Warum ist meine Schaltung so empfindlich gegenüber elektrischen Schwankungen?

Ich habe kürzlich den Bau einer Schaltung abgeschlossen, die in einem Einsteiger-Elektronikbuch vorgestellt wird. Ich habe das Bild meiner Kreation unten eingefügt, da ich denke, dass es für die Frage relevant werden kann.

Zu Beginn des Erstellungsprozesses wurden die Anweisungen zum Hinzufügen eines "Glättungs" -Kondensators mit 100 Mikrofarad angegeben, der genau dort platziert werden soll, wo die Stromversorgungskabel an die Platine angeschlossen wurden. Ich habe mich entschlossen, mich nicht mit diesem Schritt zu beschäftigen, weil ich ein qualitativ hochwertiges Netzteil verwendet habe, sodass ich nicht dachte, dass ich diesen "Glättungs" -Kondensator brauche (großer Fehler).

Es dauerte nicht lange, bis ich merkwürdiges und unerklärliches Verhalten von Schaltkreisen bemerkte. Nach vielen Fehlern und Problemen kam mir der Gedanke, den Glättungskondensator in den Schaltkreis einzubauen. Sobald ich den Kondensator der Schaltung hinzufügte, verschwanden die Probleme, aber ich fragte mich, wie es möglich ist, dass ein solcher Kondensator so wichtig ist, da meine Schaltungen eine Gesamtleistung von knapp 50 Milliampere verbrauchen und ich denke, dass es sich um einen handelt ziemlich gute Stromversorgung (Rigol DP832).

Um die Sache interessanter zu machen, habe ich beschlossen, den Glättungskondensator von der Mitte der Platine weg zu einem Ende der Platine zu verschieben, und zu meiner Überraschung begannen die Probleme erneut. Warum so ein großer Unterschied, nur indem man den Kondensator an einer anderen Stelle auf der Platine platziert?

Ich beschloss, einen stärkeren 8200-Mikrofarad-Kondensator (der 82-mal größer ist als der vorherige) hinzuzufügen, da ich dachte, dass dies alle meine Probleme beenden würde, aber zu meiner Überraschung noch einmal, dass das Problem immer noch nicht behoben wurde. Eigentlich musste ich den Kondensator wieder in die Mitte der Platine stellen, damit alles wieder normal lief.

Dies war nicht das einzige Problem, obwohl sich der Kondensator in "perfekter Position" befand. Ich versuchte, ein kleines mechanisches Relais mit der gleichen Leistung aus dem Stromkreis zu versorgen, und jedes Mal, wenn das Relais auslöste, wurde mein Stromkreis neu gestartet.

Die Frage ist also, ob alle Stromkreise empfindlich auf kleinste Änderungen der elektrischen Schwankungen reagieren. Oder liegt das Problem an meinen kitschigen Fähigkeiten beim Prototyping von Schaltkreisen und an einem ineffizienten Steckbrett?

Die in der Schaltung verwendeten ICs sind:

• NE555P (Präzisionstimer).
• CD4026BE (CMOS-Dekadenzähler / -teiler).

Der empfohlene Kondensator ist sozusagen ein Puffer mit langem Blei.

Auch wenn Sie eine perfekte Stromversorgung hatten, sind die Kabel, die zu Ihrem Design führen, alles andere als perfekt. Und das ist nicht deine Schuld, es ist nur so, wie Kabel sind. Ich glaube, ein Rapper hat einen Song darüber geschrieben ... Ich bin mir ziemlich sicher, dass es sowieso um Kabel ging.

Ihre Kabel nehmen zuerst Störgeräusche auf. Zweitens haben sie alberne Eigenschaften, die Sie später genauer kennenlernen werden, aber im Grunde genommen haben sie bei Hochfrequenzsignalen (wie sie digitale Schaltkreise erzeugen) eine sehr hohe Widerstandsfähigkeit gegen das Leiten von Strom, möglicherweise sogar nur 50 mA. Diese Signale sind nur schwer über jedes Kabel zu transportieren. Sie können es jetzt sehen, da die Kabel etwas langsam reagieren. Wenn Sie einen Strom einschalten, dauert es einige Zeit, bis dieser konstant geliefert wird. Wenn Sie ihn also häufig einschalten, werden Sie eine Menge Rauschen am Netzteil bemerken.

Wenn Sie diesen Kondensator hinzufügen, können Ihre hochfrequenten Schaltströme aus dem Kondensator entnommen werden, sodass die Kabel nur den kurzfristigen Durchschnitt liefern können. Normale Gleichstromkabel sind im kurzfristigen Durchschnitt nahe dem Gleichstrom sehr gut und können viele Ampere erreichen das und so kann Ihr Angebot: Jeder glücklich.

