Dlaczego mój obwód jest tak niewiarygodnie wrażliwy na wahania prądu?

Niedawno skończyłem budowę obwodu pokazanego w książce elektronicznej dla początkujących. Poniżej zamieściłem zdjęcie mojego dzieła, ponieważ myślę, że może ono być odpowiednie dla tego pytania.

Na początku procesu kompilacji podano instrukcje dodawania „wygładzającego” kondensatora 100 mikrofaradów, który należy umieścić w miejscu, w którym kable zasilające zostały podłączone do płyty. Postanowiłem nie zawracać sobie głowy tym krokiem, ponieważ korzystałem z wysokiej jakości zasilacza, więc nie sądziłem, że potrzebuję tego „wygładzającego” kondensatora (duży błąd).

Niedługo potem zacząłem doświadczać dziwnych i niewytłumaczalnych dziwnych zachowań w obwodzie, a po wielu problemach i nigdzie nie przyszło mi do głowy, aby dodać kondensator wygładzający do obwodu. Gdy tylko dodałem kondensator do obwodu, problemy zniknęły, ale zacząłem się zastanawiać, jak to możliwe, że taki kondensator miał tak duże znaczenie, biorąc pod uwagę, że moje obwody zużywają marne 50 miliamperów całkowitej mocy i mam to, co uważam za dość dobry zasilacz (Rigol DP832).

Aby sprawy były bardziej interesujące, postanowiłem odsunąć kondensator wygładzający od środka płytki na jeden koniec płytki i ku mojemu zaskoczeniu problemy zaczęły się od nowa. Dlaczego tak duża różnica po prostu przez umieszczenie kondensatora w innym miejscu na płycie?

Postanowiłem dodać mocniejszy kondensator 8200 mikrofaradów (czyli 82 razy większy niż poprzedni), myśląc, że to położy kres wszystkim moim problemom, ale ku mojemu zdziwieniu, które nadal nie rozwiązało problemu. Właściwie musiałem przesunąć kondensator z powrotem na środek płytki, aby wszystko wróciło do normy.

To nie był jedyny problem, nawet przy kondensatorze w „idealnym ustawieniu”, próbowałem zasilić mały przekaźnik mechaniczny, używając tej samej mocy z obwodu i za każdym razem, gdy przekaźnik wyzwalał mój obwód, „restartował się”.

Pytanie zatem brzmi: czy wszystkie obwody są wrażliwe na nawet najmniejsze zmiany fluktuacji elektrycznej? A może problem wynika z moich kiepskich umiejętności w zakresie prototypowania obwodów i nieefektywnej płyty?

Układy scalone zastosowane w obwodzie to:

• NE555P (precyzyjne zegary).
• CD4026BE (Liczniki dekadowe / dzielniki CMOS).

Zalecany kondensator jest, że tak powiem, buforem o długim ołowiu.

Nawet jeśli masz doskonały zasilacz, kable biegnące według twojego projektu są dalekie od ideału. I to nie twoja wina, po prostu takie są kable. Myślę, że jakiś raper napisał o tym piosenkę ... Jestem prawie pewien, że i tak chodziło o kable.

Twoje kable najpierw wychwytują szum. Po drugie, mają głupie cechy, o których dowiesz się później w pewnym momencie bardziej szczegółowo, ale w zasadzie dla sygnałów o wysokiej częstotliwości (takich jak obwody cyfrowe) mają bardzo wysoką niechęć do przewodzenia prądu, prawdopodobnie nawet 50 mA. Sygnały te są trudne do transportu za pomocą dowolnego kabla. Widać to na razie, ponieważ kable reagują nieco wolno. Jeśli włączysz prąd, zajmie to trochę czasu, aby stale go zasilać, więc jeśli często go włączasz, zaczniesz zauważać dużo hałasu na zasilaczu.

Dodanie tego kondensatora pozwoli pobierać z kondensatora prądy przełączające o wysokiej częstotliwości, dzięki czemu kable mogą dostarczać tylko krótkotrwałą średnią, a normalne przewody prądu stałego są bardzo dobre w krótkotrwałej średniej bliskiej wartości prądu stałego, mogą wytwarzać wiele wzmacniaczy przy to i tak może twój zapas: wszyscy są szczęśliwi.

