Pourquoi mon circuit est-il si incroyablement sensible aux fluctuations électriques?

J'ai récemment terminé la construction d'un circuit présenté dans le livre électronique d'un débutant. J'ai inclus l'image de ma création ci-dessous parce que je pense qu'elle pourrait devenir pertinente pour la question.

Au début du processus de construction, les instructions spécifiées ajoutaient un condensateur "de lissage" de 100 microfarads à placer juste à l'endroit où les câbles d'alimentation étaient connectés à la carte. J'ai décidé de ne pas m'embêter avec cette étape parce que j'utilisais une alimentation de qualité, donc je ne pensais pas avoir besoin de ce condensateur "lissant" (grosse erreur).

Il n’a pas fallu longtemps pour que je commence à expérimenter un comportement étrange et inexplicable de circuit étrange et après beaucoup de dépannage et d’obtenir nulle part, j’ai pensé à ajouter le condensateur de lissage au circuit. Dès que j’ai ajouté le condensateur au circuit, les problèmes ont disparu, mais je me suis demandé comment un tel condensateur pouvait avoir tant d’importance, étant donné que mes circuits utilisent une maigre puissance de 50 milliampères et que j’ai ce assez bonne alimentation (Rigol DP832).

Pour rendre les choses plus intéressantes, j'ai décidé de déplacer le condensateur de lissage du centre du tableau vers un des côtés du tableau et, à ma grande surprise, les problèmes ont recommencé. Pourquoi une si grande différence simplement en plaçant le condensateur à un endroit différent du tableau?

J'ai décidé d'ajouter un condensateur de 8200 microfarads plus costaud (82 fois plus gros que le précédent), pensant que cela mettrait fin à tous mes problèmes, mais à ma grande surprise encore une fois, cela n'a toujours pas résolu le problème. En fait, j'ai dû déplacer le condensateur vers le centre du tableau pour que les choses redeviennent normales.

Ce n'était pas le seul problème, même avec le condensateur en "placement parfait", j'ai essayé d'alimenter un petit relais mécanique en utilisant la même puissance du circuit et à chaque fois que le relais déclenche mon circuit "redémarre".

La question est donc de savoir si tous les circuits sont sensibles au moindre changement de fluctuation électrique. Ou le problème est-il dû à mes compétences en matière de prototypage de circuit cheesy et à une maquette optimisée?

Les circuits intégrés utilisés dans le circuit sont:

• NE555P (Minuteries de précision).
• CD4026BE (Compteurs / Diviseurs de décennie CMOS).

Le condensateur conseillé est un tampon à longue avance, pour ainsi dire.

Même si vous disposiez d'une alimentation parfaite, les câbles correspondant à votre conception sont loin d'être parfaits. Et ce n'est pas votre faute, c'est juste comment les câbles sont. Je pense qu'un rappeur a écrit une chanson à ce sujet ... Je suis presque sûr qu'il s'agissait de câbles.

Vos câbles captent d’abord le bruit. Deuxièmement, ils ont des caractéristiques stupides que vous apprendrez plus tard à un moment plus détaillé, mais essentiellement pour les signaux haute fréquence (tels que les circuits numériques), ils ont une très grande réticence à conduire le courant, peut-être même seulement 50 mA. Ces signaux sont difficiles à transporter sur n'importe quel câble. Vous pouvez le voir pour l'instant car les câbles sont un peu lents à réagir. Si vous allumez un courant, ils mettront un certain temps à le fournir régulièrement. Par conséquent, si vous le commutez souvent, vous commencerez à remarquer beaucoup de bruit sur l’alimentation.

L’ajout de ce condensateur permettra de capter vos courants de commutation haute fréquence, de sorte que les câbles ne puissent fournir que la moyenne à court terme, et que les câbles à courant continu normaux sont très bons à la moyenne à court terme près de la tension continue, ils peuvent générer de nombreux ça et ainsi peut votre offre: tout le monde heureux.

