Joule Thief con controllo ultra semplice dell'emissione luminosa: 6 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

Il circuito Joule Thief è un ottimo antipasto per lo sperimentatore elettronico alle prime armi ed è stato riprodotto innumerevoli volte, infatti una ricerca su Google produce 245000 risultati! Il circuito di gran lunga più frequente è quello mostrato nel passaggio 1 di seguito, che è incredibilmente semplice composto da quattro componenti di base, ma c'è un prezzo da pagare per questa semplicità. Quando viene alimentato con una batteria nuova da 1,5 Volt, l'emissione luminosa è elevata con un consumo di energia commisurato, ma con una tensione della batteria inferiore la luce e il consumo di energia diminuiscono fino a quando l'emissione luminosa a circa mezzo Volt cessa.

Il circuito reclama una qualche forma di controllo. L'autore ha ottenuto ciò in passato utilizzando un terzo avvolgimento sul trasformatore per fornire una tensione di controllo, vedere:

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

Qualunque sia il controllo utilizzato, dovrebbe avere la proprietà di base per cui l'abbassamento dell'emissione luminosa riduce anche il consumo di energia in modo che un'impostazione di luce bassa si traduca in un basso consumo della batteria e una maggiore durata della batteria. Il circuito sviluppato in questo articolo raggiunge questo obiettivo ed è molto più semplice in quanto l'avvolgimento aggiuntivo non è necessario e fornisce una forma di controllo che potrebbe essere adattata a molti circuiti esistenti. Alla fine dell'articolo mostriamo come spegnere automaticamente il circuito alla luce del giorno quando viene utilizzato come luce notturna.

Avrai bisogno:

Due transistor NPN per uso generico. Non critico ma ho usato 2N3904.

Un diodo al silicio. Totalmente non critico e un diodo raddrizzatore o un diodo di segnale andrà bene.

Un toroide di ferrite. Vedere più avanti nel testo per ulteriori informazioni.

Un condensatore da 0,1 uF. Ho usato un componente al tantalio da 35 V ma potresti usare un normale elettrolitico da 1 uF. Mantenere la tensione nominale: 35 o 50 Volt non sono eccessivi come durante lo sviluppo e prima che il circuito di controllo venga chiuso, è possibile applicare l'alta tensione a questo componente.

Un condensatore elettrolitico da 100uF. Il funzionamento a 12 Volt va bene qui.

Una resistenza da 10 K Ohm.

Una resistenza da 100 K Ohm

Un potenziometro da 220 K Ohm. Non critico e qualsiasi cosa nell'intervallo da 100 K a 470 K dovrebbe funzionare.

Cavo di aggancio unipolare in PVC che ottengo smontando il cavo telefonico

Per dimostrare il circuito nelle prime fasi ho usato un Breadboard senza saldatura modello AD-12 che ho ottenuto da Maplin.

Per produrre una versione permanente del circuito dovrai essere attrezzato per la costruzione elettronica elementare inclusa la saldatura. Il circuito può quindi essere costruito su Veroboard o materiale simile e viene mostrato anche un altro metodo di costruzione utilizzando un circuito stampato vuoto.

Passaggio 1: il nostro circuito base di ladri di Joule

Sopra è mostrato lo schema circuitale e un layout breadboard di un circuito funzionante.

Il trasformatore qui è composto da 2 lotti da 15 spire di cavo unipolare in PVC recuperato da un tratto di cavo telefonico attorcigliato e avvolto su un toroide di ferrite--non critico ma ho usato un articolo Ferroxcube di RS Components 174-1263 dimensioni 14,6 X 8,2 X5,5mm. C'è un'enorme libertà nella scelta di questo componente e ho misurato prestazioni identiche con un componente Maplin quattro volte più grande. C'è una tendenza per i costruttori a usare perline di ferrite molto piccole, ma questo è piccolo come vorrei - con oggetti molto piccoli la frequenza dell'oscillatore aumenterà e potrebbero esserci perdite capacitive nel circuito finale.