W rzeczywistości wiele przewodników projektowych dla układów zarządzania napięciem lub układów regulujących napięcie określa kondensator wejściowy o wartości 2,2 μF, na przykład równolegle do kropkowanego 22 μF lub większego, z gwiazdką mówiącą „jeśli przychodzące kable zasilające są dłuższe niż X lub Y, niezależnie od zastosowanego zasilacza dodaj kondensator 22 μF (lub więcej), aby zapewnić stabilność i lepsze tłumienie szumów ".

Może być nawet lepiej zachować kondensator 100 μF, ponieważ kondensator 8200 μF będzie miał większy opór wewnętrzny, chyba że jest również znacznie, znacznie większy fizycznie. Wewnętrzna rezystancja kondensatora decyduje o tym, jak dobrze radzi sobie z usuwaniem tętnienia niskoprądowych sygnałów o wysokiej częstotliwości. Mniejszy jest lepszy w większości przypadków z pierwszymi kondensatorami wejściowymi, takimi jak ten. Ale w przypadku regulatorów napięcia nie zawsze ma to zastosowanie do wszystkich kondensatorów wejściowych / wyjściowych, więc kiedy już do nich dojdziesz, strzeż się! Ale na razie to nie koniec.

Możesz być szczęśliwy, że nie wszystko jest tak wrażliwe, powoli przełączające się lub cyfrowe o wysokiej częstotliwości, istnieje wiele solidnych rzeczy, które są znacznie mniej wrażliwe na restarty, ale często dobrym pomysłem jest dodanie pojemności, jeśli płyta lub projekt jest zasilany przewodami, a czasem nawet przez złącze między płytkami. Nie zawsze musi być tak duży, jak 100 μF, ale trochę, aby zdjąć krawędź (kalambur dla bardziej wyblakłego czytnika). Brak hałasu do pracy jest zawsze lepsza niż praca z hałasem.

Powodem, dla którego kondensator między przewodami zasilającymi a obwodem działa lepiej niż obwód między przewodami zasilającymi a kondensatorem, jest to, że indukcyjność śladowa (niezależnie od tego, czy jest to płytka drukowana, czy płyta chlebowa) ogranicza odpowiedź kondensatora, jeśli masz wtedy moc przewody w pobliżu, Twój obwód poprosi ich również o dostarczenie prądu, co spowoduje takie same spadki, ale możliwe w niższej kolejności. Zasadniczo już nakładasz szum przełączający na kable, a kable już na nie reagują. Kiedy twój szum najpierw zobaczy kondensator, nawet przy pewnej indukcyjności w śladach, szum nie wejdzie do kabli i nie spowoduje żadnych dalszych problemów, co zmniejszy szum widziany przez obwód o wiele większy czynnik.

Edycja: Uwaga: Powyższe informacje na temat położenia kondensatora są pod pewnymi względami znacznie uproszczone, ale ogólnie dość dobrze przekazują ten pomysł. Wyjaśnienie tego powinno wystarczyć, ale istnieje wiele dynamiki takich rzeczy. W późniejszych latach może się okazać, że trochę brakuje. Ale nie musisz teraz tego wszystkiego wiedzieć. To wystarczy.

Przyczyną awarii przekaźnika i kondensatora i zasilania dzielonego jest jednak to, że skok prądu przekaźnika jest zbyt duży, aby kondensator mógł mu pomóc, a wtedy kable nie mogą nadążyć, lub dlatego, że zwolnienie przekaźnika tworzy skok napięcia. Rozwiązaniem może być, jeśli Twój projekt poradzi sobie z upuszczeniem diody:

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony za pomocą CircuitLab}

D1 zapobiega kradzieży mocy z cyfrowego kondensatora buforującego C1 przez cokolwiek zasilanego przez DR832. D2 zapobiega wytwarzaniu przez przekaźnik znaczących szumów w zasilaniu, a D3 wychwytuje wszelkie skoki mocy, które przekaźnik wciąż powoduje po wyłączeniu.

