Joule Thief mit ultraeinfacher Steuerung der Lichtleistung - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:19

Die Joule-Thief-Schaltung ist ein ausgezeichnetes Entrée für den unerfahrenen elektronischen Experimentator und wurde unzählige Male reproduziert, tatsächlich liefert eine Google-Suche 245000 Treffer! Die bei weitem am häufigsten anzutreffende Schaltung ist die in Schritt 1 unten gezeigte, die unglaublich einfach ist und aus vier Grundkomponenten besteht, aber für diese Einfachheit ist ein Preis zu zahlen. Bei Betrieb mit einer frischen Batterie von 1,5 Volt ist die Lichtleistung bei entsprechendem Stromverbrauch hoch, aber bei niedrigerer Batteriespannung sinken Licht und Stromverbrauch, bis bei etwa einem halben Volt die Lichtleistung aufhört.

Die Schaltung schreit nach einer Form der Kontrolle. Dies ist dem Autor in der Vergangenheit dadurch gelungen, dass eine dritte Wicklung am Transformator zur Bereitstellung einer Steuerspannung verwendet wurde, siehe:

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

Welche Steuerung auch immer verwendet wird, sie sollte die grundlegende Eigenschaft haben, dass das Herunterfahren der Lichtleistung auch den Stromverbrauch senkt, sodass eine niedrige Lichteinstellung zu einem niedrigen Batterieverbrauch und einer längeren Batterielebensdauer führt. Die in diesem Artikel entwickelte Schaltung erreicht dies und ist viel einfacher, da die zusätzliche Wicklung nicht benötigt wird und eine Form der Steuerung ergibt, die in viele bestehende Schaltungen nachgerüstet werden könnte. Am Ende des Artikels zeigen wir, wie man bei Verwendung als Nachtlicht den Stromkreis bei Tageslicht automatisch abschaltet.

Du wirst brauchen:

Zwei Allzweck-NPN-Transistoren. Nicht kritisch, aber ich habe 2N3904 verwendet.

Eine Siliziumdiode. Völlig unkritisch und eine Gleichrichterdiode oder Signaldiode ist in Ordnung.

Ein Ferrit-Toroid. Weitere Informationen finden Sie weiter unten im Text.

Ein 0,1 uF Kondensator. Ich habe eine 35-V-Tantal-Komponente verwendet, aber Sie könnten ein 1 uF gewöhnliches Elektrolyt verwenden. Halten Sie die Nennspannung hoch – die Nennspannung von 35 oder 50 Volt ist nicht zu hoch wie während der Entwicklung, und bevor Ihr Regelkreis geschlossen wird, kann Hochspannung an diese Komponente angelegt werden.

Ein 100uF Elektrolytkondensator. Das Arbeiten mit 12 Volt ist hier in Ordnung.

Ein 10 K Ohm Widerstand.

Ein 100 K Ohm Widerstand

Ein 220 K Ohm Potentiometer. Unkritisch und alles im Bereich von 100 K bis 470 K sollte funktionieren.

PVC einadriges Anschlusskabel, das ich durch Abisolieren von Telefonkabeln erhalte

Um die Schaltung in den frühen Stadien zu demonstrieren, habe ich ein lötfreies Breadboard des Modells AD-12 verwendet, das ich von Maplin erhalten habe.

Um eine dauerhafte Version der Schaltung herzustellen, müssen Sie für den elementaren elektronischen Aufbau einschließlich Löten ausgerüstet sein. Die Schaltung kann dann auf Veroboard oder ähnlichem Material aufgebaut werden, und ein anderes Konstruktionsverfahren unter Verwendung einer leeren Leiterplatte wird ebenfalls gezeigt.

Schritt 1: Unser grundlegender Joule-Dieb-Schaltkreis

Oben gezeigt ist der Schaltplan und ein Steckbrett-Layout einer Arbeitsschaltung.

Der Transformator besteht hier aus 2 Losen von 15 Windungen eines einadrigen PVC-Drahts, der aus einem zusammengedrehten und auf einen Ferrit-Toroid gewickelten Telefonkabel geborgen wurde - nicht kritisch, aber ich habe einen Ferroxcube-Artikel von RS Components 174-1263 Größe 14,6 X 8,2 verwendet X 5,5 mm. Bei der Wahl dieser Komponente gibt es einen enormen Spielraum und ich habe die gleiche Leistung mit einer viermal so großen Maplin-Komponente gemessen. Konstrukteure neigen dazu, sehr kleine Ferritperlen zu verwenden, aber dies ist so klein, wie ich möchte - bei sehr kleinen Gegenständen wird die Oszillatorfrequenz höher und es kann zu kapazitiven Verlusten im Endstromkreis kommen.

