Joule Thief с очень простым управлением светоотдачей: 6 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

Схема Joule Thief - отличное блюдо для начинающих экспериментаторов в области электроники, и она воспроизводилась бесчисленное количество раз, действительно, поиск в Google дает 245000 результатов! Безусловно, наиболее часто встречающаяся схема - это схема, показанная на шаге 1 ниже, которая невероятно проста и состоит из четырех основных компонентов, но за эту простоту приходится платить. При питании от новой батареи на 1,5 В световой поток высокий при соразмерном энергопотреблении, но при более низком напряжении батареи свет и потребляемая мощность падают до тех пор, пока световой поток не упадет примерно на полвольта.

Схема требует какой-то формы контроля. Автор добился этого в прошлом, используя третью обмотку трансформатора для обеспечения управляющего напряжения, см.:

www.instructables.com/id/An-Improved-Joule-Thief-An-Unruly-Beast-Tamed

Какой бы элемент управления ни использовался, он должен обладать основным свойством, при котором уменьшение светового потока также снижает потребление энергии, так что настройка низкой освещенности приводит к низкому потреблению батареи и увеличению срока службы батареи. Схема, разработанная в этой статье, достигает этого и намного проще в том, что дополнительная обмотка не требуется, и дает форму управления, которую можно было бы дооснастить для многих существующих схем. В конце статьи мы покажем, как автоматически отключать схему при дневном свете, когда она используется в качестве ночника.

Тебе понадобится:

Два NPN-транзистора общего назначения. Некритично, но я использовал 2N3904.

Один кремниевый диод. Совершенно некритично, и выпрямительный диод или сигнальный диод подойдут.

Ферритовый тороид. См. Далее по тексту для получения дополнительной информации.

Один конденсатор 0,1 мкФ. Я использовал танталовый компонент на 35 В, но вы могли бы использовать обычный электролитик на 1 мкФ. Поддерживайте номинальное напряжение - 35 или 50 Вольт не является чрезмерным, как во время разработки, и до того, как ваш контур управления будет замкнут, на этот компонент может быть подано высокое напряжение.

Один электролитический конденсатор емкостью 100 мкФ. Здесь нормально работает 12 Вольт.

Один резистор на 10 кОм.

Один резистор 100 кОм

Один потенциометр 220 кОм. Некритично, и все в диапазоне от 100 до 470 К. должно работать.

Односердечный соединительный провод из ПВХ, который я получаю после снятия изоляции с телефонного кабеля.

Для демонстрации схемы на ранних этапах я использовал беспаечную макетную плату модели AD-12, которую я получил от Maplin.

Чтобы изготовить постоянный вариант схемы, вам нужно будет подготовить элементарное электронное устройство, включая пайку. Затем схема может быть построена на Veroboard или подобном материале, а также показан другой метод построения с использованием пустой печатной платы.

Шаг 1. Наша основная схема вора Джоуля

Выше показаны принципиальная схема и макет действующей схемы.

Трансформатор здесь состоит из 2 партий по 15 витков одножильного провода ПВХ, полученного из отрезка телефонного кабеля, скрученного вместе и намотанного на ферритовый тороид - не критично, но я использовал элемент Ferroxcube от RS Components 174-1263 размером 14,6 X 8,2 Х 5,5 мм. Выбор этого компонента огромен, и я измерил идентичную производительность с компонентом Maplin, в четыре раза превышающим его размер. У конструкторов есть тенденция использовать очень маленькие ферритовые бусины, но это настолько мало, насколько я хотел бы - с очень маленькими элементами частота генератора будет выше, и могут возникнуть емкостные потери в конечной цепи.

Используемый транзистор 2N3904 общего назначения NPN, но почти любой транзистор NPN будет работать. Базовый резистор составляет 10 кОм, где вы можете чаще видеть, что используется 1 кОм, но это может помочь, когда мы подойдем к применению управления схемой позже.

C1 - это развязывающий конденсатор, предназначенный для сглаживания переходных процессов переключения, возникающих при работе схемы, и, таким образом, для поддержания чистоты шины питания, это хорошее электронное обслуживание, но этот компонент часто упускается, что может привести к непредсказуемости и нестабильной работе схемы.

Шаг 2: Характеристики базовой схемы

Некоторое знание работы базовой схемы может быть поучительным. Для этого в схему подавали питание с различными напряжениями питания и измеряли соответствующий ток потребления. Результаты показаны на картинке выше.

Светодиод начинает излучать свет при напряжении питания 0,435 и потребляет ток 0,82 мА. При 1,5 В (значение для новой батареи) светодиод очень яркий, но ток превышает 12 мА. Это показывает необходимость контроля; нам необходимо установить приемлемый уровень светоотдачи и, таким образом, значительно продлить срок службы батареи.

Шаг 3: добавление контроля

Принципиальная схема дополнительной схемы управления показана на первом рисунке выше.

Был добавлен второй транзистор 2N3904 (Q2) с коллектором, подключенным к базе транзистора генератора (Q1). При выключении этот второй транзистор не влияет на функцию генератора, но при включении он шунтирует базу транзистора генератора на землю. таким образом уменьшая выход генератора. Кремниевый диод, подключенный к коллектору транзистора генератора, обеспечивает выпрямленное напряжение для зарядки конденсатора емкостью 0,1 мкФ C2. Через C2 находится потенциометр 220 кОм (VR1,), а стеклоочиститель снова подключен к базе управляющего транзистора (Q2,) через резистор 100 кОм, замыкающий контур. Настройка потенциометра теперь регулирует светоотдачу и, в данном случае, потребление тока. С потенциометром, установленным на минимум, потребление тока составляет 110 мкА, когда светодиод только начинает гореть, он все еще составляет 110 мкА, а при полной яркости светодиода потребление составляет 8,2 мА - у нас есть контроль. Схема питается в этом примере от одного Ni / Mh элемента при 1,24 Вольт.

