¿Por qué mi circuito es tan increíblemente sensible a la fluctuación eléctrica?

Recientemente terminé de construir un circuito exhibido en un libro de electrónica para principiantes. He incluido la imagen de mi creación a continuación porque creo que puede ser relevante para la pregunta.

Al comienzo del proceso de construcción, las instrucciones especificadas para agregar un condensador de 100 microfaradios de "suavizado" se colocarán justo donde los cables de alimentación se conectaron a la placa. Decidí no molestarme con ese paso porque estaba usando una fuente de alimentación de calidad, así que no pensé que necesitaba ese condensador de "suavizado" (gran error).

No pasó mucho tiempo antes de que comenzara a experimentar un comportamiento extraño e inexplicable en un circuito extraño y después de un montón de solución de problemas y llegar a ninguna parte, se me ocurrió agregar el condensador de suavizado al circuito. Tan pronto como agregué el condensador al circuito, los problemas desaparecieron, pero me pregunté cómo es posible que un condensador de este tipo sea tan importante dado que mis circuitos usan una potencia total de 50 miliamperios y tengo lo que creo que es un Fuente de alimentación razonablemente buena (Rigol DP832).

Para hacer las cosas más interesantes, decidí alejar el condensador de suavizado del centro de la placa hacia un extremo de la placa y, para mi sorpresa, los problemas comenzaron nuevamente. ¿Por qué una diferencia tan grande simplemente colocando el condensador en un lugar diferente en el tablero?

Decidí agregar un condensador de microfaradio 8200 más robusto (que es 82 veces más grande que el anterior) pensando que esto pondría fin a todos mis problemas, pero para mi sorpresa una vez más, eso todavía no solucionó el problema. De hecho, tuve que mover el condensador al centro de la placa para que las cosas volvieran a la normalidad.

Ese no fue el único problema, incluso con el condensador en "colocación perfecta", traté de alimentar un pequeño relé mecánico utilizando la misma potencia del circuito y cada vez que el relé activaba mi circuito se "reiniciaba".

Entonces, la pregunta es, ¿todos los circuitos son sensibles incluso al más mínimo cambio en la fluctuación eléctrica? ¿O el problema se debe a mis habilidades de prototipos de circuito cursi y a una placa de pruebas ineficiente?

Los IC utilizados en el circuito son:

• NE555P (Temporizadores de precisión).
• CD4026BE (Contadores / divisores de década CMOS).

El condensador recomendado es un buffer de plomo largo, por así decirlo.

Incluso si tuviera una fuente de alimentación perfecta, los cables que se ejecutan en su diseño distan mucho de ser perfectos. Y eso no es tu culpa, es solo cómo son los cables. Creo que un rapero escribió una canción sobre eso ... Estoy bastante seguro de que se trataba de cables de todos modos.

Sus cables captan primero el ruido. En segundo lugar, tienen características tontas que aprenderá más adelante en algún momento con más detalle, pero básicamente para señales de alta frecuencia (como las marcas de circuitos digitales) tienen una resistencia muy alta a conducir corriente, posiblemente incluso solo 50 mA. Esas señales son difíciles de transportar a través de cualquier cable. Puedes verlo por ahora ya que los cables tardan un poco en reaccionar. Si enciende una corriente, tardarán un tiempo en suministrarla de manera constante, por lo que si la cambia con frecuencia, comenzará a notar mucho ruido en la fuente de alimentación.

Agregar ese condensador permitirá que sus corrientes de conmutación de alta frecuencia se tomen del condensador, por lo que los cables pueden suministrar solo el promedio a corto plazo, y los cables de CC normales son muy buenos en el promedio a corto plazo cerca de CC, pueden hacer muchos amperios a eso y también tu suministro: todos felices.

De hecho, muchas guías de diseño para gestión de voltaje o chips reguladores de voltaje especifican un condensador de entrada de 2.2 μF, por ejemplo, paralelo a un punto de 22 μF o más grande, con un asterisco que dice "si los cables de alimentación entrantes son más largos que X o Y, independientemente de la fuente de alimentación utilizada, agregue el condensador de 22 μF (o más) para estabilidad y mejor rechazo de ruido ".

Incluso puede ser mejor mantener el condensador de 100 μF, porque el condensador de 8200 μF tendrá una resistencia interna mayor, a menos que también sea mucho, mucho más grande físicamente. La resistencia interna de un condensador determina qué tan bueno es eliminar la onda de las señales de alta frecuencia de baja corriente. Más pequeño es mejor en la mayoría de los casos con condensadores de primera entrada como este. Pero, con los reguladores de voltaje, eso no siempre se aplica a todos los condensadores de entrada / salida, ¡así que una vez que los tenga, tenga cuidado! Pero eso no es por ahora.

