Joule Thief com controle ultra simples de saída de luz: 6 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

O circuito Joule Thief é uma excelente entrada para o experimentador eletrônico novato e foi reproduzido inúmeras vezes. Na verdade, uma pesquisa no Google rendeu 245000 resultados! De longe, o circuito mais freqüentemente encontrado é o mostrado na Etapa 1 abaixo, que é incrivelmente simples, consistindo de quatro componentes básicos, mas há um preço a ser pago por essa simplicidade. Quando alimentado com uma bateria nova de 1,5 Volts, a saída de luz é alta com consumo de energia proporcional, mas com a tensão da bateria mais baixa, a luz e o consumo de energia diminuem até cerca de meio Volt a saída de luz cessa.

O circuito está clamando por alguma forma de controle. O autor conseguiu isso no passado usando um terceiro enrolamento no transformador para fornecer uma tensão de controle, consulte:

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

Qualquer que seja o controle usado, ele deve ter a propriedade básica de que diminuir a saída de luz também diminui o consumo de energia, de modo que uma configuração de luz baixa resulta em baixo consumo de bateria e maior vida útil da bateria. O circuito desenvolvido neste artigo consegue isso e é muito mais simples, pois o enrolamento extra não é necessário e produz uma forma de controle que pode ser retroajustada em muitos circuitos existentes. No final do artigo, mostramos como desligar automaticamente o circuito à luz do dia quando implantado como uma luz noturna.

Você vai precisar de:

Dois transistores NPN de uso geral. Não crítico, mas usei 2N3904.

Um diodo de silício. Totalmente não crítico e um diodo retificador ou diodo de sinal será suficiente.

Um toróide de ferrite. Veja mais adiante no texto para mais informações.

Um capacitor de 0,1 uF. Usei um componente de tântalo 35V, mas você poderia usar um eletrolítico comum de 1 uF. Mantenha a classificação de tensão acima - a classificação de 35 ou 50 Volts não é excessiva, pois durante o desenvolvimento, e antes que o circuito de controle seja fechado, alta tensão pode ser aplicada a este componente.

Um capacitor eletrolítico de 100uF. 12 Volts funcionando está bem aqui.

Um resistor de 10 K Ohm.

Um resistor de 100 K Ohm

Um potenciômetro de 220 K Ohm. Não crítico e qualquer coisa na faixa de 100 K a 470 K deve funcionar.

Cabo de ligação simples de PVC que obtenho removendo o cabo telefônico

Para demonstrar o circuito nos estágios iniciais, usei uma placa de ensaio sem solda modelo AD-12 que obtive da Maplin.

Para produzir uma versão permanente do circuito, você deverá ser equipado para construção eletrônica elementar, incluindo soldagem. O circuito pode então ser construído em Veroboard ou material semelhante e outro método de construção usando uma placa de circuito impresso em branco também é mostrado.

Etapa 1: Nosso circuito básico de ladrão de Joule

Acima é mostrado o diagrama do circuito e um layout de breadboard de um circuito em funcionamento.

O transformador aqui consiste em 2 lotes de 15 voltas de fio de PVC de núcleo único recuperado de um comprimento de cabo telefônico trançado e enrolado em um toróide de ferrite - não crítico, mas usei um item Ferroxcube da RS Components 174-1263 tamanho 14,6 X 8,2 X 5,5 mm. Há uma enorme latitude na escolha deste componente e eu medi um desempenho idêntico com um componente Maplin quatro vezes maior. Há uma tendência de os construtores usarem contas de ferrite muito pequenas, mas isso é tão pequeno quanto eu gostaria - com itens muito pequenos, a frequência do oscilador aumentará e pode haver perdas capacitivas no circuito final.

O transistor usado é o NPN de uso geral 2N3904, mas quase qualquer transistor NPN funcionará. O resistor de base é de 10K, onde você pode ver mais frequentemente 1K usado, mas isso pode ajudar quando viermos a aplicar o controle ao circuito posteriormente.

C1 é um capacitor de desacoplamento para suavizar os transientes de chaveamento gerados pela operação do circuito e, assim, manter o trilho de fonte de alimentação limpo, é uma boa manutenção eletrônica, mas esse componente é freqüentemente deixado de fora, o que pode resultar em imprevisibilidade e desempenho errático do circuito.

Etapa 2: Desempenho do circuito básico

Algum conhecimento do desempenho do circuito básico pode ser instrutivo. Para o efeito, o circuito foi alimentado com várias tensões de alimentação e medido o respetivo consumo de corrente. Os resultados são mostrados na imagem acima.

O LED passa a emitir luz com tensão de alimentação de 0,435 e consome corrente de 0,82 mA. Em 1,5 Volt, (o valor para uma bateria nova), o LED é muito brilhante, mas a corrente está acima de 12 mA. Isso ilustra a necessidade de controle; precisamos ser capazes de definir a saída de luz para um nível razoável e, assim, prolongar muito a vida útil da bateria.

Etapa 3: Adicionando controle

O diagrama do circuito de controle extra é mostrado na primeira imagem acima.

Um segundo transistor 2N3904 (Q2) foi adicionado com o coletor conectado à base do transistor do oscilador, (Q1.) Quando desligado, este segundo transistor não tem efeito na função do oscilador, mas quando ligado ele desvia a base do transistor do oscilador para a terra reduzindo assim a saída do oscilador. Um diodo de silício conectado ao coletor do transistor do oscilador fornece uma tensão retificada para carregar C2, um capacitor de 0,1 uF. Em C2 há um potenciômetro de 220kOhm (VR1,) e o limpador é conectado de volta à base do transistor de controle (Q2,) por meio de um resistor de 100 kOhm completando o loop. A configuração do potenciômetro agora controla a saída de luz e, neste caso, o consumo de corrente. Com o potenciômetro ajustado para o mínimo, o consumo de corrente é de 110 micro Amps, quando configurado para o LED que está começando a acender ainda é 110 micro Amps e com brilho total do LED o consumo é de 8,2 mA - nós temos o controle. O circuito está sendo alimentado neste exemplo com uma única célula Ni / Mh a 1,24 Volts.

