Warum ist meine Schaltung so unglaublich empfindlich gegenüber elektrischen Schwankungen?

Der empfohlene Kondensator ist sozusagen ein Long-Lead-Puffer.

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

Ihre Kabel nehmen zunächst Rauschen auf. Zweitens haben sie alberne Eigenschaften, über die Sie später irgendwann ausführlicher erfahren werden, aber im Grunde haben sie für Hochfrequenzsignale (wie digitale Schaltungen) einen sehr hohen Widerstand, Strom zu leiten, möglicherweise sogar nur 50 mA. Diese Signale lassen sich nur schwer über irgendein Kabel transportieren. Sie können es vorerst daran erkennen, dass die Kabel etwas langsam reagieren. Wenn Sie einen Strom einschalten, dauert es einige Zeit, bis dieser konstant geliefert wird. Wenn Sie ihn also häufig umschalten, werden Sie anfangen, viel Rauschen an der Stromversorgung zu bemerken.

Durch das Hinzufügen dieses Kondensators können Ihre hochfrequenten Schaltströme aus dem Kondensator entnommen werden, sodass die Kabel nur den Kurzzeitdurchschnitt liefern können, und normale DC-Leitungen sind im Kurzzeitdurchschnitt nahe DC sehr gut, sie können viele Ampere verbrauchen das und so kann Ihr Angebot: Alle glücklich.

Tatsächlich spezifizieren viele Designleitfäden für Spannungsmanagement- oder Spannungsreglerchips einen Eingangskondensator von beispielsweise 2,2 μF parallel zu gepunkteten 22 μF oder mehr, mit einem Sternchen, das besagt: „Wenn die eingehenden Stromkabel länger als X oder Y sind, Fügen Sie unabhängig von der verwendeten Stromversorgung den 22-μF-Kondensator (oder mehr) für Stabilität und bessere Rauschunterdrückung hinzu.

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 physisch viel, viel größer. Der Innenwiderstand eines Kondensators bestimmt, wie gut er die Welligkeit von Niedrigstrom-Hochfrequenzsignalen aufnimmt. Kleiner ist in den meisten Fällen besser bei ersten Eingangskondensatoren wie diesem. Bei Spannungsreglern gilt dies jedoch nicht immer für alle Eingangs-/Ausgangskondensatoren, also passen Sie auf, wenn Sie zu diesen kommen! Aber das ist noch nicht der Fall.

Sie können sich darüber freuen, dass nicht alles so empfindlich, langsam schaltend oder hochfrequent digital ist, es gibt viele robuste Dinge, die viel weniger empfindlich auf Neustarts reagieren, aber es ist oft immer noch eine sehr gute Idee, etwas Kapazität hinzuzufügen, wenn eine Platine oder ein Design verwendet wird wird über Kabel oder manchmal sogar über einen Stecker zwischen den Platinen mit Strom versorgt. Es muss nicht immer so groß wie 100 μF sein, aber ein wenig, um die Schärfe zu verringern (Wortspiel für den verwitterten Leser beabsichtigt). Keinen Lärm zu haben ist immer besser als mit Lärm arbeiten zu müssen.

Der Kondensator zwischen den Stromkabeln und dem Stromkreis funktioniert besser als der Stromkreis zwischen den Stromkabeln und dem Kondensator, weil die Leiterbahninduktivität (ob es sich um eine Leiterplatte oder eine Steckplatine handelt) die Reaktion des Kondensators begrenzt, wenn Sie dann Strom haben Drähte in der Nähe, wird Ihr Schaltkreis sie auffordern, auch einen Teil des Stroms zu liefern, was die gleichen Arten von Einbrüchen verursacht, aber möglicherweise in einer niedrigeren Reihenfolge. Sie legen Ihr Schaltgeräusch im Grunde schon auf die Kabel und die Kabel reagieren bereits darauf. Wenn Ihr Rauschen zuerst den Kondensator sieht, selbst mit einer gewissen Induktivität in den Spuren, wird das Rauschen nicht in die Kabel gelangen und keine weiteren Probleme verursachen, wodurch das Rauschen, das Ihre Schaltung sieht, um einen viel größeren Faktor reduziert wird.

Bearbeiten: Hinweis: Das obige über die Kondensatorposition ist in mancher Hinsicht stark vereinfacht, vermittelt aber im Allgemeinen die Idee gut genug. Es sollte ausreichen, es zu verdeutlichen, aber solche Dinge haben viele Dynamiken. In späteren Jahren, wenn Sie zurückblicken, werden Sie vielleicht feststellen, dass dies ein wenig fehlt. Aber das müssen Sie jetzt nicht alles wissen. Das wird es tun.

