Joule Thief z ultra prostą kontrolą natężenia światła: 6 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

Obwód Joule Thief jest doskonałym daniem dla początkującego eksperymentatora elektronicznego i był powielany niezliczoną ilość razy, rzeczywiście wyszukiwanie w Google daje 245000 trafień! Zdecydowanie najczęściej spotykanym układem jest ten pokazany w kroku 1 poniżej, który jest niewiarygodnie prosty i składa się z czterech podstawowych elementów, ale za tę prostotę trzeba zapłacić. Przy zasilaniu nową baterią 1,5 V strumień świetlny jest wysoki przy proporcjonalnym poborze mocy, ale przy niższym napięciu baterii, światło i zużycie energii spadają, aż do około połowy wartości wyjściowej światła.

Obwód woła o jakąś formę kontroli. Autor osiągnął to w przeszłości, wykorzystując trzecie uzwojenie transformatora do zapewnienia napięcia sterującego, patrz:

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

Jakakolwiek kontrola jest używana, powinna mieć podstawową właściwość, zgodnie z którą zmniejszenie mocy światła zmniejsza również zużycie energii, tak aby niskie ustawienie światła powodowało mniejsze zużycie baterii i dłuższą żywotność baterii. Obwód opracowany w tym artykule osiąga to i jest znacznie prostszy, ponieważ dodatkowe uzwojenie nie jest potrzebne i zapewnia formę sterowania, którą można zmodernizować w wielu istniejących obwodach. Na końcu artykułu pokazujemy, jak automatycznie wyłączać obwód w świetle dziennym, gdy jest używany jako światło nocne.

Będziesz potrzebować:

Dwa tranzystory NPN ogólnego przeznaczenia. Niekrytyczne, ale użyłem 2N3904.

Jedna dioda krzemowa. Całkowicie niekrytyczne i dioda prostownicza lub dioda sygnalizacyjna będzie w porządku.

Toroid ferrytowy. Więcej informacji znajdziesz w dalszej części tekstu.

Jeden kondensator 0,1 uF. Użyłem komponentu tantalowego 35 V, ale możesz użyć zwykłego elektrolitu 1 uF. Utrzymuj napięcie znamionowe na poziomie - 35 lub 50 V nie jest nadmierne, jak podczas opracowywania, a zanim pętla sterowania zostanie zamknięta, do tego elementu można przyłożyć wysokie napięcie.

Jeden kondensator elektrolityczny 100uF. Praca 12 V jest tutaj w porządku.

Jeden rezystor 10 K Ohm.

Jeden rezystor 100 K Ohm

Jeden potencjometr 220 K Ohm. Niekrytyczne i wszystko w zakresie od 100 K do 470 K powinno działać.

Jednożyłowy przewód podłączeniowy z PVC, który uzyskuje się, zdejmując kabel telefoniczny

Aby zademonstrować obwód we wczesnych etapach, użyłem bezlutowanej płytki chlebowej model AD-12, którą otrzymałem od Maplin.

Aby wyprodukować trwałą wersję obwodu, będziesz wyposażony w elementarną konstrukcję elektroniczną, w tym lutowanie. Obwód może być następnie zbudowany na płytce Veroboard lub podobnym materiale i pokazano również inną metodę budowy z wykorzystaniem pustej płytki drukowanej.

Krok 1: Nasz podstawowy obwód złodzieja dżulów

Powyżej pokazano schemat obwodu i układ płytki prototypowej działającego obwodu.

Transformator składa się z 2 partii po 15 zwojów jednożyłowego drutu PVC, odzyskanego z kawałka kabla telefonicznego skręconego razem i nawiniętego na ferrytowy toroid. X 5,5 mm. Wybór tego komponentu jest ogromny i identyczną wydajność zmierzyłem z czterokrotnie większym komponentem Maplin. Konstruktorzy mają tendencję do używania bardzo małych kulek ferrytowych, ale jest to tak małe, jak bym chciał - przy bardzo małych elementach częstotliwość oscylatora wzrośnie i mogą wystąpić straty pojemnościowe w końcowym obwodzie.

Użyty tranzystor to 2N3904 ogólnego przeznaczenia NPN, ale prawie każdy tranzystor NPN będzie działał. Rezystor bazowy to 10K, gdzie może być częściej używany 1K, ale może to pomóc, gdy później przyjdziemy do sterowania obwodem.

