Joule Thief พร้อมการควบคุมแสงอย่างง่ายเป็นพิเศษ: 6 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:06

วงจร Joule Thief เป็นทางเข้าที่ยอดเยี่ยมสำหรับนักทดลองทางอิเล็กทรอนิกส์มือใหม่และได้รับการทำซ้ำนับไม่ถ้วน การค้นหาโดย Google ให้ผลถึง 245,000 ครั้ง! วงจรที่พบบ่อยที่สุดคือที่แสดงในขั้นตอนที่ 1 ด้านล่างซึ่งเรียบง่ายอย่างเหลือเชื่อซึ่งประกอบด้วยส่วนประกอบพื้นฐานสี่อย่าง แต่มีราคาที่ต้องจ่ายสำหรับความเรียบง่ายนี้ เมื่อขับเคลื่อนด้วยแบตเตอรี่ใหม่ 1.5 โวลต์ เอาต์พุตแสงจะสูงโดยมีการสิ้นเปลืองพลังงานที่สมน้ำสมเนื้อ แต่ด้วยแรงดันไฟแบตเตอรี่ที่ต่ำลง ปริมาณการใช้แสงและพลังงานจะลดลงจนกระทั่งเอาต์พุตไฟประมาณครึ่งโวลท์หยุดลง

วงจรกำลังร้องขอการควบคุมบางรูปแบบ ผู้เขียนได้ประสบความสำเร็จในอดีตโดยใช้ขดลวดที่สามบนหม้อแปลงเพื่อให้แรงดันไฟฟ้าควบคุม ดู:

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

ไม่ว่าจะใช้การควบคุมแบบใด ก็ควรมีคุณสมบัติพื้นฐานโดยการลดเอาต์พุตแสงจะลดการใช้พลังงานลงด้วย ดังนั้นการตั้งค่าในที่แสงน้อยส่งผลให้ใช้พลังงานแบตเตอรี่ต่ำและอายุการใช้งานแบตเตอรี่ยาวนานขึ้น วงจรที่พัฒนาขึ้นในบทความนี้บรรลุสิ่งนี้และง่ายกว่ามากโดยไม่จำเป็นต้องใช้ขดลวดพิเศษและให้รูปแบบการควบคุมที่สามารถติดตั้งเพิ่มเติมกับวงจรที่มีอยู่จำนวนมากได้ ในตอนท้ายของบทความเราจะแสดงวิธีปิดวงจรอัตโนมัติในเวลากลางวันเมื่อใช้งานเป็นไฟกลางคืน

คุณจะต้องการ:

ทรานซิสเตอร์ NPN วัตถุประสงค์ทั่วไปสองตัว ไม่สำคัญ แต่ฉันใช้ 2N3904

ซิลิคอนไดโอดหนึ่งตัว ไม่สำคัญอย่างยิ่งและไดโอดเรียงกระแสหรือไดโอดสัญญาณก็ใช้ได้

เฟอร์ไรต์โทรอยด์ ดูข้อมูลเพิ่มเติมในข้อความในภายหลัง

ตัวเก็บประจุ 0.1 ยูเอฟ 1 ตัว ฉันใช้ส่วนประกอบแทนทาลัม 35V แต่คุณสามารถใช้อิเล็กโทรไลต์ธรรมดา 1 ยูเอฟได้ รักษาระดับแรงดันไฟฟ้าให้สูงขึ้น - -35 หรือระดับ 50 โวลต์ไม่มากเกินไปเหมือนในระหว่างการพัฒนา และก่อนที่วงจรควบคุมของคุณจะปิด สามารถใช้ไฟฟ้าแรงสูงกับส่วนประกอบนี้ได้

ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์ 100uF หนึ่งตัว การทำงาน 12 โวลต์ดีที่นี่

