Joule Thief με εξαιρετικά απλό έλεγχο εξόδου φωτός: 6 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:36

Το κύκλωμα Joule Thief είναι μια εξαιρετική είσοδος για τον αρχάριο ηλεκτρονικό πειραματιστή και έχει αναπαραχθεί αμέτρητες φορές, πράγματι μια αναζήτηση στο Google αποδίδει 245000 επισκέψεις! Μακράν, το πιο συχνά συναντούμενο κύκλωμα είναι αυτό που φαίνεται στο Βήμα 1 παρακάτω, το οποίο είναι απίστευτα απλό και αποτελείται από τέσσερα βασικά εξαρτήματα, αλλά υπάρχει ένα τίμημα που πρέπει να πληρωθεί για αυτήν την απλότητα. Όταν τροφοδοτείται με μια νέα μπαταρία 1,5 Volt, η έξοδος φωτός είναι υψηλή με ανάλογη κατανάλωση ενέργειας, αλλά με χαμηλότερη τάση μπαταρίας, το φως και η κατανάλωση ενέργειας μειώνονται μέχρι να σταματήσει περίπου το μισό φως εξόδου Volt.

Το κύκλωμα φωνάζει για κάποια μορφή ελέγχου. Ο συγγραφέας το έχει επιτύχει στο παρελθόν χρησιμοποιώντας μια τρίτη περιέλιξη στον μετασχηματιστή για την παροχή τάσης ελέγχου, βλ.

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

Οποιοσδήποτε έλεγχος χρησιμοποιείται, θα πρέπει να έχει τη βασική ιδιότητα με την οποία μειώνεται η έξοδος φωτός και η κατανάλωση ενέργειας, έτσι ώστε μια ρύθμιση χαμηλού φωτισμού να έχει ως αποτέλεσμα χαμηλή κατανάλωση μπαταρίας και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Το κύκλωμα που αναπτύχθηκε σε αυτό το άρθρο το επιτυγχάνει αυτό και είναι πολύ πιο απλό στο ότι δεν απαιτείται επιπλέον περιέλιξη και αποδίδει μια μορφή ελέγχου που θα μπορούσε να τοποθετηθεί εκ των υστέρων σε πολλά υπάρχοντα κυκλώματα. Στο τέλος του άρθρου παρουσιάζουμε πώς να απενεργοποιείτε αυτόματα το κύκλωμα στο φως της ημέρας όταν χρησιμοποιείται ως νυχτερινό φως.

Θα χρειαστείτε:

Δύο τρανζίστορ NPN γενικής χρήσης. Μη κρίσιμο αλλά χρησιμοποίησα το 2N3904.

Μία δίοδος πυριτίου. Εντελώς μη κρίσιμο και μια δίοδος ανορθωτή ή δίοδος σήματος θα είναι εντάξει.

Ένας φερρίτης τοροειδής. Δείτε αργότερα στο κείμενο για περισσότερες πληροφορίες.

Ένας πυκνωτής 0,1 uF. Χρησιμοποίησα ένα συστατικό τανταλίου 35V αλλά μπορείτε να χρησιμοποιήσετε ένα συνηθισμένο ηλεκτρολυτικό 1 uF. Διατηρήστε την ονομαστική τάση ψηλά-η βαθμολογία 35 ή 50 Volt δεν είναι υπερβολική όπως κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης και πριν κλείσει ο βρόχος ελέγχου, μπορεί να εφαρμοστεί υψηλή τάση σε αυτό το εξάρτημα.

Ένας ηλεκτρολυτικός πυκνωτής 100uF. Η λειτουργία 12 Volt είναι καλή εδώ.

Μία αντίσταση 10 K Ohm.

Μία αντίσταση 100 K Ohm

Ένα ποτενσιόμετρο 220 K Ohm. Μη κρίσιμο και οτιδήποτε στην περιοχή 100 K έως 470 K θα πρέπει να λειτουργήσει.

PVC μονό πυρήνα αγκίστρωση καλωδίου που παίρνω με την αφαίρεση του τηλεφωνικού καλωδίου

Για να δείξω το κύκλωμα στα πρώτα στάδια χρησιμοποίησα ένα μοντέλο AD-12 Solderless Breadboard το οποίο πήρα από τη Maplin.

Για να παράγετε μια μόνιμη έκδοση του κυκλώματος, θα πρέπει να είστε εξοπλισμένοι για στοιχειώδη ηλεκτρονική κατασκευή, συμπεριλαμβανομένης της συγκόλλησης. Το κύκλωμα μπορεί στη συνέχεια να κατασκευαστεί σε Veroboard ή σε παρόμοιο υλικό και εμφανίζεται επίσης μια άλλη μέθοδος κατασκευής χρησιμοποιώντας κενό τυπωμένο κύκλωμα.

