Wie funktioniert der Kondensator in einer Entprellschaltung?

Auf dem folgenden Stromkreis (ein entprellter Druckknopf, der eine LED einschaltet):

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Ich versuche zu verstehen, warum die LED nicht aufleuchtet, da der Kondensator so aussieht, als würde er den Schalter umgehen. Wenn der Kondensator voll ist, überträgt / leitet er keinen Strom?

Sie werden feststellen, dass ich ein Anfänger bin, aber nach 20 Stunden Lesen verschiedener Tutorials kann ich immer noch nicht wirklich etwas sehr Einfaches herausfinden. Wie verhält sich der volle Kondensator anders als ein einfacher Draht? Wenn ich den Kondensator durch einen Draht ersetzte, der anstelle des Kondensators einen Draht verlegte, war das Licht immer an.

Edit: Einige Leute wiesen darauf hin, dass die Entprellschaltung keinen Sinn machte (schlechte Spannung, etc.) Hier ist mein 2. Versuch, mehr Sinn zu machen. R5 und R6 könnten gleich sein, aber ich dachte, dass es hilfreich wäre, sie getrennt zu halten, um 1 Auftrag für jede Komponente zu behalten.

Dies ist keine gute Entprellungsschaltung.

Ein Problem ist, dass (idealerweise) der Schalter und seine Anschlussdrähte einen Widerstand von Null haben. Dies bedeutet, dass sich der Kondensator sofort entlädt, wenn der Schalter geschlossen wird. (In der Praxis kann diese schnelle Entladung sogar schlecht für die Schaltkontakte oder die Verkabelung sein, wenn der Kondensator eine ausreichend hohe Spannung und eine ausreichend hohe Kapazität aufweist.)

Eine kapazitive Schalterentladung sollte den Kondensator langsam aufladen, wenn sich der Schalter in einem Zustand befindet, und ihn langsam entladen, wenn er sich in einem anderen Zustand befindet. Die RC-Konstante muss nicht gleich sein, sollte aber ungleich Null sein. Die Schaltung hat Widerstände, die das Laden des Kondensators steuern; es braucht nur einen Widerstand in der Schaltschleife, um es ordnungsgemäß zu entladen.

Ein weiteres Problem bei dieser Schaltung besteht darin, dass die LED nur dann aus ist, wenn die Schaltung einige Zeit eingeschaltet war, z. B. wenn die Schaltung seit Beginn der Zeit mit derselben Spannungsquelle existiert hat. Was aber, wenn zum Zeitpunkt die Spannungsquelle 0 V beträgt und plötzlich auf ihre Spannung springt? Zu diesem Zeitpunkt beginnt der Kondensator, der leer gewesen sein muss, sich aufzuladen. Während des Ladevorgangs fließt Strom und die LED leuchtet kurz auf und wird dann dunkel. (Na ja, vielleicht nicht, weil Ihre Quelle nur 1 V hat, aber das ist eine andere Geschichte).$t = 0$

In CircuitLab können Sie diese beiden Situationen in der Simulation "Zeitbereich" unterscheiden. Sie können entweder "Initiale überspringen" oder nicht. Der Löser kann entweder so tun, als ob die Schaltung bis zum Zeitpunkt für alle Ewigkeit in dem gegebenen Zustand existiert hätte , und von dort aus mit dem Lösen beginnen. Oder es kann es unter dem Gesichtspunkt lösen, dass die Schaltung gerade bei und die Spannungsquellen zum Leben erwachen, die Kondensatoren leer sind und so weiter.$t = 0$$t = 0$

Eine letzte Überlegung hierbei ist, dass die Schaltung nur eine LED beleuchtet, so dass ein Schalter-Prellen im Grunde genommen fraglich ist, es sei denn, die LED leuchtet auf einem optischen Detektor, bei dem sich der Schalter-Prellen in einen Störimpuls im Signal verwandelt. Wenn die LED nur ein hübsches Licht abgeben soll, ist Ihr Auge nicht einmal schnell genug, um das Abprallen des Schalters zu sehen.

Hier ist eine Zeitbereichssimulation der Schaltung (nach Änderung von V1 auf 3V). Dargestellt ist der LED-Strom. Wichtig: Der Parameter Skip Initial ist auf Yes gesetzt, damit wir sehen können, was passiert, wenn der Kondensator anfangs leer ist und die Spannungsquelle auf 3 V angesteuert wird. Dies ist alles, wenn sich der Schalter in einem offenen Zustand befindet.

Wie Sie sehen, fließt Strom durch die LED und erlischt dann. Wenn Sie beabsichtigten, dass die LED ausschließlich vom Bediener über den Druckknopf gesteuert wird, wird Ihre Absicht durch Ihr Design nicht hundertprozentig umgesetzt.

Im Hinblick auf den folgenden Kommentar wird angenommen, dass das Ziel darin besteht, tatsächlich einen Mikrocontroller-Pin anzusteuern (alles läuft mit 5 V). Erstens können wir dies ohne Kapazität tun und das Entprellen in der Software handhaben, indem wir den Pin mit einer angemessen niedrigen Rate abtasten.

