なぜ私の回路は電気変動に非常に敏感なのですか？

私は最近、初心者向けの電子書籍で紹介されている回路の構築を終えました。私はそれが質問に関連するかもしれないと思うので、私は以下に私の創造の写真を含めました。

ビルドプロセスの最初に、電源ケーブルがボードに接続された場所のすぐ近くに配置する「平滑化」100マイクロファラッドコンデンサを追加するように指示されました。高品質の電源を使用していたので、そのステップを気にしないことにしました。そのため、「平滑化」コンデンサが必要だとは思いませんでした（大きな間違い）。

奇妙で不可解な奇妙な回路動作を経験し始めるのはそう長くはかからず、多くのトラブルシューティングを行ってどこにも行かなかった後、回路に平滑コンデンサを追加することになりました。コンデンサを回路に追加するとすぐに問題はなくなりましたが、私の回路がわずか50ミリアンペアの総電力を使用していると考えると、そのようなコンデンサが非常に重要である可能性があると思いましたかなり良い電源（Rigol DP832）。

問題をより面白くするために、私は平滑コンデンサをボードの中心からボードの一端に移すことに決めました。驚いたことに、問題が再び始まりました。コンデンサをボード上の別の場所に配置するだけで大​​きな違いがあるのはなぜですか？

私はすべての問題に終止符を打つが、それでも問題を解決できなかったのに驚いたことを考えて、より強力な8200マイクロファラッドコンデンサ（前のコンデンサの82倍）を追加することにしました。実際には、コンデンサをボードの中央に戻して、正常に戻す必要がありました。

それが唯一の問題ではなく、コンデンサが「完璧な配置」であっても、回路から同じ電力を使用して小さな機械式リレーに電力を供給しようとし、リレーが回路をトリガーするたびに「再起動」しました。

問題は、すべての回路が電気的変動のわずかな変化にも敏感なのかということです。または、私の安っぽい回路プロトタイピングスキルと非効率的なブレッドボードによる問題ですか？

回路で使用されるICは次のとおりです。

• NE555P（精密タイマー）。
• CD4026BE（CMOSディケイドカウンター/ディバイダー）。

推奨されるコンデンサは、いわば長いリード線のバッファです。

完璧な電源があったとしても、設計に使用するケーブルは完璧にはほど遠いです。そして、それはあなたのせいではありません、それはケーブルのあり方です。一部のラッパーがそのことについて歌を書いたと思います...とにかくケーブルについてだったと確信しています。

ケーブルはまずノイズを拾います。第二に、後ほど詳細に説明するばかげた特性を持っていますが、基本的には高周波信号（デジタル回路など）の場合、電流を伝導するのに非常に高い抵抗力があり、場合によってはわずか50 mAにもなります。これらの信号は、ケーブルだけで伝送するのは困難です。ケーブルの反応が少し遅いので、今のところ確認できます。電流をオンにすると、安定して供給するのに時間がかかるため、頻繁にスイッチをオンにすると、電源に多くのノイズが発生し始めます。

そのコンデンサを追加すると、高周波スイッチング電流をコンデンサから取り出すことができるため、ケーブルは短期平均のみを供給でき、通常のDCリード線は短期平均DCで非常に優れており、それはあなたの供給も同様です。誰もが幸せです。

実際、電圧管理または電圧レギュレータチップの多くの設計ガイドでは、2.2μF以上の入力コンデンサを指定しています。たとえば、点線の22μF以上に並列し、「入力電源ケーブルがXまたはYよりも長い場合、使用する電源に関係なく、安定性と優れたノイズ除去のために22μF（またはそれ以上）のコンデンサを追加します。

8200μFコンデンサは、物理的により大きくない限り、内部抵抗が大きくなるため、100μFコンデンサを保持することをお勧めします。コンデンサの内部抵抗により、低電流の高周波信号のリップルを除去する能力が決まります。このような最初の入力コンデンサを使用する場合、ほとんどの場合、小さい方が適しています。しかし、電圧レギュレーターでは、すべての入力/出力コンデンサに常に適用されるとは限らないため、それらに注意してください。しかし、それは今のところではありません。

すべてがこのように敏感で、ゆっくりスイッチングする、または高周波デジタルであるとは限らないことに満足することができます。ワイヤまたは場合によってはボード間のコネクタを介して電力が供給されます。常に100μFほどの大きさである必要はありませんが、多少の差はあります（より風化した読者を想定して）。ノイズを処理するよりも、ノイズを処理する方が常に優れています。

