Mengapa sirkuit saya sangat sensitif terhadap fluktuasi listrik?

Saya baru-baru ini selesai membangun sirkuit yang dipamerkan di buku elektronik pemula. Saya telah memasukkan gambar kreasi saya di bawah ini karena saya pikir itu mungkin relevan dengan pertanyaan.

Pada awal proses pembuatan, instruksi yang ditentukan untuk menambahkan kapasitor 100 mikrofarad "smoothing" untuk ditempatkan tepat di tempat kabel catu daya terhubung ke papan. Saya memutuskan untuk tidak repot dengan langkah itu karena saya menggunakan catu daya berkualitas sehingga saya tidak berpikir saya membutuhkan kapasitor "smoothing" (kesalahan besar).

Tidak lama kemudian saya mulai mengalami perilaku sirkuit aneh yang aneh dan tidak dapat dijelaskan dan setelah banyak pemecahan masalah dan tidak berhasil, terpikir oleh saya untuk menambahkan kapasitor smoothing ke sirkuit. Segera setelah saya menambahkan kapasitor ke sirkuit, masalahnya hilang, tetapi saya mendapati diri saya bertanya-tanya bagaimana mungkin kapasitor seperti itu sangat penting mengingat bahwa rangkaian saya menggunakan 50 miliamp daya total yang sangat kecil dan saya memiliki apa yang saya pikir merupakan catu daya yang cukup baik (Rigol DP832).

Untuk membuat masalah lebih menarik, saya memutuskan untuk memindahkan kapasitor smoothing dari pusat papan ke satu ujung papan dan mengejutkan saya masalah mulai lagi. Mengapa ada perbedaan besar hanya dengan menempatkan kapasitor di tempat yang berbeda di papan tulis?

Saya memutuskan untuk menambahkan kapasitor 8200 microfarad yang lebih besar (yang 82 kali lebih besar dari yang sebelumnya) berpikir bahwa ini akan mengakhiri semua masalah saya tetapi sekali lagi mengejutkan saya, itu masih tidak memperbaiki masalah. Saya benar-benar harus memindahkan kapasitor kembali ke tengah papan untuk membuat semuanya kembali normal.

Itu bukan satu-satunya masalah, bahkan dengan kapasitor dalam "penempatan sempurna", saya mencoba menyalakan relay mekanik kecil dengan menggunakan daya yang sama dari sirkuit dan setiap kali relay memicu sirkuit saya akan "reboot".

Jadi pertanyaannya adalah, apakah semua rangkaian sensitif terhadap perubahan fluktuasi listrik sekecil apa pun? Atau apakah masalahnya karena keterampilan prototipe sirkuit murahan dan papan tempat memotong roti yang tidak efisien?

IC yang digunakan dalam rangkaian adalah:

• NE555P (Presers Timers).
• CD4026BE (Penghitung / Pembagi Dekade CMOS).

Kapasitor yang disarankan adalah penyangga bertanggal panjang, jadi bisa dikatakan.

Bahkan jika Anda memiliki catu daya yang sempurna, kabel yang berjalan sesuai desain Anda jauh dari sempurna. Dan itu bukan salahmu, hanya bagaimana kabelnya. Saya percaya beberapa rapper menulis lagu tentang itu ... Saya cukup yakin itu tentang kabel.

Kabel Anda terlebih dahulu menangkap suara. Kedua mereka memiliki karakteristik konyol yang akan Anda pelajari nanti di beberapa titik secara lebih rinci, tetapi pada dasarnya untuk sinyal frekuensi tinggi (seperti merek sirkuit digital) mereka memiliki keengganan yang sangat tinggi untuk melakukan arus, bahkan mungkin hanya 50 mA. Sinyal-sinyal itu sulit diangkut melalui kabel apa pun. Anda dapat melihatnya untuk saat ini karena kabel agak lambat bereaksi. Jika Anda menghidupkan arus, mereka akan membutuhkan waktu untuk menyediakannya secara terus-menerus, jadi jika Anda sering menyalakannya, Anda akan mulai melihat banyak kebisingan pada catu daya.

