Joule Thief con control ultra simple de emisión de luz: 6 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

El circuito Joule Thief es una excelente entrada para el experimentador electrónico novato y se ha reproducido innumerables veces; de hecho, una búsqueda en Google arroja 245000 resultados. Con mucho, el circuito que se encuentra con más frecuencia es el que se muestra en el Paso 1 a continuación, que es increíblemente simple y consta de cuatro componentes básicos, pero hay un precio que pagar por esta simplicidad. Cuando se alimenta con una batería nueva de 1,5 voltios, la salida de luz es alta con un consumo de energía proporcional, pero con un voltaje de batería más bajo, la luz y el consumo de energía disminuyen hasta que cesa alrededor de medio voltio.

El circuito está pidiendo a gritos alguna forma de control. El autor ha logrado esto en el pasado utilizando un tercer devanado en el transformador para proporcionar un voltaje de control, ver:

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

Cualquiera que sea el control que se utilice, debe tener la propiedad básica de que al reducir la salida de luz también se reduce el consumo de energía, de modo que una configuración de poca luz da como resultado un bajo consumo de batería y una mayor duración de la batería. El circuito desarrollado en este artículo logra esto y es mucho más simple en el sentido de que el devanado adicional no es necesario y proporciona una forma de control que podría adaptarse a muchos circuitos existentes. Al final del artículo, mostramos cómo apagar automáticamente el circuito a la luz del día cuando se despliega como luz nocturna.

Necesitará:

Dos transistores NPN de propósito general. No es crítico, pero usé 2N3904.

Un diodo de silicio. Totalmente no crítico y un diodo rectificador o un diodo de señal estarán bien.

Un toroide de ferrita. Consulte más adelante en el texto para obtener más información.

Un condensador de 0,1 uF. Usé un componente de tantalio de 35 V, pero podría usar un electrolítico ordinario de 1 uF. Mantenga la clasificación de voltaje alta: la clasificación de 35 o 50 voltios no es excesiva como durante el desarrollo, y antes de que se cierre el circuito de control, se puede aplicar alto voltaje a este componente.

Un condensador electrolítico de 100uF. El funcionamiento de 12 voltios está bien aquí.

Una resistencia de 10 K Ohm.

Una resistencia de 100 K Ohm

Un potenciómetro de 220 K Ohm. No crítico y cualquier cosa en el rango de 100 K a 470 K debería funcionar.

Cable de conexión de PVC de un solo núcleo que obtengo al pelar el cable telefónico

Para demostrar el circuito en las primeras etapas, utilicé una placa de pruebas sin soldadura Modelo AD-12 que obtuve de Maplin.

Para producir una versión permanente del circuito, deberá estar equipado para la construcción electrónica elemental, incluida la soldadura. A continuación, el circuito se puede construir en Veroboard o material similar y también se muestra otro método de construcción utilizando una placa de circuito impreso en blanco.

Paso 1: nuestro circuito básico de ladrones de joule

Arriba se muestra el diagrama de circuito y un diseño de tablero de un circuito de trabajo.

El transformador aquí consta de 2 lotes de 15 vueltas de alambre de PVC de un solo núcleo recuperado de un tramo de cable telefónico trenzado y enrollado en un toroide de ferrita; no es crítico, pero utilicé un artículo Ferroxcube de RS Components 174-1263 tamaño 14.6 X 8.2 X 5,5 mm. Hay una enorme libertad en la elección de este componente y medí un rendimiento idéntico con un componente Maplin cuatro veces mayor. Los constructores tienden a usar perlas de ferrita muy pequeñas, pero esto es tan pequeño como me gustaría ir: con elementos muy pequeños, la frecuencia del oscilador aumentará y puede haber pérdidas capacitivas en el circuito final.

El transistor utilizado es el NPN de propósito general 2N3904, pero casi cualquier transistor NPN funcionará. La resistencia base es de 10K, donde es posible que vea con más frecuencia el uso de 1K, pero esto puede ayudar cuando lleguemos a aplicar el control al circuito más adelante.

C1 es un condensador de desacoplamiento para suavizar los transitorios de conmutación generados por la operación del circuito y así mantener limpio el riel de la fuente de alimentación, es una buena limpieza electrónica, pero este componente a menudo se omite, lo que puede resultar en imprevisibilidad y rendimiento errático del circuito.

Paso 2: rendimiento del circuito básico

Algunos conocimientos sobre el funcionamiento del circuito básico pueden resultar instructivos. Para ello, el circuito se alimentó con varias tensiones de alimentación y se midió el consumo de corriente respectivo. Los resultados se muestran en la imagen de arriba.

El LED comienza a emitir luz con una tensión de alimentación de 0,435 y consume 0,82 mA de corriente. A 1,5 voltios, (el valor para una batería nueva), el LED es muy brillante pero la corriente está por encima de 12 mA. Esto ilustra la necesidad de control; necesitamos poder establecer la salida de luz a un nivel razonable y así prolongar en gran medida la vida útil de la batería.

Paso 3: Agregar control

El diagrama de circuito de los circuitos de control adicionales se muestra en la primera imagen de arriba.

Se ha agregado un segundo transistor 2N3904 (Q2) con el colector conectado a la base del transistor del oscilador, (Q1.) Cuando se apaga, este segundo transistor no tiene efecto en la función del oscilador, pero cuando se enciende desvía la base del transistor del oscilador a tierra. reduciendo así la salida del oscilador. Un diodo de silicio conectado al colector del transistor del oscilador proporciona un voltaje rectificado para cargar C2, un condensador de 0,1 uF. A través de C2 hay un potenciómetro de 220kOhm (VR1,) y el limpiador se conecta de nuevo a la base del transistor de control (Q2,) a través de una resistencia de 100 kOhm que completa el bucle. El ajuste del potenciómetro ahora controla la salida de luz y en este caso el consumo de corriente. Con el potenciómetro ajustado al mínimo, el consumo de corriente es de 110 microamperios, cuando se ajusta para que el LED empiece a iluminarse, sigue siendo de 110 microamperios y con el brillo total del LED el consumo es de 8,2 mA; tenemos el control. En este ejemplo, el circuito se alimenta con una sola celda de Ni / Mh a 1,24 voltios.