Il transistor utilizzato è il 2N3904 NPN per uso generale, ma funzionerà quasi tutti i transistor NPN. Il resistore di base è 10K, dove potresti vedere più frequentemente 1K usato, ma questo potrebbe aiutare quando arriveremo ad applicare il controllo al circuito in un secondo momento.

C1 è un condensatore di disaccoppiamento per appianare i transitori di commutazione generati dal funzionamento del circuito e quindi mantenere pulita la linea di alimentazione, è una buona manutenzione elettronica ma questo componente viene spesso escluso, il che può causare imprevedibilità e prestazioni irregolari del circuito.

Passaggio 2: prestazioni del circuito di base

Una certa conoscenza delle prestazioni del circuito di base può essere istruttiva. A tal fine il circuito è stato alimentato con varie tensioni di alimentazione e misurato il rispettivo assorbimento di corrente. I risultati sono mostrati nell'immagine sopra.

Il LED inizia ad emettere luce con una tensione di alimentazione di 0,435 e consuma 0,82 mA di corrente. A 1,5 Volt, (il valore per una batteria nuova,) il LED è molto luminoso ma la corrente è superiore a 12 mA. Questo illustra la necessità di controllo; dobbiamo essere in grado di impostare l'emissione luminosa a un livello ragionevole e quindi prolungare notevolmente la durata della batteria.

Passaggio 3: aggiungere il controllo

Lo schema del circuito di controllo extra è mostrato nella prima immagine sopra.

È stato aggiunto un secondo transistor 2N3904 (Q2) con il collettore collegato alla base del transistor dell'oscillatore, (Q1). Quando è spento, questo secondo transistor non ha alcun effetto sulla funzione dell'oscillatore ma quando è acceso collega la base del transistor dell'oscillatore a massa riducendo così l'uscita dell'oscillatore. Un diodo al silicio collegato al collettore del transistor dell'oscillatore fornisce una tensione rettificata per caricare C2, un condensatore da 0,1 uF. Attraverso C2 c'è un potenziometro da 220 kOhm (VR1,) e il tergicristallo è collegato di nuovo alla base del transistor di controllo (Q2,) tramite un resistore da 100 kOhm che completa il ciclo. L'impostazione del potenziometro ora controlla l'emissione luminosa e in questo caso il consumo di corrente. Con il potenziometro impostato al minimo il consumo di corrente è di 110 micro Ampere, quando è impostato per il LED che inizia ad accendersi è ancora di 110 micro Ampere e a piena luminosità del LED il consumo è di 8,2 mA - abbiamo il controllo. Il circuito viene alimentato in questo esempio con una singola cella Ni/Mh a 1,24 Volt.

I componenti aggiuntivi non sono critici. A 220 kOhm per il potenziometro e 100 kOhm per il resistore di base Q2, il circuito di controllo funziona bene ma carica molto poco l'oscillatore. A 0,1 uF C2 fornisce un segnale rettificato uniforme senza aggiungere una grande costante di tempo e il circuito risponde rapidamente alle modifiche a VR1. Ho usato un elettrolitico al tantalio qui, ma un componente in ceramica o poliestere funzionerebbe altrettanto bene. Se si aumenta la capacità di questo componente, la risposta ai cambiamenti nel potenziometro sarà lenta.

Le ultime tre immagini sopra sono schermate dell'oscilloscopio dal circuito mentre è operativo e mostrano la tensione sul collettore del transistor dell'oscillatore. Il primo mostra lo schema alla luminosità minima del LED e il circuito funziona con piccole esplosioni di energia ampiamente distanziate. La seconda immagine mostra il modello con una maggiore potenza del LED e le esplosioni di energia sono ora più frequenti. L'ultimo è a piena potenza e il circuito è andato in oscillazione costante.

