Joule Thief Med Ultra Simple Control of Light Output: 6 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:45

Joule Thief -kretsen är en utmärkt entré för den nybörjare elektroniska experimenteraren och har reproducerats otaliga gånger, en Google -sökning ger 245000 träffar! Den överlägset vanligaste kretsen är den som visas i steg 1 nedan som är otroligt enkel som består av fyra grundkomponenter men det finns ett pris att betala för denna enkelhet. När den drivs med ett nytt batteri på 1,5 volt är ljusutgången hög med motsvarande strömförbrukning, men med lägre batterispänning sjunker ljuset och strömförbrukningen tills cirka en halv volt ljuseffekt upphör.

Kretsen ropar efter någon form av kontroll. Författaren har uppnått detta tidigare genom att använda en tredje lindning på transformatorn för att ge en styrspänning, se:

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

Oavsett vilken styrning som används bör den ha den grundläggande egenskapen att genom att sänka ljusutgången minskar också strömförbrukningen så att en låg ljusinställning resulterar i låg batteriförbrukning och längre batteritid. Kretsen som utvecklats i denna artikel uppnår detta och är mycket enklare genom att den extra lindningen inte behövs och ger en form av kontroll som kan återmonteras till många befintliga kretsar. I slutet av artikeln visar vi hur man automatiskt stänger av kretsen i dagsljus när den används som nattlampa.

Du kommer behöva:

Två NPN -transistorer för allmänna ändamål. Ej kritiskt men jag använde 2N3904.

En kiseldiod. Helt okritisk och en likriktardiod eller signaldiod kommer att gå bra.

En ferrit toroid. Se senare i texten för mer information.

En 0,1 uF kondensator. Jag använde en 35V Tantal -komponent men du kan använda en 1 uF vanlig elektrolyt. Håll spänningen uppe-35 eller 50 volt är inte överdriven som under utveckling, och innan din styrslinga stängs kan högspänning appliceras på denna komponent.

En 100uF elektrolytkondensator. 12 Volt fungerar bra här.

Ett 10 K Ohm motstånd.

Ett 100 K Ohm motstånd

En potentiometer på 220 K Ohm. Icke -kritiskt och allt i intervallet 100 K till 470 K borde fungera.

Enkelkärnig PVC -anslutningstråd som jag får genom att ta bort telefonkabel

För att demonstrera kretsen i ett tidigt skede använde jag en modell AD-12 lödfri brödbräda som jag fick från Maplin.

För att producera en permanent version av kretsen måste du vara utrustad för elementär elektronisk konstruktion inklusive lödning. Kretsen kan sedan konstrueras på Veroboard eller liknande material och en annan konstruktionsmetod med tomt kretskort visas också.

Steg 1: Vår grundläggande Joule Thief Circuit

Ovan visas kretsdiagrammet och en brödbrädlayout för en arbetskrets.

Transformatorn här består av 2 massor av 15 varv av enkelkärnig PVC-tråd som räddas från en telefonkabel som är tvinnad och lindad på en ferrit-toroid-inte kritiskt men jag använde ett Ferroxcube-objekt av RS Components 174-1263 storlek 14,6 X 8,2 X 5,5 mm. Det finns en enorm breddgrad i valet av denna komponent och jag mätte identiska prestanda med en Maplin -komponent fyra gånger storleken. Det finns en tendens för konstruktörer att använda mycket små ferritpärlor men det här är så litet som jag skulle vilja gå-med mycket små föremål kommer oscillatorfrekvensen att bli högre och det kan finnas kapacitiva förluster i den slutliga kretsen.

Transistorn som används är 2N3904 NPN för allmänna ändamål men nästan vilken NPN -transistor som helst körs. Basmotståndet är 10K där du oftare kan se 1K användas men det kan hjälpa när vi kommer att tillämpa kontroll på kretsen senare.

C1 är en avkopplingskondensator för att utjämna kopplingstransienter som genereras av kretsdrift och därmed hålla strömförsörjningsskenan ren, det är bra elektronisk hushållning men denna komponent lämnas ofta utanför vilket kan resultera i oförutsägbarhet och oregelbundna kretsprestanda.

Steg 2: Grundkretsens prestanda

Viss kunskap om grundkretsens prestanda kan vara lärorik. För detta ändamål matades kretsen med olika matningsspänningar och respektive strömförbrukning mättes. Resultaten visas på bilden ovan.

Lysdioden börjar avge ljus med en matningsspänning på 0,435 och förbrukar 0,82 mA ström. Vid 1,5 volt (värdet för ett nytt batteri) är lysdioden mycket ljus men strömmen är över 12 mA. Detta illustrerar behovet av kontroll; vi måste kunna ställa in ljuseffekten till en rimlig nivå och på så sätt förlänga batteriets livslängd.

Steg 3: Lägga till kontroll

Kretsschemat för den extra styrande kretsen visas den första bilden ovan.

En andra 2N3904 (Q2) transistor har lagts till med kollektorn ansluten till oscillatortransistorbasen, (Q1.) När den är avstängd har den andra transistorn ingen effekt på oscillatorfunktionen men när den slås på shuntar basen av oscillatortransistorn till jord vilket minskar oscillatorutmatningen. En kiseldiod ansluten till oscillatortransistorsamlaren ger en likriktad spänning för att ladda upp C2, en 0,1 uF kondensator. Tvärs över C2 finns en 220 kOhm potentiometer (VR1,) och torkaren är ansluten tillbaka till styrtransistorns bas (Q2,) via ett 100 kOhm motstånd som slutför slingan. Inställningen av potentiometern styr nu ljusutgången och i detta fall strömförbrukningen. Med potentiometern inställd på minimum är strömförbrukningen 110 mikro ampere, när den är inställd för lysdioden som precis börjar lysa är den fortfarande 110 mikro ampere och vid full LED-ljusstyrka är förbrukningen 8,2 mA-vi har kontroll. Kretsen drivs i detta exempel med en enda Ni/Mh -cell vid 1,24 volt.

