Чому моя схема настільки неймовірно чутлива до електричних коливань?

Нещодавно я закінчив будувати схему, представлену в електронній книзі для початківців. Я включив картинку свого творіння нижче, тому що думаю, що це може стати актуальним для питання.

На початку процесу збирання вказуються інструкції, щоб додати «згладжуючий» 100 мікрофарадний конденсатор, який слід розмістити прямо там, де кабелі живлення були підключені до плати. Я вирішив не турбуватися цим кроком, тому що використовував якісний блок живлення, тому я не вважав, що мені потрібен цей "згладжуючий" конденсатор (велика помилка).

Не задовго я почав відчувати дивну та незрозумілу незвичайну поведінку ланцюга, і після безлічі усунень неполадок і нікуди мені не прийшло в голову додати контур конденсатора, що згладжується. Як тільки я додав конденсатор до ланцюга, проблеми відпали, але мені стало цікаво, як можливо, що такий конденсатор так важливий, враховуючи, що в моїх схемах використовується неміцний 50 міліампер загальної потужності, і я маю те, що я думаю, що це досить хороший блок живлення (Rigol DP832).

Щоб зробити питання цікавішими, я вирішив перенести згладжуючий конденсатор від центру плати до одного кінця плати, і на моє здивування, проблеми почалися знову. Чому така велика різниця, просто помістивши конденсатор в інше місце на платі?

Я вирішив додати конвеєр мікро-фараду 8200 мікрофараду (тобто в 82 рази більший за попередній), думаючи, що це покладе край всім моїм проблемам, але, на моє здивування, ще раз це не вирішило проблеми. Мені довелося перенести конденсатор назад в центр плати, щоб все нормально повернулося.

Це не єдине питання, навіть з конденсатором у «ідеальному розміщенні», я намагався живити невелике механічне реле, використовуючи ту саму потужність від ланцюга, і кожен раз, коли реле спрацьовувало, моя схема буде «перезавантажуватися».

Тож питання полягає в тому, чи всі схеми чутливі до навіть найменшої зміни електричного коливання? Або проблема пов’язана з моїми навичками складання чітких схем та неефективною дошкою?

ІС, що використовуються в ланцюзі, є:

• NE555P (Точні таймери).
• CD4026BE (лічильники / подільники десятиліть CMOS).

Рекомендований конденсатор - це буфер довгого відведення, так би мовити.

Навіть якщо у вас був ідеальний блок живлення, кабелі, які працюють до вашої конструкції, далеко не ідеальні. І це не ваша вина, це просто те, як проводяться кабелі. Я вважаю, що якийсь репер написав про це пісню ... Я майже впевнений, що це стосується кабелів.

Ваші кабелі спочатку сприймають шум. По-друге, вони мають нерозумні характеристики, про які ви дізнаєтесь пізніше в якийсь момент більш детально, але в основному для сигналів високої частоти (таких, як цифрові схеми) вони мають дуже велике небажання проводити струм, можливо, навіть лише 50 мА. Ці сигнали важко транспортувати по будь-якому кабелю. Ви можете бачити це поки що кабелі трохи повільно реагують. Якщо ви увімкнете струм, їм буде потрібно певний час для постійного живлення, тому, якщо ви перемикаєте його часто, ви почнете помічати багато шуму від джерела живлення.

Додаючи, що конденсатор дозволить приймати струми комутації високої частоти з конденсатора, тому кабелі можуть подавати лише короткочасне середнє значення, а нормальні відводи постійного струму дуже хороші в середньому короткому періоді близько-постійного струму, вони можуть робити багато ампер на що і так може поставити ваше: всі щасливі.

Насправді багато посібників проектування для керування напругою або мікросхем регулятора напруги задають вхідний конденсатор розміром 2,2 мкФ, наприклад, паралельно пунктирному 22 мкФ або більше, з зірочкою: "якщо вхідні силові кабелі довші X або Y, незалежно від використовуваного джерела живлення, додайте 22 мкФ (або більше) конденсатор для стабільності та кращого відхилення шуму ".

Можливо, навіть буде краще тримати конденсатор на 100 мкФ, тому що 8200 мкФ конденсатор матиме більший внутрішній опір, якщо це також не набагато, набагато більший фізично. Внутрішній опір конденсатора визначає, наскільки він хороший при відведенні пульсації низькотокових високочастотних сигналів. Менший краще в більшості випадків з першими вхідними конденсаторами, як цей. Але з регуляторами напруги це не завжди застосовується для всіх вхідних / вихідних конденсаторів, тож як тільки ви перейдете до таких, будьте обережні! Але це поки не так.

