Como o capacitor em um circuito de depuração funciona?

No circuito a seguir (um botão pressionado que acende um LED):

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Estou tentando entender por que o LED não acende, pois o capacitor parece estar ignorando o interruptor. Quando o capacitor está cheio, ele não transmite / conduz eletricidade?

Você notará que sou muito iniciante, mas depois de 20 horas lendo vários tutoriais, ainda não consigo descobrir algo muito simples; como o capacitor completo age de maneira diferente de um simples fio? Se eu substituísse o capacitor por um fio, em vez do capacitor, a luz sempre estaria acesa.

Edit: Algumas pessoas apontaram que o circuito de rebate não fazia sentido (tensão ruim, etc.) Aqui está minha segunda tentativa de fazer mais sentido. R5 e R6 podem ser os mesmos, mas pensei que mantê-los separados ajudaria a manter 1 emprego para cada componente.

Este não é um bom circuito de devolução.

Um problema é que (pelo menos idealmente) o comutador e seus fios de conexão têm uma resistência zero. Isso significa que o capacitor descarregará instantaneamente quando o interruptor for fechado. (Em termos práticos, também, essa descarga rápida pode até ser ruim para os contatos do interruptor ou da fiação, se houver uma tensão suficientemente alta no capacitor e ela possuir uma capacidade suficientemente alta.)

Um retorno da chave capacitiva deve carregar lentamente o capacitor quando o interruptor estiver em um estado e descarregá-lo lentamente quando estiver em outro estado. A constante RC não precisa ser a mesma, mas deve ser algo diferente de zero. O circuito possui resistores que controlam a carga do capacitor; ele só precisa de um resistor no loop do comutador para descarregá-lo normalmente.

Outro problema com este circuito é que o LED está desligado apenas se o circuito estiver ligado por algum tempo, como se o circuito existisse desde o início dos tempos com a mesma fonte de tensão. Mas e se, no tempo , a fonte de tensão tiver sido 0V e subitamente subir para sua tensão? Nesse momento, o capacitor, que deve estar vazio, começa a carregar. Enquanto estiver carregando, a corrente flui e o LED acende brevemente e depois fica escuro. (Bem, talvez não, porque sua fonte tem apenas 1V, mas isso é outra história).$t = 0$

No CircuitLab, você pode distinguir essas duas situações na simulação "Domínio do Tempo". Você pode "Ignorar inicial" ou não. O solucionador pode fingir que o circuito existe no estado determinado por toda a eternidade até o tempo e começar a resolvê-lo a partir daí. Ou pode resolvê-lo do ponto de vista de que o circuito acabou de existir em e as fontes de tensão ganham vida, os capacitores estão vazios e assim por diante.$t = 0$$t = 0$

Uma consideração final aqui é que o circuito apenas acende um LED; portanto, o salto do interruptor é basicamente discutível, a menos que o LED esteja brilhando em algum detector óptico no qual o salto do interruptor se transforma em uma falha no sinal. Se o trabalho do LED for apenas fornecer uma luz bonita, seu olho nem será rápido o suficiente para ver o interruptor saltar.

Aqui está uma simulação no domínio do tempo do circuito (depois de alterar V1 para 3V). O que é plotado é a corrente do LED. Importante: o parâmetro Ignorar inicial está definido como Sim, para que possamos ver o que acontece quando o capacitor está inicialmente vazio e a fonte de tensão energizada para 3V. Tudo isso com a chave em estado aberto.

Como você pode ver, a corrente surge através do LED e depois diminui. Se sua intenção era que o LED fosse estritamente controlado pelo operador através do botão, seu design não implementaria sua intenção cem por cento.

Com relação ao comentário abaixo, suponha que o objetivo seja realmente acionar um pino de microcontrolador (tudo funcionando a 5V). Em primeiro lugar, podemos fazer isso sem nenhuma capacitância e lidar com a rejeição no software amostrando o pino a uma taxa razoavelmente baixa.