Βήμα 1: Το βασικό μας κύκλωμα κλέφτη Joule

Εμφανίζεται παραπάνω το διάγραμμα κυκλώματος και μια διάταξη σανίδων ενός κυκλώματος εργασίας.

Ο μετασχηματιστής εδώ αποτελείται από 2 παρτίδες 15 στροφών μονόκλωνου σύρματος PVC που διασώθηκαν από ένα μήκος τηλεφωνικού καλωδίου στριμμένο μεταξύ τους και τυλιγμένο σε φερρίτη τοροειδή-όχι κρίσιμο αλλά χρησιμοποίησα ένα στοιχείο Ferroxcube από RS Components 174-1263 μέγεθος 14,6 Χ 8,2 Χ 5,5 mm Υπάρχει τεράστιο γεωγραφικό πλάτος στην επιλογή αυτού του στοιχείου και μέτρησα την ίδια απόδοση με ένα στοιχείο Maplin τέσσερις φορές το μέγεθος. Υπάρχει μια τάση για τους κατασκευαστές να χρησιμοποιούν πολύ μικρές χάντρες φερρίτη, αλλά αυτό είναι τόσο μικρό όσο θα ήθελα να πάω-με πολύ μικρά αντικείμενα η συχνότητα ταλαντωτή θα γίνει υψηλότερη και μπορεί να υπάρξουν χωρητικές απώλειες στο τελικό κύκλωμα.

Το τρανζίστορ που χρησιμοποιείται είναι το NPN γενικής χρήσης 2N3904, αλλά σχεδόν οποιοδήποτε τρανζίστορ NPN θα λειτουργεί. Η αντίσταση βάσης είναι 10Κ όπου μπορεί να βλέπετε πιο συχνά 1Κ να χρησιμοποιείται, αλλά αυτό μπορεί να βοηθήσει όταν εφαρμόσουμε τον έλεγχο στο κύκλωμα αργότερα.

Το C1 είναι ένας πυκνωτής αποσύνδεσης για την εξομάλυνση των μεταβατικών μεταγωγών που δημιουργούνται από τη λειτουργία του κυκλώματος και έτσι διατηρεί την ράγα τροφοδοσίας καθαρή, είναι καλή ηλεκτρονική καθαριότητα, αλλά αυτό το στοιχείο συχνά παραλείπεται, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε απρόβλεπτη και ασταθή απόδοση κυκλώματος.

Βήμα 2: Απόδοση του βασικού κυκλώματος

Κάποιες γνώσεις σχετικά με την απόδοση του βασικού κυκλώματος μπορεί να είναι διδακτικές. Για το σκοπό αυτό, το κύκλωμα τροφοδοτήθηκε με διάφορες τάσεις τροφοδοσίας και μετρήθηκε η αντίστοιχη κατανάλωση ρεύματος. Τα αποτελέσματα φαίνονται στην παραπάνω εικόνα.

Το LED αρχίζει να εκπέμπει φως με τάση τροφοδοσίας 0,435 και καταναλώνει ρεύμα 0,82 mA. Στα 1,5 Volt, (η τιμή για μια νέα μπαταρία,) το LED είναι πολύ φωτεινό αλλά το ρεύμα είναι πάνω από 12 mA. Αυτό δείχνει την ανάγκη ελέγχου. πρέπει να μπορούμε να ρυθμίσουμε την παραγωγή φωτός σε ένα λογικό επίπεδο και έτσι να παρατείνουμε πολύ τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας.

Βήμα 3: Προσθήκη ελέγχου

Το διάγραμμα κυκλώματος του επιπλέον κυκλώματος ελέγχου φαίνεται στην πρώτη εικόνα παραπάνω.

Ένα δεύτερο τρανζίστορ 2N3904 (Q2) έχει προστεθεί με τον συλλέκτη συνδεδεμένο στη βάση του τρανζίστορ ταλαντωτή, (Q1.) Όταν είναι απενεργοποιημένο αυτό το δεύτερο τρανζίστορ δεν έχει καμία επίδραση στη λειτουργία των ταλαντωτών, αλλά όταν είναι ενεργοποιημένο μετατρέπει τη βάση του τρανζίστορ ταλαντωτή στη γη μειώνοντας έτσι την έξοδο ταλαντωτή. Μια δίοδος πυριτίου συνδεδεμένη με τον συλλέκτη τρανζίστορ ταλαντωτή παρέχει μια διορθωμένη τάση για τη φόρτιση του C2, ενός πυκνωτή 0,1 uF. Απέναντι από το C2 υπάρχει ένα ποτενσιόμετρο 220kOhm (VR1,) και ο υαλοκαθαριστήρας συνδέεται πίσω στη βάση τρανζίστορ ελέγχου (Q2,) μέσω αντίστασης 100 kOhm που ολοκληρώνει τον βρόχο. Η ρύθμιση του ποτενσιόμετρου ελέγχει τώρα την έξοδο φωτός και σε αυτήν την περίπτωση την τρέχουσα κατανάλωση. Με το ποτενσιόμετρο ρυθμισμένο στο ελάχιστο, η τρέχουσα κατανάλωση είναι 110 micro Amps, όταν ρυθμιστεί για το LED που μόλις αρχίζει να ανάβει, εξακολουθεί να είναι 110 micro Amps και σε πλήρη φωτεινότητα LED η κατανάλωση είναι 8,2 mA-έχουμε έλεγχο. Το κύκλωμα τροφοδοτείται σε αυτό το παράδειγμα με ένα μόνο στοιχείο Ni/Mh στα 1,24 Volt.