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Bei geöffnetem Schalter wird der Ausgang vom Pulldown-Widerstand auf 0V gezogen. Wenn wir den Schalter schließen, steigt die Spannung am oberen Ende des Widerstands auf 5V an. Dieser Ausgang kann als Signal angesehen werden. Uns interessiert die niederfrequente Komponente des Signals: relativ langsame Schalterbetätigungen. Wir wollen hohe Frequenzen wie Switch Bounce ablehnen. Zu diesem Zweck können wir ein passives, einpoliges RC-Tiefpassfilter hinzufügen:

^{simulieren Sie diese Schaltung}

Wenn der Schalter schließt, steigt die Spannung allmählich an, wenn der Kondensator aufgeladen wird. Dies können Sie in der Zeitbereichssimulation sehen:

Wenn der Schalter geöffnet wird, entlädt sich der Kondensator über R1 und R1 und senkt die Spannung allmählich auf Null ab. Der Kondensator folgt im Wesentlichen der Spannung von R1, jedoch mit einer Verzögerung, da er über R1 geladen und über R1 und R2 entladen werden muss. (Beachten Sie, dass die Entladung doppelt so langsam ist wie die Ladung!)

Der Mikroprozessoreingang erfasst die Spannung mit hoher Impedanz, sodass wir den Belastungseffekt ignorieren und ihn nicht einmal im Diagramm anzeigen können. Dies ist bei der LED nicht möglich, da sie Strom benötigt, den unsere Schaltung liefern muss. Dieser Strom fließt durch unsere Widerstände und entwickelt Spannungen, die wir berücksichtigen müssen. Mit anderen Worten, er hat "Ladeeffekte".

Diese Art von Schaltung funktioniert sogar noch besser, wenn wir den Ausgang einem Schmidt-Trigger zuführen. Ein Schmidt-Trigger ist eine Art Puffer für digitale Signale, der eine Hysterese ähnlich einem Thermometer aufweist. Sein Ausgang wird hoch, wenn eine hohe Eingangsschwelle überschritten wird, und fällt niedrig, wenn eine andere niedrige Schwelle überschritten wird. Beispielsweise kann es hoch werden, wenn der Eingang über 3,5 Volt liegt, und nur dann, wenn der Eingang unter 1,5 Volt fällt.

Selbst wenn der Kondensator ein Rauschen durchlässt, das in der Nähe des Überschreitens eines Eingangsschwellenwerts noch ein leichtes Hin- und Herschalten verursachen kann, weist der Schmidt-Trigger dies zurück.

Angenommen, wir möchten die LED mit einem Kondensator entprellen? Das Problem ist, dass die Widerstände zu niedrig sind, weil die LED mit Strom versorgt werden muss. Wenn wir nur die gleiche Schaltung verwenden und die Widerstände verkleinern (und den Kondensator um den gleichen Faktor vergrößern), haben wir etwas, das Energie verschwendet. Der Weg, dies zu tun, besteht darin, eine kleine Signalschleife zu verwenden, um den Schalter zu handhaben und ihn zu entprellen, und dann die Spannung zu verwenden, um einen Transistor zu steuern, der Strom in die LED ableitet.

Obwohl das Entprellen einer LED unbrauchbar sein kann, wenn wir die Widerstände und / oder den Kondensator groß genug machen, können wir ein ansprechendes Verhalten erzielen: das der LED, die langsam einfärbt, wenn die Taste gedrückt und gehalten wird, und das Ausblenden, wenn sie losgelassen wird.

^{simulieren Sie diese Schaltung}

Dies ist die gleiche Schaltung wie zuvor: Der "Out to Microcontroller" -Knoten ist jetzt mit der Basis eines n-Kanal-MOSFET verbunden, der den Strom zur LED treibt. Der MOSFET "puffert" die Entprelllogik von der LED-Ansteuerung. Die Entprellschaltung wird nicht durch die niedrige Impedanz der LED gestört, und die LED wird durch die hohen Impedanzen in der Entprellschaltung nicht stromlos.

Dieser Effekt tritt auf, weil im eingeschwungenen Zustand ein Kondensator jeglichen Strom von Gleichspannungen effektiv blockiert. Dies kann durch das Verständnis der Gleichung gesehen werden

i = C * (dV / dt)

Bei Gleichstrom ist der Differenzialterm 0, der Strom ist also 0. Daher ist der Strom durch den Kondensator im eingeschwungenen Zustand Null.

Wenn Sie das für selbstverständlich halten, sollte es ziemlich offensichtlich sein, warum diese Schaltung funktioniert. Wenn Sie noch mehr Details wollen, dann wird dieses Video wahrscheinlich besser demonstrieren, wie sich die Physik eines Kondensators auswirkt, um das obige Ergebnis zu erzielen, als es meine Beschreibung könnte.

Ein Kondensator kann für viele Zwecke als sehr kleiner Akku betrachtet werden. Es lässt nur Strom während des Ladens oder Entladens durch.

Die meisten LEDs benötigen mindestens 2 Volt zum Leuchten - damit Ihre Schaltung überhaupt funktioniert, sollte die Spannungsquelle mindestens 3 Volt betragen. In diesem Fall leuchtet die LED nach dem Öffnen des Schalters möglicherweise für einen Sekundenbruchteil weiter, während der Kondensator aufgeladen wird.

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

Ja. Es ist kein Draht, es sind (wie das Symbol) zwei parallele Platten, die nahe beieinander liegen.