Почему моя схема так невероятно чувствительна к электрическим колебаниям?

Я недавно закончил строить схему, показанную в книге по электронике для начинающих. Я включил изображение моего творчества ниже, потому что я думаю, что оно может стать актуальным для вопроса.

В начале процесса сборки указываются инструкции по добавлению «сглаживающего» конденсатора емкостью 100 мкФ, который должен быть расположен прямо там, где кабели питания были подключены к плате. Я решил не беспокоиться об этом шаге, потому что я использовал качественный источник питания, поэтому я не думал, что мне нужен этот «сглаживающий» конденсатор (большая ошибка).

Это было незадолго до того, как я начал испытывать странное и необъяснимое странное поведение схемы, и после долгих поисков и устранения неисправностей я ничего не понял, как добавить сглаживающий конденсатор в схему. Как только я добавил конденсатор в схему, проблемы исчезли, но я подумал, как это возможно, что такой конденсатор имеет такое большое значение, учитывая, что мои схемы используют всего лишь 50 миллиампер, а у меня есть то, что я считаю Достаточно хороший источник питания (Rigol DP832).

Чтобы сделать вещи более интересными, я решил переместить сглаживающий конденсатор от центра платы к одному концу платы, и, к моему удивлению, проблемы начались снова. Почему такая большая разница, просто поместив конденсатор в другое место на плате?

Я решил добавить более емкий 8200 мкФ конденсатор (который в 82 раза больше предыдущего), полагая, что это положит конец всем моим проблемам, но, к моему удивлению, это все еще не решило проблему. На самом деле мне пришлось переместить конденсатор обратно в центр платы, чтобы все нормализовалось.

Это была не единственная проблема, даже когда конденсатор находился в «идеальном положении», я пытался запитать небольшое механическое реле, используя одну и ту же мощность от цепи, и каждый раз, когда реле срабатывало, моя схема «перезагружалась».

Таким образом, вопрос в том, все ли цепи чувствительны к малейшим изменениям электрических колебаний? Или проблема связана с моими навыками создания прототипов схем и неэффективным макетом?

ИС, используемые в схеме:

• NE555P (Прецизионные таймеры).
• CD4026BE (десятилетние счетчики / делители CMOS).

Рекомендуемый конденсатор является, так сказать, буфером с длинными выводами.

Даже если у вас был идеальный источник питания, кабели, идущие к вашему дизайну, далеки от совершенства. И это не ваша вина, просто кабели. Я полагаю, что какой-то рэпер написал песню об этом ... Я почти уверен, что это все равно было о кабелях.

Ваши кабели сначала улавливают шум. Во-вторых, они имеют глупые характеристики, о которых вы узнаете чуть позже, но в основном для высокочастотных сигналов (таких как цифровые схемы) они имеют очень большое нежелание проводить ток, возможно, даже всего 50 мА. Эти сигналы трудно передавать по любому кабелю. Вы можете видеть это сейчас, поскольку кабели немного медленно реагируют. Если вы включите ток, ему потребуется некоторое время для его стабильного питания, поэтому, если вы будете часто его включать, вы начнете замечать много шума на блоке питания.

Добавление этого конденсатора позволит получать высокочастотные коммутационные токи от конденсатора, поэтому кабели могут подавать только кратковременное среднее значение, а обычные выводы постоянного тока очень хороши при кратковременном среднем ближнем постоянном токе, они могут подавать много ампер при Это и то, что вы можете предложить: все счастливы.

Фактически, во многих руководствах по проектированию для управления напряжением или микросхем стабилизатора напряжения указан входной конденсатор 2,2 мкФ, например, параллельный пунктирной 22 мкФ или более, со звездочкой, говорящей «если входящие силовые кабели длиннее X или Y, независимо от используемого источника питания, добавьте конденсатор 22 мкФ (или больше) для стабильности и лучшего подавления шума ».

Может быть даже лучше сохранить конденсатор емкостью 100 мкФ, потому что конденсатор емкостью 8200 мкФ будет иметь большее внутреннее сопротивление, если только он не будет намного больше физически. Внутреннее сопротивление конденсатора определяет, насколько хорошо он устраняет пульсации слаботочных высокочастотных сигналов. Меньше лучше в большинстве случаев с первыми входными конденсаторами, как этот. Но с регуляторами напряжения это не всегда применимо ко всем входным / выходным конденсаторам, так что как только вы дойдете до этого, будьте осторожны! Но это не сейчас.