Τα επιπλέον εξαρτήματα δεν είναι κρίσιμα. Στα 220 kOhm για το ποτενσιόμετρο και 100 kOhm για την αντίσταση βάσης Q2, το κύκλωμα ελέγχου λειτουργεί καλά, αλλά τοποθετεί πολύ μικρό φορτίο στον ταλαντωτή. Στο 0,1 uF C2 παρέχει ένα ομαλό διορθωμένο σήμα χωρίς προσθήκη μεγάλης σταθεράς χρόνου και το κύκλωμα ανταποκρίνεται γρήγορα στις αλλαγές στο VR1. Χρησιμοποίησα ένα ηλεκτρολυτικό ταντάλιο εδώ, αλλά ένα κεραμικό ή πολυεστερικό συστατικό θα λειτουργούσε εξίσου καλά. Εάν κάνετε αυτό το συστατικό πολύ υψηλό σε χωρητικότητα, τότε η απόκριση στις αλλαγές στο ποτενσιόμετρο θα είναι υποτονική.

Οι τρεις τελευταίες παραπάνω εικόνες είναι παλμογράφοι από το κύκλωμα ενώ λειτουργούν και δείχνουν την τάση στον συλλέκτη του τρανζίστορ ταλαντωτή. Το πρώτο δείχνει το μοτίβο στην ελάχιστη φωτεινότητα LED και το κύκλωμα λειτουργεί με μικρές εκρήξεις ενέργειας σε μεγάλη απόσταση. Η δεύτερη εικόνα δείχνει το μοτίβο με αυξημένη έξοδο LED και οι εκρήξεις ενέργειας είναι πλέον πιο συχνές. Το τελευταίο είναι σε πλήρη έξοδο και το κύκλωμα έχει πάει σε σταθερή ταλάντωση.

Μια τόσο απλή μέθοδος ελέγχου δεν είναι εντελώς χωρίς προβλήματα. υπάρχει μια διαδρομή DC από τη θετική ράγα παροχής μέσω της περιέλιξης του μετασχηματιστή στον συλλέκτη τρανζίστορ και μέσω του D1. Αυτό σημαίνει ότι το C2 φορτίζει μέχρι το επίπεδο της ράγας τροφοδοσίας μείον την εμπρόσθια πτώση τάσης της διόδου και στη συνέχεια προστίθεται σε αυτό η τάση που παράγεται από τη δράση του Joule Thief. Αυτό δεν έχει σημασία κατά τη συνήθη λειτουργία Joule Thief με ένα κύτταρο 1,5 Volt ή λιγότερο, αλλά αν προσπαθήσετε να τρέξετε το κύκλωμα σε υψηλότερες τάσεις πέραν των 2 Volt, τότε η έξοδος LED δεν μπορεί να ελεγχθεί στο μηδέν. Αυτό δεν είναι ένα ζήτημα με τη συντριπτική πλειοψηφία των εφαρμογών Joule Thief που βλέπουμε κανονικά, αλλά είναι το ενδεχόμενο για περαιτέρω εξελίξεις που θα μπορούσαν να γίνουν σημαντικές και στη συνέχεια θα πρέπει να καταφύγουμε στην παραγωγή της τάσης ελέγχου από μια τρίτη περιέλιξη στον μετασχηματιστή που παρέχει πλήρη απομόνωση.

Βήμα 4: Εφαρμογή του Κυκλώματος 1

Με αποτελεσματικό έλεγχο, το Joule Thief μπορεί να εφαρμοστεί ευρύτερα και είναι δυνατές πραγματικές εφαρμογές, όπως φακοί και νυχτερινά φώτα με ελεγχόμενη απόδοση φωτός. Επιπλέον, με ρυθμίσεις χαμηλού φωτισμού και ανάλογη χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, είναι δυνατές εξαιρετικά οικονομικές εφαρμογές.