Połączenie płyt lutowniczych bez lutowania i długich drutów jest zabójcze, szczególnie gdy dochodzi do jakiejkolwiek złożoności. Wypróbuj to jako eksperyment: zastąp wszystkie przewody uziemienia i zasilania zworkami, które są tak krótkie, jak to możliwe. Idealnie powinny być tak krótkie, aby w ogóle nie było luzu. Ponadto umieść kondensator od zasilania do uziemienia na każdym układzie scalonym i wyświetlaczu. Użyj ceramiki 0,1 uF dla mocy cyfrowej i 1-10 uF elektrolityki tantalu dla mocy analogowej. We wszystkich przypadkach połączenia należy wykonywać jak najbliżej styków zasilania. Najlepiej, jeśli nawet nie używasz dodatkowych zworek - wystarczy podłączyć przewody wtykowe obok styków układu scalonego.

Wreszcie zauważyłem, że masz 3 połączone płyty chlebowe. Oprócz połączeń zasilania i uziemienia u góry każdej płyty montażowej, biegnij krótkimi zworkami tuż poniżej układów scalonych, łącząc ze sobą uziemienie i szyny zasilające, aby połączenia tworzyły prostokątną siatkę.

Płyty chlebowe mają pasożytnicze kondensatory (rzędu pF) i cewki indukcyjne (rzędu nH), które mogą tworzyć oscylatory z twoimi aktywnymi komponentami. Ponieważ te pasożyty są dość małe, częstotliwość oscylacji jest duża. Z tego powodu czasami pojawia się „szum” na obwodzie płyty breadboard.

Zauważ, że nawet gdybyś miał idealne źródło napięcia, bezpośrednio na płycie, nadal widziałbyś ten efekt. Długie druty biegnące wokół płyty chlebowej zwiększają również ryzyko niechcianych oscylacji. Umieszczenie kondensatora blisko komponentu aktywnego zapobiega tym oscylacjom, ponieważ przy wysokich częstotliwościach kondensatory mają ścieżki o niskiej impedancji.

Wiele razy obwód, który zachowuje się dziwnie na płycie chleba, jest doskonale w porządku, gdy jest realizowany na płytce drukowanej, ponieważ w takim przypadku pozbywasz się pasożytów.

... za każdym razem, gdy przekaźnik wyzwala mój obwód, „restartuje się”.

Szybkie rozwlekły komentarz odnośnie „snubber” diody D3, która jest (lub powinna być) równolegle w całej cewki przekaźnika RLY1 (patrz schemat postać w odpowiedzi użytkownika @ Asmyldof).

Jeśli ta dioda jest zainstalowana do tyłu - tj. Jeśli przewód anody diody (+) jest podłączony do szyny +5 VDC (tj. Zacisk wyjściowy „+” Rigola), wtedy gdy tranzystor N-MOS M1 zostanie włączony, skutecznie łom (zwarcie) zaciski wyjściowe „+” i „-” zasilacza przez D3 i M1, co z pewnością spowodowałoby „ponowne uruchomienie” obwodu. W szczególności, gdy M1 włącza się, a szyna +5 VDC powoduje zwarcie do masy przez D3 i M1, napięcie na szynie +5 VDC spada do wartości bliskiej zeru woltów (napięcie „brązowe”), co wyłącza mikrokontroler (lub inny) cyfrowy obwód sterujący), w którym to momencie napięcie na bramce M1.GATE (ewentualnie, patrz uwaga 1) spada poniżej progowego napięcia bramki źródła M1 VGS (th), wyłączając w ten sposób M1. Teraz, gdy M1 jest WYŁĄCZONY, w poprzek szyn zasilających jest usunięty, potencjał na szynie +5 VDC powraca do +5 VDC w stosunku do ZIEMI, a praca obwodu nominalnego zostaje przywrócona.

TL; DR. Upewnij się, że w twoim obwodzie znajduje się dioda tłumiąca D3 oraz że przewód katody D3 jest podłączony do szyny +5 VDC dokładnie tak, jak pokazano na schemacie @ Asmyldof.

(Uwaga 1) Zainstalowałbym również rezystor obniżający o wartości 10 kohm między bramką M1 a masą jako plan awaryjny, aby obniżyć poziom M1.GATE (~ 0 VDC), gdy nic innego nie aktywnie napędza napięcie źródła bramki M1 VGS. Przypomnij sobie, że M1 jest trybem MOSFET typu enhamcement typu N.A jeśli VGS <VGS (th), to M1 się wyłączy. Dlatego zadaniem rezystora obniżającego jest wytworzenie domyślnego napięcia źródła bramkowego, które jest znacznie poniżej napięcia VGS (th) M1 - tj. Stworzenie domyślnego stanu VGS << VGS (th) - gdy nie ma innych obwodów aktywnie zasila napięcie źródła bramki na M1. (W szczególności rezystor obniżający zapewnia sposób rozładowania do masy dowolnego niezerowego potencjału na M1.GATE.)