Вы можете быть довольны тем, что не все эти чувствительные, медленно переключающиеся или высокочастотные цифровые, есть много надежных вещей, которые гораздо менее чувствительны к перезагрузкам, но часто все же очень хорошая идея добавить некоторую емкость, если плата или дизайн питается от проводов или иногда даже через разъем между платами. Он не всегда должен быть таким большим, как 100 мкФ, но немного, чтобы снять остроту (каламбур для более выветрившихся читателей). Отсутствие шума для работы всегда лучше, чем работа с шумом.

Причина, по которой конденсатор между проводами питания и цепью работает лучше, чем цепь между проводами питания и конденсатором, заключается в том, что индуктивность трассы (будь то печатная плата или макетная плата) будет ограничивать отклик конденсатора, если у вас есть питание рядом с проводами, ваша схема попросит их также подать часть тока, что вызовет такие же провалы, но возможно в более низком порядке. Вы уже в основном помещаете свой шум переключения на кабели, и кабели уже реагируют на это. Когда ваш шум видит конденсатор первым, даже с некоторой индуктивностью в следах, шум не пойдет в кабели и не вызовет каких-либо дальнейших проблем, что уменьшает шум, который видит ваша схема, в гораздо большей степени.

Редактировать: Примечание: вышеупомянутое положение конденсатора сильно упрощено в некоторых отношениях, но обычно оно достаточно хорошо передает идею. Чтобы уточнить это должно быть достаточно, но есть много динамики для таких вещей, как это. В более поздние годы, оглядываясь назад, вы можете найти, что этого немного не хватает. Но вам не нужно знать все это прямо сейчас. Это подойдет.

Причина, по которой реле и конденсатор и общая мощность работают неправильно, все же заключается в том, что всплеск тока вашего реле слишком велик, чтобы конденсатор не мог с ним справиться, а затем кабели не могут работать, либо потому, что реле отпущено создает скачок напряжения. Решение может быть, если ваш дизайн может обрабатывать диодную каплю:

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

D1 предотвращает кражу энергии с вашего DR832 вашего цифрового буферного конденсатора C1. D2 не позволяет реле создавать значительный шум в вашем источнике питания, а D3 улавливает любые пики мощности, которые реле все еще производит, когда вы его выключаете.

Комбинация макетов без пайки и длинных проводов смертельно опасна, особенно когда вы добираетесь до любой сложности. Попробуйте это в качестве эксперимента: замените все провода заземления и питания на перемычки, которые должны быть как можно короче. В идеале они должны быть такими короткими, чтобы в них вообще не было провисания. Кроме того, поместите конденсатор от питания к земле на каждой микросхеме и дисплее. Используйте 0,1 мкФ керамики для цифрового питания и 1-10 мкФ танталовой электролитики для аналогового питания. Во всех случаях делайте подключения как можно ближе к контактам питания. Лучше всего, если вы даже не используете дополнительные перемычки - просто вставьте заглушки рядом с выводами IC.

Наконец, я замечаю, что у вас есть 3 макета, собранные вместе. В дополнение к соединениям питания и заземления в верхней части каждого макета, проложите короткие перемычки чуть ниже ваших микросхем, соединяя вместе заземление и шины питания, чтобы соединения образовывали прямоугольную сетку.

Макеты имеют паразитные конденсаторы (порядка pF) и индукторы (порядка nH), которые могут образовывать генераторы с вашими активными компонентами. Поскольку эти паразиты довольно малы, частота колебаний велика. По этой причине иногда вы видите «шум» на схеме.

Обратите внимание, что даже если бы у вас был идеальный источник напряжения, прямо на макете, вы все равно бы увидели этот эффект. Длинные провода, идущие вокруг макета, также увеличивают вероятность нежелательных колебаний. Размещение конденсатора рядом с активным компонентом предотвращает эти колебания, потому что на высоких частотах конденсаторы имеют низкоомные пути.

Часто схема, которая ведет себя странно на макете, прекрасно работает, если реализована на печатной плате, потому что в этом случае вы избавляетесь от паразитов.

... каждый раз, когда реле срабатывало, моя схема «перезагружалась».

Быстро многословно комментарий по поводу «демпфер» диод D3 , который (или должен быть) параллельно через обмотку реле RLY1 (см схематическую фигуру в @ Asmyldof отношении ответа).

Если этот диод установлен в обратном направлении, т. Е. Если провод анода (+) диода подключен к шине +5 В постоянного тока (т. Е. К выходной клемме Rigol '+'), то при включении транзистора N-MOS M1 вы будете эффективно лом (короткое замыкание) выходных клемм «+» и «-» источника питания через D3 и M1, что определенно приведет к «перезагрузке» цепи. В частности, когда M1 включается, а шина +5 В постоянного тока замыкается на землю через D3 и M1, напряжение на шине +5 В постоянного тока падает почти до нуля вольт (напряжение отключается), что отключает микроконтроллер (или другое). цифровая схема управления), в этот момент напряжение на M1.GATE (возможно, см. примечание 1) падает ниже порогового напряжения VGS (th) затвор-источник M1, тем самым отключая M1. Теперь, когда M1 выключен, через шины питания, потенциал на шине +5 В постоянного тока восстанавливается до +5 В постоянного тока относительно заземления, и восстанавливается работа номинальной цепи.