Дополнительные компоненты не критичны. При 220 кОм для потенциометра и 100 кОм для базового резистора Q2 схема управления работает хорошо, но создает очень небольшую нагрузку на генератор. При 0,1 мкФ C2 обеспечивает плавный выпрямленный сигнал без добавления большой постоянной времени, и схема быстро реагирует на изменения VR1. Я использовал танталовый электролит, но керамический или полиэфирный компонент тоже подойдет. Если вы сделаете этот компонент слишком большим по емкости, то реакция на изменения потенциометра будет вялой.

Последние три изображения выше представляют собой снимки экрана осциллографа со схемой во время работы и показывают напряжение на коллекторе транзистора генератора. На первом изображена диаграмма при минимальной яркости светодиода, а схема работает с небольшими всплесками энергии, разнесенными на большие расстояния. На втором рисунке показана картина с увеличенной мощностью светодиода, и теперь всплески энергии стали более частыми. Последний находится на полной мощности, и цепь перешла в устойчивые колебания.

Такой простой метод контроля не лишен проблем; существует путь постоянного тока от положительной шины питания через обмотку трансформатора к коллектору транзистора и через D1. Это означает, что C2 заряжается до уровня шины питания за вычетом прямого падения напряжения на диоде, а затем к нему добавляется напряжение, создаваемое действием Джоуля Вора. Это не имеет значения при нормальной работе Joule Thief с одной ячейкой на 1,5 В или меньше, но если вы все же попытаетесь запустить схему при более высоких напряжениях, превышающих примерно 2 В, то выход светодиода не может быть уменьшен до нуля. Это не проблема с подавляющим большинством приложений Joule Thief, которые обычно встречаются, но есть потенциал для дальнейших разработок, которые могут стать значительными, и тогда, возможно, придется прибегнуть к выводу управляющего напряжения из третьей обмотки на трансформаторе. что обеспечивает полную изоляцию.

Шаг 4: Применение схемы 1

Благодаря эффективному управлению, Joule Thief может найти гораздо более широкое применение, и возможно его применение в реальных условиях, например, в фонариках и ночниках с регулируемой светоотдачей. Кроме того, при слабом освещении и соизмеримом низком энергопотреблении возможны чрезвычайно экономичные применения.

На приведенных выше изображениях показаны все идеи из этой статьи, собранные до сих пор на небольшой прототипной плате, и с выходом, установленным на низкий и высокий соответственно с помощью встроенного потенциометра, установленного на плате. Медные обмотки на тороиде изготовлены из более обычного медного эмалированного провода.

Надо сказать, что эта форма построения неудобна, и метод, используемый на следующем шаге, намного проще.

Шаг 5: Применение схемы - 2

На приведенном выше комбинированном изображении показана еще одна реализация схемы, на этот раз построенная на куске односторонней печатной платы медной стороной вверх с небольшими контактными площадками односторонней печатной платы, приклеенными полимерным клеем MS. Эта форма конструкции очень проста и интуитивно понятна, поскольку вы можете разложить схему так, чтобы воспроизвести принципиальную схему. Контактные площадки обеспечивают надежное крепление компонентов, а соединения с землей выполняются путем пайки к медной подложке внизу.

На рисунке показан полностью включенный светодиод слева и почти не светящийся справа. Это достигается простой настройкой потенциометра подстроечного резистора на плате.

Шаг 6: Применение схемы - 3

Принципиальная схема на первом рисунке выше показывает резистор 470 кОм, соединенный последовательно с солнечным элементом на 2 В и подключенный к цепи управления Joule Thief, эффективно параллельно с потенциометром подстроечного резистора на плате. На втором рисунке показан 2-вольтовый солнечный элемент (восстановленный из неработающего солнечного света в саду), подключенный к сборке, показанной на предыдущем шаге. Элемент находится при дневном свете и, следовательно, выдает напряжение, которое отключает цепь и гаснет светодиод. Ток в цепи был измерен при 110 мкА. На третьем изображении показан колпачок, установленный на солнечный элемент, таким образом имитируя темноту. Теперь светодиод горит, а измеренный ток в цепи составляет 9,6 мА. Переход вкл / выкл не резкий, свет загорается постепенно в сумерках. Обратите внимание, что солнечный элемент используется просто как дешевый элемент управления для цепи батареи, которая сама по себе не обеспечивает никакой энергии.

Схема на этом этапе потенциально очень полезна. С солнечной батареей, незаметно установленной в окне или на подоконнике, заряжающей суперконденсатор или перезаряжаемый никель-металлгидридный аккумулятор, высокоэффективный постоянный ночник становится возможным проектом будущего. При использовании с элементом AA возможность уменьшить световой поток, а затем выключить свет в дневное время означает, что схема будет работать в течение длительного периода, прежде чем напряжение батареи упадет примерно до 0,6 В. Какой замечательный подарок дедушке и бабушке подарить внукам! Другие идеи включают в себя освещенный кукольный домик или ночник для ванной, чтобы обеспечить соблюдение стандартов гигиены без потери ночного видения - возможности огромны.