Störgeräusche mit Buck Converter

[ArduinoFan (Gast)]

Grüße an die Community,

ich habe ein Bastelprojekt bei dem ich eine 12V Spannugsquelle verwende 
und mittels Buck Converter auf 5V für einen ESP32 Mikrocontroller 
runterregel. An dem ESP32 hängt ein SD-Card-Reader und ein Audio Decoder 
(VS1053).
Der Audio Decoder gibt dann die Audio Daten mittels 3.5mm Klinke an 
einen kleinen Audio Verstärker weiter.
Der Verstärker hängt direkt an der 12V Spannungsquelle.

Einen Schaltplan (ohne den SD Card Reader) habe ich angehängt.
Der ist nur schematisch und die Bauteile in Fritzing entsprechen nicht 
den richtigen Bauteilen, aber es sollte den Aufbau klar machen.


Problem ist nun, dass ich in der Konstellation starke Störgeräusche 
habe. Mindestens so laut wie die Audio Wiedergabe selbst!!!
Die Störgeräusche habe ich als MP3 angehängt.

Ich bekomme die Störgeräusche nur weg, indem ich von dem Audio Decoder 
direkt in einen Kopfhörer gehe, den Verstärker über ein Smartphone 
(3.5mm Klinke) mit Audio Signalen Versorge oder den Audio Verstärker von 
der Stromversorgung kappe und ein seperates Netzteil verwende.

Ich verstehe jedoch nicht warum. Habe schon so viel ausprobiert.

[Stefan (Gast)]

Klingt nach Störgeräuschen eines µCs (ESP32) verursacht durch eine 
fehlende Trennung von Analog- und Digitalmasse.
Ich vermute daß der Verstärker direkt an der Stromversorgung hängt, GND 
vom Dekoder am ESP32 angeschlossen ist und lediglich eine Audioleitung 
vom Dekoder zum Verstärkereingang geht.

Der Verstärker verstärkt dann die Differenz zwischen der Netzteilmasse 
und dem Audiosignal PLUS der Differenz zwischen den Massepotentialen von 
Netzteil und ESP32.

Wenn der Dekoder ein einzeln verdrahteter Baustein ist, versuche mal die 
Masse (GND) vom Dekoder direkt an die Masse vom Verstärker 
anzuschließen. Also keine (direkte) Verbindung der GND Anschlüsse von 
ESP32 und Dekoder.

Falls der Dekoder ein VS10xx ist: Deren Analogausgänge haben ohnehin 
einen schlechten Störabstand. 'Hifi' geht damit eigentlich nicht. Einige 
dieser Dekoder haben einen I2S Ausgang für einen externen D/A Wandler. 
Das ist deutlich besser.

[K. S. (the_yrr)]

Alternativ ne fette Messeschleife?

Gnd vom Verstärker -> Buck -> ESP -> Decoder -> Klinke -> Verstärker

Wenn du hast steck mal nen Audio Massetrennfilter oder wie man das nennt 
in die Klinke Leitung. Alternativ GND vom Verstärker direkt am Klinke 
Kabel führen und am Decoder verbinden.

[Michael M. (michaelm)]

Ich vermute mal, dass der Buck-Regler ein miserabel gefilterter 
China-Kracher ist und die PA-Module entsprechend eine sauschlechte Power 
Supply Rejection aufweisen.

Shit in --- shit out... So isses nun mal.

[voltwide (Gast)]

Koennte man auch als dezenten Hinweis darauf verstehen, dass Dein 
Beitrag wenig hilfreich war. Insbesondere wo noch garnicht erwiesen ist 
das der Buck-Regler die Störursache ist.

[ArduinoFan (Gast)]

Stefan schrieb:
> Einige dieser Dekoder haben einen I2S Ausgang für einen externen D/A Wandler.
Hat meiner leider nicht. Ich füttere den natürlich digital aber danach 
gehts analog weiter zum Verstärker.

Stefan schrieb:
> versuche mal die Masse (GND) vom Dekoder direkt an die Masse vom Verstärker
> anzuschließen. Also keine (direkte) Verbindung der GND Anschlüsse von ESP32 und 
Dekoder.
Habe ich versucht. Leider ohne Erfolg. Es wird gar kein Sound vom 
Verstärker ausgegeben.

K. S. schrieb:
> Wenn du hast steck mal nen Audio Massetrennfilter oder wie man das nennt
> in die Klinke Leitung.
Also einen Massetrennfilter habe ich nicht hier. Aber ich hatte bereits 
mit kleinen Isolationstranformatoren die Audio Leitungen getrennt. Das 
hat jedoch keinen hörbaren Unterschied gemacht.