En fait, de nombreux guides de conception pour les puces de gestion de tension ou de régulation de tension spécifient un condensateur d'entrée de 2,2 μF, par exemple, parallèle à un pointillé de 22 μF ou plus, avec un astérisque indiquant "si les câbles d'alimentation entrants sont plus longs que X ou Y, Quelle que soit l’alimentation utilisée, ajoutez le condensateur de 22 µF (ou plus) pour plus de stabilité et une meilleure réjection du bruit ".

Il peut même être préférable de conserver le condensateur de 100 μF, car le condensateur de 8200 μF aura une résistance interne plus grande, à moins que ce ne soit également beaucoup, beaucoup plus grand physiquement. La résistance interne d’un condensateur détermine son efficacité à éliminer l’ondulation des signaux haute fréquence à faible courant. Plus petit, mieux c'est dans la plupart des cas avec les premiers condensateurs d'entrée comme celui-ci. Mais, avec les régulateurs de tension, cela ne s’applique pas toujours à tous les condensateurs d’entrée / sortie. Mais ce n'est pas pour l'instant.

Vous pouvez être heureux que tout ne soit pas aussi sensible, commutant lentement ou numérique haute fréquence, il y a beaucoup de choses robustes qui sont beaucoup moins sensibles aux redémarrages, mais c'est toujours une très bonne idée d'ajouter de la capacité si une carte ou un design est alimenté par des fils ou parfois même par un connecteur entre les cartes. Il ne doit pas toujours être aussi grand que 100 μF, mais un peu pour atténuer les effets (jeu de mots pour le lecteur le plus altéré, prévu). Il est toujours préférable de ne pas travailler avec du bruit que de travailler avec du bruit.

La raison pour laquelle le condensateur entre les câbles d'alimentation et le circuit fonctionne mieux que le circuit entre les câbles d'alimentation et le condensateur est que l'inductance de trace (qu'il s'agisse d'une carte de circuit imprimé ou d'une carte graphique) limitera la réponse du condensateur votre circuit leur demandera également de fournir une partie du courant, ce qui provoquera les mêmes types de creux, mais possible dans un ordre inférieur. Vous mettez déjà votre bruit de commutation sur les câbles et ceux-ci y réagissent déjà. Lorsque votre bruit voit le condensateur pour la première fois, même avec une certaine inductance dans les traces, le bruit ne pénètrera pas dans les câbles et ne causera plus de problèmes, ce qui réduira considérablement le bruit que votre circuit voit.

Edit: Note: Ce qui précède à propos de la position du condensateur est considérablement simplifié à certains égards, mais il traduit généralement assez bien l’idée. Pour clarifier, cela devrait suffire, mais il y a beaucoup de dynamique dans ce genre de choses. Dans les années à venir, vous constaterez peut-être que cela manque un peu. Mais vous n'avez pas besoin de savoir tout cela maintenant. Cela fera l'affaire.

La raison d’un relais, d’un condensateur et de l’alimentation partagée, est que le pic de courant de votre relais est trop important pour que le condensateur puisse l’aider et que les câbles ne peuvent pas suivre, ou parce que le déclencheur de relais est activé. crée un pic de tension. Une solution pourrait être, si votre conception peut gérer une chute de diode:

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

D1 empêche tout ce qui est alimenté par le DR832 de voler l’alimentation de votre condensateur tampon numérique C1. D2 empêche le relais de faire des bruits importants sur votre alimentation et D3 capte toute pointe de courant que le relais produit quand vous l'éteignez.