Ви можете бути щасливими з приводу того, що не все є таким чутливим, повільним комутацією або високочастотним цифровим цифровим процесом, є багато надійних речей, які значно менш чутливі до перезавантаження, але часто все-таки дуже гарна ідея додати трохи ємності, якщо плата чи дизайн живиться за допомогою проводів або іноді навіть через роз'єм між платами. Вона не завжди повинна бути великою, як 100 мкФ, але трохи, щоб зняти край (каламбур для більш витриманого читача, який планував). Немає шуму для роботи - це завжди краще, ніж працювати з шумом.

Причина, що конденсатор між силовими проводами та ланцюгом працює краще, ніж ланцюг між силовими проводами та конденсатором, полягає в тому, що індуктивність сліду (будь то друкована плата чи дошка для хліба) обмежуватиме реакцію конденсатора, якщо у вас є потужність проводів поблизу, ваша схема попросить їх також подати частину струму, що спричинить однакові види провалів, але можливо в нижньому порядку. Ви вже в основному подаєте свій шум від комутації на кабелі, і кабелі вже реагують на нього. Коли ваш шум спочатку бачить конденсатор, навіть з деякою індуктивністю в слідах, шум не буде потрапляти в кабелі і не спричиняти подальших проблем, що зменшує шум, який ваша схема бачить набагато більшим фактором.

Редагувати: Примітка: Вище сказане про положення конденсатора в деяких аспектах сильно спрощене, але загалом це ідея досить добре передає. Для уточнення цього має бути достатньо, але до таких речей є багато динаміки. У наступні роки, озирнувшись назад, ви можете виявити, що цього трохи не вистачає. Але вам не потрібно все це знати зараз. Це зробить.

Причина, коли реле та конденсатор і спільна потужність все-таки йдуть не так, тому що поточний сплеск вашого реле занадто великий, щоб конденсатор міг допомогти, і тоді кабелі не можуть іти в ногу, або через те, що реле випуску створює сплеск напруги. Рішення може бути, якщо ваша конструкція може вирішити діод:

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

D1 запобігає крадіжці живлення з вашого цифрового буферного конденсатора C1, що працює на DR832. D2 заважає реле не створювати будь-якого значного шуму від вашого живлення, а D3 вловлює будь-які сплески потужності, які реле все ще робить, коли ви вимикаєте його.

Поєднання марок без пайки та довгих дротів є смертельним, особливо якщо ви добираєтесь до будь-якої складності. Спробуйте це як експеримент: замініть всі заземлення та силові дроти на перемички, які є максимально короткими. В ідеалі вони повинні бути настільки короткими, щоб у них зовсім не було млявості. Крім того, покладіть конденсатор від живлення до заземлення на кожному ІС та дисплеї. Використовуйте кераміку 0,1 мкФ для цифрового живлення та 1-10 мкФ танталову електролітику для аналогової потужності. У всіх випадках з'єднання зробіть максимально наближеними до шнурів живлення. Найкраще, якщо ви навіть не користуєтесь додатковими перемичками - просто підключіть провідники ковпачка поруч із штифтами IC.

Нарешті, я зауважую, що у вас є три дошки. Крім підключень живлення та заземлення у верхній частині кожної дошки, виконайте короткі перемички безпосередньо під Вашими ІС, що з'єднують між собою підставу та силові шини, щоб з'єднання утворювали прямокутну сітку.

Хлібні дошки мають паразитичні конденсатори (у порядку pF) та індуктори (в порядку nH), які можуть утворювати генератори з вашими активними компонентами. Оскільки цих паразитиків досить мало, частота коливань велика. З цієї причини іноді ви бачите "шум" на ланцюзі дошки.

Зауважте, що навіть якби у вас було ідеальне джерело напруги прямо на дошці, ви все одно побачите цей ефект. Довгі дроти, що проходять навколо дошки, також збільшують ймовірність небажаних коливань. Розміщення конденсатора поблизу активного компонента запобігає цим коливанням, оскільки на високих частотах конденсатори мають низький опір шляху.

Багато разів схема, яка дивно поводиться на дошці, ідеально чудова, коли реалізується на друкованій платі, тому що в такому випадку ви позбудетеся від паразитів.

... щоразу, коли реле спрацьовувало, моя схема "перезавантажувалася".

Швидко багатослівно коментар по приводу «демпфер» діод D3 , який (або повинен бути) паралельно через обмотку реле RLY1 (див схематичну фігуру в @ Asmyldof щодо відповіді).

Якщо цей діод встановлений назад - тобто, якщо анод (+) діода підключений до шини +5 VDC (тобто вихідний термінал Rigol '+'), тоді, коли транзистор M1 N-MOS увімкнеться, ви ефективно лом (коротке замикання) вихідні клеми джерела живлення '+' і '-' через D3 і M1, що, безумовно, призведе до "перезавантаження" ланцюга. Зокрема, коли М1 увімкнено, а коротке замикання шини +5 В постійного струму на землю через D3 та М1, напруга на рейці +5 В постійного струму падає майже до нуля вольт (напруга "вимкнеться"), що вимикає мікроконтролер (або інше) цифрова схема керування), коли точка напруги на M1.GATE (можливо, див. примітку 1) опускається нижче порогової напруги VGS (го) затвора M1 (th), тим самим вимикаючи M1. Тепер, коли M1 вимкнено, через рейки живлення видалено, потенціал на рейці +5 В постійного струму відновлюється до +5 В постійного струму відносно ЗЕМЛЕННЯ, і спрацьовує номінальна схема контуру.