Michael M. schrieb:
> Ich vermute mal, dass der Buck-Regler ein miserabel gefilterter China-Kracher 
ist
Ja klar. Das ist er. Kennst du denn Euro-Kracher oder USA-Kracher? Oder 
nicht-billige China Kracher? Ich habe zwei unterschiedliche Buck 
Converter getestet (HW-187-Mini-360 und HW-432)... beide mit identischem 
Verhalten.


Es scheint aber in der Tat etwas mit der Versorgungsspannung oder der 
Masse zu tun zu haben. Denn sonst hätte ich ja mit einem Kopfhörer am 
Decoder bzw. einem Smartphone am Verstärker auch irgendwelche Störungen. 
Die sind aber nicht vorhanden.

[Dieter (Gast)]

Bei der Schaltung sehe ich auch mehrere Schleifen für EMV von Seiten des 
Wandlers.

Audiotrafos haben auch eine kapazitive Kopplung. Daher reichte das 
nicht. Du kannst da nur eine Tonübertragung mittels Optokoppler machen. 
Wenn die Qualität des Signals nicht so entscheidend ist, geht das ganz 
einfach über PWM auf die LED und auf der anderen Seite mit einem 
Tiefpass geglättet in den Verstärker.

Zwischen 12V und dem Wandler kannst Du noch versuchee noch ein 
EMI-Filter zweckentfremdet zwischenzuschalten.

(Nebenbei bemerkt, ich habe noch alles Gelöschte im Cache gehabt. Denke 
wir bleiben wir bei den technischen Zusammenhängen, ohne literarisches 
Schönemachen.)

[Dieter (Gast)]

Wie sieht es mit Störgeräuschen aus, wenn Du einen Linearregler statt 
des DCDC-Wandlers verwendest?

[ArduinoFan (Gast)]

Dieter schrieb:
> Wie sieht es mit Störgeräuschen aus, wenn Du einen Linearregler statt
> des DCDC-Wandlers verwendest?

Gute Idee. Ich habe testweise mal einen L7805 Linearregler eingebaut. 
Und....leider identische Störgeräusche. :o(

Ich muss nochmal auf die Infos vom Stefan eingehen:

Stefan schrieb:
> Klingt nach Störgeräuschen eines µCs (ESP32) verursacht durch eine
> fehlende Trennung von Analog- und Digitalmasse.

Das stimmt. Es scheinen Störgeräusche vom Mikrocontroller zu sein. Wenn 
der uC nicht in der Loop arbeitet sondern in einer Funktion festhängt 
(habe ich z.B. testweise mit einem Button + while/high ausprobiert), 
dann sind die Störgeräusche weniger hochfrequent.

Stefan schrieb:
> Der Verstärker verstärkt dann die Differenz zwischen der Netzteilmasse
> und dem Audiosignal PLUS der Differenz zwischen den Massepotentialen von
> Netzteil und ESP32.

Den Part verstehe ich nicht ganz. Ich dachte für das Audiosignal ist nur 
L/R sowie die Masseleitung der 3.5mm Klinike relevant? Nun gut, zur 
Verstärkung wird natürlich die 12V Leitung verwendet.
Ich habe testweise mal ESP32 über den Buck Converter mit 5V versorgt und 
den Audio Decoder über einen L7805. Da wird mir auch einfach mal 
garnicht vom Verstärker ausgegeben.

Man hört aber dass der ESP32 bootet (ein paar ms sehr dumpf am brummen, 
dann heller und hochfrequent).

Vllt doch ein Massetrenner für die 3.5mm Klinkenverbindung?

[Dieter (Gast)]

Ein paar Versuche lassen sich noch machen um die Störung noch etwas 
tiefergehend zu untersuchen. Du könntest die Audioverbindung zum 
Verstärker komplett lösen. Dann nacheinander einzeln die Signalleitung 
und die Masse und zum Schluss beides zugleich. Die Lautstärken der 
Störung für die Fälle solltest Du vergleichen.

Für optische Übertragung vielleicht eine Lösung:
Beitrag "Optokoppler für Audio-Signale"
Beitrag "wie linear sind optokoppler"
https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Doppeloptokoppler.png

Genau diese Schaltung mit NE555 mit Optokoppler statt IR gibt es zur 
einfachen getrennten Audioübertragung.
https://www.roboter-bausatz.de/1725/bausatz-infrarot-audiouebertragung
Ein NE555 wird über den Steuereingang (glaube das war Pin 5 für die 
Frequenz) moduliert. Auf der Empfängerseite ist einfach ein Tiefpass mit 
Monoflop, der das dekodiert.
Es gibt auch noch eine Schaltung bei der PWM moduliert wird. Da reicht 
ein einfacher Tiefpass auf der Empfängerseite.