ตัวต้านทาน 10 K Ohm หนึ่งตัว

ตัวต้านทาน 100 K Ohm หนึ่งตัว

โพเทนชิโอมิเตอร์ 220 K โอห์มหนึ่งตัว ไม่สำคัญและอะไรก็ตามในช่วง 100 K ถึง 470 K ควรทำงาน

สายเบ็ดแกนเดี่ยว PVC ที่ได้มาจากการปอกสายโทรศัพท์

ในการสาธิตวงจรในช่วงแรก ฉันใช้ Breadboard รุ่น AD-12 Solderless Breadboard ซึ่งฉันได้รับจาก Maplin

ในการผลิตวงจรแบบถาวร คุณจะต้องติดตั้งอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ระดับประถมศึกษารวมถึงการบัดกรี จากนั้นสามารถสร้างวงจรบน Veroboard หรือวัสดุที่คล้ายคลึงกัน และยังแสดงวิธีการก่อสร้างอื่นโดยใช้แผงวงจรพิมพ์เปล่าอีกด้วย

ขั้นตอนที่ 1: วงจร Joule Thief พื้นฐานของเรา

ด้านบนแสดงแผนภาพวงจรและโครงร่างเขียงหั่นขนมของวงจรการทำงาน

หม้อแปลงไฟฟ้าที่นี่ประกอบด้วยลวดพีวีซีแกนเดียวจำนวน 15 รอบ จำนวน 2 เส้น กู้จากความยาวของสายโทรศัพท์ที่บิดเข้าหากันและพันบนเฟอร์ไรต์ โทรอยด์ - ไม่สำคัญ แต่ฉันใช้รายการ Ferroxcube โดย RS Components 174-1263 ขนาด 14.6 X 8.2 X 5.5 มม. มีละติจูดมหาศาลในการเลือกส่วนประกอบนี้ และฉันวัดประสิทธิภาพที่เหมือนกันกับส่วนประกอบ Maplin สี่เท่าของขนาด มีแนวโน้มที่คอนสตรัคเตอร์จะใช้ลูกปัดเฟอร์ไรท์ที่มีขนาดเล็กมาก แต่สิ่งนี้มีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่ฉันต้องการ - ด้วยสิ่งของขนาดเล็กมากความถี่ของออสซิลเลเตอร์จะเพิ่มขึ้นและอาจมีการสูญเสีย capacitive ในวงจรสุดท้าย

ทรานซิสเตอร์ที่ใช้คือ NPN วัตถุประสงค์ทั่วไป 2N3904 แต่ทรานซิสเตอร์ NPN เกือบทั้งหมดจะทำงาน ตัวต้านทานพื้นฐานคือ 10K ซึ่งคุณอาจเห็นการใช้ 1K บ่อยขึ้น แต่สิ่งนี้อาจช่วยได้เมื่อเราใช้การควบคุมกับวงจรในภายหลัง

C1 เป็นตัวเก็บประจุแบบแยกส่วนเพื่อให้ทรานซิชันทรานซิชันที่เกิดจากการทำงานของวงจรราบรื่นขึ้น และทำให้รางจ่ายไฟสะอาด เป็นการดูแลทำความสะอาดแบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ดี แต่ส่วนประกอบนี้มักจะถูกละไว้ซึ่งอาจส่งผลให้เกิดการคาดเดาไม่ได้และประสิทธิภาพของวงจรที่ไม่แน่นอน

ขั้นตอนที่ 2: ประสิทธิภาพของวงจรพื้นฐาน

ความรู้บางอย่างเกี่ยวกับประสิทธิภาพของวงจรพื้นฐานอาจเป็นประโยชน์ ด้วยเหตุนี้ วงจรจึงได้รับพลังงานจากแหล่งจ่ายต่างๆ และวัดปริมาณการใช้กระแสไฟตามลำดับ ผลลัพธ์แสดงในภาพด้านบน