Tatsächlich geben viele Konstruktionsrichtlinien für Spannungsmanagement- oder Spannungsregler-Chips einen Eingangskondensator von beispielsweise 2,2 μF parallel zu gepunkteten 22 μF oder mehr vor, wobei ein Stern mit der Aufschrift "Wenn die ankommenden Stromkabel länger als X oder Y sind, Fügen Sie unabhängig von der verwendeten Stromversorgung den 22 μF (oder mehr) Kondensator hinzu, um Stabilität und bessere Rauschunterdrückung zu gewährleisten. "

Es kann sogar besser sein, den 100-μF-Kondensator beizubehalten, da der 8200-μF-Kondensator einen größeren Innenwiderstand hat, es sei denn, er ist auch physikalisch viel, viel größer. Der Innenwiderstand eines Kondensators bestimmt, wie gut er die Welligkeit von Hochfrequenzsignalen mit niedrigem Strom abbaut. Kleiner ist in den meisten Fällen besser mit ersten Eingangskondensatoren wie diesem. Bei Spannungsreglern gilt dies jedoch nicht immer für alle Eingangs- / Ausgangskondensatoren. Aber das ist noch nicht alles.

Sie können sich darüber freuen, dass nicht alles so empfindlich ist, dass es langsam schaltet oder digital hochfrequent ist. Es gibt viele robuste Dinge, die für Neustarts viel weniger empfindlich sind, aber es ist oft immer noch eine sehr gute Idee, etwas Kapazität hinzuzufügen, wenn eine Platine oder ein Design wird mit Drähten oder manchmal sogar über einen Steckverbinder zwischen Platinen mit Strom versorgt. Es muss nicht immer 100 μF groß sein, aber ein wenig, um die Kante abzunehmen (Wortspiel für den verwitterten Leser). Es ist immer besser, keinen Lärm zum Arbeiten zu haben, als mit Lärm arbeiten zu müssen.

Der Grund, warum der Kondensator zwischen den Stromkabeln und dem Stromkreis besser funktioniert als der Stromkreis zwischen den Stromkabeln und dem Kondensator, ist, dass die Leiterbahninduktivität (egal ob es sich um eine Leiterplatte oder ein Steckbrett handelt) die Reaktion des Kondensators einschränkt, wenn Sie dann Strom haben Drähte in der Nähe, wird Ihre Schaltung sie bitten, auch einen Teil des Stroms zu liefern, was die gleichen Arten von Einbrüchen verursacht, aber in einer niedrigeren Reihenfolge möglich ist. Sie legen Ihr Schaltgeräusch bereits im Grunde genommen auf die Kabel und die Kabel reagieren bereits darauf. Wenn Ihr Rauschen zuerst den Kondensator sieht, wird das Rauschen auch bei einer gewissen Induktivität in den Leiterbahnen nicht in die Kabel gelangen und keine weiteren Probleme verursachen, wodurch das Rauschen, das Ihre Schaltung sieht, um einen viel größeren Faktor verringert wird.

Bearbeiten: Hinweis: Die obigen Informationen zur Kondensatorposition sind in mancher Hinsicht stark vereinfacht, vermitteln jedoch im Allgemeinen die Idee gut genug. Zur Verdeutlichung sollte es ausreichen, aber es gibt viele Dynamiken für solche Dinge. Wenn Sie später zurückblicken, werden Sie vielleicht feststellen, dass dies ein bisschen fehlt. Aber das alles müssen Sie jetzt noch nicht wissen. Das wird es tun.

Der Grund, warum bei einem Relais und einem Kondensator und einer geteilten Stromversorgung Fehler auftreten, ist, dass die Stromspitze Ihres Relais zu groß ist, als dass der Kondensator helfen könnte, und die Kabel dann auch nicht mithalten können, oder dass das Relais ausgelöst wird erzeugt eine Spannungsspitze. Eine Lösung könnte sein, wenn Ihr Design einen Diodentropfen verarbeiten kann:

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

D1 verhindert, dass etwas, das vom DR832 mit Strom versorgt wird, Strom aus Ihrem digitalen Pufferkondensator C1 stiehlt. D2 verhindert, dass das Relais signifikante Geräusche in Ihrer Stromversorgung verursacht, und D3 fängt alle Stromspitzen auf, die das Relais beim Ausschalten noch erzeugt.

