Spannungsschwankungsspitzen glätten

[Eee E. (snake4)]

Hallo,

ich habe das angehängte Problem:

- in Grün die Ausgangsspannung eines 9V Netzteils
- in Gelb der Ausgang meines 3.3V Spannungsreglers

Die 3.3V versorgen einen Mikrocontroller der sehr schnell mit 12bit 
misst. Immer bei dieser Spitze, die relativ oft vorkommt, mal mehr mal 
weniger, bekomme ich ein paar falsche Messwerte.

Kann mir jemand sagen was die beste Möglichkeit wäre diese Spitzen 
wegzuglätten?

Das "Nach oben" mit einer 3.3V Zenerdiode? Ist sowas schnell und genau 
genug?
Kann ich auch etwas gegen das "Nach unten" machen?
Hängt nach oben und unten eventuell zusammen?

MfG

[Lothar S. (loeti)]

Pie-Glied mit lowESR davor. Grüße Löti

[Magnus M. (magnetus)]

Sieht eher nach einer schlechten Masseführung aus.

[Eee E. (snake4)]

Danke für die sehr schnellen Antworten.

@Löti: Irgendwie konnte mich das Internet nicht so richtig schlau machen 
wie wo was. Hast du da vielleicht noch eine Internetseite dazu?

@Magnus M.: Was versteht man denn unter schlechter Masseführung?

[Lothar S. (loeti)]

> @Löti: Irgendwie konnte mich das Internet nicht so richtig schlau machen
> wie wo was. Hast du da vielleicht noch eine Internetseite dazu?

http://elektroniktutor.de/sachreg.html


> @Magnus M.: Was versteht man denn unter schlechter Masseführung?

Das die Störung über GND entsteht da Du die Masseleitungen zu schlecht 
dimmensioniert und verlegt hast.

Schöne Pfingsten Löti

[Spess53 (Gast)]

Hi

>Das die Störung über GND entsteht da Du die Masseleitungen zu schlecht
>dimmensioniert und verlegt hast.

Es reicht schon die Masse an der falschen Stelle des Boards abzugreifen,

MfG Spess

[Eee E. (snake4)]

- Damit wir uns hier richtig verstehen. Ihr wollt sagen, das - schwankt 
und nicht das + ?

- Egal an welcher Stelle ich das GND abgreife. Es kommt immer das 
gleiche raus.

- Kann die GND Leitung zu groß dimensioniert sein ?

- Wie kann man die GND Leitung schlecht verlegen? Sollte sie nicht 
gerade alle Störungen auffangen?
Mein Aufbau ist vielleicht etwas Problemfördernd hier: Ich habe einen 
Mikrocontroller der misst und dann die Daten über 1m Kabel zu einem 
weiteren Mikrocontroller überträgt, welcher per USB am Computer hängt. 
Der eine wird über USB mit Strom versorgt, der andere eben über die 9V 
bzw. 3.3V. Die GND sind direkt verbunden.


@Löti: Also einfach einen Tiefpass? 2 C und 1 L? Allerdings bin ich mir 
hier ein wenig unsicher über die Bauteildimensionierung. Ich habe ja 
Gleichstrom und auch schon ein paar Kondensatoren verbaut.

[Frank M. (frank_m35)]

Hat dein Spannungsregler ein paar Kondensatoren spendiert bekommen?

[Eee E. (snake4)]

Davor und dahinter jeweils 10uF und dann nochmal 100uF und ein paar 
100nF am uC

[Frank M. (frank_m35)]

Sieht es genauso schlimm aus, wenn der USB Anschluss abgesteckt ist, 
d.h. keine Verbindung zum PC? Also kommt die Störung wirklich vom 9V 
Netzteil oder vom PC über die Masseverbindung?

edit: was hast du mit dem Shield gemacht?

[Eee E. (snake4)]

Sieht genau so aus ohne USB Verbindung.

Der Kabel Schirm? ist direkt mit dem GND verbunden. Sollte man das 
nicht?