LED เริ่มเปล่งแสงด้วยแรงดันไฟฟ้า 0.435 และใช้กระแสไฟ 0.82 mA ที่ 1.5 โวลต์ (ค่าสำหรับแบตเตอรี่ใหม่) ไฟ LED สว่างมาก แต่กระแสไฟสูงกว่า 12 mA สิ่งนี้แสดงให้เห็นถึงความจำเป็นในการควบคุม เราจำเป็นต้องสามารถตั้งค่าแสงสว่างให้อยู่ในระดับที่เหมาะสมและยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ได้อย่างมาก

ขั้นตอนที่ 3: การเพิ่มการควบคุม

แผนภาพวงจรของวงจรควบคุมพิเศษแสดงในรูปแรกด้านบน

เพิ่มทรานซิสเตอร์ 2N3904 (Q2) ตัวที่สองกับตัวสะสมที่เชื่อมต่อกับฐานทรานซิสเตอร์ออสซิลเลเตอร์ (Q1) เมื่อปิดทรานซิสเตอร์ตัวที่สองนี้จะไม่มีผลกับฟังก์ชันออสซิลเลเตอร์ แต่เมื่อเปิดเครื่องจะแบ่งฐานของทรานซิสเตอร์ออสซิลเลเตอร์ลงดิน จึงลดเอาต์พุตของออสซิลเลเตอร์ ซิลิกอนไดโอดที่เชื่อมต่อกับตัวเก็บทรานซิสเตอร์ออสซิลเลเตอร์จะให้แรงดันไฟฟ้าที่แก้ไขแล้วเพื่อชาร์จ C2 ซึ่งเป็นตัวเก็บประจุ 0.1 ยูเอฟ ข้าม C2 มีโพเทนชิโอมิเตอร์ 220kOhm (VR1,) และที่ปัดน้ำฝนเชื่อมต่อกลับไปที่ฐานทรานซิสเตอร์ควบคุม (Q2,) ผ่านตัวต้านทาน 100 kOhm ที่ทำให้ลูปสมบูรณ์ ตอนนี้การตั้งค่าโพเทนชิออมิเตอร์จะควบคุมเอาท์พุตของแสงและในกรณีนี้คือการใช้กระแสไฟ เมื่อตั้งค่าโพเทนชิออมิเตอร์เป็นค่าต่ำสุด ปริมาณการใช้กระแสไฟคือ 110 ไมโครแอมป์ เมื่อตั้งค่าสำหรับ LED เพิ่งเริ่มสว่าง มันยังคงเป็น 110 ไมโครแอมป์ และที่ความสว่างของ LED เต็ม ปริมาณการใช้คือ 8.2 mA - เราควบคุมได้ วงจรนี้กำลังถูกขับเคลื่อนในตัวอย่างนี้ด้วยเซลล์ Ni/Mh เดียวที่ 1.24 โวลต์

ส่วนประกอบพิเศษนั้นไม่สำคัญ ที่ 220 kOhm สำหรับโพเทนชิออมิเตอร์และ 100 kOhm สำหรับตัวต้านทานฐาน Q2 วงจรควบคุมทำงานได้ดี แต่ให้โหลดน้อยมากบนออสซิลเลเตอร์ ที่ 0.1 uF C2 ให้สัญญาณแก้ไขที่ราบรื่นโดยไม่ต้องเพิ่มค่าคงที่เวลาขนาดใหญ่ และวงจรจะตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของ VR1 อย่างรวดเร็ว ฉันใช้แทนทาลัมอิเล็กโทรไลต์ที่นี่ แต่ส่วนประกอบเซรามิกหรือโพลีเอสเตอร์ก็ใช้ได้เช่นกัน หากคุณทำให้ส่วนประกอบนี้มีความจุสูงเกินไป การตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงในโพเทนชิออมิเตอร์จะซบเซา

