Por que meu circuito é tão incrivelmente sensível à flutuação elétrica?

Recentemente, terminei de construir um circuito apresentado em um livro de eletrônica para iniciantes. Eu incluí a imagem da minha criação abaixo porque acho que ela pode se tornar relevante para a questão.

No início do processo de construção, as instruções especificadas para adicionar um capacitor de microfaradias "suavizante" a 100 devem ser colocadas exatamente onde os cabos da fonte de alimentação foram conectados à placa. Decidi não me preocupar com essa etapa, porque estava usando uma fonte de alimentação de qualidade, então não achei que precisasse desse capacitor de "suavização" (grande erro).

Não demorou muito para eu começar a experimentar um comportamento estranho e inexplicável do circuito estranho e, depois de muita solução de problemas e chegar a lugar nenhum, ocorreu-me adicionar o capacitor de suavização ao circuito. Assim que adicionei o capacitor ao circuito, os problemas desapareceram, mas me perguntei como é possível que esse capacitor tenha tanta importância, já que meus circuitos usam míseros 50 miliamperes de potência total e tenho o que considero um fonte de alimentação razoavelmente boa (Rigol DP832).

Para tornar as coisas mais interessantes, decidi afastar o capacitor de suavização do centro da placa para uma extremidade da placa e, para minha surpresa, os problemas começaram novamente. Por que uma diferença tão grande apenas colocando o capacitor em um lugar diferente no quadro?

Decidi adicionar um capacitor de microfarad 8200 mais robusto (82 vezes maior que o anterior), pensando que isso acabaria com todos os meus problemas, mas para minha surpresa mais uma vez, isso ainda não resolveu o problema. Na verdade, tive que mover o capacitor de volta para o centro da placa para fazer as coisas voltarem ao normal.

Esse não foi o único problema, mesmo com o capacitor em "posicionamento perfeito", tentei alimentar um pequeno relé mecânico usando a mesma energia do circuito e toda vez que o relé disparasse, meu circuito seria "reiniciado".

Portanto, a questão é: todos os circuitos são sensíveis até à menor mudança na flutuação elétrica? Ou o problema é devido às minhas habilidades de prototipagem de circuito de queijo e uma placa de ensaio ineficiente?

Os CI usados ​​no circuito são:

• NE555P (Temporizadores de precisão).
• CD4026BE (contadores / divisores de décadas em CMOS).

O capacitor recomendado é um buffer de chumbo longo, por assim dizer.

Mesmo se você tivesse uma fonte de alimentação perfeita, os cabos que atendem ao seu projeto estão longe de serem perfeitos. E isso não é culpa sua, é exatamente como os cabos são. Eu acredito que algum rapper escreveu uma música sobre isso ... Eu tenho certeza que era sobre cabos de qualquer maneira.

Seus cabos captam o ruído em primeiro lugar. Em segundo lugar, eles têm características tolas que você aprenderá mais adiante em algum momento com mais detalhes, mas basicamente para sinais de alta frequência (como os circuitos digitais fabricados), eles têm uma relutância muito alta em conduzir corrente, possivelmente apenas 50 mA. É difícil transportar esses sinais através de qualquer cabo. Você pode ver por enquanto os cabos demorando um pouco para reagir. Se você ligar uma corrente, eles levarão algum tempo para fornecer isso de forma constante; portanto, se você a alternar com frequência, começará a notar muito ruído na fonte de alimentação.

A adição desse capacitor permitirá que suas correntes de comutação de alta frequência sejam retiradas do capacitor, para que os cabos possam fornecer apenas a média de curto prazo, e os condutores CC normais sejam muito bons na média de curto prazo próximo a DC, eles podem fazer muitos amplificadores a isso e sua oferta também: todos felizes.

De fato, muitos guias de design para chips de gerenciamento de tensão ou reguladores de tensão especificam um capacitor de entrada de 2,2 μF, por exemplo, paralelo a 22 μF pontilhado ou maior, com um asterisco dizendo "se os cabos de alimentação de entrada forem maiores que X ou Y, independentemente da fonte de alimentação usada, adicione o capacitor de 22 μF (ou mais) para estabilidade e melhor rejeição de ruído ".

Pode até ser melhor manter o capacitor de 100 μF, porque o capacitor de 8200 μF terá uma resistência interna maior, a menos que também seja muito, muito maior fisicamente. A resistência interna de um capacitor determina como é bom remover a ondulação dos sinais de alta frequência e baixa corrente. Menor é melhor na maioria dos casos, com os primeiros capacitores de entrada como este. Mas, com os reguladores de tensão, isso nem sempre se aplica a todos os capacitores de entrada / saída, portanto, quando você os tiver cuidado! Mas isso não é por enquanto.