[Mr. X (Gast)]

Eee E. schrieb:
> Davor und dahinter jeweils 10uF und dann nochmal 100uF und ein paar
> 100nF am uC

Als ob sich eine 40 MHz Schwingung durch 10µF oder 100µF irgendwie 
beeindrucken ließe ...

[Frank M. (frank_m35)]

Den Schirm lässt du entweder unbenutzt auf deiner Geräteseite, oder mit 
einem Kondensator mit GND verbinden, aber nicht direkt verbinden:
http://uk.farnell.com/images/en/ede/pdf/usb_dev_mistake.pdf

[Lothar S. (loeti)]

Mr. X schrieb:
> Eee E. schrieb:
>> Davor und dahinter jeweils 10uF und dann nochmal 100uF und ein paar
>> 100nF am uC
>
> Als ob sich eine 40 MHz Schwingung durch 10µF oder 100µF irgendwie
> beeindrucken ließe ...

Da steht 100nF! Und 100n keramisch ist schon schön dämpfend.

Aber die Shield-GND-Schleife is' wohl der Treffer.

Grüße Löti

[Frank M. (frank_m35)]

Lothar S. schrieb:
> Aber die Shield-GND-Schleife is' wohl der Treffer.

Ein Fehler, aber ich denke nicht der Fehler ;-) Schließlich tritt es 
auch auf, wenn kein USB Kabel angeschlossen ist.
Was mich verwundert ist, dass die Störung auf 3.3V um ca. den Faktor 
9V/3.3V größer als bei 9V ist. Was das aber bedeutet, keine Ahnung.

Ist die Störung auch auf dem Netzteil, wenn es nicht angeschlossen ist?
Machst du noch was anderes, oder passiert noch irgendwas anders, außer 
nur Spannung messen?

Edit: Oh, jetzt erst sehe ich, dass er zwei uC verwendet, verbunden 
durch USB, dann kann's vielleicht doch einfach das Shield gewesen sein 
^^

[Eee E. (snake4)]

Also dass wir uns hier nicht falsch verstehen:

9V Netzteil -> Mess uC -> I2C (1m, ohne + Verbindung) -> USB uC -> USB 
-> PC

Das Problem tritt schon bei nicht verbundenem I2C auf.
Das Netzteil an sich hat das Problem nicht. Ich nehme an irgendeines 
meiner digitalen Bauteile verursacht das? Oder ehr der 3.3V Regulator?

Beim messen ist mir noch eine 2. Auffälligkeit aufgefallen. Siehe 
Anhang. Ab und zu mal das von ganz vom Anfang und ab und zu mal dieser 
Einbruch.

Eine Spule habe ich keine verbaut. Kann eine helfen?

Ich habe noch zusätzlich ein paar Kondensatoren angebaut. 1nF 33nF 100nF 
220nF. ...Hat nichts verändert.


Zum Schirm:
Also sollte man den USB-Schirm über 1MOhm und einen 4700pF Kondensator 
anschließen. In dem pdf steht allerdings 4700pFd. Ist das eine komische 
Abkürzung für Farad oder sagt das d irgendetwas aus? Außerdem steht hier 
250V. Reichen auch 50V?

Noch eine kleine Frage: Das I2C Kabel hat auch einen Schirm. Wie sollte 
ich diesen anschließen?

[Lothar S. (loeti)]

Dem neuen screenshot nach zu urteilen solltest Du wohl einen größeren 
lowESR Elko vor den 3,3V Regler setzen.
Das Zuleitungskabel vom Netzteil hat wohl eine etwas sehr hohe Impedanz.

Ein 10n keramisch hinter den 3,3V kann auch nicht schaden.

Geruhsamme Auszeit Löti

[Eee E. (snake4)]

Ich habe den Kondensator davor von 10uF auf 20uF erhöht. Ein Vielschicht 
SMD Kondensator. Oder besser einen Anderen?

Haben die 10n einen tieferen Sinn? Ich hatte nur 2.2n 15n 22n 47n. Haben 
leider alle kein bisschen geholfen.