สามภาพสุดท้ายด้านบนเป็นหน้าจอออสซิลโลสโคปที่ดึงมาจากวงจรขณะทำงานและแสดงแรงดันไฟฟ้าบนตัวสะสมของทรานซิสเตอร์ออสซิลโลสโคป ขั้นแรกแสดงรูปแบบที่ความสว่าง LED ขั้นต่ำและวงจรทำงานโดยมีพลังงานระเบิดเล็กน้อยซึ่งเว้นระยะห่างกันอย่างกว้างขวาง ภาพที่สองแสดงรูปแบบที่มีเอาต์พุต LED เพิ่มขึ้น และขณะนี้มีการระเบิดของพลังงานบ่อยขึ้น สุดท้ายอยู่ที่เอาต์พุตเต็มและวงจรเข้าสู่การแกว่งคงที่

วิธีการควบคุมง่าย ๆ ดังกล่าวไม่ได้สมบูรณ์โดยไม่มีปัญหา มีเส้นทาง DC จากรางจ่ายบวกผ่านขดลวดหม้อแปลงไปยังตัวสะสมทรานซิสเตอร์และผ่าน D1 ซึ่งหมายความว่า C2 จะชาร์จถึงระดับของรางจ่ายไฟลบด้วยแรงดันตกไปข้างหน้าของไดโอด จากนั้นแรงดันที่เกิดจากการกระทำของ Joule Thief จะถูกเพิ่มเข้าไป สิ่งนี้ไม่มีความสำคัญในระหว่างการทำงานปกติของ Joule Thief ด้วยเซลล์เดียว 1.5 โวลต์หรือน้อยกว่า แต่ถ้าคุณพยายามเรียกใช้วงจรที่แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าประมาณ 2 โวลต์ เอาต์พุต LED จะไม่สามารถควบคุมให้เหลือศูนย์ได้ นี่ไม่ใช่ปัญหากับแอปพลิเคชั่น Joule Thief ส่วนใหญ่ที่เห็นได้ตามปกติ แต่นั่นคือศักยภาพสำหรับการพัฒนาเพิ่มเติมที่อาจมีความสำคัญและจากนั้นอาจต้องทำรีสอร์ทเพื่อให้ได้แรงดันควบคุมจากขดลวดที่สามบนหม้อแปลง ซึ่งให้การแยกทั้งหมด

ขั้นตอนที่ 4: การประยุกต์ใช้วงจร 1

ด้วยการควบคุมที่มีประสิทธิภาพ Joule Thief จึงสามารถนำไปใช้ได้อย่างกว้างขวางมากขึ้น และใช้งานจริงได้ เช่น ไฟฉายและไฟกลางคืนพร้อมเอาต์พุตแสงที่ควบคุมได้ นอกจากนี้ ด้วยการตั้งค่าแสงน้อยและการสิ้นเปลืองพลังงานที่สมน้ำสมเนื้อ จึงเป็นการใช้งานที่ประหยัดอย่างยิ่ง

รูปภาพด้านบนแสดงแนวคิดทั้งหมดในบทความนี้ที่นำมารวมกันบนบอร์ดต้นแบบขนาดเล็ก และตั้งค่าเอาต์พุตที่ต่ำและสูงตามลำดับด้วยโพเทนชิออมิเตอร์ที่ตั้งค่าไว้ล่วงหน้าบนบอร์ด ขดลวดทองแดงบน toroid เป็นลวดทองแดงเคลือบธรรมดา

ต้องบอกว่ารูปแบบการก่อสร้างนี้เที่ยวยุ่งยิ่งและวิธีการที่ใช้ในขั้นตอนต่อไปนั้นง่ายกว่ามาก