Puede estar contento de que no todo sea tan sensible, de conmutación lenta o digital de alta frecuencia, hay muchas cosas robustas que son mucho menos sensibles a los reinicios, pero a menudo sigue siendo una muy buena idea agregar algo de capacidad si una placa o diseño se alimenta con cables o, a veces, incluso a través de un conector entre placas. No siempre tiene que ser tan grande como 100 μF, sino un poco para quitar el borde (juego de palabras para el lector más meteorizado). No tener ruido para trabajar siempre es mejor que tener que trabajar con ruido.

La razón por la que el condensador entre los cables de alimentación y el circuito funciona mejor que el circuito entre los cables de alimentación y el condensador es porque la inductancia de rastreo (ya sea una placa de circuito impreso o placa de circuito impreso) limitará la respuesta del condensador, si tiene energía cables cercanos, su circuito les pedirá que suministren parte de la corriente también, lo que causará los mismos tipos de caídas, pero posible en un orden inferior. Básicamente, ya está poniendo su ruido de conmutación en los cables y los cables ya reaccionan a él. Cuando su ruido ve primero el condensador, incluso con cierta inductancia en las trazas, el ruido no entrará en los cables y no causará más problemas, lo que reduce el ruido que ve su circuito en un factor mucho mayor.

Editar: Nota: Lo anterior sobre la posición del condensador se simplifica severamente en algunos aspectos, pero generalmente transmite la idea lo suficientemente bien. Para aclararlo debería ser suficiente, pero hay muchas dinámicas para cosas como esta. En los últimos años, mirando hacia atrás, puede encontrar que esto es un poco escaso. Pero no necesitas saber todo eso ahora. Esto lo hara.

La razón con un relé y un condensador y las cosas de energía compartida salen mal, aún así, porque el pico de corriente de su relé es demasiado grande para que el capacitor lo ayude y luego los cables tampoco pueden seguir el ritmo, o porque el relé se libera crea un pico de voltaje. Una solución podría ser, si su diseño puede manejar una caída de diodo:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

D1 evita que cualquier cosa alimentada por el DR832 robe energía de su condensador de almacenamiento en búfer digital C1. D2 evita que el relé haga un ruido significativo en su suministro y D3 detecta cualquier pico de energía que el relé aún produce cuando lo apaga.

La combinación de placas de prueba sin soldadura y cables largos es mortal, especialmente cuando se llega a cualquier complejidad. Intente esto como un experimento: reemplace todos los cables de tierra y alimentación con puentes que sean lo más cortos posible. Idealmente, deberían ser tan cortos que no haya holgura en ellos. Además, coloque un condensador de alimentación a tierra en cada CI y pantalla. Use cerámica de 0.1 uF para la potencia digital y electrolíticos de tantalio de 1-10 uF para la potencia analógica. En todos los casos, realice las conexiones lo más cerca posible de los pines de alimentación. Es mejor si ni siquiera usa puentes adicionales: solo conecte los cables de la tapa al lado de los pines IC.

Finalmente, me doy cuenta de que tienes 3 placas de prueba agrupadas. Además de las conexiones de alimentación y tierra en la parte superior de cada placa de pruebas, ejecute puentes cortos justo debajo de sus circuitos integrados que conectan la tierra y los buses de alimentación, de modo que las conexiones formen una cuadrícula rectangular.

Los paneles de pruebas tienen condensadores parásitos (en el orden de pF) e inductores (en el orden de nH) que pueden formar osciladores con sus componentes activos. Como estos parásitos son bastante pequeños, la frecuencia de oscilación es grande. Por esta razón, a veces se ve "ruido" en un circuito de placa de pruebas.

Tenga en cuenta que, incluso si tuviera una fuente de voltaje ideal, justo en la placa de prueba, aún vería este efecto. Los cables largos que corren alrededor de la placa de prueba también aumentan las posibilidades de oscilación no deseada. Colocar un condensador cerca del componente activo evita estas oscilaciones, porque a altas frecuencias los condensadores son caminos de baja impedancia.

Muchas veces, un circuito que se comporta de manera extraña en la placa de pruebas está perfectamente bien cuando se realiza en una PCB, porque en ese caso se eliminan los parásitos.

... cada vez que el relé activaba mi circuito se "reiniciaba".

Un comentario rápido y extenso sobre el diodo "snubber" D3 que está (o debería estar) en paralelo a través de la bobina del relé RLY1 (vea la figura esquemática en la respuesta de @ Asmyldof).

Si ese diodo está instalado al revés, es decir, si el cable del ánodo (+) del diodo está conectado al riel de +5 VCC (es decir, el terminal de salida '+' de Rigol), cuando el transistor N-MOS M1 se ENCIENDA, efectivamente palanca (cortocircuito) los terminales de salida '+' y '-' de la fuente de alimentación a través de D3 y M1, lo que definitivamente provocaría que el circuito se "reinicie". Específicamente, cuando M1 se ENCIENDE y los cortocircuitos del riel de +5 VCC a tierra a través de D3 y M1, el voltaje en el riel de +5 VCC cae a casi cero voltios (voltaje "marrón"), que apaga el microcontrolador (u otro circuitos de control digital), en cuyo punto el voltaje en M1.GATE (posiblemente, ver nota 1) cae por debajo del voltaje de umbral de la puerta de la fuente M1 VGS (th), con lo que se apaga M1. Ahora que M1 está apagado, a través de los rieles de la fuente de alimentación se elimina, el potencial en el riel de +5 VCC se restaura a +5 VCC en relación a TIERRA, y se restablece la operación del circuito nominal.