Menambahkan kapasitor akan memungkinkan arus switching frekuensi tinggi Anda diambil dari kapasitor, sehingga kabel dapat memasok hanya rata-rata jangka pendek, dan sadapan DC normal sangat baik untuk rata-rata jangka pendek dekat-DC, mereka dapat melakukan banyak ampli pada itu dan begitu juga persediaan Anda: Semua orang senang.

Bahkan, banyak panduan desain untuk manajemen tegangan atau chip pengatur tegangan menentukan kapasitor input 2,2 μF, misalnya, sejajar dengan 22 μF atau lebih besar, dengan tanda bintang "jika kabel daya yang masuk lebih panjang dari X atau Y, terlepas dari catu daya yang digunakan, tambahkan kapasitor 22 μF (atau lebih) untuk stabilitas dan penolakan kebisingan yang lebih baik ".

Bahkan mungkin lebih baik untuk mempertahankan kapasitor 100 μF, karena kapasitor 8200 μF akan memiliki resistansi internal yang lebih besar, kecuali secara fisik juga jauh, jauh lebih besar. Resistansi internal kapasitor menentukan seberapa baik dalam menghilangkan riak sinyal frekuensi tinggi arus rendah. Lebih kecil lebih baik dalam banyak kasus dengan kapasitor input pertama seperti ini. Tapi, dengan regulator tegangan, itu tidak selalu berlaku untuk semua kapasitor input / output, jadi setelah Anda sampai pada mereka waspada! Tapi itu bukan untuk sekarang.

Anda bisa bahagia karena tidak semuanya menjadi sensitif, bertukar lambat atau digital frekuensi tinggi sama, ada banyak hal kuat yang jauh lebih tidak sensitif untuk reboot, tetapi sering kali masih merupakan ide yang sangat bagus untuk menambahkan beberapa kapasitansi jika papan atau desain diaktifkan dengan kabel atau kadang-kadang bahkan melalui konektor antara papan. Itu tidak selalu harus sebesar 100 μF, tetapi sedikit untuk mengambil tepi (pun untuk pembaca yang lebih lapuk dimaksudkan). Tidak memiliki kebisingan untuk bekerja selalu lebih baik daripada harus bekerja dengan kebisingan.

Alasan kapasitor antara kabel daya dan sirkuit bekerja lebih baik daripada sirkuit antara kabel daya dan kapasitor adalah karena induktansi jejak (apakah itu PCB atau papan roti) akan membatasi respons kapasitor, jika Anda kemudian memiliki daya kabel di dekatnya, sirkuit Anda akan meminta mereka untuk memasok beberapa arus juga, yang akan menyebabkan jenis dips yang sama, tetapi mungkin dalam urutan yang lebih rendah. Anda pada dasarnya sudah menempatkan kebisingan switching Anda ke kabel dan kabel sudah bereaksi. Ketika kebisingan Anda melihat kapasitor terlebih dahulu, bahkan dengan beberapa induktansi di jejak, kebisingan tidak akan masuk ke kabel dan tidak menyebabkan masalah lebih lanjut, yang mengurangi kebisingan sirkuit Anda dilihat oleh faktor yang jauh lebih besar.

Sunting: Catatan: Di atas tentang posisi kapasitor sangat disederhanakan dalam beberapa hal, tetapi umumnya menyampaikan gagasan dengan cukup baik. Untuk mengklarifikasi itu sudah cukup, tetapi ada banyak dinamika untuk hal-hal seperti ini. Di tahun-tahun berikutnya melihat ke belakang, Anda mungkin menemukan ini agak kurang. Tetapi Anda tidak perlu tahu semua itu sekarang. Ini akan dilakukan.

Alasan dengan relay dan kapasitor dan berbagi daya hal-hal yang salah, masih, adalah karena lonjakan relay Anda saat ini terlalu besar untuk kapasitor untuk membantu dan kemudian kabel tidak dapat mengikuti, atau karena rilis relay menciptakan lonjakan tegangan. Sebuah solusi bisa jadi, jika desain Anda dapat menangani diode-drop:

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

D1 mencegah apa pun yang ditenagai oleh DR832 dari mencuri daya dari kapasitor buffer digital C1 Anda. D2 mencegah relai membuat gangguan signifikan pada pasokan Anda dan D3 menangkap daya apa pun yang membuat relai masih menyala saat Anda mematikannya.