Die Kombination aus lötfreien Steckbrettern und langen Drähten ist tödlich, besonders wenn Sie an Komplexität stoßen. Versuchen Sie dies als Experiment: Ersetzen Sie alle Erdungs- und Stromkabel durch möglichst kurze Steckbrücken. Im Idealfall sollten sie so kurz sein, dass sie überhaupt nicht durchhängen. Legen Sie außerdem an jedem IC und jeder Anzeige einen Kondensator von der Stromversorgung zur Erde . Verwenden Sie 0,1 uF Keramik für die digitale Stromversorgung und 1-10 uF Tantal-Elektrolyse für die analoge Stromversorgung. Stellen Sie die Verbindungen in jedem Fall so nah wie möglich an den Stromversorgungsstiften her. Es ist am besten, wenn Sie nicht einmal zusätzliche Jumper verwenden - schließen Sie einfach die Kappenkabel neben den IC-Pins an.

Schließlich stelle ich fest, dass Sie 3 Steckbretter zusammengefügt haben. Führen Sie zusätzlich zu den Stromversorgungs- und Erdungsanschlüssen oben auf jedem Steckbrett kurze Jumper direkt unter Ihren ICs aus, die die Erdung und die Stromversorgungsbusse miteinander verbinden, sodass die Anschlüsse ein rechteckiges Gitter bilden.

Breadboards haben parasitäre Kondensatoren (in der Größenordnung von pF) und Induktivitäten (in der Größenordnung von nH), die mit Ihren aktiven Komponenten Oszillatoren bilden können. Da diese Parasiten ziemlich klein sind, ist die Schwingungsfrequenz groß. Aus diesem Grund sieht man manchmal "Rauschen" auf einer Steckbrettschaltung.

Beachten Sie, dass Sie diesen Effekt auch dann sehen würden, wenn Sie eine ideale Spannungsquelle direkt auf dem Steckbrett hätten. Lange Drähte, die um das Steckbrett herum verlaufen, erhöhen auch die Wahrscheinlichkeit unerwünschter Schwingungen. Die Anordnung eines Kondensators in der Nähe der aktiven Komponente verhindert diese Schwingungen, da Kondensatoren bei hohen Frequenzen niederohmige Pfade sind.

Oft ist eine Schaltung, die sich auf dem Steckbrett seltsam verhält, vollkommen in Ordnung, wenn sie auf einer Leiterplatte realisiert wird, da in diesem Fall die Parasiten beseitigt werden.

... jedes Mal, wenn das Relais meinen Stromkreis auslöst, "startet" es neu.

Ein kurzer, langatmiger Kommentar zu der "Snubber" -Diode D3, die parallel über die Spule von Relais RLY1 geschaltet ist (oder sein sollte) (siehe die schematische Abbildung in der Antwort von @ Asmyldof).

Wenn diese Diode verkehrt herum installiert ist - dh wenn die Anodenleitung (+) der Diode an die +5 VDC-Schiene (dh an den '+'-Ausgangsanschluss des Rigol) angeschlossen ist, wird der N-MOS-Transistor M1 wirksam eingeschaltet Brechstange (Kurzschluss) der Ausgangsklemmen '+' und '-' des Netzteils über D3 und M1, was definitiv zu einem "Neustart" des Stromkreises führen würde. Insbesondere wenn M1 eingeschaltet wird und die +5 VDC-Schiene über D3 und M1 nach Masse kurzschließt, fällt die Spannung an der +5 VDC-Schiene auf nahezu Null Volt ab (Spannung "braun"), wodurch der Mikrocontroller (oder andere) ausgeschaltet wird digitale Steuerschaltung), an welchem ​​Punkt die Spannung an M1.GATE (möglicherweise siehe Anmerkung 1) unter die Gate-Source-Schwellenspannung VGS (th) von M1 abfällt, wodurch M1 AUS geschaltet wird. Jetzt, wo M1 AUS ist, Wenn die Spannungsversorgung unterbrochen wird, wird das Potenzial auf der +5 VDC-Schiene auf +5 VDC im Verhältnis zur Masse wiederhergestellt, und der Nennstromkreisbetrieb wird wiederhergestellt.

TL; DR. Stellen Sie in Ihrem Stromkreis sicher, dass die Überspannungsschutzdiode D3 vorhanden ist und dass die Kathodenzuleitung von D3 genau wie im Schema von @ Asmyldof an die +5 VDC-Schiene angeschlossen ist.

(Hinweis 1) Ich würde auch einen 10-kOhm- Pulldown- Widerstand zwischen dem Gate von M1 und Masse installieren , um M1.GATE auf einen niedrigen Wert (~ 0 VDC) zu bringen, wenn nichts anderes die Gate-Source-Spannung VGS von M1 aktiv antreibt. Es sei daran erinnert, dass M1 ein N-Typ-Enhamcement-Mode-MOSFET ist, und wenn VGS <VGS (th), dann wird M1 ausgeschaltet. Die Aufgabe des Pull-Down-Widerstands besteht daher darin, eine Standard-Gate-Source-Spannung zu erzeugen, die weit unter der VGS (th) -Spannung von M1 liegt, dh, eine Standardbedingung von VGS << VGS (th) zu erzeugen, wenn keine andere Schaltung vorhanden ist steuert aktiv die Gate-Source-Spannung an M1. (Insbesondere bietet der Pull-Down-Widerstand die Möglichkeit, ein von Null verschiedenes Potential am M1.GATE gegen Erde zu entladen.)