Edit: der Regulator http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm1117-n.pdf

[Lothar S. (loeti)]

> Ich habe den Kondensator davor von 10uF auf 20uF erhöht

Da bist Du eine Zehnerpotenz zu klein, ich meinte von sowas:
http://www.pollin.de/shop/dt/OTczOTg3OTk-/Bauelemente_Bauteile/Passive_Bauelemente/Elkos_Goldcaps/SMD_Elko.html
auf sowas:
http://www.pollin.de/shop/dt/NzUzOTg3OTk-/Bauelemente_Bauteile/Passive_Bauelemente/Elkos_Goldcaps/SMD_Elko.html
erhöhen!

> Haben die 10n einen tieferen Sinn?

Nein, ist im allgemeinen nur der Günstigste.

Allerdings meinte ich parallel zum 100nF Folie noch einen 10nF 
keramisch um die Impulsantwort des Reglers zu verbessern.
Die ist, nach Deinen screenshot zu urteilen, im Moment extrem mäßig"

Den 20uF mußt Du hinter den Regler setzen, der ist offensichtlich 
nicht der "Schnellste".

Grüße Löti

[Eee E. (snake4)]

Sorry. Ich sollte als ein bisschen mehr schreiben sonst blickt ja 
niemand durch. Ich habe es jetzt so. Alles drangebaut alles parallel.

9V
2x 100uF Elko low esr
2cm Abstand
2x 10uF SMD Keramik Vielschicht
3mm Abstand
Regulator
3mm Abstand
10uF  SMD Keramik Vielschicht
1cm Abstand
1n 2.2n 15n 22n 33n 47n 100n  SMD Keramik Vielschicht
22uF 100uF  Elko low esr
3.3V

Grüße

[Lothar S. (loeti)]

Und dann hast Du so eine Impulsantwort?

Schmeiß den Chip weg!

Grüße Löti

[Frank M. (frank_m35)]

Oder was machst du auf der Schaltung sonst noch so? (bspw. irgendwas 
ein/ausschalten, Relais, Motor, ...) Ist die Schaltung an irgendwas 
externes noch angeschlossen.
Von was misst du die Spannung?

Die Spannungsspitzen treten ja kaum zufällig auf, da muss schon 
zeitgleich irgendwas passieren.

[Wilhelm F. (Gast)]

Wenns am Netzteil liegt: PI-Filter zur Siebung verwenden. Die Drossel 
erhöht den Siebfaktor gegenüber einem Widerstand schon im Quadrat, und 
gegenüber einfachen C hinter dem Gleichrichter noch viel mehr. Bei der 
Berechnung muß man beachten, daß die Eigenresonanz, denn es ist ja auch 
ein Schwingkreis, ungefähr nur ein Zehntel der Netzfrequenz ist.

In Netzteilen von Sprechanlagen und Telefonanlagen war sowas (C-L-C) 
früher drin, denn man hatte noch keine integrierten 
Halbleiterschaltungen, und etwas früher noch nicht mal Transistoren. 
Diese Netzfilter ohne aktive Bauteile siebten jedenfalls ganz 
ordentlich. Mit einer Telefonhörkapsel am Netzteil durfte man keinen 
Brumm mehr hören. Und das Ohr ist empfindlich, registriert noch 
µW-Leistungen Tonfrequenzen. Die Betriebsspannung für die 
Relaissteuerungen wurde vor dem PI-Filter abgenommen, denen ist 
Restbrumm ziemlich egal. Die beiden gleichen Betriebsspannungen hießen 
"-B" für mit Brumm und "-S" für fein gesiebt. Die Schaltvorgänge der 
Relais durften ebenfalls in Sprech- und Hörkreisen nicht hörbar sein. 
Kein Knacken, Klappern, Rattern, Brumm, nichts.

So ein Filter pendelt bei Lastwechseln etwas mit der Eigenresonanz, aber 
nicht gravierend. Mit einem Linearregler dahinter dürfte keine Störung 
mehr durchkommen.