Você pode ficar feliz por nem tudo ser tão sensível, alternar lentamente ou digital de alta frequência; existem muitas coisas robustas que são muito menos sensíveis às reinicializações, mas muitas vezes ainda é uma boa idéia adicionar alguma capacitância se uma placa ou design é alimentado com fios ou às vezes até através de um conector entre as placas. Nem sempre tem que ser tão grande quanto 100 μF, mas um pouco para aliviar (trocadilho para o leitor mais intencionado). Não ter barulho para trabalhar é sempre melhor do que trabalhar com barulho.

A razão pela qual o capacitor entre os fios de energia e o circuito funciona melhor que o circuito entre os fios de energia e o capacitor é porque a indutância do traço (seja uma placa de circuito impresso ou placa de pão) limitará a resposta do capacitor, se você tiver energia. fios próximos, seu circuito solicitará que também forneça parte da corrente, o que causará os mesmos tipos de quedas, mas possível em uma ordem mais baixa. Você já está basicamente colocando seu ruído de comutação nos cabos e os cabos já reagem a ele. Quando seu ruído vê o capacitor primeiro, mesmo com alguma indutância nos traços, o ruído não entra nos cabos e não causa mais problemas, o que reduz o ruído que seu circuito vê por um fator muito maior.

Edit: Nota: A posição sobre capacitor acima é severamente simplificada em alguns aspectos, mas geralmente transmite a ideia suficientemente bem. Para esclarecer isso deve ser suficiente, mas há muitas dinâmicas em coisas como essa. Nos últimos anos, olhando para trás, você pode achar que isso é um pouco ausente. Mas você não precisa saber tudo isso agora. Isso serve.

O motivo de um relé, um capacitor e a energia compartilhada dar errado, ainda, é porque o pico de corrente do seu relé é muito grande para o capacitor ajudar e, em seguida, os cabos também não conseguem prosseguir ou porque o relé é liberado cria um pico de tensão. Uma solução poderia ser, se seu projeto puder lidar com uma queda de diodo:

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

D1 impede que qualquer coisa alimentada pelo DR832 roube energia do seu capacitor de buffer digital C1. O D2 evita que o relé produza ruído significativo em sua fonte e o D3 capta todos os picos de energia que o relé ainda faz quando você o desliga.

A combinação de tábuas de pão sem solda e fios longos é mortal, especialmente quando você chega a qualquer complexidade. Tente isso como um experimento: substitua todos os fios de terra e de energia por jumpers o mais curto possível. Idealmente, eles devem ser tão curtos que não haja folga neles. Além disso, coloque um capacitor de força para terra em cada IC e display. Use cerâmica de 0,1 uF para energia digital e eletrolíticos de 1-10 uF de tântalo para a energia analógica. Em todos os casos, faça as conexões o mais próximo possível dos pinos de energia. É melhor se você nem usar jumpers extras - basta conectar os fios da tampa ao lado dos pinos do IC.

Finalmente, notei que você tem três tábuas de pão unidas. Além das conexões de energia e terra na parte superior de cada placa de ensaio, execute jumpers curtos logo abaixo dos seus CIs, conectando os aterramentos e os barramentos de força, para que as conexões formem uma grade retangular.

As placas de ensaio possuem capacitores parasitas (na ordem de pF) e indutores (na ordem de nH) que podem formar osciladores com seus componentes ativos. Como esses parasitas são muito pequenos, a frequência de oscilação é grande. Por esse motivo, às vezes você vê "ruído" em um circuito da placa de ensaio.

Observe que, mesmo se você tivesse uma fonte de tensão ideal, diretamente na placa de ensaio, ainda veria esse efeito. Fios longos correndo pela tábua de pão também aumentam a chance de oscilação indesejada. Colocar um capacitor próximo ao componente ativo evita essas oscilações, porque em altas frequências os capacitores são caminhos de baixa impedância.

Muitas vezes, um circuito que se comporta estranhamente na tábua de pão é perfeitamente bom quando realizado em uma PCB, porque nesse caso você se livra dos parasitas.

... toda vez que o relé disparava, meu circuito "reiniciava".

Um comentário rápido e demorado sobre o diodo "amortecedor" D3 que é (ou deveria estar) em paralelo na bobina do relé RLY1 (veja a figura esquemática na resposta de @ Asmyldof).

Se esse diodo estiver instalado ao contrário - ou seja, se o fio do ânodo (+) estiver conectado ao trilho de +5 VCC (ou seja, o terminal de saída '+' do Rigol), então quando o transistor N-MOS M1 for ativado, você ativará efetivamente alavanca (curto-circuito) os terminais de saída '+' e '-' da fonte de alimentação através de D3 e M1, o que definitivamente causaria a reinicialização do circuito. Especificamente, quando M1 LIGA e o trilho de +5 VCC entra em curto-circuito para aterrar através de D3 e M1, a tensão no trilho de +5 VCC cai para quase zero volts (tensão "marrom"), que desliga o microcontrolador (ou outro circuito de controle digital), momento em que a tensão no M1.GATE (possivelmente, consulte a nota 1) cai abaixo da tensão limite VGS (th) da fonte de porta do M1, desligando assim o M1. Agora que M1 está desativado, nos trilhos da fonte de alimentação é removido, o potencial no trilho de +5 VCC é restaurado para +5 VCC em relação à TERRA e a operação nominal do circuito é restaurada.

