Perché il mio circuito è così incredibilmente sensibile alle fluttuazioni elettriche?

Di recente ho finito di costruire un circuito mostrato in un libro di elettronica per principianti. Ho incluso l'immagine della mia creazione di seguito perché penso che possa diventare rilevante per la domanda.

All'inizio del processo di compilazione, le istruzioni specificate per aggiungere un condensatore di microfarad da "smoothing" da posizionare proprio nel punto in cui i cavi di alimentazione erano collegati alla scheda. Ho deciso di non preoccuparmi di questo passo perché stavo usando un alimentatore di qualità, quindi non pensavo di aver bisogno di quel condensatore "smoothing" (grande errore).

Non passò molto tempo prima che iniziassi a sperimentare un comportamento strano e inspiegabile del circuito strano e dopo molta risoluzione dei problemi e non arrivare da nessuna parte, mi venne in mente di aggiungere il condensatore di livellamento al circuito. Non appena ho aggiunto il condensatore al circuito, i problemi sono scomparsi, ma mi sono ritrovato a chiedermi come sia possibile che un tale condensatore abbia avuto così tanta importanza dato che i miei circuiti usano un misero 50 milliampere di potenza totale e ho quello che penso sia un alimentazione ragionevolmente buona (Rigol DP832).

Per rendere le cose più interessanti, ho deciso di spostare il condensatore di smoothing lontano dal centro della scheda su un'estremità della scheda e con mia sorpresa i problemi sono ricominciati. Perché una differenza così grande semplicemente posizionando il condensatore in un posto diverso sulla scheda?

Ho deciso di aggiungere un condensatore per microfarad 8200 più robusto (82 volte più grande del precedente) pensando che questo avrebbe posto fine a tutti i miei problemi ma, con mia sorpresa, ancora una volta, ciò non risolveva ancora il problema. In realtà ho dovuto spostare il condensatore al centro della scheda per riportare le cose alla normalità.

Non è stato l'unico problema, anche con il condensatore in "perfetto posizionamento", ho cercato di alimentare un piccolo relè meccanico utilizzando la stessa potenza del circuito e ogni volta che il relè ha attivato il mio circuito si "riavvia".

Quindi la domanda è: tutti i circuiti sono sensibili anche al più piccolo cambiamento nella fluttuazione elettrica? O il problema è dovuto alle mie abilità di prototipazione del circuito di formaggio e ad una breadboard inefficiente?

Gli IC utilizzati nel circuito sono:

• NE555P (timer di precisione).
• CD4026BE (contatori / divisori decadi CMOS).

Il condensatore consigliato è un buffer a piombo lungo, per così dire.

Anche se disponevi di un alimentatore perfetto, i cavi che vanno al tuo design sono tutt'altro che perfetti. E non è colpa tua, è solo come sono i cavi. Credo che qualche rapper abbia scritto una canzone al riguardo ... Sono abbastanza sicuro che riguardasse comunque i cavi.

I cavi in ​​primo luogo raccolgono rumore. In secondo luogo hanno caratteristiche sciocche di cui in seguito imparerai più in dettaglio, ma fondamentalmente per segnali ad alta frequenza (come i circuiti digitali) hanno una riluttanza molto alta a condurre corrente, forse anche solo 50 mA. Questi segnali sono difficili da trasportare su qualsiasi cavo. Per ora puoi vederlo perché i cavi sono un po 'lenti a reagire. Se accendi una corrente ci vorrà del tempo per fornirla costantemente, quindi se la accendi spesso, inizierai a notare un sacco di rumore sull'alimentatore.

L'aggiunta di quel condensatore consentirà di prelevare correnti di commutazione ad alta frequenza dal condensatore, in modo che i cavi possano fornire solo la media a breve termine e i normali cavi CC siano molto buoni a medio-breve termine a breve termine, possono fare molti amplificatori a questo e anche il tuo approvvigionamento: tutti felici.