Der Grund, warum bei einem Relais und einem Kondensator und gemeinsamer Stromversorgung immer noch etwas schief geht, ist, dass die Stromspitze Ihres Relais zu groß ist, als dass der Kondensator helfen könnte, und dann können die Kabel auch nicht mithalten, oder weil das Relais auslöst erzeugt eine Spannungsspitze. Eine Lösung könnte sein, wenn Ihr Design mit einem Diodenabfall umgehen kann:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

D1 verhindert, dass alles, was vom DR832 betrieben wird, Strom von Ihrem digitalen Pufferkondensator C1 stiehlt. D2 verhindert, dass das Relais signifikante Geräusche an Ihrer Versorgung macht, und D3 fängt alle Stromspitzen ab, die das Relais immer noch macht, wenn Sie es ausschalten.

Die Kombination aus lötfreien Steckbrettern und langen Drähten ist tödlich, besonders wenn es um Komplexität geht. Versuchen Sie dies als Experiment: Ersetzen Sie alle Ihre Masse- und Stromkabel durch möglichst kurze Jumper. Idealerweise sollten sie so kurz sein, dass sie überhaupt nicht durchhängen. Legen Sie außerdem an jedem IC und Display einen Kondensator von der Stromversorgung zur Masse. Verwenden Sie 0,1-uF-Keramik für die digitale Stromversorgung und 1-10-uF-Tantal-Elektrolyten für die analoge Stromversorgung. Stellen Sie die Verbindungen in jedem Fall so nah wie möglich an den Stromanschlüssen her. Es ist am besten, wenn Sie nicht einmal zusätzliche Jumper verwenden - stecken Sie einfach die Kappenkabel neben den IC-Pins.

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

Steckbretter 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 Oszillationsfrequenz groß. Aus diesem Grund sehen Sie 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 herumlaufen, erhöhen auch die Wahrscheinlichkeit unerwünschter Schwingungen. Die Platzierung 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 Sie in diesem Fall die Parasiten loswerden.

... jedes Mal, wenn das Relais ausgelöst wurde, würde meine Schaltung "neu starten".

Ein kurzer , langatmiger Kommentar zur "Snubber" -Diode D3, die parallel zur Spule des Relais RLY1 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 mit der +5 VDC-Schiene verbunden ist (dh dem „+“-Ausgangsanschluss des Rigol), dann werden Sie effektiv eingeschaltet, wenn der N-MOS-Transistor M1 eingeschaltet wird Brechstange (Kurzschluss) die Ausgangsklemmen '+' und '-' der Stromversorgung über D3 und M1, was definitiv zu einem "Neustart" der Schaltung führen würde. Insbesondere wenn M1 eingeschaltet wird und die +5-VDC-Schiene über D3 und M1 mit Masse kurzgeschlossen wird, fällt die Spannung auf der +5-VDC-Schiene auf nahezu null Volt ab (Spannung "brown out"), 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 fällt, wodurch M1 ausgeschaltet wird. Jetzt, da M1 AUS ist,über den Stromversorgungsschienen entfernt wird, wird das Potential auf der +5 VDC-Schiene auf +5 VDC relativ zu MASSE wiederhergestellt, und der nominale Schaltungsbetrieb wird wiederhergestellt.

TL;DR. Stellen Sie in Ihrer Schaltung sicher, dass die Überspannungsschutzdiode D3 vorhanden ist und dass die Kathodenleitung von D3 genau wie im Schaltplan von @Asmyldof gezeigt mit der +5-VDC-Schiene verbunden ist.

(Anmerkung 1) Ich würde auch einen 10-kOhm- Pulldown -Widerstand zwischen dem Gate von M1 und Masse als Notfallplan installieren, um M1.GATE auf einen niedrigen Wert (~ 0 VDC) zu bringen, wenn nichts anderes aktiv die Gate-Source-Spannung VGS von M1 antreibt. Erinnern Sie sich, dass M1 ein N-Typ-Enhamcement-Mode-MOSFET ist, und wenn VGS < VGS(th) dann M1 abschaltet. Die Aufgabe des Pulldown-Widerstands besteht daher darin, eine Standard-Gate-Source-Spannung zu erzeugen, die weit unter der VGS(th)-Spannung von M1 liegt, dh einen Standardzustand von VGS << VGS(th) zu schaffen, wenn keine andere Schaltung vorhanden ist treibt aktiv die Gate-Source-Spannung auf M1. (Insbesondere der Pulldown-Widerstand bietet eine Möglichkeit, jedes Nicht-Null-Potenzial auf M1.GATE auf Masse zu entladen.)