Der verwendete Transistor ist der 2N3904 Allzweck-NPN, aber fast jeder NPN-Transistor läuft. Der Basiswiderstand beträgt 10K, wo Sie möglicherweise häufiger 1K verwenden, aber dies kann helfen, wenn wir später die Steuerung auf die Schaltung anwenden.

C1 ist ein Entkopplungskondensator, um durch den Schaltungsbetrieb erzeugte Schalttransienten zu glätten und somit die Stromversorgungsschiene sauber zu halten.

Schritt 2: Leistung der Grundschaltung

Einige Kenntnisse über die Leistung der Grundschaltung können aufschlussreich sein. Dazu wurde die Schaltung mit verschiedenen Versorgungsspannungen versorgt und die jeweilige Stromaufnahme gemessen. Die Ergebnisse sind im Bild oben dargestellt.

Die LED beginnt ab einer Versorgungsspannung von 0,435 zu leuchten und verbraucht 0,82 mA Strom. Bei 1,5 Volt (der Wert für eine neue Batterie) ist die LED sehr hell, aber der Strom liegt über 12 mA. Dies veranschaulicht die Notwendigkeit der Kontrolle; Wir müssen in der Lage sein, die Lichtleistung auf ein vernünftiges Niveau einzustellen und damit die Batterielebensdauer erheblich zu verlängern.

Schritt 3: Steuerung hinzufügen

Der Schaltplan der zusätzlichen Steuerschaltung ist im ersten Bild oben gezeigt.

Ein zweiter 2N3904 (Q2) Transistor wurde hinzugefügt, wobei der Kollektor mit der Basis des Oszillatortransistors (Q1) verbunden ist. Wenn dieser zweite Transistor ausgeschaltet ist, hat er keine Auswirkung auf die Oszillatorfunktion, aber wenn er eingeschaltet ist, wird die Basis des Oszillatortransistors auf Masse gelegt wodurch die Oszillatorausgabe reduziert wird. Eine an den Kollektor des Oszillatortransistors angeschlossene Siliziumdiode liefert eine gleichgerichtete Spannung zum Aufladen von C2, einem 0,1 uF-Kondensator. An C2 befindet sich ein 220kOhm-Potentiometer (VR1,) und der Schleifer ist über einen 100-kOhm-Widerstand mit der Basis des Steuertransistors (Q2,) verbunden, der die Schleife vervollständigt. Die Einstellung des Potentiometers steuert nun die Lichtleistung und in diesem Fall die Stromaufnahme. Wenn das Potentiometer auf Minimum eingestellt ist, beträgt die Stromaufnahme 110 Mikroampere, wenn die LED gerade anfängt zu leuchten, sind es immer noch 110 Mikroampere und bei voller LED-Helligkeit beträgt der Verbrauch 8,2 mA - wir haben die Kontrolle. Die Schaltung wird in diesem Beispiel mit einer einzelnen Ni/Mh-Zelle mit 1,24 Volt versorgt.

Die zusätzlichen Komponenten sind nicht kritisch. Bei 220 kOhm für das Potentiometer und 100 kOhm für den Q2-Basiswiderstand funktioniert die Steuerschaltung gut, belastet den Oszillator jedoch sehr wenig. Bei 0,1 uF liefert C2 ein glattes gleichgerichtetes Signal, ohne eine große Zeitkonstante hinzuzufügen, und die Schaltung reagiert schnell auf Änderungen von VR1. Ich habe hier ein Tantal-Elektrolyt verwendet, aber eine Keramik- oder Polyesterkomponente würde genauso gut funktionieren. Wenn Sie die Kapazität dieser Komponente zu hoch einstellen, reagiert das Potentiometer träge auf Änderungen.

Die letzten drei Bilder oben sind Oszilloskop-Screen-Grabs von der Schaltung während des Betriebs und zeigen die Spannung am Kollektor des Oszillatortransistors. Der erste zeigt das Muster bei minimaler LED-Helligkeit und die Schaltung arbeitet mit kleinen Energiestößen in großen Abständen. Das zweite Bild zeigt das Muster mit erhöhter LED-Leistung und die Energiestöße sind jetzt häufiger. Der letzte hat volle Leistung und die Schaltung ist in stetige Schwingung übergegangen.