Ein einfaches PI-Filter geht auch nur mit C-R-C, wenn man keine Drossel 
hat. Bei 24V und 100mA war die Drossel (geschlossener Eisenkreis mit 
Luftspalt) aber auch ein ganz schöner Brocken von mehr als Hundert Gramm 
und halbe Zigarettenschachtelgröße. Mit Leistungswiderstand statt 
Drossel ist der Siebfaktor nur noch die Quadratwurzel, aber sowas geht 
im Notfall auch. Notfalls kann man zu Experimentierzwecken auch mal die 
Sekundärseite eines Trafos als Drossel benutzen, wenn man nichts anderes 
hat.

Vor längerer Zeit hatte ich ein Netzteil mit C-L-C und Last in PSPICE. 
Da kann man zumindest mal das Simulationsverhalten betrachten, einen 
Schaltvorgang auf das Netzteil oder die Last geben.

Empfindliche Schaltungsteile auf einer Platine kann man auch in Inseln 
gruppieren, und die Stromversorgung der Inseln ebenfalls mit PI-Gliedern 
(in SMD-Größen) vor Verseuchungen entkoppeln. Sowohl Masse als auch VCC. 
Damit machte ich in einer industriellen Entwicklung mal gute 
Erfahrungen, wo auch empfindliche Meßtechnik auf der Platine war, welche 
die digitale Verseuchung der µC-Schaltung nicht vertrug. Durchgängige 
Versorgungsspannungslayer über die ganze Platinenfläche gehen dann aber 
nicht.

[Lothar S. (loeti)]

> ... da muss schon zeitgleich irgendwas passieren.

Ganz egal was passiert, so eine Impulsantwort darf der Regler nicht 
liefern auch nicht bei 0mA -> 800mA Laständerung.

Ich denke das dieser Regler speziell dazu vorgesehen ist um möglichst 
einfach und kostengünstig von 5V auf 3,3V zu kommen also eine gut 
vorstabilisierte Eingangsspannung benötigt.

Einen 20uF am Ausgang verlangen sonst nur dreibeinige Schaltregler als 
78XX Ersatz... .

> Wenns am Netzteil liegt...

Das liegt am Regler, der schwingt!

Grüße Löti

[Christian D. (chris_f)]

Unglaublich was hier immer wieder für Unwissen verbreitet wird.

Alles sinnlos mit Kondensatoren vollzustopfen bringt i.d.R. wenig 
Erfolg. Um was für einen Mikrocontroller handelt es sich denn und mit 
welcher Frequenz läuft er? Wie sieht die Hardware/PCB dazu aus?

Digitale Signale enthalten je nach Flankensteilheit sehr hohe 
Frequenzanteile (http://de.wikipedia.org/wiki/Rechteckschwingung), die 
sich mit Kondensatoren durch die begrenzte kapazitive Eigenschaft nicht 
einfach entfernen lassen. Sehr hilfreich ist hier auch:

http://www.kemet.com:8080/webspice/Ceramic/CeramicCapSelection.aspx

Das wichtigste ist deshalb ein vernünftiger Lagenaufbau mit ordentlichen 
Spannungs/Masseflächen, da die benötigten Ladungen aus den Flächen 
kommen müssen!

Wer das nicht glauben mag: ich betreibe seit einiger Zeit sehr 
erfolgreich ein 14-lagiges FPGA/DSP Board welches keinen einzigen 
10/100nF "Angst"-Kondensator zur vermeintlichen Verbesserung gegen 
Lastspitzen besitzt!


Grüße,
Chris

[Lothar S. (loeti)]

Unglaublich was hier immer wieder für Unwissen verbreitet wird.

Bist Du sicher Das Du die richtige Brille aufhattest als Du Dir den 
screenshot genauer angesehen hast?

Grüße Löti

[flipsi (Gast)]

Hi Eee E.!