C1 to kondensator odsprzęgający, który wygładza przebiegi przejściowe generowane przez działanie obwodu, a tym samym utrzymuje szynę zasilającą w czystości. Jest to dobre elektroniczne porządkowanie, ale ten element jest często pomijany, co może skutkować nieprzewidywalnością i błędną wydajnością obwodu.

Krok 2: Wydajność obwodu podstawowego

Pouczająca może być pewna wiedza na temat działania podstawowego obwodu. W tym celu obwód zasilano różnymi napięciami zasilającymi i mierzono odpowiedni pobór prądu. Wyniki przedstawia powyższy obrazek.

Dioda LED zaczyna emitować światło przy napięciu zasilania 0,435 i pobiera prąd 0,82 mA. Przy 1,5 V (wartość dla nowej baterii) dioda LED jest bardzo jasna, ale prąd przekracza 12 mA. To ilustruje potrzebę kontroli; musimy być w stanie ustawić moc światła na rozsądnym poziomie, a tym samym znacznie przedłużyć żywotność baterii.

Krok 3: Dodawanie kontroli

Schemat obwodu dodatkowego obwodu sterującego pokazano na pierwszym rysunku powyżej.

Drugi tranzystor 2N3904 (Q2) został dodany z kolektorem podłączonym do bazy tranzystora oscylatora (Q1.) Po wyłączeniu ten drugi tranzystor nie ma wpływu na funkcję oscylatora, ale po włączeniu zwiera bazę tranzystora oscylatora do ziemi zmniejszając w ten sposób moc oscylatora. Dioda krzemowa połączona z kolektorem tranzystora oscylatora dostarcza wyprostowane napięcie w celu naładowania kondensatora C2, 0,1 uF. W poprzek C2 znajduje się potencjometr 220 kOhm (VR1,), a wycieraczka jest połączona z powrotem do bazy tranzystora sterującego (Q2,) przez rezystor 100 kOhm uzupełniający pętlę. Ustawienie potencjometru steruje teraz mocą światła iw tym przypadku poborem prądu. Przy ustawieniu potencjometru na minimum pobór prądu wynosi 110 mikroamperów, przy ustawieniu na diodę dopiero zaczynającą się świecić nadal wynosi 110 mikroamperów, a przy pełnej jasności diody pobór wynosi 8,2 mA – mamy kontrolę. W tym przykładzie obwód jest zasilany pojedynczym ogniwem Ni/Mh o napięciu 1,24 V.

Dodatkowe komponenty nie są krytyczne. Przy 220 kOhm dla potencjometru i 100 kOhm dla rezystora bazowego Q2 obwód sterujący działa dobrze, ale bardzo mało obciąża oscylator. Przy 0,1 uF C2 zapewnia gładki wyprostowany sygnał bez dodawania dużej stałej czasowej, a obwód szybko reaguje na zmiany VR1. Użyłem tutaj elektrolitu tantalowego, ale równie dobrze sprawdzi się składnik ceramiczny lub poliestrowy. Jeśli ten element będzie miał zbyt dużą pojemność, reakcja na zmiany potencjometru będzie powolna.

Ostatnie trzy zdjęcia powyżej to zrzuty ekranu oscyloskopu z obwodu podczas pracy i pokazują napięcie na kolektorze tranzystora oscylatora. Pierwsza pokazuje wzór przy minimalnej jasności LED, a obwód działa z małymi impulsami energii, rozmieszczonymi w dużych odstępach. Drugie zdjęcie pokazuje wzór ze zwiększoną mocą LED, a impulsy energii są teraz częstsze. Ostatni jest na pełnej mocy, a obwód wszedł w stałą oscylację.

Tak prosta metoda kontroli nie jest całkowicie pozbawiona problemów; istnieje ścieżka DC od dodatniej szyny zasilającej przez uzwojenie transformatora do kolektora tranzystora i przez D1. Oznacza to, że C2 ładuje się do poziomu szyny zasilającej minus spadek napięcia diody w kierunku przewodzenia, a następnie dodaje się do tego napięcie wytwarzane przez działanie Joule Thief. Nie ma to znaczenia podczas normalnej pracy Joule Thief z pojedynczą komórką 1,5 V lub mniej, ale jeśli spróbujesz uruchomić obwód przy wyższym napięciu powyżej około 2 V, wyjście LED nie może być kontrolowane do zera. Nie jest to problem w przypadku większości aplikacji Joule Thief, które są zwykle obserwowane, ale istnieje taki potencjał dalszego rozwoju, że może to stać się znaczące, a następnie może być konieczne uciekanie się do wyprowadzenia napięcia sterującego z trzeciego uzwojenia transformatora co zapewnia całkowitą izolację.