Os componentes extras não são críticos. A 220 kOhm para o potenciômetro e 100 kOhm para o resistor de base Q2, o circuito de controle funciona bem, mas coloca muito pouca carga no oscilador. Em 0,1 uF, C2 fornece um sinal retificado suave sem adicionar uma grande constante de tempo e o circuito responde rapidamente às mudanças para VR1. Usei um eletrolítico de tântalo aqui, mas um componente de cerâmica ou poliéster funcionaria tão bem. Se você tornar este componente muito alto em capacitância, a resposta às mudanças no potenciômetro será lenta.

As últimas três imagens acima são capturas de tela do osciloscópio do circuito enquanto operacional e mostram a tensão no coletor do transistor do oscilador. O primeiro mostra o padrão com brilho mínimo do LED e o circuito está operando com pequenas explosões de energia amplamente espaçadas. A segunda imagem mostra o padrão com saída de LED aumentada e as explosões de energia agora são mais frequentes. O último está em plena produção e o circuito entrou em oscilação constante.

Esse método simples de controle não é totalmente isento de problemas; há um caminho CC do trilho de alimentação positivo através do enrolamento do transformador para o coletor do transistor e através de D1. Isso significa que C2 carrega até o nível do trilho de alimentação menos a queda de tensão direta do diodo e, em seguida, a tensão produzida pela ação do Ladrão de Joule é adicionada a isso. Isso não é significativo durante a operação normal do Joule Thief com uma única célula de 1,5 Volt ou menos, mas se você tentar operar o circuito em tensões mais altas além de cerca de 2 Volts, a saída do LED não pode ser controlada até zero. Este não é um problema com a grande maioria das aplicações Joule Thief normalmente vistas, mas é tal o potencial para novos desenvolvimentos que pode se tornar significativo e, em seguida, pode ser necessário recorrer à derivação da tensão de controle de um terceiro enrolamento do transformador que fornece isolamento total.

Etapa 4: Aplicação do Circuito 1

Com controle efetivo, o Joule Thief pode ser aplicado de forma muito mais ampla e aplicações reais, como tochas e luzes noturnas com saída de luz controlada, são possíveis. Além disso, com configurações de baixa luminosidade e baixo consumo de energia proporcional, aplicações extremamente econômicas são possíveis.

As fotos acima mostram todas as ideias neste artigo reunidas até agora em uma pequena placa de protótipo e com a saída configurada para baixa e alta, respectivamente, com um potenciômetro pré-configurado na placa. Os enrolamentos de cobre no toroide são do fio de cobre esmaltado mais comum.

É preciso dizer que essa forma de construção é complicada e o método usado na próxima etapa é muito mais fácil.

Etapa 5: Aplicação do circuito - 2

Mostrado na imagem composta acima está outra realização do circuito, desta vez construído em um pedaço de placa de circuito impresso de lado único com o lado de cobre para cima com pequenas almofadas de placa de circuito impresso de lado único coladas com cola de polímero MS. Esta forma de construção é muito fácil e intuitiva, pois você pode organizar o circuito para replicar o diagrama do circuito. As almofadas são uma ancoragem robusta para os componentes e as conexões ao aterramento são feitas por soldagem no substrato de cobre abaixo.

A imagem mostra o LED totalmente iluminado à esquerda e pouco iluminado à direita, o que é conseguido com um simples ajuste do potenciômetro trimmer de bordo.

Etapa 6: Aplicação do circuito - 3

O diagrama de circuito na primeira imagem acima mostra um resistor de 470k Ohm em série com uma célula solar de 2 Volts e conectado ao circuito de controle Joule Thief efetivamente em paralelo com o potenciômetro trimmer integrado. A segunda imagem mostra a célula solar de 2 Volts (recuperada de uma luz solar extinta de jardim) conectada ao conjunto mostrado na etapa anterior. A célula está à luz do dia e, portanto, fornece uma tensão que desliga o circuito e o LED se apaga. A corrente do circuito foi medida em 110 micro Amps. A terceira imagem mostra uma tampa colocada sobre a célula solar, simulando assim a escuridão e o LED agora está aceso e a corrente do circuito medida a 9,6 mA. A transição liga / desliga não é nítida e a luz acende gradualmente ao anoitecer. Observe que a célula solar está sendo usada apenas como um componente de controle barato para que o circuito da bateria não forneça energia.

O circuito nesta fase é potencialmente muito útil. Com uma célula solar montada discretamente em uma janela ou em um peitoril de janela carregando um supercapacitor ou célula recarregável de hidreto de metal de níquel, uma luz noturna permanente altamente eficaz torna-se um possível projeto futuro. Quando usado com uma célula AA, a capacidade de diminuir a saída de luz e depois desligar a luz durante o dia significa que o circuito funcionará por um longo período antes que a voltagem da bateria caia para cerca de 0,6 Volt. Que presente sob medida para os avós apresentarem aos netos! Outras ideias incluem uma casa de boneca iluminada ou uma luz noturna para o banheiro para permitir que os padrões de higiene sejam mantidos sem perda de visão noturna - as possibilidades são enormes.