Eee E. schrieb:
> 9V
> 2x 100uF Elko low esr
> 2cm Abstand
> 2x 10uF SMD Keramik Vielschicht
> 3mm Abstand
> Regulator
> 3mm Abstand
> 10uF  SMD Keramik Vielschicht
        ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
das mag der LM1117 leider gar nicht.
Datenblatt Seite 9 beschreibt die Anforderungen an den 
Ausgangskondensator.
Du unterschreitest ziemlich sicher den minimalen ESR
(Kondensator zu gut) und machst den Regler instabil,
so daß er bei Lastwechseln klingelt.

> 1cm Abstand
> 1n 2.2n 15n 22n 33n 47n 100n  SMD Keramik Vielschicht
> 22uF 100uF  Elko low esr
> 3.3V

@Christian F.: Welche Kondensatoren sind bei Dir "Angst"-Kondensatoren?

Viel Erfolg
  flipsi

[Eee E. (snake4)]

Ich habe noch ein Bildchen für zwischendurch (-: Raten ohne Fakten 
bringt doch nur bedingt was.

Ich habe alles nochmal gemessen und das Netzteil scheint mir doch nicht 
so unschuldig. Siehe in Grün. Ohne irgendwas angeschlossen.

In Gelb der 3.3V Regulator ohne etwas dahinter angeschlossen. Davor und 
dahinter je 10uF.

[Eee E. (snake4)]

Noch mehr Informationen:

Das Ganze ist auf einem 2 Layer Board. Ein PIC18LF26J13 misst einen 
Poti. Alles Andere ist schon die ganze Zeit nicht angeschlossen. Der uC 
läuft mit 48Mhz. Alle großen Flächen sind GND.

[Wilhelm F. (Gast)]

Eee E. schrieb:

> Der uC
> läuft mit 48Mhz. Alle großen Flächen sind GND.

In dem Augenblick, wo der Oszillator im 48MHz-Teil hochläuft und 
ausläuft, könnte es noch mal eine Einschaltspitze geben. Bis dahin wird 
ja der Controller in einem statischen Reset gehalten, und dann los 
gelassen, so ist es jedenfalls meistens.

[Christian D. (chris_f)]

@lothar:

Kommt auf die Bandbreite des Scopes an, wenn die nur 100MHz beträgt wird 
man die 3.Harmonische wohl nicht mehr sehen...


@flipsi:

das wären z.B.:

"...und ein paar 100nF am uC"

"Allerdings meinte ich parallel zum 100nF Folie noch einen 10nF
keramisch um die Impulsantwort des Reglers zu verbessern."

Es kommt natürlich darauf an, ob das mit der Leiterplatte möglich ist. 
Falls ja würde ich im konkreten Fall alles <= 100nF weglassen.

Wie Eee. E. ja auch schon experimentell festgestellt hat:

"Haben die 10n einen tieferen Sinn? Ich hatte nur 2.2n 15n 22n 47n. 
Haben
leider alle kein bisschen geholfen."


@Eee. E.

Das dein 9V Schaltnetzteil Spitzen erzeugt ist normal. Hast du mal 
probiert die Schaltung mit einem Labornetzteil zu speisen? Falls ja, 
treten die Sampling Fehler immer noch auf?

[Eee E. (snake4)]

Ich habe das ganze jetzt mit einem billigen Labornetzteil betrieben. 
Hier treten die Fehler auch auf.
Es gibt jetzt keine "Einbrüche" der Spannung mehr. Dafür sind die 
Spitzen höher und schmäler.

Subjektiv würde ich meinen, dass mit dem 9V Netzteil immer mehrere 
Messwerte hintereinander falsch waren und mit dem Labornetzteil immer 
nur einer oder zwei.

Im Anhang noch ein paar Bilder mit dem Labornetzteil.

[Lothar S. (loeti)]

Schmeiß das Chip weg, zumindest un dieser Anwendung. Grüße Löti

[Eee E. (snake4)]

Ok. Ich such mir mal einen Anderen. Wenn das nicht hilft melde ich mich 
wieder. Vielen dank jetzt schon mal für die ganzen Antworten.

[Eee E. (snake4)]

Könnte mir vielleicht noch jemand helfen wie ich auf Werte für so einen 
CLC/Pi Filter komme?