In effetti, molte guide di progettazione per la gestione della tensione o i chip del regolatore di tensione specificano un condensatore di ingresso di 2,2 μF, ad esempio parallelo a un 22 μF punteggiato o più grande, con un asterisco che dice "se i cavi di alimentazione in ingresso sono più lunghi di X o Y, indipendentemente dall'alimentatore utilizzato, aggiungere il condensatore da 22 μF (o più) per la stabilità e una migliore reiezione del rumore ".

Potrebbe anche essere meglio mantenere il condensatore da 100 μF, perché il condensatore da 8200 μF avrà una resistenza interna maggiore, a meno che non sia anche molto, molto più grande fisicamente. La resistenza interna di un condensatore determina la capacità di eliminare l'ondulazione dei segnali ad alta frequenza a bassa corrente. Più piccolo è meglio nella maggior parte dei casi con i primi condensatori di ingresso come questo. Ma, con i regolatori di tensione, ciò non si applica sempre a tutti i condensatori di ingresso / uscita, quindi una volta arrivati ​​a quelli fate attenzione! Ma non è per ora.

Puoi essere felice che non tutto sia così sensibile, a commutazione lenta o digitale ad alta frequenza, ci sono molte cose robuste che sono molto meno sensibili ai riavvii, ma spesso è ancora una buona idea aggiungere un po 'di capacità se una scheda o un design è alimentato con fili o talvolta anche attraverso un connettore tra le schede. Non deve sempre essere grande quanto 100 μF, ma un po 'per togliere il bordo (gioco di parole per il lettore più stagionato previsto). Non avere rumore con cui lavorare è sempre meglio che dover lavorare con il rumore.

Il motivo per cui il condensatore tra i cavi di alimentazione e il circuito funziona meglio del circuito tra i cavi di alimentazione e il condensatore è perché l'induttanza di traccia (che si tratti di un PCB o di una breadboard) limiterà la risposta del condensatore, se si dispone di alimentazione fili nelle vicinanze, il circuito chiederà loro di fornire anche parte della corrente, che causerà gli stessi tipi di abbassamenti, ma possibili in un ordine inferiore. Fondamentalmente stai già mettendo il tuo rumore di commutazione sui cavi e i cavi già reagiscono ad esso. Quando il tuo rumore vede per primo il condensatore, anche con qualche induttanza nelle tracce, il rumore non entrerà nei cavi e non causerà ulteriori problemi, il che riduce il rumore che il tuo circuito vede di un fattore molto maggiore.

Modifica: Nota: Quanto sopra sulla posizione del condensatore è notevolmente semplificato per alcuni aspetti, ma generalmente trasmette l'idea abbastanza bene. Per chiarire dovrebbe bastare, ma ci sono molte dinamiche in cose come questa. Negli anni successivi, guardando indietro, potresti scoprire che questo è un po 'carente. Ma non hai bisogno di sapere tutto questo adesso. Questo lo farà.

La ragione per cui un relè e un condensatore e le cose di alimentazione condivisa vanno male, comunque, è perché il picco di corrente del relè è troppo grande per il condensatore e quindi i cavi non possono tenere il passo, o perché il rilascio del relè crea un picco di tensione. Una soluzione potrebbe essere, se il tuo progetto è in grado di gestire una caduta di diodi:

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

D1 impedisce a qualsiasi cosa alimentato dal DR832 di rubare energia dal condensatore di buffering digitale C1. D2 impedisce al relè di produrre rumori significativi sull'alimentazione e D3 rileva eventuali picchi di potenza che il relè fa ancora quando lo si spegne.