TL; DR. No seu circuito, verifique se o diodo amortecedor D3 está presente e se o fio catódico do D3 está conectado ao trilho de +5 VCC exatamente como mostrado no esquema de @ Asmyldof.

(Nota 1) Eu também instalaria um resistor pull-down de 10 kohm entre o gate e o terra do M1 como um plano de contingência para reduzir o M1.GATE (~ 0 VCC) quando nada mais estiver ativando ativamente o VGS de tensão de fonte do gate do M1. Lembre-se de que M1 é um MOSFET do modo de reforço do tipo N e, se VGS <VGS (th), o M1 será desligado. O trabalho do resistor pull-down, portanto, é criar uma tensão de porta-fonte padrão bem abaixo da tensão VGS (th) do M1 - ou seja, criar uma condição padrão de VGS << VGS (th) - quando nenhum outro circuito está ativando ativamente a tensão da porta-fonte no M1. (Especificamente, o resistor pull down fornece um meio de descarga para aterrar qualquer potencial diferente de zero no M1.GATE.)

Alguma elaboração mais aprofundada sobre o conceito de resistor pull down (ou pull up). Suponha que (1) nem um resistor de pull-down nem pull-up esteja conectado ao M1.GATE e (2) o pino de saída de E / S (DIO) digital de um microcontrolador esteja conectado ao M1.GATE. Pergunte a si mesmo esta pergunta: qual é o estado operacional do M1 quando o pino DIO do microcontrolador está configurado para o modo de alta impedância (HIGH-Z) - ou seja, quando os dois transistores de saída da unidade ativa do pino DIO estão desligados e o microcontrolador não está ativamente direcionando qualquer voltagem para M1.GATE. É quase como se o fio entre o pino DIO e o M1.GATE tivesse sido removido e agora o potencial no M1.GATE permaneça flutuandoem relação ao potencial do solo. Nesta situação, você não tem idéia do que é VGS. Para piorar a situação, quando o pino DIO está no modo HIGH-Z, qualquer campo elétrico / eletrostático, ruído do circuito etc. pode agora afetar o potencial do M1.GATE (ou seja, VGS) e literalmente fazer com que o M1 aleatoriamente ligar / desligar. A colocação de um resistor pull-down entre o M1.GATE e o terra ajuda a ancorar o VGS a uma voltagem padrão de ~ 0 VDC - que está bem abaixo do VGS (th) - quando nada mais está ativamente ativando uma voltagem no M1.GATE. (Observe que, se você quisesse que M1 estivesse LIGADO por padrão, conectaria um resistor pull-up entre M1.GATE e o trilho de +5 VCC. Isso pressupõe, é claro, que M1.VGS (th) << +5 VCC .)

TL; DR. Sempre que um MOSFET for usado como comutador, verifique se existe um resistor de pull-down ou pull-up para estabelecer uma tensão VGS padrão para o caso em que nenhum outro elemento do circuito esteja ativando ativamente a tensão VGS.

As razões para o comportamento estranho e inexplicável do seu circuito são:

1. Os circuitos digitais são muito "sensíveis" ao "ruído" elétrico.
2. As conexões de fiação do seu circuito deixam muito a desejar, mas o principal problema é o comprimento. Eles devem ser o mais curtos possível .
3. Capacitores de desacoplamento insuficientes. Um (.1uf) em cada pino de energia do IC e um no pino de entrada do primeiro estágio do contador.

você precisa colocar um escopo no cabo de alimentação e conectar a conexão à terra. sua suposição de que a fonte de alimentação é boa pode não estar correta. Também verifique se o chão do plugue banana está realmente indo para os pinos de ônibus. assim como o poder. verifique se tudo está bem. se sua área estiver úmida, tente usar graxa de conector de silicone nos componentes. o 8200 uf deve amortecer quaisquer flutuações sérias e adicionar alguns 10 ufs aqui e ali com grandes circuitos. não há nada sobre esse circuito que exija o heróico da linha de tiras de microondas.

você pode tentar recomeçar e monitorar o fluxo e a tensão atuais à medida que adiciona componentes de circuito. isso é tão simples que você quase pode conectá-lo ao vivo. use uma verruga de parede separada para a energia do relé até que tudo funcione.

as indutâncias parasitárias nos fios causam problemas com as correntes repentinas dos chips digitais. algumas pessoas colocam capacitores de desvio entre os fios de potência e o terra de cada chip (se bem me lembro de "Art of Electronics" há 20 anos, tivemos uma boa discussão sobre isso)