La combinaison de planches à pain sans soudure et de longs fils est mortelle, en particulier lorsque vous vous retrouvez dans une situation complexe. Essayez ceci à titre expérimental: remplacez tous vos fils de terre et d’alimentation par des cavaliers aussi courts que possible. Idéalement, ils devraient être si courts qu'il n'y a pas du tout de mou. Également, placez un condensateur de l’alimentation sur la terre sur chaque CI et affichez-le. Utilisez 0,1 µF de céramique pour l’alimentation numérique et 1-10 uF d’électrolytiques au tantale pour l’alimentation analogique. Dans tous les cas, établissez des connexions aussi proches que possible des broches d'alimentation. Il est préférable de ne pas utiliser de cavaliers supplémentaires: il suffit de brancher les fils du capuchon à côté des broches du circuit intégré.

Enfin, je remarque que vous avez 3 planches combinées. En plus des connexions d'alimentation et de mise à la terre situées au sommet de chaque carte, exécutez des cavaliers juste en dessous de vos CI connectant les bus de mise à la terre et d'alimentation afin que les connexions forment un réseau rectangulaire.

Les planches à pain ont des condensateurs parasites (dans l'ordre de pF) et des inductances (dans l'ordre de nH) pouvant former des oscillateurs avec vos composants actifs. Comme ces parasites sont assez petits, la fréquence d'oscillation est grande. Pour cette raison, vous voyez parfois du "bruit" sur un circuit de la planche à pain.

Notez que, même si vous aviez une source de tension idéale, directement sur la maquette, cet effet serait toujours présent. Les longs fils autour de la planche à pain augmentent également le risque d'oscillation non désirée. En plaçant un condensateur à proximité du composant actif, vous éviterez ces oscillations car, à haute fréquence, les condensateurs sont des chemins à basse impédance.

Plusieurs fois, un circuit qui se comporte bizarrement sur la planche à pain est parfaitement correct lorsqu'il est réalisé sur une carte de circuit imprimé, car dans ce cas, vous vous débarrasserez des parasites.

... chaque fois que le relais déclenche mon circuit «redémarre».

Un commentaire rapide et long sur la diode "amortisseur" D3 qui est (ou devrait être) en parallèle sur la bobine du relais RLY1 (voir la figure schématique dans la réponse de @ Asmyldof).

Si cette diode est installée à l'envers - c'est-à-dire si le fil de l'anode (+) de la diode est connecté au rail +5 VDC (c'est-à-dire la borne de sortie '+' du Rigol), alors, lorsque le transistor N-MOS M1 s'active, vous obtiendrez pied de biche (court-circuit) les bornes de sortie '+' et '-' de l'alimentation via D3 et M1, ce qui provoquerait certainement le "redémarrage" du circuit. Plus précisément, lorsque M1 passe sur ON et que le rail +5 VCC court-circuite à la masse via D3 et M1, la tension sur le rail +5 VCC chute à près de zéro volt (tension «grise»), ce qui désactive le microcontrôleur (ou autre). circuit de commande numérique), à ​​quel point la tension sur M1.GATE (éventuellement, voir la note 1) tombe en dessous de la tension de seuil source-grille VGS (th) de M1, mettant ainsi M1 hors tension. Maintenant que M1 est éteint, les rails d’alimentation sont supprimés, le potentiel sur le rail +5 VDC est restauré à +5 VDC par rapport à GROUND et le fonctionnement nominal du circuit est rétabli.

TL; DR. Dans votre circuit, assurez-vous que la diode d'amortissement D3 est présente et que le fil de cathode de D3 est connecté au rail +5 VDC exactement comme indiqué sur le schéma de @ Asmyldof.

(Note 1) Je voudrais également installer un 10 kohm déroulez résistance entre la porte de M1 et la terre comme un plan d'urgence pour apporter M1.GATE faible (~ 0 VDC) quand rien est autre activement conduite de M1 la tension grille-source VGS. Rappelons que M1 est un MOSFET en mode augmentation de type N et que si VGS <VGS (ème), M1 s’éteint. La tâche de la résistance de tirage consiste donc à créer une tension source-grille par défaut bien inférieure à la tension VGS (th) de M1, c’est-à-dire à créer une condition par défaut de VGS << VGS (th) - en l’absence de tout autre circuit. pilote activement la tension grille-source sur M1. (Plus précisément, la résistance de tirage permet de décharger à la terre tout potentiel non nul sur M1.GATE.)