Los componentes adicionales no son críticos. A 220 kOhmios para el potenciómetro y 100 kOhmios para la resistencia de base Q2, el circuito de control funciona bien pero coloca muy poca carga en el oscilador. A 0.1 uF, C2 proporciona una señal rectificada suave sin agregar una constante de tiempo grande y el circuito responde rápidamente a los cambios en VR1. Usé un electrolítico de tantalio aquí, pero un componente de cerámica o poliéster funcionaría igual de bien. Si hace que este componente tenga una capacitancia demasiado alta, la respuesta a los cambios en el potenciómetro será lenta.

Las últimas tres imágenes de arriba son capturas de pantalla del osciloscopio del circuito mientras está en funcionamiento y muestran el voltaje en el colector del transistor del oscilador. El primero muestra el patrón con un brillo mínimo de LED y el circuito está funcionando con pequeñas ráfagas de energía muy espaciadas. La segunda imagen muestra el patrón con una mayor salida de LED y las ráfagas de energía ahora son más frecuentes. El último está a máxima potencia y el circuito ha entrado en oscilación constante.

Un método de control tan simple no está completamente exento de problemas; hay una ruta de CC desde el riel de suministro positivo a través del devanado del transformador hasta el colector del transistor y a través de D1. Esto significa que C2 se carga hasta el nivel del riel de suministro menos la caída de voltaje directo del diodo y luego se agrega el voltaje producido por la acción de Joule Thief. Esto no tiene importancia durante el funcionamiento normal de Joule Thief con una sola celda de 1,5 voltios o menos, pero si intenta hacer funcionar el circuito a voltajes más altos, más allá de aproximadamente 2 voltios, la salida del LED no se puede controlar hasta cero. Este no es un problema con la gran mayoría de las aplicaciones de Joule Thief que se ven normalmente, pero es tal el potencial de desarrollos adicionales que podría llegar a ser significativo y luego se debe recurrir a la derivación del voltaje de control de un tercer devanado en el transformador. lo que proporciona un aislamiento total.

Paso 4: Aplicación del circuito 1

Con un control efectivo, el Joule Thief se puede aplicar mucho más y son posibles aplicaciones reales como linternas y luces nocturnas con salida de luz controlada. Además, con configuraciones de poca luz y un bajo consumo de energía acorde, son posibles aplicaciones extremadamente económicas.

Las imágenes de arriba muestran todas las ideas de este artículo hasta ahora reunidas en una pequeña placa prototipo y con la salida configurada en baja y alta respectivamente con un potenciómetro preestablecido integrado. Los devanados de cobre del toroide son del alambre de cobre esmaltado más habitual.

Hay que decir que esta forma de construcción es complicada y el método utilizado en el siguiente paso es mucho más sencillo.

Paso 5: Aplicación del circuito - 2

En la imagen compuesta de arriba se muestra otra realización del circuito, esta vez construido en una pieza de placa de circuito impreso de un solo lado con el lado de cobre hacia arriba con pequeñas almohadillas de placa de circuito impreso de un solo lado pegadas con pegamento de polímero MS. Esta forma de construcción es muy fácil e intuitiva, ya que puede diseñar el circuito para replicar el diagrama del circuito. Las almohadillas hacen un anclaje robusto para los componentes y las conexiones a tierra se realizan soldando sobre el sustrato de cobre debajo.

La imagen muestra el LED completamente iluminado a la izquierda y apenas iluminado a la derecha, esto se logra con un simple ajuste del potenciómetro del trimmer integrado.

Paso 6: Aplicación del circuito - 3

El diagrama del circuito en la primera imagen de arriba muestra una resistencia de 470k Ohm en serie con una celda solar de 2 Voltios y conectada al circuito de control Joule Thief de manera efectiva en paralelo con el potenciómetro recortador integrado. La segunda imagen muestra la celda solar de 2 voltios (recuperada de una luz solar de jardín extinta) conectada al ensamblaje que se muestra en el paso anterior. La celda está a la luz del día y, por lo tanto, proporciona un voltaje que apaga el circuito y el LED se apaga. La corriente del circuito se midió a 110 microamperios. La tercera imagen muestra una tapa colocada sobre la celda solar simulando así la oscuridad y el LED ahora está iluminado y la corriente del circuito se mide a 9,6 mA. La transición de encendido / apagado no es nítida y la luz se enciende gradualmente al anochecer. Tenga en cuenta que la celda solar se utiliza simplemente como un componente de control económico para un circuito de batería que no suministra energía por sí mismo.

El circuito en esta etapa es potencialmente muy útil. Con una celda solar montada discretamente en una ventana o en el alféizar de una ventana cargando un supercondensador o una celda recargable de hidruro metálico de níquel, una luz nocturna permanente altamente efectiva se convierte en un posible proyecto futuro. Cuando se usa con una celda AA, la capacidad de reducir la salida de luz y luego apagar la luz durante el día significa que el circuito funcionará durante un período prolongado antes de que el voltaje de la batería caiga a alrededor de 0,6 voltios. ¡Qué magnífico regalo a medida para que los abuelos se lo presenten a sus nietos! Otras ideas incluyen una casa de muñecas iluminada o una luz nocturna para el baño que permita mantener los estándares de higiene sin perder la visión nocturna; las posibilidades son enormes.