TL; DR. En su circuito, asegúrese de que el diodo amortiguador D3 esté presente y que el cable del cátodo de D3 esté conectado al riel de +5 VCC exactamente como se muestra en el esquema de @ Asmyldof.

(Nota 1) También instalaría una resistencia de extracción de 10 kohmios entre la puerta de M1 y la tierra como un plan de contingencia para reducir M1.GATE (~ 0 VCC) cuando nada más está activando el voltaje VGS de la fuente de puerta de M1. Recuerde que M1 es un MOSFET en modo de mejora de tipo N, y si VGS <VGS (th), entonces M1 se apagará. El trabajo de la resistencia de extracción, por lo tanto, es crear un voltaje de fuente de compuerta predeterminado que esté muy por debajo del voltaje VGS (th) de M1, es decir, crear una condición predeterminada de VGS << VGS (th), cuando no hay otro circuito está activando el voltaje de la fuente de puerta en M1. (Específicamente, la resistencia de extracción proporciona un medio para descargar a tierra cualquier potencial que no sea cero en M1.GATE).

Alguna elaboración adicional sobre el concepto de resistencia pull pull (o pull up). Suponga que (1) ni una resistencia pull pull ni pull up está conectada a M1.GATE, y (2) un pin de salida de E / S digital (DIO) del microcontrolador está conectado a M1.GATE. Hágase esta pregunta: ¿cuál es el estado de funcionamiento de M1 cuando el pasador DIO del microcontrolador está configurado para el modo de alta impedancia (HIGH-Z) - es decir, cuando ambos del pin DIO unidad activa los transistores de salida están apagados y el microcontrolador no es activamente conducir cualquier voltaje en M1.GATE. Es casi como si se hubiera eliminado el cable entre el pin DIO y M1.GATE y ahora se deja que flote el potencial en M1.GATErelativo al potencial de tierra. En esta situación, no tienes idea de qué es VGS. Para empeorar las cosas, cuando el pin DIO está en este modo HIGH-Z, cualquier campo eléctrico / electrostático cercano, ruido de circuito, etc. ahora puede afectar el potencial en M1.GATE (es decir, VGS) y literalmente puede causar M1 al azar encender / apagar. Colocar una resistencia desplegable entre M1.GATE y tierra ayuda a anclar VGS a un voltaje predeterminado de ~ 0 VDC, que está muy por debajo de VGS (th), cuando nada más está activando un voltaje en M1.GATE. (Tenga en cuenta que si desea que M1 esté ENCENDIDO de forma predeterminada, en su lugar conectaría una resistencia pull-up entre M1.GATE y el riel +5 VDC. Esto supone, por supuesto, que M1.VGS (th) << +5 VDC .)

TL; DR. Siempre que se use un MOSFET como interruptor, asegúrese de que haya una resistencia pull-down o pull up para establecer un voltaje VGS predeterminado para el caso en que ningún otro elemento del circuito esté activando el voltaje VGS.

Los motivos del comportamiento extraño e inexplicable de su circuito son:

1. Los circuitos digitales son muy "sensibles" al "ruido" eléctrico.
2. Las conexiones de cableado de su circuito dejan mucho que desear, pero el problema principal es su longitud. Deben ser lo más cortos posible .
3. No hay suficientes condensadores de desacoplamiento. Uno (.1uf) en cada pin de alimentación de IC, y uno en el pin de entrada de la primera etapa del contador.

necesita poner un alcance en el cable de alimentación y eliminar la conexión a tierra. su suposición de que la fuente de alimentación es buena puede no ser correcta. También asegúrese de que la tierra en el enchufe de plátano realmente vaya a los pines del bus. así como el poder. asegúrese de que todo se asiente bien. Si su área está húmeda, pruebe con grasa de conector de silicona en los componentes. el 8200 uf debería amortiguar cualquier fluctuación grave agregue un par de 10 ufs aquí y allá con grandes circuitos. No hay nada en este circuito que requiera heroicidad en la línea de banda de microondas.

puede intentar comenzar de nuevo y monitorear el flujo de corriente y el voltaje a medida que agrega componentes del circuito. Esto es tan simple que casi podría conectarlo en vivo. use una verruga de pared separada para la potencia del relé hasta que todo funcione.

Las inductancias parasitarias en los cables causan problemas con las corrientes repentinas de los chips digitales. algunas personas ponen condensadores de derivación entre los cables de alimentación y tierra de cada chip (si recuerdo de "Art of Electronics" hace 20 años, tuve una buena discusión al respecto)