Einige weitere Ausarbeitungen zum Pulldown- (oder Pullup-)Widerstandskonzept. Angenommen, (1) weder ein Pull-down- noch ein Pull-up-Widerstand ist mit M1.GATE verbunden, und (2) ein digitaler I/O (DIO)-Ausgangsstift eines Mikrocontrollers ist mit M1.GATE verbunden. Stellen Sie sich folgende Frage: Wie ist der Betriebszustand von M1, wenn der DIO-Pin des Mikrocontrollers für den Modus mit hoher Impedanz (HIGH-Z) konfiguriert ist – dh wenn beide aktiven Treiberausgangstransistoren des DIO-Pins ausgeschaltet sind und der Mikrocontroller nicht aktiv ist Treiben einer beliebigen Spannung auf M1.GATE. Es ist fast so, als ob der Draht zwischen dem DIO-Pin und M1.GATE entfernt wurde und jetzt das Potenzial auf M1.GATE schweben gelassen wirdrelativ zum Massepotential. In dieser Situation haben Sie keine Ahnung, was VGS ist. Um die Sache noch schlimmer zu machen, wenn sich der DIO-Pin in diesem HIGH-Z-Modus befindet, können jetzt alle elektrischen/elektrostatischen Felder in der Nähe, Schaltungsrauschen usw. das Potenzial auf M1.GATE (dh VGS) beeinflussen und M1 buchstäblich dazu bringen, zufällig zu werden An / Ausschalten. Das Platzieren eines Pulldown -Widerstands zwischen M1.GATE und Masse hilft, VGS bei einer Standardspannung von ~0 VDC zu verankern – was deutlich unter VGS(th) liegt – wenn nichts anderes aktiv eine Spannung auf M1.GATE treibt. (Beachten Sie, dass Sie, wenn Sie möchten, dass M1 standardmäßig eingeschaltet ist, stattdessen einen Pull-up -Widerstand zwischen M1.GATE und der +5-VDC-Schiene anschließen würden. Dies setzt natürlich voraus, dass M1.VGS(th) << +5 VDC .)

TL;DR. Wenn ein MOSFET als Schalter verwendet wird, stellen Sie sicher, dass ein Pulldown- oder Pullup -Widerstand vorhanden ist, um eine VGS-Standardspannung für den Fall festzulegen, dass keine anderen Schaltungselemente aktiv die VGS-Spannung treiben.

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

1. Digitale Schaltungen sind sehr "empfindlich" gegenüber elektrischem "Rauschen".
2. Die Kabelverbindungen Ihrer Schaltung lassen zu wünschen übrig, aber das Hauptproblem ist ihre Länge. Sie sollten so kurz wie möglich sein .
3. Nicht genügend Entkopplungskondensatoren. Einer (.1uf) an jedem IC-Leistungspin und einer am Eingangspin der ersten Zählerstufe.

Sie müssen ein Zielfernrohr auf das Stromkabel setzen und die Masseverbindung abstecken. Ihre Annahme, dass die Stromversorgung in Ordnung ist, ist möglicherweise nicht korrekt. Stellen Sie außerdem sicher, dass der Boden des Bananensteckers tatsächlich zu den Buss-Pins geht. sowie die Macht. darauf achten, dass alles gut sitzt. Wenn Ihr Bereich feucht ist, versuchen Sie es mit etwas Silikon-Anschlussfett auf den Komponenten. Die 8200 uf sollten ernsthafte Schwankungen puffern, bei großen Schaltungen hier und da ein paar 10 ufs hinzufügen. Es gibt nichts an dieser Schaltung, das Heldentaten mit Mikrowellen-Streifenleitungen erfordert.

Sie können versuchen, von vorne zu beginnen und den Stromfluss und die Spannung zu überwachen, während Sie Schaltungskomponenten hinzufügen. Das ist so einfach, dass Sie es fast live verdrahten könnten. Verwenden Sie eine separate Wandwarze für die Relaisleistung, bis Sie alles zum Laufen gebracht haben.

Die parasitären Induktivitäten auf Drähten verursachen Probleme mit plötzlichen Strömen digitaler Chips. Einige Leute haben Bypass-Kondensatoren zwischen Strom- und Masseleitungen jedes Chips eingebaut (wenn ich mich an "Art of Electronics" erinnere, vor 20 Jahren hatte ich eine nette Diskussion darüber)