[ArduinoFan (Gast)]

Konnte am WE nicht viel machen. Zudem habe ich noch auf eine Lieferung 
(3.5mm Massetrennfilter) gewartet. Die ist gestern angekommen.

Dieter schrieb:
> nacheinander einzeln die Signalleitung und die Masse und zum Schluss beides 
zugleich.

Das habe ich getestet. Mit L oder L/R oder R "ohne" GND gibt es 
Störgeräusche. Nur GND ohne L/R gibt kein Störgeräusche. Alle 3 Audio 
Leitungen verbunden = ebenfalls Störgeräusche. Die Lautstärke der 
Störgeräusche ändert sich nicht (auch nicht bei quasi Mono).

Ich habe dann noch die 12V Stromversorgung auf ein 12V Power Pack 
umgestellt. Aber die Störgeräusche sind identisch.

Dann habe ich den bestellten Massetrennfilter 
(https://www.amazon.de/Besign-Entst%C3%B6rfilter-Isolator-Entst%C3%B6rer-Bluetooth/dp/B06XQYN77L/ref=sr_1_7?__mk_de_DE=%C3%85M%C3%85%C5%BD%C3%95%C3%91&dchild=1&keywords=massetrennfilter&qid=1589300298&sr=8-7) 
eingebaut und endlich sind die Störgeräusche so gut wie weg. Ich habe 
mir damit lediglich ein gewisses Rauschen in meinem Testaufbau mit einem 
billigen Verstärker eingefangen. Ggf. ist dies mit dem hochwertigen 
Verstärker im Projekt nicht der Fall. Test steht aus.

Des weiteren habe ich noch 2x Isolationstransformatoren 
(https://de.aliexpress.com/item/32825180120.html) getestet. Jeweils L/R 
und GND darüber geschaltet. Funktioniert "ähnlich" gut wie der 
Massetrennfilter. Leicht höheres Rauschen. Aufbau, siehe angehängtes 
Bild.

Alle anderen Versuche sind fehlgeschlagen. Lediglich ein dediziertes 
5V *Netzteil* für ESP32, SD Karte, Audio Decoder bringen eine (für 
mich) perfekte Audio Ausgabe auch mit dem billigen Verstärker im 
Testaufbau.
Vermutlich da zwischen dem 12V und 5V Netzteil keine Gleichstrommasse 
besteht. Also nur 220V Wechselstrom.

Was ich noch sehr merkwürdig finde, mal habe ich weniger Rauschen mal 
mehr (nachdem ich alles umgestellt und neu verkabelt habe). Mal habe ich 
mit den Isolationstransformatoren Störgeräusche mal nur Rauschen. Ggf. 
muss ich den Aufbau auch direkt auf eine Platine löten um eine bessere 
Verbindung ohne Breadboard zu nutzen. Aber irgendwie scheinen die 
Bauteile alle samt einen eigenen Willen zum Schweigen oder Stören zu 
haben.

Also bleibt noch weitere Arbeit. Aber das ist vorerst der Zwischenstand.

Zum Vergleich habe ich nochmal die Störgeräusche aus identischem Abstand 
mit gleicher Lautstärke aufgenommen und angehängt.

Kurz und knapp:
Massetrennfilter oder Isolationstransformatoren sind soweit die 
Lösung.

[Stefan F. (Gast)]

ArduinoFan schrieb:
> Massetrennfilter oder Isolationstransformatoren

Ist das nicht das Gleiche?

[ArduinoFan (Gast)]

Stefan ⛄ F. schrieb:
> Ist das nicht das Gleiche?

Vermute ich auch ganz stark. Wobei der Massetrennfilter selbst noch 
etwas besser funktioniert. Ggf. noch mit passenderen Vorwiderständen 
versehen oder besser geschirmt. Ich öffne den jetzt aber nicht da ich 
einfach nur happy bin dass es funktioniert.
Komisch ist, dass ich auf meiner Hauptplatine bereits 
Isolationstransformatoren eingebaut habe. Diese haben aber keine Wirkung 
gezeigt. Warum auch immer. In dem angehängten Screenshot ganz rechts auf 
der Platine zu sehen.

Mit der finalen Platine und dem hochwertigen Verstärker ist so gut wie 
kein Rauschen und garkeine Störgeräusche aus der Masse mehr zu hören.