Un metodo di controllo così semplice non è completamente privo di problemi; c'è un percorso CC dalla guida di alimentazione positiva attraverso l'avvolgimento del trasformatore al collettore del transistor e attraverso D1. Ciò significa che C2 si carica fino al livello della linea di alimentazione meno la caduta di tensione diretta del diodo e quindi la tensione prodotta dall'azione Joule Thief viene aggiunta a questa. Questo non è significativo durante il normale funzionamento di Joule Thief con una singola cella di 1,5 Volt o meno, ma se si tenta di far funzionare il circuito a tensioni superiori a circa 2 Volt, l'uscita del LED non può essere controllata fino a zero. Questo non è un problema con la stragrande maggioranza delle applicazioni Joule Thief normalmente viste ma è tale il potenziale per ulteriori sviluppi che potrebbe diventare significativo e quindi potrebbe essere necessario ricorrere alla derivazione della tensione di controllo da un terzo avvolgimento sul trasformatore che garantisce un isolamento totale.

Fase 4: Applicazione del Circuito 1

Con un controllo efficace, Joule Thief può essere applicato molto più ampiamente e sono possibili applicazioni reali come torce e luci notturne con emissione luminosa controllata. Inoltre, con impostazioni di scarsa illuminazione e un commisurato basso consumo energetico, sono possibili applicazioni estremamente economiche.

Le immagini sopra mostrano tutte le idee in questo articolo finora raccolte su una piccola scheda prototipo e con l'uscita impostata rispettivamente su bassa e alta con un potenziometro preimpostato a bordo. Gli avvolgimenti in rame sul toroide sono del più comune filo di rame smaltato.

Va detto che questa forma di costruzione è complicata e il metodo utilizzato nel passaggio successivo è molto più semplice.

Passaggio 5: applicazione del circuito --2

Nell'immagine composita sopra è mostrata un'altra realizzazione del circuito questa volta costruita su un pezzo di circuito stampato a lato singolo con lato rame rivolto verso l'alto con piccoli pad di circuito stampato a lato singolo incollati con colla polimerica MS. Questa forma di costruzione è molto semplice e intuitiva in quanto è possibile disporre il circuito per replicare lo schema del circuito. Le piazzole costituiscono un robusto ancoraggio per i componenti e le connessioni a terra sono realizzate mediante saldatura al substrato di rame sottostante.

L'immagine mostra il LED completamente illuminato a sinistra e appena illuminato a destra, grazie alla semplice regolazione del potenziometro del trimmer di bordo.

Passaggio 6: applicazione del circuito - 3

Lo schema elettrico nella prima immagine sopra mostra un resistore da 470k Ohm in serie con una cella solare da 2 Volt e collegato al circuito di controllo Joule Thief in modo efficace in parallelo con il potenziometro trimmer di bordo. La seconda immagine mostra la cella solare da 2 Volt (recuperata da una luce solare da giardino defunta) collegata all'assieme mostrato nel passaggio precedente. La cella è alla luce del giorno e quindi fornisce una tensione che spegne il circuito e il LED si spegne. La corrente del circuito è stata misurata a 110 micro Ampere. La terza immagine mostra un cappuccio posizionato sopra la cella solare simulando così l'oscurità e il LED è ora illuminato e la corrente del circuito misurata a 9,6 mA. La transizione on/off non è netta e la luce si accende gradualmente al tramonto. Si noti che la cella solare viene utilizzata semplicemente come un componente di controllo economico per un circuito della batteria che non fornisce energia.

Il circuito in questa fase è potenzialmente molto utile. Con una cella solare montata discretamente in una finestra o sul davanzale di una finestra che carica un super condensatore o una cella ricaricabile all'idruro metallico di nichel, una luce notturna permanente altamente efficace diventa un possibile progetto futuro. Se utilizzato con una cella AA, la capacità di abbassare l'emissione luminosa e quindi spegnere la luce durante la luce del giorno significa che il circuito funzionerà per un lungo periodo prima che la tensione della batteria scenda a circa 0,6 Volt. Che superbo regalo su misura per i nonni da presentare ai nipoti! Altre idee includono una casa delle bambole illuminata o una luce notturna per il bagno per consentire il mantenimento degli standard di igiene senza perdita della visione notturna: le possibilità sono enormi.