Οι παραπάνω εικόνες δείχνουν όλες τις ιδέες σε αυτό το άρθρο μέχρι τώρα συγκεντρωμένες σε έναν μικρό πίνακα πρωτοτύπων και με την έξοδο ρυθμισμένη σε χαμηλή και υψηλή αντίστοιχα με ένα προκαθορισμένο ποτενσιόμετρο επί του σκάφους. Οι χάλκινες περιελίξεις στο τοροειδές είναι από το συνηθέστερο σμάλτο σύρμα χαλκού.

Πρέπει να ειπωθεί ότι αυτή η μορφή κατασκευής είναι ανόητη και η μέθοδος που χρησιμοποιείται στο επόμενο βήμα είναι πολύ πιο εύκολη.

Βήμα 5: Εφαρμογή του κυκλώματος-2

Η παραπάνω σύνθετη εικόνα δείχνει μια άλλη συνειδητοποίηση του κυκλώματος αυτή τη φορά βασισμένη σε ένα κομμάτι μονής όψης τυπωμένου κυκλώματος από πλευρά χαλκού προς τα πάνω με μικρά μαξιλαράκια μονής όψης τυπωμένου κυκλώματος κολλημένα με κόλλα πολυμερούς MS. Αυτή η μορφή κατασκευής είναι πολύ εύκολη και διαισθητική, καθώς μπορείτε να τοποθετήσετε το κύκλωμα για να αναπαράγετε το διάγραμμα κυκλώματος. Τα μαξιλαράκια κάνουν μια ισχυρή αγκύρωση για τα εξαρτήματα και οι συνδέσεις με τη γείωση γίνονται με συγκόλληση στο υπόστρωμα χαλκού παρακάτω.

Η εικόνα δείχνει την λυχνία LED πλήρως αναμμένη στα αριστερά και ελάχιστα φωτισμένη στα δεξιά, κάτι που επιτυγχάνεται με απλή ρύθμιση του ποτενσιόμετρου κοπής.

Βήμα 6: Εφαρμογή του κυκλώματος-3

Το διάγραμμα κυκλώματος στην πρώτη εικόνα παραπάνω δείχνει μια αντίσταση 470k Ohm σε σειρά με ηλιακή κυψέλη 2 Volt και συνδεδεμένη στο κύκλωμα ελέγχου Joule Thief αποτελεσματικά παράλληλα με το ποτενσιόμετρο τριμερών επί του σκάφους. Η δεύτερη εικόνα δείχνει το ηλιακό κύτταρο 2 Volt (διασώθηκε από ένα ηλιακό φως στον κήπο), συνδεδεμένο στη διάταξη που παρουσιάστηκε στο προηγούμενο βήμα. Η κυψέλη είναι στο φως της ημέρας και ως εκ τούτου παρέχει μια τάση που απενεργοποιεί το κύκλωμα και το LED σβήνει. Το ρεύμα του κυκλώματος μετρήθηκε στα 110 micro Amps. Η τρίτη εικόνα δείχνει ένα καπάκι τοποθετημένο πάνω από την ηλιακή κυψέλη προσομοιώνοντας έτσι το σκοτάδι και το LED είναι τώρα φωτισμένο και το ρεύμα κυκλώματος μετριέται στα 9,6 mA. Η μετάβαση on/off δεν είναι απότομη και το φως ανάβει σταδιακά το σούρουπο. Σημειώστε ότι η ηλιακή κυψέλη χρησιμοποιείται απλώς ως ένα φθηνό στοιχείο ελέγχου σε ένα κύκλωμα μπαταρίας δεν παρέχει από μόνη της καμία ενέργεια.

Το κύκλωμα σε αυτό το στάδιο είναι δυνητικά πολύ χρήσιμο. Με μια ηλιακή κυψέλη τοποθετημένη διακριτικά σε ένα παράθυρο ή σε ένα περβάζι παραθύρου που φορτίζει έναν επαναφορτιζόμενο κύριο πυκνωτή ή υδρίδιο μετάλλου νικελίου, ένα εξαιρετικά αποτελεσματικό μόνιμο νυχτερινό φως γίνεται ένα πιθανό μελλοντικό έργο. Όταν χρησιμοποιείται με κυψέλη ΑΑ, η δυνατότητα να μειώσετε την έξοδο φωτός και στη συνέχεια να σβήσετε το φως κατά τη διάρκεια της ημέρας σημαίνει ότι το κύκλωμα θα λειτουργήσει για μεγάλο χρονικό διάστημα πριν η τάση της μπαταρίας πέσει στα 0,6 Volt. Τι υπέροχο κατά παραγγελία δώρο για παππούδες και γιαγιάδες για να δώσουν στα εγγόνια! Άλλες ιδέες περιλαμβάνουν ένα φωτισμένο σπίτι κούκλας ή ένα νυχτερινό φως για το μπάνιο που επιτρέπει τη διατήρηση των προτύπων υγιεινής χωρίς απώλεια της νυχτερινής όρασης-οι δυνατότητες είναι τεράστιες.