ขั้นตอนที่ 5: การประยุกต์ใช้วงจร--2

แสดงในภาพคอมโพสิตด้านบนเป็นอีกวงจรหนึ่งที่สร้างขึ้นบนแผ่นทองแดงด้านเดียวด้านแผงวงจรพิมพ์ด้านเดียวที่มีแผ่นเล็ก ๆ ของแผงวงจรพิมพ์ด้านเดียวติดกาว MS พอลิเมอร์ รูปแบบการก่อสร้างนี้ง่ายและใช้งานง่ายมาก เนื่องจากคุณสามารถจัดวางวงจรเพื่อจำลองแผนภาพวงจรได้ แผ่นอิเล็กโทรดสร้างจุดยึดที่แข็งแกร่งสำหรับส่วนประกอบและการเชื่อมต่อกับกราวด์ทำได้โดยการบัดกรีกับพื้นผิวทองแดงด้านล่าง

ภาพแสดง LED ที่ส่องสว่างเต็มที่ทางด้านซ้ายและแทบจะไม่สว่างทางด้านขวา ซึ่งทำได้โดยการปรับโพเทนชิโอมิเตอร์แบบทริมเมอร์บนบอร์ดอย่างง่าย

ขั้นตอนที่ 6: การประยุกต์ใช้วงจร--3

แผนภาพวงจรในภาพแรกด้านบนแสดงตัวต้านทาน 470k Ohm ในซีรีย์ที่มีเซลล์แสงอาทิตย์ 2 โวลต์และเชื่อมต่อกับวงจรควบคุม Joule Thief อย่างมีประสิทธิภาพควบคู่ไปกับโพเทนชิโอมิเตอร์ทริมเมอร์บนบอร์ด ภาพที่สองแสดงโซลาร์เซลล์ 2 โวลต์ (กู้จากไฟสวนพลังงานแสงอาทิตย์ที่ดับแล้ว) ต่อเข้ากับชุดประกอบที่แสดงในขั้นตอนก่อนหน้า เซลล์อยู่ในแสงแดดและด้วยเหตุนี้จึงให้แรงดันไฟฟ้าที่จะปิดวงจรและไฟ LED จะดับลง กระแสไฟฟ้าของวงจรวัดที่ 110 ไมโครแอมป์ ภาพที่สามแสดงฝาครอบที่วางอยู่เหนือเซลล์แสงอาทิตย์ซึ่งจำลองความมืด และขณะนี้ LED สว่างขึ้นและกระแสไฟฟ้าของวงจรวัดที่ 9.6 mA การเปลี่ยนเปิด/ปิดไม่คมชัด และไฟจะค่อยๆ สว่างขึ้นในตอนค่ำ โปรดทราบว่ามีการใช้โซลาร์เซลล์เพียงเป็นส่วนประกอบควบคุมราคาถูกสำหรับวงจรแบตเตอรี่ไม่ได้จ่ายพลังงานเอง

วงจรในขั้นตอนนี้มีประโยชน์มาก ด้วยเซลล์แสงอาทิตย์ที่ติดตั้งอย่างสุขุมในหน้าต่างหรือบนขอบหน้าต่างที่ชาร์จตัวเก็บประจุแบบซุปเปอร์คาปาซิเตอร์หรือเซลล์แบบชาร์จซ้ำได้นิกเกิลเมทัลไฮไดรด์ ไฟกลางคืนถาวรที่มีประสิทธิภาพสูงจะกลายเป็นโครงการในอนาคตที่เป็นไปได้ เมื่อใช้กับเซลล์ AA ความสามารถในการปิดไฟออกแล้วปิดไฟในเวลากลางวันหมายความว่าวงจรจะทำงานเป็นเวลานานก่อนที่แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่จะลดลงเหลือประมาณ 0.6 โวลต์ ของขวัญสุดพิเศษที่ปู่ย่าตายายมอบให้หลานๆ! แนวคิดอื่นๆ ได้แก่ บ้านตุ๊กตาที่มีไฟส่องสว่างหรือไฟกลางคืนสำหรับห้องน้ำ เพื่อให้สามารถรักษามาตรฐานด้านสุขอนามัยได้โดยไม่สูญเสียการมองเห็นในตอนกลางคืน ซึ่งเป็นไปได้อย่างมาก