Joule Thief met ultraeenvoudige controle van de lichtopbrengst - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

Het Joule Thief-circuit is een uitstekende ingang voor de beginnende elektronische experimentator en is ontelbare keren gereproduceerd, inderdaad een Google-zoekopdracht levert 245000 hits op! Verreweg de meest voorkomende schakeling is die getoond in stap 1 hieronder, die ongelooflijk eenvoudig is en bestaat uit vier basiscomponenten, maar er moet een prijs worden betaald voor deze eenvoud. Wanneer gevoed met een nieuwe batterij van 1,5 Volt is de lichtopbrengst hoog bij een evenredig stroomverbruik, maar bij een lagere batterijspanning vallen het licht en het stroomverbruik weg tot ongeveer een halve Volt lichtopbrengst stopt.

Het circuit schreeuwt om een vorm van controle. De auteur heeft dit in het verleden bereikt door een derde wikkeling op de transformator te gebruiken om een stuurspanning te leveren, zie:

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

Welke regeling ook wordt gebruikt, deze moet de basiseigenschap hebben waarbij het verlagen van de lichtopbrengst ook het stroomverbruik verlaagt, zodat een instelling voor weinig licht resulteert in een laag batterijverbruik en een langere levensduur van de batterij. Het circuit dat in dit artikel is ontwikkeld, bereikt dit en is veel eenvoudiger omdat de extra wikkeling niet nodig is en een vorm van besturing oplevert die achteraf in veel bestaande circuits kan worden ingebouwd. Aan het einde van het artikel laten we zien hoe je het circuit bij daglicht automatisch kunt uitschakelen als het wordt ingezet als nachtlampje.

Je zal nodig hebben:

Twee NPN-transistoren voor algemeen gebruik. Niet kritisch, maar ik gebruikte 2N3904.

Een siliciumdiode. Totaal niet kritisch en een gelijkrichterdiode of signaaldiode is prima.

Een ferriet ringkern. Zie verderop in de tekst voor meer informatie.

Een 0.1 uF condensator. Ik gebruikte een 35V Tantalum-component, maar je zou een gewone elektrolyt van 1 uF kunnen gebruiken. Houd de nominale spanning hoog - de nominale spanning van 35 of 50 volt is niet buitensporig, want tijdens de ontwikkeling en voordat uw regelkring wordt gesloten, kan er hoogspanning op dit onderdeel worden toegepast.

Een 100uF elektrolytische condensator. 12 Volt werkt hier prima.

Een weerstand van 10 K Ohm.

Een weerstand van 100 K Ohm

Een 220 K Ohm potentiometer. Niet kritisch en alles in het bereik van 100 K tot 470 K zou moeten werken.

PVC enkeladerige aansluitdraad die ik verkrijg door de telefoonkabel te strippen

Om het circuit in de vroege stadia te demonstreren, gebruikte ik een Model AD-12 Solderless Breadboard die ik van Maplin had verkregen.

Om een permanente versie van de schakeling te maken, moet je uitgerust zijn voor elementaire elektronische constructie inclusief solderen. De schakeling kan dan worden geconstrueerd op Veroboard of soortgelijk materiaal en er wordt ook een andere constructiemethode met een blanco printplaat getoond.

Stap 1: Ons basis Joule Thief Circuit

Hierboven is het schakelschema en een breadboard-lay-out van een werkend circuit weergegeven.

De transformator hier bestaat uit 2 partijen van 15 windingen van enkeladerige PVC-draad die zijn geborgen uit een stuk telefoonkabel die in elkaar is gedraaid en op een ferrietring is gewikkeld - niet kritisch, maar ik gebruikte een Ferroxcube-item van RS Components 174-1263 maat 14,6 X 8,2 X 5,5 mm. Er is een enorme speelruimte in de keuze van dit onderdeel en ik heb identieke prestaties gemeten met een Maplin-onderdeel dat vier keer zo groot is. Constructeurs hebben de neiging om zeer kleine ferrietkralen te gebruiken, maar dit is zo klein als ik zou willen - met zeer kleine items zal de oscillatorfrequentie hoger worden en kunnen er capacitieve verliezen optreden in het uiteindelijke circuit.