Quelques explications supplémentaires sur le concept de résistance pull down (ou pull up). Supposons (1) que ni une résistance d’arrêt ni une résistance n’est connectée à M1.GATE et que (2) la broche de sortie d’entrée / sortie numérique (DIO) d’un microcontrôleur est connectée à M1.GATE. Posez-vous cette question: quel est l'état de fonctionnement de M1 lorsque la broche DIO du microcontrôleur est configurée pour le mode haute impédance (HIGH-Z) - c'est-à-dire lorsque les deux transistors de sortie du lecteur actif de la broche DIO sont désactivés et que le microcontrôleur n'est pas activement conduire toute tension sur M1.GATE. C'est presque comme si le fil entre la broche DIO et M1.GATE était supprimé et maintenant le potentiel sur M1.GATE est laissé à flotpar rapport au potentiel du sol. Dans cette situation, vous n'avez aucune idée de ce qu'est VGS. Pour aggraver les choses, lorsque la broche DIO est dans ce mode HIGH-Z, les champs électriques / électrostatiques à proximité, le bruit de circuit, etc. peuvent maintenant affecter le potentiel sur M1.GATE (c'est-à-dire, VGS) et peuvent littéralement provoquer M1 de façon aléatoire. allumer / éteindre. Le fait de placer une résistance de traction entre M1.GATE et la terre aide à ancrer VGS à une tension par défaut de ~ 0 VDC - ce qui est bien inférieur à VGS (th) - lorsque rien d'autre ne génère une tension active sur M1.GATE. (Notez que si vous vouliez M1 être par défaut, vous place connecter un pull up résistance entre M1.GATE et le rail +5 VDC. Cela suppose, bien sûr, que M1.VGS (e) << +5 VDC .)

TL; DR. Chaque fois qu'un MOSFET est utilisé comme commutateur, assurez-vous qu'une résistance pull-down ou pull-up est en place pour établir une tension VGS par défaut pour le cas où aucun autre élément de circuit ne pilote activement la tension VGS.

Les raisons du comportement étrange et inexplicable de votre circuit sont les suivantes:

1. Les circuits numériques sont très "sensibles" au "bruit" électrique.
2. Les connexions de câblage de votre circuit laissent beaucoup à désirer, mais le principal problème est leur longueur. Ils devraient être aussi courts que possible .
3. Pas assez de condensateurs de découplage. Un (0,1 uf) à chaque broche d'alimentation du circuit intégré et un à la broche d'entrée du premier étage de compteur.

vous devez placer une lunette de visée sur le cordon d’alimentation et dérégler la connexion au sol. votre hypothèse selon laquelle l'alimentation est bonne peut ne pas être correcte. Assurez-vous également que le sol de la fiche banane est bien raccordé aux broches du bus. ainsi que le pouvoir. assurez-vous que tout est bien assis. Si votre région est humide, essayez d’utiliser de la graisse pour connecteurs en silicone sur les composants. le 8200 uf devrait amortir les fluctuations graves et ajouter quelques 10 ufs ici et là avec de gros circuits. Il n’existe rien dans ce circuit qui exige des exploits héroïques de la ligne à bande hyperfréquence.

vous pouvez essayer de recommencer et de surveiller le flux de courant et la tension lorsque vous ajoutez des composants de circuit. c'est si simple que vous pourriez presque le brancher en direct. Utilisez une verrue murale distincte pour le relais jusqu'à ce que tout fonctionne.

les inductances parasites sur les fils provoquent des problèmes avec les courants soudains des puces numériques. certaines personnes placent des condensateurs de dérivation entre les fils d'alimentation et de masse de chaque puce (si je me souviens de "Art of Electronics", il y a 20 ans, nous en avons eu une bonne discussion)