Weitere Erläuterungen zum Pull-Down- (oder Pull-Up-) Widerstandskonzept. Angenommen, (1) an M1.GATE ist weder ein Pull-Down- noch ein Pull-Up-Widerstand angeschlossen, und (2) der digitale E / A-Ausgang (DIO) eines Mikrocontrollers ist an M1.GATE angeschlossen. Stellen Sie sich folgende Frage: Wie ist der Betriebszustand von M1, wenn der DIO-Pin des Mikrocontrollers für den Hochimpedanzmodus (HIGH-Z) konfiguriert ist, dh wenn beide aktiven Treiberausgangstransistoren des DIO-Pins ausgeschaltet sind und der Mikrocontroller nicht aktiv ist Ansteuern einer beliebigen Spannung an das M1.GATE. Es ist fast , als ob der Draht zwischen dem DIO Stift und M1.GATE entfernt wurde und nun das Potential auf M1.GATE gelassen zu schwebenrelativ zum Massepotential. In dieser Situation haben Sie keine Ahnung, was VGS ist. Wenn sich der DIO-Pin in diesem HIGH-Z-Modus befindet, können alle in der Nähe befindlichen elektrischen / elektrostatischen Felder, Schaltungsstörungen usw. das Potenzial von M1.GATE (dh VGS) beeinträchtigen und M1 buchstäblich zufällig veranlassen An / Ausschalten. Das Anbringen eines Pull-Down- Widerstands zwischen M1.GATE und Masse hilft dabei, VGS bei einer Standardspannung von ~ 0 VDC zu verankern, die weit unter VGS (th) liegt, wenn nichts anderes aktiv eine Spannung an M1.GATE anlegt. (Beachten Sie, dass Sie stattdessen einen Pull-up- Widerstand zwischen M1.GATE und der +5 VDC-Schiene anschließen würden, wenn M1 standardmäßig eingeschaltet sein soll . Dies setzt natürlich voraus, dass M1.VGS (th) << +5 VDC ist .)

TL; DR. Wenn ein MOSFET als Schalter verwendet wird, stellen Sie sicher, dass ein Pull-Down- oder Pull-Up- Widerstand vorhanden ist, um eine Standard-VGS-Spannung für den Fall herzustellen, dass keine anderen Schaltungselemente die VGS-Spannung aktiv ansteuern.

Die Gründe für das seltsame, unerklärliche Verhalten Ihrer Schaltung sind:

1. Digitale Schaltungen sind sehr "empfindlich" gegenüber elektrischem "Rauschen".
2. Die Verdrahtungsverbindungen Ihrer Schaltung lassen viel zu wünschen übrig, aber das Hauptproblem ist ihre Länge. Sie sollten so kurz wie möglich sein .
3. Nicht genügend Entkopplungskondensatoren. Eine (.1uf) an jedem IC-Leistungsstift und eine am Eingangsstift der ersten Gegenstufe.

Sie müssen das Stromkabel mit einem Zielfernrohr versehen und die Erdungsverbindung lösen. Ihre Annahme, dass das Netzteil in Ordnung ist, ist möglicherweise nicht korrekt. Stellen Sie außerdem sicher, dass der Erdungspunkt des Bananensteckers tatsächlich auf den Bus-Pins liegt. sowie die Macht. Stellen Sie sicher, dass alles gut sitzt. Wenn Ihre Umgebung feucht ist, versuchen Sie es mit etwas Silikonfett auf den Bauteilen. Der 8200 UF sollte alle ernsthaften Schwankungen ausgleichen und hier und da ein paar 10 UF bei großen Stromkreisen hinzufügen. Es gibt nichts an dieser Schaltung, was eine Heroik der Mikrowellen-Streifenleitung erfordert.

Sie könnten versuchen, von vorne zu beginnen und den Stromfluss und die Spannung zu überwachen, während Sie Schaltungskomponenten hinzufügen. das ist so einfach, dass man es fast live verkabeln könnte. Verwenden Sie eine separate Steckdose für die Relaisleistung, bis alles funktioniert.

Die parasitären Induktivitäten an Drähten verursachen Probleme mit plötzlichen Strömen bei digitalen Chips. Einige Leute haben Überbrückungskondensatoren zwischen Strom- und Masseleitungen der einzelnen Chips geschaltet (wenn ich mich an "Art of Electronics" erinnere, hatten wir vor 20 Jahren eine nette Diskussion darüber).