De gebruikte transistor is de 2N3904 NPN voor algemeen gebruik, maar bijna elke NPN-transistor zal werken. De basisweerstand is 10K, waar je misschien vaker 1K ziet gebruikt, maar dit kan helpen als we later controle op het circuit gaan toepassen.

C1 is een ontkoppelingscondensator om schakeltransiënten die worden gegenereerd door de werking van het circuit af te vlakken en zo de voedingsrail schoon te houden, het is een goede elektronische huishouding, maar dit onderdeel wordt vaak weggelaten, wat kan resulteren in onvoorspelbaarheid en grillige circuitprestaties.

Stap 2: Prestaties van het basiscircuit

Enige kennis van de prestaties van het basiscircuit kan leerzaam zijn. Hiertoe werd de schakeling gevoed met verschillende voedingsspanningen en werd het respectievelijke stroomverbruik gemeten. De resultaten zijn te zien in de afbeelding hierboven.

De LED begint licht te geven met een voedingsspanning van 0,435 en verbruikt 0,82 mA stroom. Bij 1,5 Volt, (de waarde voor een nieuwe batterij,) is de LED erg fel maar de stroom is boven de 12 mA. Dit illustreert de behoefte aan controle; we moeten de lichtopbrengst op een redelijk niveau kunnen instellen en zo de levensduur van de batterij aanzienlijk kunnen verlengen.

Stap 3: Controle toevoegen

Het schakelschema van de extra stuurschakeling is te zien op de eerste afbeelding hierboven.

Een tweede 2N3904 (Q2) transistor is toegevoegd met de collector verbonden met de oscillatortransistorbasis, (Q1.) Wanneer uitgeschakeld heeft deze tweede transistor geen effect op de oscillatorfunctie, maar wanneer ingeschakeld, shunt hij de basis van de oscillatortransistor naar aarde waardoor de output van de oscillator wordt verminderd. Een siliciumdiode die is aangesloten op de collector van de oscillatortransistor, levert een gelijkgerichte spanning om C2, een condensator van 0,1 uF, op te laden. Over C2 is er een 220 kOhm potentiometer (VR1,) en de wisser is terug verbonden met de stuurtransistorbasis (Q2,) via een 100 kOhm weerstand die de lus voltooit. De instelling van de potmeter regelt nu de lichtopbrengst en in dit geval het stroomverbruik. Met de potentiometer op het minimum ingesteld, is het stroomverbruik 110 micro Ampère, wanneer ingesteld voor de LED die net begint te branden is het nog steeds 110 micro Ampère en bij volledige LED-helderheid is het verbruik 8,2 mA - we hebben controle. Het circuit wordt in dit voorbeeld gevoed met een enkele Ni/Mh-cel van 1,24 Volt.

De extra componenten zijn niet kritisch. Bij 220 kOhm voor de potentiometer en 100 kOhm voor Q2 basisweerstand functioneert het stuurcircuit goed, maar belast de oscillator zeer weinig. Bij 0,1 uF levert C2 een vloeiend gelijkgericht signaal zonder toevoeging van een grote tijdconstante en de schakeling reageert snel op veranderingen aan VR1. Ik gebruikte hier een elektrolytische tantaal, maar een component van keramiek of polyester zou net zo goed werken. Als u dit onderdeel een te hoge capaciteit maakt, zal de reactie op veranderingen in de potentiometer traag zijn.

De laatste drie foto's hierboven zijn oscilloscoopschermen van het circuit terwijl ze in bedrijf zijn en tonen de spanning op de collector van de oscillatortransistor. De eerste toont het patroon bij minimale LED-helderheid en het circuit werkt met kleine uitbarstingen van energie op grote afstand. De tweede afbeelding toont het patroon met verhoogde LED-output en de uitbarstingen van energie komen nu vaker voor. De laatste is op volledige output en het circuit is in stabiele oscillatie gegaan.