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Quando o interruptor está aberto, a saída é puxada para 0V pelo resistor de pull-down. Quando fechamos o interruptor, a tensão no topo do resistor aumenta para 5V. Esta saída pode ser considerada como um sinal. Estamos interessados ​​no componente de baixa frequência do sinal: pressões relativamente lentas. Queremos rejeitar as altas frequências, como o retorno do interruptor. Para esse objetivo, podemos adicionar um filtro passa-baixa RC passivo de um pólo:

^{simule este circuito}

Agora, quando o interruptor fecha, a tensão aumenta gradualmente à medida que o capacitor é carregado. Você pode ver isso na simulação no domínio do tempo:

Quando a chave é aberta, o capacitor descarrega através de R1 e R1, diminuindo gradualmente a tensão de volta a zero. O capacitor basicamente segue a tensão de R1, mas com atraso devido à necessidade de carregar através de R1 e descarregar através de R1 e R2. (Observe que a descarga é duas vezes mais lenta que a carga!)

A entrada do microprocessador detecta a tensão com alta impedância, para que possamos ignorar seu efeito de carregamento e nem mostrá-lo no diagrama. Não podemos fazer isso no caso do LED, pois requer corrente que nosso circuito deve fornecer. Essa corrente flui através de nossos resistores e desenvolve tensões que devemos levar em conta: em outras palavras, ela tem "efeitos de carga".

Esse tipo de circuito funciona ainda melhor se alimentarmos a saída com um gatilho Schmidt. Um gatilho Schmidt é um tipo de buffer para sinais digitais que mostra histerese semelhante a um termômetro. Sua saída aumenta quando um limite de entrada alto é excedido e diminui quando um limite baixo diferente é excedido. Por exemplo, pode subir alto quando a entrada ultrapassar 3,5 volts e diminuir apenas quando a entrada cair abaixo de 1,5.

Portanto, mesmo que o capacitor permita emitir algum ruído que ainda possa causar um pequeno movimento de oscilação próximo ao cruzamento do limiar de uma entrada, o gatilho Schmidt rejeitará isso.

Suponha que desejamos rebater o LED com um capacitor? O problema é que as resistências acabam sendo muito baixas devido à necessidade de fornecer corrente ao LED. Se usarmos o mesmo circuito e reduzirmos os resistores (e o capacitor aumentar pelo mesmo fator), acabaremos com algo que desperdiça energia. A maneira de fazer isso é usar um pequeno loop de sinal para manipular o comutador e desativá-lo e, em seguida, usar a voltagem para controlar um transistor que despeja corrente no LED.

Embora renunciar a um LED possa ser inútil, se aumentarmos o tamanho dos resistores e / ou do capacitor, podemos obter um bom comportamento: o LED diminuindo lentamente quando o botão é pressionado e pressionado e diminuindo quando é liberado.

^{simule este circuito}

É o mesmo circuito de antes: o nó "out to microcontroller" agora se conecta à base de um MOSFET de n canais que direciona a corrente para o LED. O MOSFET "armazena em buffer" a lógica de rejeição do LED dirigindo. O circuito de debounce não é perturbado pela baixa impedância do LED, e o LED não sofre falta de corrente pelas altas impedâncias no circuito de debounce.

Esse efeito ocorre porque no estado estacionário um capacitor efetivamente bloqueia qualquer corrente das tensões CC. Isso pode ser visto pela compreensão da equação

i = C * (dV / dt)

Em DC, o termo diferencial é 0, portanto a corrente é 0. Portanto, a corrente através do capacitor será zero no estado estacionário.

Se você tomar isso como garantido, deve ser bastante óbvio por que esse circuito funciona. Se você quiser ainda mais detalhes do que isso, este vídeo provavelmente fará um trabalho melhor ao demonstrar como a física de um capacitor funciona para produzir o resultado acima do que minha descrição poderia.

Um capacitor pode, para muitos propósitos, ser considerado como uma bateria recarregável muito pequena. Ele só passará corrente enquanto estiver carregando ou descarregando.

A maioria dos LEDs requer pelo menos 2 volts de luz - para que seu circuito funcione, a fonte de tensão deve ser de pelo menos 3 volts. Depois, você poderá ver o LED brilhando por uma fração de segundo depois de abrir a chave, enquanto o capacitor é carregado.

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

Sim. Não é um fio, são (como o símbolo) duas placas paralelas juntas.