La combinazione di breadboard senza saldatura e fili lunghi è mortale, soprattutto quando si arriva a qualsiasi complessità. Prova questo come esperimento: sostituisci tutti i cavi di terra e di alimentazione con ponticelli il più corti possibile. Idealmente, dovrebbero essere così corti da non avere alcun gioco. Inoltre, mettere un condensatore da terra a terra su ciascun circuito integrato e display. Utilizzare ceramiche da 0,1 uF per l'alimentazione digitale e elettrolitici al tantalio 1-10 uF per l'alimentazione analogica. In tutti i casi, effettuare i collegamenti il ​​più vicino possibile ai pin di alimentazione. È meglio se non usi nemmeno ponticelli extra: basta collegare i cavi del cappuccio accanto ai pin IC.

Infine, noto che hai 3 breadboard sistemate insieme. Oltre alle connessioni di alimentazione e di terra nella parte superiore di ciascuna breadboard, eseguire ponticelli corti appena sotto i circuiti integrati che collegano i terreni e gli autobus di potenza, in modo che le connessioni formino una griglia rettangolare.

Le breadboard hanno condensatori parassiti (nell'ordine di pF) e induttori (nell'ordine di nH) che possono formare oscillatori con i componenti attivi. Poiché questi parassiti sono piuttosto piccoli, la frequenza di oscillazione è grande. Per questo motivo a volte vedi "rumore" su un circuito breadboard.

Nota che, anche se avessi una fonte di tensione ideale, proprio sulla breadboard, vedresti comunque questo effetto. I fili lunghi che corrono intorno alla breadboard aumentano anche la possibilità di oscillazioni indesiderate. Posizionare un condensatore vicino al componente attivo impedisce queste oscillazioni, perché ad alte frequenze i condensatori sono percorsi a bassa impedenza.

Molte volte, un circuito che si comporta in modo strano sulla breadboard va benissimo quando viene realizzato su un PCB, perché in tal caso si eliminano i parassiti.

... ogni volta che il relè ha attivato il mio circuito si "riavvia".

Un rapido commento lungo riguardo al diodo "snubber" D3 che è (o dovrebbe essere) in parallelo attraverso la bobina del relè RLY1 (vedere la figura schematica nella risposta di @ Asmyldof).

Se quel diodo è installato all'indietro, ovvero se il cavo dell'anodo (+) del diodo è collegato alla guida +5 VDC (ovvero, il terminale di uscita '+' del Rigol), quindi quando il transistore N-MOS M1 si accende, si attiva efficacemente piede di porco (cortocircuito) i terminali di uscita '+' e '-' dell'alimentatore attraverso D3 e M1, che indurrebbe sicuramente il "riavvio" del circuito. In particolare, quando M1 si accende e i cortocircuiti della rotaia +5 VDC passano a terra attraverso D3 e M1, la tensione sulla rotaia +5 VDC scende a quasi zero volt (tensione "brown out"), che disattiva il microcontrollore (o altro circuito di controllo digitale), a quel punto la tensione su M1.GATE (possibilmente, vedi nota 1) scende al di sotto della tensione di soglia del gate-source M1 VGS (th), spegnendo così M1. Ora che M1 è OFF, attraverso le rotaie dell'alimentatore viene rimosso, il potenziale sulla guida +5 VDC ripristina a +5 VDC rispetto a GROUND e viene ripristinato il funzionamento del circuito nominale.

TL; DR. Nel tuo circuito, assicurati che sia presente il diodo snubber D3 e che il conduttore del catodo D3 sia collegato alla guida +5 VDC esattamente come mostrato nello schema di @ Asmyldof.

(Nota 1) Installerei anche un resistore pull down da 10 kohm tra il gate e la terra di M1 come piano di emergenza per portare M1.GATE in basso (~ 0 VDC) quando nient'altro sta guidando attivamente la tensione del gate-source VGS di M1. Ricordiamo che M1 è un MOSFET in modalità enhamcement di tipo N e se VGS <VGS (th) allora M1 si spegnerà. Il lavoro del resistore pull down, quindi, è quello di creare una tensione di gate-source predefinita che è ben al di sotto della tensione VGS (th) di M1 - cioè, per creare una condizione predefinita di VGS << VGS (th) - quando nessun altro circuito guida attivamente la tensione gate-source su M1. (In particolare, la resistenza di pull down fornisce un mezzo per scaricare a terra qualsiasi potenziale diverso da zero su M1.GATE.)

