fraudulentas. ¡Solo pruebe una y vea!

Para su SMPS, obtenga múltiples etapas de filtros de línea de CC para abarcar diferentes rangos ZL(f) con baja ESR para corrientes nominales. > Elija la entrada inductiva con Cy en la entrada dentro de la sala de protección con el centro de la unión de Cy como la nueva tierra de la sala de protección de modo común. Deben coincidir <1 % para obtener el mejor tipo de COG de rendimiento<

Enlace de referencia de estranguladores EMI y CM ingrese la descripción de la imagen aquí

la fuente de energía con menos ruido que puedo encontrar es una celda de litio CR2 de 3V 3.00V y uV de ruido.

Sin embargo, el ruido radiado por una protección o protección activa deficiente es probablemente su problema, y ​​no el ruido conducido del suministro de CC.

La reducción de EMI es una combinación de LC (choke) LPF y CMRR que utiliza conductores balanceados blindados con absorción de ruido perdido al proteger los pares de cables ofensivos y los pares receptores sensibles y luego hacer un modo común de alta impedancia con un Balun y una derivación a tierra de baja impedancia para los escudos.

Con esta filosofía, se puede lograr una atenuación de 120 dB o incluso 200 dB.

confía en mí, un estrangulador CM es un BALUN que equilibra o aumenta la impedancia CM para hacer que un desequilibrado se vuelva equilibrado.

Comprenda que están diseñados para diferentes propósitos, salida y entrada radiada (emisiones) y salida o entrada conducida.

Mire cualquier cable VGA y filtro de línea, dos ejemplos de un estrangulador CM o balun pero se ven completamente diferentes.

Los núcleos toroidales con sujeción en C se utilizan en (todos) los motores paso a paso y de video VGA para reducir las emisiones radiadas.

Los toroides de devanado doble SMT o THT en filtros de línea eléctrica para reducir las emisiones conducidas y los transitorios de energía (ejemplos de salida y entrada)

Debe determinar cuál y dónde aplicar y puede llamarlo estrangulador BALUN o CM. Por lo general, el núcleo toroidal solo alrededor de los conductores se llama Balun y la ferrita acoplada, incluidos los devanados, se llama estrangulador CM o transformador de doble bobina, pero todos tienen circuitos equivalentes similares cuando están perfectamente equilibrados.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Puedo aclarar que el sistema está bien diseñado con blindaje conectado a tierra ("tubos con cremallera") para todos los cables que van a la habitación blindada, incluido este cable de alimentación de CC (el blindaje comienza justo después del bloque de suministro). El ruido no está presente cuando la fuente de alimentación no está alimentada. No estoy seguro de lo que significaría "equilibrar" el suministro de CC.
Con investigación adicional, creo que entiendo lo que quiere decir con "modo común de alta impedancia con un balun". Este autotransformador, o un estrangulador de modo común, parecería ser lo que se necesita. Tendré que intentar encontrar un suministro con eso integrado. También muchas referencias hablan de altas frecuencias: kHz, MHz. ¿Puede tal cosa filtrar bien 60 Hz?
no 60 Hz a menos que L masivo, un estrangulador CM = un Balun. ¿Tiene un impulso de pierna derecha activo o equivalente para crear un. mejor terreno de modo común? ¿Tiene filtro LC en SMPS?
Eso es desafortunado re. 60 Hz. Por lo que leí, un estrangulador CM no es = un balun: el primero tiene los dos cables retorcidos en direcciones opuestas alrededor de un núcleo, eso es todo. El balun implica algo más (equilibrado/desequilibrado), por ejemplo, el tipo de autotransformador descrito en Wiki. No entiendo tu primera pregunta. Mi SMPS ni siquiera se conecta a tierra (enchufe de 2 clavijas), por lo que definitivamente no hay filtrado de tierra.
desafortunadamente, hay un acoplamiento capacitivo con RF modulada de 60 Hz en el extremo frontal, por lo que obtenemos un buen CMMR a 60 Hz de la protección activa y el rendimiento de INA, luego BALUN para 100 kHz y más para transitorios mediante una selección cuidadosa
Me está costando mucho seguir. Un montón de acrónimos y nombres que no sé... Y no estoy seguro, pero sigues diciendo que no puedo usar un estrangulador/balun para reducir mi ruido de 60 Hz en modo común, ¿verdad? Tal vez un ejemplo de lo que podría usar ayudaría a entender su punto.
Lo siento, entiendo tu aclaración de choke/balun, gracias. Todavía no estoy seguro de si esa puede ser una solución para mis corrientes de CC de modo común de 60 Hz.
Si quieres mi ayuda, solo invítame a venir. Yo vivo en Toronto
¿Parece que su última edición, con respecto a los filtros de línea de CC, también es para ruido kHz-MHz?
El filtro CM funciona en banda ancha usando Cy debido a la relación de tapa de acoplamiento y la pequeña serie C del transformador SMPS. El modo diferencial LC funciona en la relación Z(L)/Z(C) para RF. ¿Puedo ir a verlo?
Lo siento, pero no visita. Trabajo en un hospital y solo quería aprender lo suficiente para entender lo que debo comprar, no contratar a un EE para diseñar nada... El suministro actual es CUI Modelo EPA-121DA-24, no creo que pueda ni abrirlo . Dices banda ancha pero no 60 Hz verdad? RF no es el problema, he medido las corrientes de 60 Hz del suministro, concedidas no una onda sinusoidal pura. Voy a dejar de preguntar, pero nunca dices claramente si algún dispositivo de filtrado funciona en estas frecuencias. Otros parecen decir que tendría que ser enorme.
pro bono también conocido como jubilado
Lo siento, hay muchas incógnitas en su pregunta, por lo que no podría ser específico. Pero la relación C es una reducción de transformador capacitivo que es de banda ancha. Normalmente, en una habitación blindada, todas las señales pasan por la alimentación directa de derivación de Cap dependiendo de la impedancia del circuito y la necesidad de rechazo de CM. Dado que SMPS es flotante, Zdc es alto pero tiene capacitancia de fuga con espectro de modo común según el tipo de SMPS. (flyback, feedforward, etc.) RF CMRR es a través de CM choke L, que normalmente no se vuelve efectivo hasta que se cambian los armónicos.
Señale las incógnitas para que pueda mejorar la pregunta. El cable de alimentación de CC pasa por un paso sí, que es solo un agujero en la pared ... nada "específico del circuito". La única parte del "espectro de modo común" que es problemática es el pico de 60 Hz. Si hay algo más, está por debajo del ruido del sistema o bien fuera del espectro de interés para la actividad cerebral (o el sistema MEG).
un esquema completo del sistema está fuera de discusión, pero un diagrama de bloques estaría bien. Las medidas que sugerí son necesarias, porque ahora las tapas de alimentación para proteger la tierra interior de la habitación son esenciales para la supresión de 60 Hz. El estrangulador es para una portadora modulada de 60 Hz a una frecuencia de conmutación y pueden estar presentes armónicos de SMPS y también se desviarán. Confío en que entiendas mi modelo de divisor C simplificado