Eine so einfache Kontrollmethode ist nicht ganz unproblematisch; es gibt einen Gleichstrompfad von der positiven Versorgungsschiene durch die Transformatorwicklung zum Transistorkollektor und durch D1. Das bedeutet, dass sich C2 bis zum Pegel der Versorgungsschiene abzüglich des Durchlassspannungsabfalls der Diode auflädt und dann die durch die Joule-Dieb-Aktion erzeugte Spannung dazu addiert wird. Dies ist während des normalen Joule-Thief-Betriebs mit einer einzelnen Zelle von 1,5 Volt oder weniger nicht von Bedeutung, aber wenn Sie versuchen, die Schaltung mit höheren Spannungen über etwa 2 Volt zu betreiben, kann der LED-Ausgang nicht bis auf Null gesteuert werden. Dies ist bei den meisten Joule-Thief-Anwendungen, die normalerweise gesehen werden, kein Problem, aber das Potenzial für Weiterentwicklungen ist so groß, dass es erheblich werden könnte und dann möglicherweise auf die Ableitung der Steuerspannung von einer dritten Wicklung des Transformators zurückgegriffen werden muss was für eine totale Isolation sorgt.

Schritt 4: Anwendung der Schaltung 1

Mit effektiver Steuerung kann der Joule Thief viel breiter eingesetzt werden und reale Anwendungen wie Taschenlampen und Nachtlichter mit kontrollierter Lichtleistung sind möglich. Zudem sind bei geringen Lichteinstellungen und entsprechend geringem Stromverbrauch äußerst wirtschaftliche Anwendungen möglich.

Die obigen Bilder zeigen alle Ideen in diesem Artikel, die bisher auf einer kleinen Prototypenplatine zusammengeführt wurden und der Ausgang auf Low und High bzw. mit einem auf der Platine voreingestellten Potentiometer eingestellt ist. Die Kupferwicklungen auf dem Ringkern bestehen aus dem üblicheren Kupferlackdraht.

Es muss gesagt werden, dass diese Konstruktionsform fummelig ist und die Methode, die im nächsten Schritt verwendet wird, viel einfacher ist.

Schritt 5: Anwendung der Schaltung --2

Im obigen zusammengesetzten Bild ist eine weitere Realisierung der Schaltung zu sehen, die diesmal auf einem Stück einer einseitigen Leiterplatte mit der Kupferseite nach oben mit kleinen Pads einer einseitigen Leiterplatte aufgebaut ist, die mit MS-Polymerkleber aufgeklebt sind. Diese Form des Aufbaus ist sehr einfach und intuitiv, da Sie die Schaltung so auslegen können, dass der Schaltplan nachgebildet wird. Die Pads bilden eine robuste Verankerung für die Komponenten und Verbindungen zur Masse werden durch Auflöten auf das darunter liegende Kupfersubstrat hergestellt.

Das Bild zeigt die LED links vollständig und rechts schwach beleuchtet, was durch einfaches Einstellen des Trimmer-Potentiometers an Bord erreicht wird.

Schritt 6: Anwendung der Schaltung --3

Das Schaltbild im ersten Bild oben zeigt einen 470k Ohm Widerstand in Reihe mit einer 2-Volt-Solarzelle und effektiv parallel zum Trimmer-Potentiometer an Bord in den Joule-Thief-Steuerkreis geschaltet. Das zweite Bild zeigt die 2-Volt-Solarzelle (geborgen aus einer defekten Gartensolarleuchte), die mit der im vorherigen Schritt gezeigten Baugruppe verdrahtet ist. Die Zelle befindet sich im Tageslicht und liefert daher eine Spannung, die den Stromkreis ausschaltet und die LED erlischt. Der Schaltungsstrom wurde bei 110 Mikroampere gemessen. Das dritte Bild zeigt eine über der Solarzelle platzierte Kappe, die Dunkelheit simuliert und die LED jetzt leuchtet und der Stromkreis mit 9,6 mA gemessen wird. Der Ein/Aus-Übergang ist nicht scharf und das Licht geht in der Dämmerung allmählich an. Beachten Sie, dass die Solarzelle nur als billige Steuerkomponente verwendet wird, um einen Batteriekreis selbst nicht mit Strom zu versorgen.

Die Schaltung in dieser Phase ist möglicherweise sehr nützlich. Mit einer diskret in einem Fenster oder auf einer Fensterbank angebrachten Solarzelle, die einen Superkondensator oder eine wiederaufladbare Nickel-Metallhydrid-Zelle auflädt, wird ein hochwirksames permanentes Nachtlicht zu einem möglichen Zukunftsprojekt. Bei Verwendung mit einer AA-Zelle bedeutet die Möglichkeit, die Lichtleistung herunterzufahren und dann das Licht bei Tageslicht auszuschalten, dass der Stromkreis für eine lange Zeit in Betrieb ist, bevor die Batteriespannung auf etwa 0,6 Volt abfällt. Was für ein tolles Geschenk für Großeltern an Enkelkinder! Andere Ideen sind ein beleuchtetes Puppenhaus oder ein Nachtlicht für das Badezimmer, um die Hygiene ohne Verlust der Nachtsicht einzuhalten – die Möglichkeiten sind enorm.