Làm thế nào để các tụ điện trong một mạch gây tranh cãi làm việc?

Trên mạch sau (nút ấn được bật lên bật đèn LED):

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Tôi đang cố gắng để hiểu tại sao đèn LED sẽ không sáng vì tụ điện trông giống như nó đang bỏ qua công tắc. Khi tụ đầy, nó không truyền / dẫn điện?

Bạn sẽ nhận thấy rằng tôi rất mới bắt đầu, nhưng sau 20 giờ đọc các hướng dẫn khác nhau, tôi vẫn không thể thực sự tìm ra điều gì đó rất đơn giản; Làm thế nào để các tụ đầy đủ hoạt động khác với một dây đơn giản? Nếu tôi thay thế tụ điện bằng một dây đặt một dây thay vì tụ điện, đèn sẽ luôn sáng.

Chỉnh sửa: Một số người chỉ ra rằng mạch gây nhiễu không có ý nghĩa (điện áp xấu, v.v.) Đây là nỗ lực thứ 2 của tôi để có ý nghĩa hơn. R5 và R6 có thể giống nhau, nhưng tôi nghĩ việc tách chúng ra sẽ giúp giữ 1 công việc cho mỗi thành phần.

Đây không phải là một mạch gỡ lỗi tốt.

Một vấn đề là (ít nhất là lý tưởng) công tắc và dây kết nối của nó có điện trở bằng không. Điều này có nghĩa là tụ điện sẽ phóng điện tức thời khi đóng công tắc. (Trong thực tế, cũng vậy, sự phóng điện nhanh này thậm chí có thể xấu cho các tiếp điểm công tắc hoặc hệ thống dây điện, nếu có điện áp đủ cao trên tụ điện và nó có công suất đủ cao.)

Một bộ chuyển đổi công tắc điện dung nên sạc từ từ tụ điện khi công tắc ở một trạng thái, và từ từ xả nó khi nó ở trạng thái khác. Hằng số RC không nhất thiết phải giống nhau, nhưng nó phải là một số khác. Mạch có điện trở điều khiển sạc của tụ điện; nó chỉ cần một điện trở trong vòng chuyển đổi để xả nó một cách duyên dáng.

$t = 0$

$t = 0$$t = 0$

Một xem xét cuối cùng ở đây là mạch chỉ phát sáng một đèn LED, do đó, độ nảy của công tắc về cơ bản là không hoạt động, trừ khi đèn LED chiếu vào một số máy dò quang học nơi độ nảy của công tắc chuyển thành tín hiệu trục trặc. Nếu công việc của đèn LED là chỉ cung cấp một ánh sáng đẹp, thì mắt của bạn thậm chí sẽ không đủ nhanh để nhìn thấy công tắc bật lên.

Dưới đây là mô phỏng miền thời gian của mạch (sau khi thay đổi V1 thành 3V). Những gì được vẽ là dòng LED. Quan trọng: tham số Skip Ban đầu được đặt thành Có, vì vậy chúng ta có thể thấy điều gì xảy ra khi tụ điện ban đầu trống và nguồn điện áp cấp điện đến 3V. Đây là tất cả với công tắc ở trạng thái mở.

Như bạn có thể thấy, dòng điện tăng qua đèn LED và sau đó tắt. Nếu ý định của bạn là đèn LED được người vận hành kiểm soát chặt chẽ thông qua nút ấn, thì thiết kế của bạn không thực hiện ý định của bạn một trăm phần trăm.

Đối với các bình luận dưới đây, giả sử rằng mục tiêu là thực sự lái một chân vi điều khiển (mọi thứ chạy ở mức 5V). Đầu tiên, chúng ta có thể làm điều đó mà không cần bất kỳ điện dung nào và xử lý việc gỡ lỗi trong phần mềm bằng cách lấy mẫu pin ở tốc độ thấp hợp lý.

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Khi công tắc mở, đầu ra được kéo về 0V bằng điện trở kéo xuống. Khi chúng ta đóng công tắc, điện áp ở đầu điện trở tăng lên 5V. Đầu ra này có thể được coi là một tín hiệu. Chúng tôi quan tâm đến thành phần tần số thấp của tín hiệu: máy ép chuyển đổi tương đối chậm. Chúng tôi muốn từ chối tần số cao, như chuyển đổi bị trả lại. Để đạt được mục tiêu đó, chúng ta có thể thêm bộ lọc thông thấp RC thụ động, một cực:

^{mô phỏng mạch này}

Bây giờ khi công tắc đóng, điện áp tăng dần khi tụ được sạc. Bạn có thể thấy điều này trong mô phỏng miền thời gian:

Khi công tắc được mở, tụ điện sẽ phóng điện qua R1 và R1, giảm dần điện áp về không. Các tụ điện về cơ bản theo điện áp của R1, nhưng có độ trễ do phải sạc qua R1, và phóng qua R1 và R2. (Lưu ý rằng việc xả chậm gấp đôi so với mức phí!)