Krok 4: Aplikacja obwodu 1

Dzięki skutecznej kontroli Joule Thief może być znacznie szerzej stosowany i możliwe są rzeczywiste zastosowania, takie jak latarki i lampki nocne z kontrolowanym strumieniem świetlnym. Dodatkowo przy niskich ustawieniach oświetlenia i proporcjonalnie niskim poborze mocy możliwe są niezwykle ekonomiczne zastosowania.

Powyższe zdjęcia pokazują wszystkie pomysły zawarte w tym artykule do tej pory zebrane na małej płytce prototypowej z wyjściem ustawionym odpowiednio na niski i wysoki za pomocą wstępnie ustawionego potencjometru na płycie. Miedziane uzwojenia na toroidzie są wykonane z bardziej zwykłego emaliowanego drutu miedzianego.

Trzeba powiedzieć, że ta forma konstrukcji jest kłopotliwa, a metoda zastosowana w kolejnym kroku jest znacznie łatwiejsza.

Krok 5: Zastosowanie obwodu -2

Na powyższym złożonym zdjęciu pokazano kolejną realizację układu tym razem zbudowaną na kawałku jednostronnej płytki drukowanej stroną miedzianą do góry z małymi podkładkami jednostronnej płytki drukowanej naklejonymi klejem MS polimerowym. Ta forma konstrukcji jest bardzo łatwa i intuicyjna, ponieważ można rozłożyć obwód, aby odtworzyć schemat obwodu. Podkładki stanowią solidne zakotwiczenie dla komponentów, a połączenia z ziemią wykonuje się poprzez lutowanie do podłoża miedzianego poniżej.

Zdjęcie pokazuje diodę LED w pełni podświetloną po lewej stronie i ledwo podświetloną po prawej stronie, co można osiągnąć dzięki prostej regulacji potencjometru trymera na pokładzie.

Krok 6: Zastosowanie obwodu-3

Schemat obwodu na pierwszym zdjęciu powyżej pokazuje rezystor 470k Ohm połączony szeregowo z 2-woltowym ogniwem słonecznym i podłączony do obwodu sterującego Joule Thief skutecznie równolegle z potencjometrem trymera na pokładzie. Drugie zdjęcie przedstawia 2-woltowe ogniwo słoneczne (uratowane z nieczynnej ogrodowej lampy słonecznej) podłączone do zespołu pokazanego w poprzednim kroku. Ogniwo jest w świetle dziennym, a zatem dostarcza napięcie, które wyłącza obwód, a dioda LED gaśnie. Prąd obwodu został zmierzony przy 110 mikroamperach. Trzecie zdjęcie pokazuje nasadkę umieszczoną nad ogniwem słonecznym, symulując ciemność, a dioda LED jest teraz podświetlona, a prąd obwodu mierzony przy 9,6 mA. Przejście włącz/wyłącz nie jest ostre, a światło włącza się stopniowo o zmierzchu. Należy zauważyć, że ogniwo słoneczne jest używane jedynie jako tani element sterujący do obwodu akumulatora, który sam nie dostarcza żadnej energii.

Obwód na tym etapie jest potencjalnie bardzo przydatny. Z ogniwem słonecznym zamontowanym dyskretnie w oknie lub na parapecie, ładującym superkondensator lub akumulator niklowo-metalowo-wodorkowy, wysoce efektywne stałe oświetlenie nocne staje się możliwym przyszłym projektem. W przypadku użycia z ogniwem AA możliwość zmniejszenia mocy światła, a następnie wyłączenia światła w ciągu dnia, oznacza, że obwód będzie działał przez długi czas, zanim napięcie baterii spadnie do około 0,6 V. Cóż za wspaniały prezent na zamówienie dla dziadków dla wnuków! Inne pomysły obejmują oświetlony domek dla lalek lub lampkę nocną do łazienki, aby umożliwić utrzymanie standardów higieny bez utraty widzenia w nocy – możliwości są ogromne.