電力線と回路の間のコンデンサが電力線とコンデンサの間の回路よりもうまく機能する理由は、トレースインダクタンス（PCBまたはブレッドボード）がコンデンサの応答を制限するためです。ワイヤが近くにある場合、回路は同様に電流の一部を供給するように要求しますが、これは同じ種類のディップを引き起こしますが、より低い次数で可能です。あなたはすでに基本的にケーブルにスイッチングノイズを入れており、ケーブルはすでにそれに反応しています。トレースにいくらかのインダクタンスがあっても、ノイズが最初にコンデンサを見ると、ノイズはケーブルに入り込まず、それ以上の問題を引き起こしません。これにより、回路で見られるノイズが大幅に減少します。

編集：注：コンデンサの位置に関する上記はいくつかの点で大幅に簡略化されていますが、一般的には十分にアイデアを伝えています。明確にすることで十分ですが、このようなことには多くのダイナミクスがあります。振り返ってみると、これが少し欠けていることがわかるかもしれません。しかし、あなたは今すべてを知る必要はありません。これで十分です。

それでも、リレーとコンデンサと共有電力の問題が発生する理由は、リレーの電流スパイクが大きすぎてコンデンサが役に立たず、ケーブルも追いつかないか、リレーが解放されたためです電圧スパイクを作成します。設計がダイオードドロップを処理できる場合の解決策は次のとおりです。

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

D1は、DR832から給電されるものがデジタルバッファリングコンデンサC1から電力を奪うのを防ぎます。D2は、リレーが電源に大きなノイズを発生させないようにし、D3は、リレーをオフにしたときにまだ発生する電力スパイクをキャッチします。

特に複雑な場合は、無はんだブレッドボードと長いワイヤの組み合わせは致命的です。これを実験として試してください。すべてのアース線と電源線をできるだけ短いジャンパに交換してください。理想的には、それらは非常に短く、スラックがまったくないようにする必要があります。また、各 ICおよびディスプレイに電源からグランドにコンデンサを配置します。デジタル電源には0.1 uFセラミックを使用し、アナログ電源には1-10 uFのタンタル電解を使用します。すべての場合において、できる限り電源ピンの近くで接続してください。余分なジャンパーを使用しない場合は、ICピンの隣にキャップリードを差し込むだけです。

最後に、3つのブレッドボードが連動していることに気付きました。各ブレッドボードの上部にある電源とグランドの接続に加えて、接続が長方形のグリッドを形成するように、グランドと電源バスを接続するICのすぐ下で短いジャンパを実行します。

ブレッドボードには、寄生コンデンサ（pFのオーダー）とインダクタ（nHのオーダー）があり、アクティブコンポーネントと発振器を形成できます。これらの寄生成分は非常に小さいため、発振周波数は大きくなります。このため、ブレッドボード回路に「ノイズ」が表示されることがあります。

ブレッドボード上に理想的な電圧源があったとしても、この効果が見られることに注意してください。ブレッドボードの周りを走る長いワイヤも、不要な振動の可能性を高めます。高周波ではコンデンサは低インピーダンスの経路であるため、コンデンサをアクティブ部品の近くに配置すると、これらの発振が防止されます。

多くの場合、ブレッドボード上で奇妙に動作する回路は、PCB上で実現された場合に完全に問題ありません。その場合、寄生要素を取り除くことができるからです。

...リレーがトリガーするたびに私の回路は「再起動」します。

迅速なリレーRLY1のコイルの両端に並列である（またはあるべき）「スナバ」ダイオードD3に関する長期ったらしいコメント（@ Asmyldofの返信に概略的な図を参照）。

そのダイオードが逆向きに取り付けられている場合、つまり、ダイオードのアノード（+）リード線が+5 VDCレール（つまり、Rigolの「+」出力端子）に接続されている場合、N-MOSトランジスタM1がオンになると、効果的にクローバー（短絡）電源の「+」および「-」出力端子は、D3およびM1を介して、回路を確実に「再起動」させます。具体的には、M1がオンになり、+ 5 VDCレールがD3とM1を介してグランドに短絡すると、+ 5 VDCレールの電圧がゼロボルト近くに低下し（電圧が「ブラウンアウト」）、マイクロコントローラー（またはその他のデジタル制御回路）、その時点でM1.GATEの電圧（おそらく、注1を参照）がM1のゲート-ソース間しきい値電圧VGS（th）を下回ると、M1がオフになります。M1がオフになったので、 電源レール間の電圧が除去されると、+ 5 VDCレールの電位がグランドと比較して+5 VDCに回復し、公称回路動作が回復します。