Kombinasi papan tempat memotong roti tanpa solder dan kabel panjang sangat mematikan, terutama saat Anda mengalami kesulitan. Cobalah ini sebagai percobaan: ganti semua kabel ground dan power Anda dengan jumper yang sesingkat mungkin. Idealnya, mereka harus sangat pendek sehingga tidak ada kendur sama sekali. Juga, pasang kapasitor dari daya ke ground di setiap IC dan display. Gunakan 0,1 uF keramik untuk daya digital, dan 1-10 uF tantalum electrolytics untuk daya analog. Dalam semua kasus, buat koneksi sedekat mungkin dengan pin daya. Lebih baik jika Anda bahkan tidak menggunakan jumper tambahan - cukup tancapkan tutup kap di sebelah pin IC.

Akhirnya, saya perhatikan Anda memiliki 3 papan tempat memotong roti digabung bersama. Selain koneksi daya dan ground di bagian atas setiap papan tempat memotong roti, jalankan jumper pendek tepat di bawah IC Anda yang menghubungkan pekarangan dan bus listrik bersama-sama, sehingga koneksi membentuk grid persegi panjang.

Breadboard memiliki kapasitor parasit (dalam urutan pF) dan induktor (dalam urutan nH) yang dapat membentuk osilator dengan komponen aktif Anda. Karena parasit ini sangat kecil, frekuensi osilasinya besar. Untuk alasan ini kadang-kadang Anda melihat "noise" di sirkuit papan tempat memotong roti.

Perhatikan bahwa, bahkan jika Anda memiliki sumber tegangan ideal, tepat di papan tempat memotong roti, Anda masih akan melihat efek ini. Kabel panjang yang berjalan di sekitar papan tempat memotong roti juga meningkatkan kemungkinan osilasi yang tidak diinginkan. Menempatkan kapasitor dekat dengan komponen aktif mencegah osilasi ini, karena pada frekuensi tinggi kapasitor adalah jalur impedansi rendah.

Sering kali, sirkuit yang berperilaku aneh di papan tempat memotong roti baik-baik saja ketika direalisasikan pada PCB, karena dalam kasus itu Anda menyingkirkan parasit.

... setiap kali relay memicu sirkuit saya akan "reboot".

Sebuah cepat komentar panjang-tele mengenai "snubber" dioda D3 yang (atau seharusnya) secara paralel di koil relay RLY1 (lihat gambar skema di balasan @ Asmyldof ini).

Jika dioda itu dipasang mundur - yaitu, jika dioda anoda (+) kabel terhubung ke +5 VDC rail (yaitu, terminal keluaran '+' Rigol), maka ketika transistor N-MOS M1 menyala Anda akan secara efektif crowbar (korsleting) terminal keluaran '+' dan '-' catu daya melalui D3 dan M1, yang pasti akan menyebabkan sirkuit "reboot". Khususnya, ketika M1 AKTIF dan +5 VDC rel hubung singkat ke tanah melalui D3 dan M1, tegangan pada rel +5 VDC turun mendekati nol volt (tegangan "kecoklatan"), yang mematikan mikrokontroler (atau lainnya sirkuit kontrol digital), pada titik mana tegangan pada M1.GATE (mungkin, lihat catatan 1) turun di bawah ambang-sumber tegangan ambang gerbang M1 VGS (th), dengan demikian mematikan M1 OFF. Sekarang M1 OFF, melintasi rel catu daya dihapus, potensi pada rel +5 VDC mengembalikan ke +5 VDC relatif terhadap GROUND, dan operasi sirkuit nominal dipulihkan.

TL; DR. Di sirkuit Anda, pastikan bahwa dioda snubber D3 hadir, dan bahwa ujung katoda D3 terhubung ke rel +5 VDC persis seperti yang ditunjukkan dalam skema @ Asmyldof.

(Catatan 1) Saya juga akan memasang resistor tarik turun 10 kohm antara gerbang dan tanah M1 sebagai rencana kontingensi untuk membawa M1.GATE rendah (~ 0 VDC) ketika tidak ada lagi yang secara aktif menggerakkan tegangan gerbang-sumber M1 VGS. Ingatlah bahwa M1 adalah mode penguatan tipe N MOSFET, dan jika VGS <VGS (th) maka M1 akan mati. Tugas pull down resistor, oleh karena itu, adalah untuk menciptakan sumber tegangan gerbang standar yang jauh di bawah tegangan V1 (th) M1 - yaitu, untuk membuat kondisi default VGS << VGS (th) - ketika tidak ada sirkuit lain aktif menggerakkan tegangan sumber gerbang pada M1. (Khususnya, resistor pull down menyediakan cara pemakaian untuk meng-ground-kan potensi non-nol pada M1.GATE.)