TL; DR. Убедитесь, что в вашей цепи присутствует демпфирующий диод D3 и катодный вывод D3 подключен к шине +5 В постоянного тока в точности так, как показано на схеме @ Asmyldof.

(Примечание 1) Я бы также установил понижающий резистор на 10 кОм между затвором и заземлением M1 в качестве плана действий в чрезвычайных ситуациях, чтобы снизить уровень M1.GATE (~ 0 В пост. Напомним, что M1 является MOSFET в режиме усиления N-типа, и если VGS <VGS (th), то M1 отключится. Поэтому задача понижающего резистора состоит в том, чтобы создать напряжение затвора по умолчанию, которое значительно ниже напряжения VGS (th) M1, то есть создать условие по умолчанию VGS << VGS (th), когда нет других схем активно управляет напряжением затвор-источник на M1. (В частности, понижающий резистор обеспечивает разрядку для заземления любого ненулевого потенциала на M1.GATE.)

Некоторое дальнейшее развитие концепции понижения (или подтягивания) резистора. Предположим (1), что ни понижающий, ни повышающий резистор не подключен к M1.GATE, и (2) выходной вывод цифрового ввода / вывода (DIO) микроконтроллера подключен к M1.GATE. Задайте себе этот вопрос: каково рабочее состояние M1, когда вывод DIO микроконтроллера настроен на режим с высоким импедансом (HIGH-Z), то есть когда оба выходных транзистора активного привода вывода DIO выключены, а микроконтроллер неактивен? вождение любого напряжения на M1.GATE. Это почти как если бы провод между выводом DIO и M1.GATE был удален, и теперь потенциал на M1.GATE остается плавающимотносительно потенциала земли. В этой ситуации вы понятия не имеете, что такое VGS. Что еще хуже, когда вывод DIO находится в этом режиме HIGH-Z, любые близлежащие электрические / электростатические поля, помехи в цепи и т. Д. Теперь могут влиять на потенциал на M1.GATE (т. Е. VGS) и могут буквально вызывать случайное включение M1 включить / выключить. Размещение понижающего резистора между M1.GATE и землей помогает закрепить VGS при напряжении по умолчанию ~ 0 В пост. Тока - что значительно ниже VGS (th) - когда ничто другое активно не подает напряжение на M1.GATE. (Обратите внимание, что если вы хотите, чтобы M1 был включен по умолчанию, вы бы вместо этого подключили подтягивающий резистор между M1.GATE и шиной +5 В постоянного тока. Это предполагает, конечно, что M1.VGS (th) << +5 В постоянного тока .)

TL; DR. Всякий раз, когда в качестве переключателя используется полевой МОП-транзистор, убедитесь, что резистор понижающего или повышающего напряжения установлен для установки напряжения VGS по умолчанию для случая, когда никакие другие элементы схемы активно не управляют напряжением VGS.

Причины странного, необъяснимого поведения вашей схемы:

1. Цифровые схемы очень «чувствительны» к электрическим «помехам».
2. Проводные соединения вашей цепи оставляют желать лучшего, но главная проблема заключается в их длине. Они должны быть как можно короче .
3. Недостаточно развязывающих конденсаторов. Один (.1 мкФ) на каждый вывод питания микросхемы и один на входном выводе первого кассового каскада.

Вы должны поставить прицел на силовой провод и отключить заземление. Ваше предположение, что блок питания в порядке, может быть неверным. также удостоверьтесь, что земля на банановой пробке фактически идет к булавочным штырям. а также сила. убедитесь, что все хорошо сидит. если в вашем районе влажно, попробуйте смазку силиконового соединителя на компонентах. 8200 мкФ должны буферизовать любые серьезные колебания и добавить пару десятков мкФ тут и там с большими цепями. В этой схеме нет ничего такого, что требовало бы героической линии микроволновой полосы.

Вы можете попытаться начать все сначала и отслеживать ток и напряжение при добавлении компонентов схемы. это так просто, что вы можете почти подключиться к сети. используйте отдельную настенную бородавку для питания реле, пока все не заработает.

паразитные индуктивности на проводах вызывают проблемы с цифровыми микросхемами внезапными токами. некоторые люди помещают обходные конденсаторы между проводами питания и заземления каждого чипа (если я вспоминаю из «Art of Electronics», 20 лет назад было хорошее обсуждение этого вопроса)