Trochę późniejsze opracowanie koncepcji rezystora podciągającego (lub podciągającego). Załóżmy, że (1) ani rezystor nie jest podłączony do M1.GATE, a (2) pin wyjścia cyfrowego wejścia / wyjścia mikrokontrolera (DIO) jest podłączony do M1.GATE. Zadaj sobie pytanie: jaki jest stan pracy M1, gdy pin DIO mikrokontrolera jest skonfigurowany do pracy w trybie wysokiej impedancji (HIGH-Z) - tj. Kiedy tranzystory wyjściowe napędu aktywnego pin DIO są wyłączone, a mikrokontroler nie jest aktywnie doprowadzenie dowolnego napięcia do M1.GATE. To prawie tak, jakby drut między kołkiem DIO i M1.GATE usunięto i teraz potencjał na M1.GATE pozostawia się unosićw stosunku do potencjału gruntu. W tej sytuacji nie masz pojęcia, czym jest VGS. Co gorsza, gdy pin DIO znajduje się w tym trybie WYSOKIEJ Z, wszelkie pobliskie pola elektryczne / elektrostatyczne, szumy obwodu itp. Mogą teraz wpływać na potencjał na M1.GATE (tj. VGS) i mogą dosłownie powodować losowe M1 włącz / wyłącz. Umieszczenie rezystora obniżającego pomiędzy M1.GATE a masą pomaga zakotwiczyć VGS przy domyślnym napięciu ~ 0 VDC - które jest znacznie poniżej VGS (th) - gdy nic innego nie aktywnie napędza napięcia na M1.GATE. (Zauważ, że jeśli chciał M1 być ON domyślnie byś zamiast połączyć się podciągnąć rezystor między M1.GATE i +5 VDC szyny. Zakłada to oczywiście, że M1.VGS (th) << +5 VDC .)

TL; DR. Ilekroć MOSFET jest używany jako przełącznik, zapewnienie ciągnąć w dół lub podciągnąć rezystor jest w celu ustalenia domyślnego napięcia VGS dla przypadku, gdy żadne inne elementy układu napędowego są aktywnie napięcie VGS.

Przyczyny dziwnego, niewytłumaczalnego zachowania twojego obwodu są następujące:

1. Obwody cyfrowe są bardzo „wrażliwe” na „szum elektryczny”.
2. Połączenia okablowania w obwodzie pozostawiają wiele do życzenia, ale głównym problemem jest ich długość. Powinny być jak najkrótsze .
3. Za mało kondensatorów odsprzęgających. Jeden (.1uf) na każdym styku zasilania układu scalonego i jeden na styku wejściowym pierwszego licznika stopnia.

musisz umieścić zakres na przewodzie zasilającym i usunąć błąd uziemienia. Twoje założenie, że zasilacz jest dobry, może być nieprawidłowe. upewnij się również, że uziemienie wtyczki bananowej faktycznie przechodzi do bolców. jak również moc. upewnij się, że wszystko dobrze się układa. jeśli twój obszar jest wilgotny, wypróbuj silikonowy smar do połączeń na elementach. 8200 uf powinien buforować wszelkie poważne fluktuacje dodać kilka 10 ufów tu i tam z dużymi obwodami. nie ma nic w tym obwodzie, który wymagałby bohaterskiej linii mikrofalowej.

możesz spróbować zacząć od nowa i monitorować przepływ prądu i napięcie podczas dodawania elementów obwodu. jest to tak proste, że można go prawie podłączyć na żywo. użyj oddzielnej brodawki ściennej do zasilania przekaźnika, aż wszystko zacznie działać.

indukcyjności pasożytnicze na przewodach powodują problemy z nagłymi prądami cyfrowymi. niektórzy ludzie umieszczają kondensatory obejściowe między przewodami zasilania a uziemieniem każdego układu (jeśli pamiętam z „Art of Electronics” 20 lat temu, miło o tym rozmawiałem)