Qualche ulteriore elaborazione sul concetto di resistenza pull down (o pull up). Supponiamo che (1) né un resistore pull down né pull up sia collegato a M1.GATE e (2) un pin di uscita I / O digitale (DIO) di un microcontrollore sia collegato a M1.GATE. Ponetevi questa domanda: qual è lo stato operativo di M1 quando il pin DIO del microcontrollore è configurato per la modalità ad alta impedenza (HIGH-Z), ovvero quando entrambi i transistor di uscita dell'azionamento attivo del pin DIO sono disattivati ​​e il microcontrollore non è attivamente guida qualsiasi tensione su M1.GATE. È quasi come se il filo tra il pin DIO e M1.GATE fosse rimosso e ora il potenziale su M1.GATE viene lasciato fluttuarerispetto al potenziale di terra. In questa situazione non hai idea di cosa sia VGS. A peggiorare le cose, quando il pin DIO è in questa modalità HIGH-Z, qualsiasi campo elettrico / elettrostatico, rumore di circuito, ecc. Nelle vicinanze può ora influenzare il potenziale su M1.GATE (cioè, VGS) e può letteralmente causare M1 in modo casuale Accendi / spegni. Posizionare un resistore pull down tra M1.GATE e terra aiuta ad ancorare VGS ad una tensione di default di ~ 0 VDC - che è ben al di sotto di VGS (th) - quando nient'altro sta attivando in modo attivo una tensione su M1.GATE. (Si noti che se si desidera che M1 sia ON per impostazione predefinita, si dovrebbe invece collegare un resistore pull up tra M1.GATE e la guida +5 VDC. Ciò presuppone, naturalmente, che M1.VGS (th) << +5 VDC .)

TL; DR. Ogni volta che un MOSFET viene utilizzato come interruttore, assicurarsi che sia presente un resistore pull down o pull up per stabilire una tensione VGS predefinita nel caso in cui nessun altro elemento del circuito stia guidando attivamente la tensione VGS.

Le ragioni del comportamento strano, inspiegabile del tuo circuito sono:

1. I circuiti digitali sono molto "sensibili" al "rumore" elettrico.
2. I collegamenti elettrici del circuito lasciano molto a desiderare, ma il problema principale è la loro lunghezza. Dovrebbero essere il più corti possibile .
3. Condensatori di disaccoppiamento insufficienti. Uno (.1uf) su ciascun pin di alimentazione IC e uno sul pin di ingresso del primo contatore contatore.

è necessario inserire un ambito sul cavo di alimentazione e correggere la connessione di terra. la tua ipotesi che l'alimentazione sia buona potrebbe non essere corretta. assicurati anche che la massa della spina a banana stia effettivamente andando ai pin del bus. così come il potere. assicurati che tutto vada bene. se la tua zona è umida, prova un po 'di grasso per connettori al silicone sui componenti. l'8200 uf dovrebbe bufferizzare eventuali fluttuazioni gravi aggiungere un paio di 10 ufs qua e là con circuiti di grandi dimensioni. non c'è nulla in questo circuito che richiede eroismo della linea a microonde.

potresti provare a ricominciare e monitorare il flusso e la tensione attuali quando aggiungi componenti del circuito. questo è così semplice che potresti quasi collegarlo dal vivo. usa una verruca a parete separata per l'alimentazione del relè fino a quando tutto funziona.

le induttanze parassite sui cavi causano problemi con le correnti improvvise dei chip digitali. alcune persone mettono condensatori di bypass tra i cavi di alimentazione e di terra di ogni chip (se ricordo da "Art of Electronics" 20 anni fa ne ho avuto una bella discussione)