为什么我的电路对电波动如此敏感?

电器工程 电源 集成电路 稳定
2022-01-25 00:35:32

我最近完成了在初学者电子书中展示的电路。我在下面包含了我的创作图片,因为我认为它可能与问题相关。

带有许多电线的面包板上的电路图片

在构建过程开始时,指定添加一个“平滑”100 微法电容器的说明将放置在电源电缆与电路板连接的位置。我决定不打扰这一步,因为我使用的是优质电源,所以我认为我不需要那个“平滑”电容器(大错特错)。

不久之后,我开始遇到奇怪和莫名其妙的奇怪电路行为,经过大量故障排除后无处可去,我想到在电路中添加平滑电容器。一旦我将电容器添加到电路中,问题就消失了,但我发现自己想知道这样一个电容器怎么可能如此重要,因为我的电路使用了区区 50 毫安的总功率,而我有一个我认为是相当好的电源(Rigol DP832)。

为了使事情更有趣,我决定将平滑电容器从电路板的中心移到电路板的一端,令我惊讶的是,问题又出现了。为什么仅仅将电容器放在电路板上的不同位置会有如此大的差异?

我决定添加一个更强大的 8200 微法电容器(比之前的电容器大 82 倍),以为这样可以解决我所有的问题,但令我惊讶的是,这仍然没有解决问题。实际上,我不得不将电容器移回电路板的中心,以使一切恢复正常。

这不是唯一的问题,即使电容器“完美放置”,我也尝试使用来自电路的相同电源为小型机械继电器供电,每次继电器触发我的电路时都会“重新启动”。

所以问题是,所有电路都对电波动的最小变化敏感吗?还是由于我俗气的电路原型制作技巧和低效的面包板造成的问题?

电路中使用的IC有:

  • NE555P(精密计时器)。
  • CD4026BE(CMOS 十进制计数器/分频器)。
4个回答

可以说,建议的电容器是一个长引线缓冲器。

即使您有一个完美的电源,连接到您的设计的电缆也远非完美。这不是你的错,这只是电缆的问题。我相信有些说唱歌手为此写了一首歌曲……无论如何,我很确定那是关于电缆的。

您的电缆首先会拾取噪音。其次,它们具有愚蠢的特性,稍后您将在某些时候更详细地了解它们,但基本上对于高频信号(例如数字电路制造),它们具有非常高的传导电流的抗性,甚至可能只有 50 mA。这些信号很难通过任何电缆传输。您现在可以看到它,因为电缆的反应有点慢。如果您打开电流,它们将需要一些时间来稳定地供电,因此如果您经常切换它,您会开始注意到电源上有很多噪音。

添加该电容器将使您的高频开关电流从电容器中获取,因此电缆可以仅提供短期平均值,并且正常的直流引线非常适合于近直流的短期平均值,它们可以在你的供应也可以:每个人都开心。

事实上,许多电压管理或稳压器芯片的设计指南都指定了 2.2 μF 的输入电容,例如,与 22 μF 或更大的虚线并联,并带有星号表示“如果输入的电源线长于 X 或 Y,无论使用何种电源,添加 22 μF(或更大)电容器以提高稳定性和更好的噪声抑制”。

保留 100 μF 电容可能会更好,因为 8200 μF 电容将具有更大的内阻,除非它在物理上也大得多。电容器的内阻决定了它在消除低电流高频信号纹波方面的能力。在大多数情况下,像这样的第一个输入电容器越小越好。但是,对于稳压器,这并不总是适用于所有输入/输出电容器,所以一旦你接触到这些电容器,请当心!但这不是现在。

您可能会对并非所有东西都如此敏感,缓慢切换或高频数字一样感到高兴,有许多强大的东西对重启不太敏感,但如果电路板或设计添加一些电容通常仍然是一个非常好的主意由电线供电,有时甚至通过板之间的连接器供电。它并不总是必须像 100 μF 一样大,但需要一点点来消除边缘(双关语适用于更受风化的读者)。没有噪音工作总是比不得不有噪音工作要好。

电源线和电路之间的电容器比电源线和电容器之间的电路工作得更好的原因是因为走线电感(无论是PCB还是面包板)会限制电容器的响应,如果你有电的话附近的电线,您的电路也会要求它们提供一些电流,这将导致相同类型的下降,但可能以较低的顺序。您基本上已经将开关噪声放在电缆上,并且电缆已经对其做出反应。当您的噪声首先看到电容器时,即使走线中有一些电感,噪声也不会进入电缆,也不会引起任何进一步的问题,从而大大降低了电路看到的噪声。

编辑:注意:以上关于电容器位置的内容在某些方面被严重简化,但它通常很好地传达了这个想法。澄清一下就足够了,但是这样的事情有很多动态。晚年回头看,你可能会觉得这有点欠缺。但你现在不需要知道所有这些。这会做。

继电器和电容器以及共享电源出现问题的原因仍然是因为继电器的电流尖峰太大而电容器无法帮助,然后电缆也跟不上,或者因为继电器释放产生电压尖峰。如果您的设计可以处理二极管压降,一个解决方案可能是:

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

D1 防止任何由 DR832 供电的东西从您的数字缓冲电容器 C1 窃取电力。D2 可防止继电器在您的电源上产生任何明显的噪音,而 D3 可捕捉继电器在您关闭时仍会产生的任何电源尖峰。

无焊面包板和长电线的组合是致命的,尤其是当您遇到任何复杂问题时。试试这个作为实验:用尽可能短的跳线替换所有地线和电源线。理想情况下,它们应该很短,以至于它们完全没有松弛。此外,在每个IC 和显示器的电源和地之间放置一个电容器。数字电源使用 0.1 uF 陶瓷,模拟电源使用 1-10 uF 钽电解液。在所有情况下,尽可能使连接靠近电源引脚。最好不要使用额外的跳线 - 只需将帽引线插入 IC 引脚旁边。

最后,我注意到你有 3 个面包板组合在一起。除了每个面包板顶部的电源和接地连接之外,在您的 IC 下方运行短跳线,将接地和电源总线连接在一起,以便连接形成一个矩形网格。

面包板有寄生电容器(pF 数量级)和电感器(nH 数量级),它们可以与您的有源组件形成振荡器。由于这些寄生效应很小,所以振荡频率很大。出于这个原因,有时您会在面包板电路上看到“噪音”。

请注意,即使您有一个理想的电压源,就在面包板上,您仍然会看到这种效果。绕面包板运行的长电线也会增加不必要的振荡的机会。在有源元件附近放置一个电容器可以防止这些振荡,因为在高频下,电容器是低阻抗路径。

很多时候,一个在面包板上表现怪异的电路在 PCB 上实现时完全没问题,因为在这种情况下,你摆脱了寄生效应。

...每次继电器触发我的电路都会“重新启动”。

关于“缓冲”二极管 D3的快速冗长评论,它(或应该)并联在继电器 RLY1 的线圈上(参见@Asmyldof 回复中的示意图)。

如果该二极管反向安装——即,如果二极管的阳极 (+) 引线连接到 +5 VDC 电源轨(即 Rigol 的“+”输出端),那么当 N-MOS 晶体管 M1 导通时,您将有效地Crowbar(短路)电源的'+'和'-'输出端子通过D3和M1,这肯定会导致电路“重新启动”。具体来说,当 M1 打开且 +5 VDC 导轨通过 D3 和 M1 对地短路时,+5 VDC 导轨上的电压下降到接近零伏(电压“断电”),从而关闭微控制器(或其他数字控制电路),此时 M1.GATE 上的电压(可能见注 1)降至 M1 的栅源阈值电压 VGS(th) 以下,从而关闭 M1。现在 M1 关闭,跨电源轨的电压被移除,+5 VDC 轨上的电位恢复到相对于 GROUND 的 +5 VDC,并且恢复了标称电路操作。

TL;博士。在您的电路中,确保缓冲二极管 D3 存在,并且 D3 的阴极引线完全按照@Asmyldof 的原理图所示连接到 +5 VDC 导轨。

(注 1)我还将在 M1 的栅极和地之间安装一个 10 kohm下拉电阻,作为应急计划,当没有其他东西主动驱动 M1 的栅极-源极电压 VGS 时,将 M1.GATE 拉低(~0 VDC)。回想一下,M1 是一个 N 型增强模式 MOSFET,如果 VGS < VGS(th),则 M1 将关闭。因此,下拉电阻的工作是创建一个远低于 M1 的 VGS(th) 电压的默认栅源电压 - 即,在没有其他电路时创建 VGS << VGS(th) 的默认条件正在积极驱动 M1 上的栅源电压。(具体来说,下拉电阻提供了一种将 M1.GATE 上的任何非零电位放电到接地的方法。)

关于下拉(或上拉)电阻器概念的一些进一步阐述。假设 (1) 下拉电阻器和上拉电阻器均未连接到 M1.GATE,并且 (2) 微控制器的数字 I/O (DIO) 输出引脚连接到 M1.GATE。问自己这个问题:当微控制器的 DIO 引脚配置为高阻抗 (HIGH-Z) 模式时,M1 的工作状态是什么 - 即,当 DIO 引脚的两个有源驱动输出晶体管都关闭且微控制器不活跃时将任何电压驱动到 M1.GATE 上。就好像 DIO 引脚和 M1.GATE 之间的导线被移除了,现在 M1.GATE 上的电位悬空相对于地电位。在这种情况下,您不知道 VGS 是什么。更糟糕的是,当 DIO 引脚处于这种 HIGH-Z 模式时,任何附近的电场/静电场、电路噪声等现在都可以影响 M1.GATE 上的电位(即 VGS),并且可以真正导致 M1 随机打开/关闭。在 M1.GATE 和地之间放置一个下拉电阻有助于将VGS锚定在 ~0 VDC 的默认电压——远低于 VGS(th)——当没有其他东西主动将电压驱动到 M1.GATE 上时。(请注意,如果您希望 M1 默认为 ON,则改为在 M1.GATE 和 +5 VDC 轨之间连接一个上拉电阻。当然,这假设 M1.VGS(th) << +5 VDC .)

TL;博士。每当 MOSFET 用作开关时,确保下拉或上电阻器到位,以便在没有其他电路元件主动驱动 VGS 电压的情况下建立默认 VGS 电压。