Beberapa elaborasi lebih lanjut tentang konsep resistor pull down (atau pull up). Asumsikan (1) tidak ada resistor pull down atau pull up yang terhubung ke M1.GATE, dan (2) pin output I / O (DIO) digital mikrokontroler terhubung ke M1.GATE. Tanyakan kepada diri Anda pertanyaan ini: apa keadaan operasi M1 ketika pin DIO mikrokontroler dikonfigurasi untuk mode impedans tinggi (HIGH-Z) - yaitu, ketika kedua transistor output drive aktif DIO pin dimatikan dan mikrokontroler tidak aktif mengemudi tegangan apa pun ke M1.GATE. Ini hampir seolah-olah kawat antara pin DIO dan M1.GATE telah dihapus dan sekarang potensi pada M1.GATE dibiarkan mengambangrelatif terhadap potensi tanah. Dalam situasi ini Anda tidak tahu apa itu VGS. Lebih buruk lagi, ketika pin DIO dalam mode HIGH-Z ini, medan listrik / elektrostatik terdekat, kebisingan sirkuit, dll. Sekarang dapat mempengaruhi potensi pada M1.GATE (yaitu, VGS) dan secara harfiah dapat menyebabkan M1 secara acak hidupkan / matikan. Menempatkan pull down resistor antara M1.GATE dan tanah membantu untuk jangkar VGS pada tegangan default ~ 0 VDC - yang jauh di bawah VGS (th) - ketika tidak ada lagi yang activly mengemudi tegangan ke M1.GATE. (Catatan bahwa jika Anda ingin M1 menjadi ON secara default, Anda malah akan menghubungkan menarik resistor antara M1.GATE dan 5 VDC rel. Ini mengasumsikan, tentu saja, bahwa M1.VGS (th) << 5 VDC .)

TL; DR. Setiap kali MOSFET digunakan sebagai sakelar, pastikan ada pull down atau pull up resistor untuk menetapkan tegangan VGS default untuk case di mana tidak ada elemen rangkaian lain yang secara aktif menggerakkan voltase VGS.

Alasan perilaku aneh dan tidak dapat dijelaskan di sirkuit Anda adalah:

1. Sirkuit digital sangat "sensitif" terhadap "noise" listrik.
2. Sambungan kabel sirkuit Anda meninggalkan banyak yang diinginkan, tetapi masalah utama adalah panjangnya. Mereka harus sesingkat mungkin .
3. Kapasitor decoupling tidak cukup. Satu (.1 uF) pada setiap pin daya IC, dan satu pada pin input pada tahap penghitung pertama.

Anda perlu menempatkan ruang pada kabel listrik dan bug koneksi tanah. asumsi Anda bahwa catu daya baik mungkin tidak benar. juga pastikan tanah di colokan pisang benar-benar pergi ke pin buss. serta kekuatan. pastikan semuanya duduk dengan baik. jika area Anda lembab, cobalah pelumas konektor silikon pada komponen. uf 8200 harus melindungi setiap fluktuasi serius menambahkan beberapa uf 10 di sana-sini dengan sirkuit besar. tidak ada tentang sirkuit ini yang membutuhkan garis kepahlawanan jalur microwave.

Anda dapat mencoba memulai dari awal, dan memantau arus dan tegangan saat Anda menambahkan komponen sirkuit. ini sangat sederhana sehingga Anda hampir bisa menyambungkannya langsung. gunakan kutil dinding yang terpisah untuk daya relai sampai semuanya bekerja.

Induktansi parasit pada kabel menyebabkan masalah dengan arus chip digital yang tiba-tiba. beberapa orang meletakkan kapasitor bypass antara power dan ground lead dari masing-masing chip (jika saya ingat dari "Seni Elektronik" 20 tahun yang lalu memiliki diskusi yang bagus tentang itu)