Đầu vào của bộ vi xử lý cảm nhận điện áp với trở kháng cao, vì vậy chúng ta có thể bỏ qua hiệu ứng tải của nó và thậm chí không hiển thị nó trên sơ đồ. Chúng ta không thể làm điều này trong trường hợp đèn LED vì nó đòi hỏi dòng điện mà mạch của chúng ta phải cung cấp. Dòng điện đó chạy qua các điện trở của chúng ta và phát triển các điện áp mà chúng ta phải tính đến: nói cách khác, nó có "hiệu ứng tải".

Loại mạch này hoạt động thậm chí còn tốt hơn nếu chúng ta cung cấp đầu ra cho một bộ kích hoạt Schmidt. Bộ kích hoạt Schmidt là một loại bộ đệm cho các tín hiệu số cho thấy độ trễ tương tự như nhiệt kế. Đầu ra của nó tăng cao khi vượt quá một số ngưỡng đầu vào cao và giảm xuống thấp khi vượt quá ngưỡng thấp khác nhau. Chẳng hạn, nó có thể tăng cao khi đầu vào vượt quá 3,5 volt và chỉ xuống thấp khi đầu vào xuống dưới 1,5.

Vì vậy, ngay cả khi tụ điện cho phép thông qua một số tiếng ồn vẫn có thể gây ra một số lật nhỏ qua lại gần ngưỡng của đầu vào, bộ kích hoạt Schmidt sẽ từ chối điều đó.

Giả sử chúng ta muốn ra mắt đèn LED với một tụ điện? Vấn đề là các điện trở cuối cùng quá thấp do nhu cầu cung cấp dòng điện cho đèn LED. Nếu chúng ta chỉ sử dụng cùng một mạch và làm cho các điện trở nhỏ hơn (và tụ lớn hơn bởi cùng một hệ số), chúng ta sẽ kết thúc với một cái gì đó gây lãng phí điện năng. Cách để làm điều này là sử dụng một vòng tín hiệu nhỏ để xử lý công tắc và gỡ bỏ nó, sau đó sử dụng điện áp để điều khiển một bóng bán dẫn đưa dòng điện vào đèn LED.

Mặc dù việc nhả đèn LED có thể là vô ích, nhưng nếu chúng ta làm cho điện trở và / hoặc tụ điện đủ lớn, chúng ta có thể có được một hành vi đẹp: đó là đèn LED mờ dần khi nhấn và giữ và tắt dần khi nó được giải phóng.

^{mô phỏng mạch này}

Đây là mạch tương tự như trước đây: nút "out to vi điều khiển" hiện kết nối với cơ sở của MOSFET kênh n, điều khiển dòng điện tới LED. MOSFE "đệm" logic gỡ lỗi từ ổ đĩa LED. Mạch gỡ lỗi không bị xáo trộn bởi trở kháng thấp của đèn LED và đèn LED không bị thiếu dòng bởi các trở kháng cao trong mạch gỡ lỗi.

Hiệu ứng này xảy ra bởi vì ở trạng thái ổn định, tụ điện chặn hiệu quả bất kỳ dòng điện nào từ điện áp DC. Điều này có thể được nhìn thấy bằng cách hiểu phương trình

i = C * (dV / dt)

Tại DC số hạng vi phân bằng 0 nên dòng điện bằng 0. Do đó dòng điện qua tụ sẽ bằng 0 ở trạng thái ổn định.

Nếu bạn cho rằng điều đó là hiển nhiên thì tại sao mạch này hoạt động. Nếu bạn muốn nhiều chi tiết hơn thế, thì video này có thể sẽ làm tốt hơn việc chứng minh làm thế nào vật lý của tụ điện phát ra để mang lại kết quả ở trên so với mô tả của tôi.

Một tụ điện có thể, cho nhiều mục đích, được coi là một pin sạc rất nhỏ. Nó sẽ chỉ vượt qua hiện tại trong khi sạc hoặc xả.

Hầu hết các đèn LED yêu cầu ít nhất 2 volt để phát sáng - để mạch của bạn hoạt động hoàn toàn, nguồn điện áp nên có ít nhất 3 volt. Sau đó, bạn có thể thấy đèn LED tiếp tục phát sáng trong một phần giây sau khi bạn mở công tắc, khi tụ điện tích điện.

"When the capacitor is full, it doesn't transmit/conduct electricity"

Đúng. Đó không phải là một sợi dây, nó (giống như biểu tượng) hai tấm song song gần nhau.