TL; DR. У вашій схемі переконайтесь, що присутній діод D3 тані, що катодний провід D3 підключений до шини +5 VDC точно так, як показано на схемі @ Асмільдофа.

(Примітка 1) Я хотів би також встановити 10 кому випадає резистор між затвором і землею M1 як план на випадок непередбачених принести M1.GATE низькою (~ 0 VDC) , коли нічого не активно водіння напруги затвор-витік М1 VGS. Нагадаємо, що M1 - це режим NOS-типу посилення MOSFET, а якщо VGS <VGS (й), то M1 відключається. Завданням рушійного резистора є створення напруги на затворі за замовчуванням, що значно нижче напруги VGS (го) М1, тобто створення умови за замовчуванням VGS << VGS (го) - коли немає іншої схеми активно рухає напруга затвора-джерела на М1. (Зокрема, висувний резистор забезпечує засіб скидання на землю будь-якого ненульового потенціалу на M1.GATE.)

Деякі детальніші розробки щодо резисторної концепції (або підтягування вгору). Припустимо, що (1) ані спусковий, ані підтягуючий резистор не підключений до M1.GATE, і (2) цифровий висновок вводу / виводу (DIO) мікроконтролера не підключений до M1.GATE. Задайте собі це питання: що таке робочий стан M1, коли DIO контактний мікроконтролера налаштований на режим високого імпедансу (HIGH-Z) - тобто, коли обидва з DIO шпилькової активного приводу вихідних транзисторів вимикаються і мікроконтролер неактивно приведення будь-якої напруги на M1.GATE. Це майже так, як якщо провід між штифтом DIO та M1.GATE був видалений, і тепер потенціал на M1.GATE залишається плавативідносно потенціалу землі. У цій ситуації ви поняття не маєте, що таке VGS. Що ще гірше, якщо контактний DIO знаходиться в цьому режимі HIGH-Z, будь-яке сусіднє електричне / електростатичне поле, шум ланцюга тощо може вплинути на потенціал M1.GATE (тобто VGS) і може буквально спричинити M1 довільно вмикати / вимикати. Розміщення резистора вниз між M1.GATE і землею допомагає прив’язати VGS до напруги за замовчуванням ~ 0 В постійного струму - що значно нижче VGS (го) - коли більше нічого активно не рухає напруга на M1.GATE. (Зверніть увагу, що якщо ви хочете, щоб M1 був замовчуванням, ви замість цього підключите підтягуючий резистор між M1.GATE та рейкою +5 VDC. Це, звичайно, передбачає, що M1.VGS (й) << +5 VDC .)

TL; DR. Всякий раз , коли МОП - транзистор використовується в якості перемикача, забезпечують тягнути вниз або тягнути резистор в місці , щоб встановити напругу VGS за замовчуванням в разі , коли ніякі інші елементи схеми не активно водіння напруга VGS.

Причини дивної, незрозумілої поведінки вашої схеми:

1. Цифрові схеми дуже "чутливі" до електричного "шуму".
2. Підключення електропроводки вашого ланцюга залишають бажати кращого, але головна проблема - їх довжина. Вони повинні бути максимально короткими .
3. Не вистачає роз'єднання конденсаторів. Один (.1uf) на кожному штирі живлення IC і один на вхідному штифті першого етапу лічильника.

вам потрібно поставити область застосування на кабель живлення та вимкнути заземлення. ваше припущення, що джерело живлення хороший, може бути невірним. також переконайтесь, що земля на банановій пробці дійсно йде на шпильки. а також потужність. переконайтесь, що все сидить добре. якщо у вашому районі волога, спробуйте трохи змащувати кремнієві з'єднувачі. 8200 uf має буферизувати будь-які серйозні коливання, додавши туди-сюди пару 10 ufs з великими схемами. в цій схемі немає нічого, що вимагає героїки лінії мікрохвильової смуги.

Ви можете спробувати запустити і відстежувати поточний потік і напругу, додаючи компоненти схеми. це настільки просто, що ви могли майже прокласти його в прямому ефірі. використовуйте окрему бородавку стіни для живлення реле, поки ви не змусите її працювати.

паразитична індуктивність на проводах викликає проблеми з раптовими струмами цифрових мікросхем. деякі люди ставлять байпасні конденсатори між джерелами живлення та заземленням кожного мікросхеми (якщо я згадую з "Мистецтва електроніки" 20 років тому про це добре обговорили)