Zo'n eenvoudige manier van besturen is niet geheel zonder problemen; er is een gelijkstroompad van de positieve voedingsrail door de transformatorwikkeling naar de transistorcollector en door D1. Dit betekent dat C2 oplaadt tot het niveau van de voedingsrail minus de voorwaartse spanningsval van de diode en vervolgens wordt de spanning die wordt geproduceerd door Joule Thief-actie hieraan toegevoegd. Dit is niet van belang tijdens de normale werking van de Joule Thief met een enkele cel van 1,5 volt of minder, maar als u probeert het circuit op hogere spanningen dan ongeveer 2 volt te laten werken, kan de LED-uitgang niet tot nul worden geregeld. Dit is geen probleem met de overgrote meerderheid van Joule Thief-toepassingen die normaal gesproken worden gezien, maar het potentieel voor verdere ontwikkelingen is zo groot dat het aanzienlijk kan worden en dan moet mogelijk worden toevlucht genomen tot de afleiding van de stuurspanning van een derde wikkeling op de transformator wat zorgt voor totale isolatie.

Stap 4: Toepassing van het circuit 1

Met effectieve controle kan de Joule Thief veel breder worden toegepast en zijn echte toepassingen zoals zaklampen en nachtverlichting met gecontroleerde lichtopbrengst mogelijk. Bovendien zijn met instellingen voor weinig licht en een evenredig laag stroomverbruik extreem economische toepassingen mogelijk.

De afbeeldingen hierboven tonen alle ideeën in dit artikel tot nu toe samengebracht op een klein prototypebord en met de output ingesteld op respectievelijk laag en hoog met een ingebouwde vooraf ingestelde potentiometer. De koperen windingen op de ringkern zijn van de meer gebruikelijke geëmailleerde koperdraad.

Het moet gezegd dat deze vorm van constructie onhandig is en de methode die in de volgende stap wordt gebruikt veel eenvoudiger is.

Stap 5: Toepassing van het circuit --2

Getoond in de samengestelde afbeelding hierboven is een andere realisatie van het circuit, dit keer gebouwd op een stuk enkelzijdige printplaat met koperzijde naar boven met kleine kussentjes van enkelzijdige printplaat geplakt met MS-polymeerlijm. Deze vorm van constructie is heel eenvoudig en intuïtief, omdat u het circuit kunt neerleggen om het schakelschema te repliceren. De pads vormen een robuuste verankering voor de componenten en verbindingen met aarde worden gemaakt door op het koperen substraat eronder te solderen.

De afbeelding toont de LED volledig verlicht aan de linkerkant en nauwelijks verlicht aan de rechterkant, dit wordt bereikt met een eenvoudige aanpassing van de ingebouwde trimmer-potentiometer.

Stap 6: Toepassing van het circuit--3

Het schakelschema in de eerste afbeelding hierboven toont een weerstand van 470k Ohm in serie met een 2 Volt zonnecel en aangesloten op het Joule Thief-regelcircuit, effectief parallel met de ingebouwde trimmer-potentiometer. De tweede afbeelding toont de 2 Volt zonnecel (gered van een ter ziele gegane zonnelamp in de tuin) die is aangesloten op de montage die in de vorige stap is getoond. De cel staat bij daglicht en levert dus een spanning die het circuit uitschakelt en de LED uitgaat. De circuitstroom werd gemeten bij 110 micro Ampère. De derde foto toont een kap die over de zonnecel is geplaatst en zo duisternis simuleert en de LED is nu verlicht en de circuitstroom gemeten op 9,6 mA. De aan/uit overgang is niet scherp en het licht gaat geleidelijk aan in de schemering. Merk op dat de zonnecel alleen wordt gebruikt als een goedkope regelcomponent om een batterijcircuit zelf geen stroom te leveren.

De schakeling in dit stadium is potentieel zeer nuttig. Met een zonnecel die discreet in een raam of op een vensterbank is gemonteerd en een supercondensator of oplaadbare nikkel-metaalhydride-cel oplaadt, wordt een zeer effectief permanent nachtlampje een mogelijk toekomstig project. Bij gebruik met een AA-cel betekent de mogelijkheid om de lichtopbrengst te verlagen en vervolgens het licht uit te schakelen bij daglicht, dat het circuit gedurende een lange periode zal werken voordat de batterijspanning daalt tot ongeveer 0,6 Volt. Wat een prachtig op maat gemaakt cadeau voor grootouders om aan kleinkinderen te geven! Andere ideeën zijn onder meer een verlicht poppenhuis of een nachtlampje voor de badkamer om de hygiëne te handhaven zonder verlies van nachtzicht - de mogelijkheden zijn enorm.