TL; DR。回路に、スナバダイオードD3が存在し、D3のカソードリードが@Asmyldofの回路図に示されているとおりに+5 VDCレールに接続されていることを確認します。

（注1）M1のゲート-ソース間電圧VGSをアクティブに駆動しているものが他にない場合に、M1.GATEをLow（〜0 VDC）にするための偶発的な計画として、M1のゲートとグランドの間に10kΩ プルダウン抵抗を取り付けます。M1はN型エンハンスメントモードMOSFETであり、VGS <VGS（th）の場合、M1はオフになることを思い出してください。したがって、プルダウン抵抗器の役割は、M1のVGS（th）電圧よりも十分に低いデフォルトのゲート-ソース電圧を作成することです。つまり、他の回路がないときにVGS << VGS（th）のデフォルト条件を作成することです。 M1のゲート-ソース間電圧をアクティブに駆動しています。（具体的には、プルダウン抵抗はM1.GATEのゼロ以外の電位を接地に放電する手段を提供します。）

プルダウン（またはプルアップ）抵抗の概念についてさらに詳しく説明します。（1）プルダウン抵抗もプルアップ抵抗もM1.GATEに接続されておらず、（2）マイクロコントローラーのデジタルI / O（DIO）出力ピンがM1.GATEに接続されていると仮定します。この質問を自問してください：マイクロコントローラのDIOピンがハイインピーダンス（HIGH-Z）モードに設定されている場合、つまりDIOピンのアクティブなドライブ出力トランジスタの両方がオフになり、マイクロコントローラがアクティブでない場合のM1の動作状態M1.GATEに任意の電圧を駆動します。DIOピンとM1.GATEの間のワイヤが取り外され、M1.GATEの電位がフロートしたままになっているようです。接地電位を基準にします。この状況では、VGSが何であるかわかりません。さらに悪いことに、DIOピンがこのHIGH-Zモードの場合、近くの電界/静電界、回路ノイズなどがM1.GATE（つまりVGS）の電位に影響を及ぼし、文字通りM1をランダムに引き起こす可能性がありますオン/オフを切り替えます。配置プルダウン M1.GATEと地面との間に抵抗することに役立ちますアンカー他に何もactivly M1.GATEに電圧を駆動されていない場合-もVGS（th）を下回っている- 〜0 VDCのデフォルトの電圧でVGSを。（M1をデフォルトでオンにしたい場合は、代わりにM1.GATEと+5 VDCレールの間にプルアップ抵抗を接続することに注意してください。これは、もちろん、M1.VGS（th）<< +5 VDC ）

TL; DR。MOSFETは確実に、スイッチとして使用されるたびにプルダウンまたはプルアップ抵抗は、他の回路素子が積極的にVGS電圧を駆動されていない場合のデフォルトのVGS電圧を確立するための場所です。

回路の奇妙で不可解な動作の理由は次のとおりです。

1. デジタル回路は、電気的な「ノイズ」に非常に「敏感」です。
2. 回路の配線接続には多くのことが望まれますが、主な問題はその長さです。それらはできるだけ短くする必要があります。
3. 十分なデカップリングコンデンサがありません。各IC電源ピンに1つ（.1uf）、最初のカウンターステージの入力ピンに1つ。

電源リードにスコープを配置し、アース接続をバグにする必要があります。電源が正常であるというあなたの仮定は正しくないかもしれません。また、バナナプラグのアースが実際にバスピンに接続されていることを確認してください。同様に力。すべてが正しく装着されていることを確認してください。お住まいの地域が湿度の高い場合は、コンポーネントにシリコンコネクタグリースを塗ってみてください。8200 ufは深刻な変動をバッファリングする必要があり、大規模な回路ではあちこちに10 ufが追加されます。この回路には、マイクロ波ストリップラインのヒロイックを必要とするものは何もありません。

回路コンポーネントを追加するときに、最初からやり直して、電流と電圧を監視してみてください。これは非常に単純なので、ほとんどライブで配線できます。すべてが機能するようになるまで、リレー電源には別々の壁war贅を使用します。

ワイヤの寄生インダクタンスは、デジタルチップの突然の電流に関する問題を引き起こします。一部の人々は、各チップの電源リードとグランドリードの間にバイパスコンデンサを配置しました（20年前に "Art of Electronics"から思い出した場合、それについて良い議論がありました）