De extra komponenterna är icke -kritiska. Vid 220 kOhm för potentiometern och 100 kOhm för Q2 basmotstånd fungerar styrkretsen bra men lägger mycket liten belastning på oscillatorn. Vid 0,1 uF ger C2 en jämn rättad signal utan att lägga till en stor tidskonstant och kretsen reagerar snabbt på förändringar i VR1. Jag använde en tantalelektrolyt här men en keramisk eller polyesterkomponent skulle fungera lika bra. Om du gör denna komponent för hög i kapacitans blir svaret på förändringar i potentiometern trögt.

De tre sista bilderna ovan är oscilloskopskärmar från kretsen medan de är i drift och visar spänningen på oscillatortransistorns kollektor. Den första visar mönstret med minsta LED -ljusstyrka och kretsen fungerar med små energisprång i stor utsträckning. Den andra bilden visar mönstret med ökad LED -effekt och energisprängningarna är nu mer frekventa. Den sista har full effekt och kretsen har gått i stadig oscillation.

En sådan enkel kontrollmetod är inte helt utan problem; det finns en likströmsväg från den positiva matningsskenan genom transformatorlindningen till transistorkollektorn och genom D1. Detta innebär att C2 laddas upp till matningsskenans nivå minus diodens framspänningsfall och sedan läggs spänningen som produceras av Joule Thief -åtgärden till detta. Detta är inte av betydelse under normal Joule Thief -drift med en enda cell på 1,5 volt eller mindre, men om du försöker köra kretsen vid högre spänningar över cirka 2 volt kan LED -utgången inte styras till noll. Detta är inte ett problem med de allra flesta Joule Thief -applikationer som vanligtvis ses, men det är potentialen för ytterligare utvecklingar att det kan bli betydande och sedan kan behöva göras för att härleda styrspänningen från en tredje lindning på transformatorn vilket ger total isolering.

Steg 4: Tillämpning av kretsen 1

Med effektiv kontroll kan Joule Thief tillämpas mycket mer allmänt och riktiga applikationer som facklor och nattlampor med kontrollerat ljusutbyte är möjliga. Med låga ljusinställningar och låg energiförbrukning är extremt ekonomiska tillämpningar möjliga.

Bilderna ovan visar alla idéer i den här artikeln hittills samlade på ett litet prototypkort och med utgången inställd på låg respektive hög med en ombord förinställd potentiometer. Kopparlindningarna på toroid är av den mer vanliga emaljerade koppartråden.

Det måste sägas att denna konstruktionsform är jobbig och metoden som används i nästa steg är mycket lättare.

Steg 5: Tillämpning av kretsen-2

Visas i den sammansatta bilden ovan är en annan insikt av kretsen den här gången byggd på ett stycke enkelsidigt kretskort med kopparsidan uppåt med små kuddar av enkelsidigt kretskort som sitter fast med MS -polymerlim. Denna konstruktionsform är mycket enkel och intuitiv eftersom du kan lägga ut kretsen för att replikera kretsschemat. Kuddarna gör en robust förankring för komponenterna och anslutningar till marken görs genom att lödas på kopparsubstratet nedan.

Bilden visar lysdioden helt upplyst till vänster och knappt belyst till höger, detta uppnås med enkel justering av den inbyggda trimmerpotentiometern.

Steg 6: Tillämpning av kretsen-3

Kretsschemat i den första bilden ovan visar ett 470k Ohm motstånd i serie med en 2 Volt solcell och anslutet till Joule Thief -styrkretsen effektivt parallellt med den inbyggda trimmerpotentiometern. Den andra bilden visar 2 -volts solcellen (bärgad från ett nedlagt trädgårdssolljus,) anslutet till enheten som visades i föregående steg. Cellen är i dagsljus och ger därför en spänning som stänger av kretsen och lysdioden släcks. Kretsströmmen mättes till 110 mikro ampere. Den tredje bilden visar ett lock placerat över solcellen och därmed simulerar mörker och lysdioden lyser nu och kretsströmmen mäts till 9,6 mA. På/av -övergången är inte skarp och ljuset tänds gradvis i skymningen. Observera att solcellen bara används som en billig kontrollkomponent till en batterikrets ger inte själv någon ström.

Kretsen i detta skede är potentiellt mycket användbar. Med en solcell monterad diskret i ett fönster eller på en fönsterbräda som laddar en superkondensator eller nickelmetallhydrid laddningsbar cell, blir ett mycket effektivt permanent nattljus ett möjligt framtida projekt. När den används med en AA -cell innebär möjligheten att sänka ljusutgången och sedan släcka ljuset under dagsljus att kretsen kommer att fungera under en lång period innan batterispänningen sjunker till cirka 0,6 Volt. Vilken fantastisk skräddarsydd present för mor- och farföräldrar att presentera för barnbarn! Andra idéer inkluderar ett upplyst dockhus eller ett nattlampa för badrummet så att hygienstandarden kan upprätthållas utan förlust av mörkerseende-möjligheterna är enorma.