Джоуль вор

Похититель джоулей — это минималистичный автоколебательный усилитель напряжения , небольшой, недорогой и простой в сборке, обычно используемый для управления небольшими нагрузками, например, для управления светодиодом от батареи на 1,5 В. Эта схема также известна под другими названиями, такими как блокинг-генератор , джоуль-рингер или вампирский факел . Он может использовать почти всю энергию одноэлементной электрической батареи , даже напряжение намного ниже того, при котором другие схемы считают батарею полностью разряженной (или «разряженной»); отсюда и название, которое предполагает, что схема крадет энергию или « джоули » у источника – этот термин представляет собой каламбур на «похититель драгоценностей». Схема представляет собой вариант блокинг-генератора , образующего нерегулируемый повышающий преобразователь напряжения.

История

Уровень техники

Похититель джоулей — не новая концепция. По сути, он добавляет светодиод к выходу автоколебательного усилителя напряжения, который был запатентован много десятилетий назад.

США Патент 1949383, ^[1] В 1930 году была подана статья « Электронное устройство », описывающая схему генератора на основе вакуумной лампы для преобразования низкого напряжения в высокое.
Патент США 2211852, ^[2] В 1937 году была подана заявка « Устройство блокинг-генератора », описывающая блокинг-генератор на основе вакуумной лампы.
Патент США 2745012, ^[3] поданная в 1951 году « Транзисторные блокинг-генераторы на основе транзистора », описывает три версии блокинг-генератора .
Патент США 2780767, ^[4] поданный в 1955 году « Схемотехника для преобразования низкого напряжения в высокое постоянное напряжение ».
Патент США 2881380, ^[5] подано в 1956 году « Преобразователь напряжения ».
Патент США 4734658, ^[6] поданная в 1987 году « Схема генератора с низким напряжением », описывает схему генератора с очень низким напряжением, способную работать от напряжения всего 0,1 вольта (более низкого напряжения, чем будет работать джоульный похититель). Это достигается за счет использования JFET , который не требует для своей работы прямого смещения PN-перехода, поскольку он используется в режиме обеднения . Другими словами, сток-исток уже проводит ток, даже когда напряжение смещения не приложено. Этот патент был предназначен для использования с термоэлектрическими источниками энергии .

Он царапает

В ноябрьском выпуске журнала Everyday Practice Electronics ( EPE ) за 1999 год в разделе «Ingenuity Unlimited» (идеи читателей) была представлена новая идея схемы под названием «Светодиод на один вольт — яркий свет» З. Капарника из Суиндона , Уилтшир, Великобритания. Были показаны три примера схем работы светодиодов от напряжения питания ниже 1,5 Вольта. Базовая схема представляла собой преобразователь напряжения на NPN-транзисторе с обратной связью на основе блокинг-генератора. После тестирования трех транзисторов (ZTX450 с эффективностью 73%, ZTX650 с эффективностью 79% и BC550 с эффективностью 57%) было установлено, что транзистор с более низким напряжением _ce(sat) дает лучшие результаты по эффективности. Кроме того, резистор с меньшим сопротивлением будет давать большой ток. ^[7]

Описание операции

Схема работает за счет быстрого переключения транзистора. Первоначально ток начинает течь через резистор, вторичную обмотку и переход база-эмиттер (см. схему), в результате чего транзистор начинает проводить ток коллектора через первичную обмотку. Поскольку две обмотки соединены в противоположных направлениях, это индуцирует положительное напряжение во вторичной обмотке (из-за полярности обмотки, см. соглашение о точках ), которое включает транзистор с более высоким смещением. Этот процесс самовозбуждения/положительной обратной связи почти мгновенно включает транзистор настолько сильно, насколько это возможно (помещая его в область насыщения), делая путь коллектор-эмиттер похожим, по существу, на замкнутый ключ (поскольку напряжение V _CE будет составлять всего около 0,1 В) . , при условии, что ток базы достаточно велик). Когда первичная обмотка фактически подключена к батарее, ток увеличивается со скоростью, пропорциональной напряжению питания, деленному на индуктивность. Отключение транзистора происходит различными механизмами в зависимости от напряжения питания.

Коэффициент усиления транзистора нелинейно зависит от V _CE . При низких напряжениях питания (обычно 0,75 В и ниже) транзистору требуется больший ток базы для поддержания насыщения при увеличении тока коллектора. Следовательно, когда он достигает критического тока коллектора, доступного возбуждения базы становится недостаточно, и транзистор начинает отключаться, и происходит ранее описанное действие положительной обратной связи, резко отключающее его.

Подводя итог, как только ток в катушках по какой-либо причине перестает увеличиваться, транзистор переходит в область отсечки (и размыкает «переключатель коллектор-эмиттер»). Магнитное поле разрушается, создавая напряжение, необходимое для проведения нагрузки или для того, чтобы ток вторичной обмотки нашел другой путь.

Когда поле возвращается к нулю, вся последовательность повторяется; при этом батарея увеличивает ток первичной обмотки до тех пор, пока транзистор не включится.

Если нагрузка в цепи очень мала, скорость нарастания и предельное напряжение на коллекторе ограничивается только паразитными емкостями и может увеличиться более чем в 100 раз по сравнению с напряжением питания. По этой причине крайне важно, чтобы нагрузка всегда была подключена, чтобы транзистор не был поврежден. Поскольку V _CE зеркально отражается обратно на вторичную обмотку, отказ транзистора из-за небольшой нагрузки произойдет из-за превышения обратного предела V _BE для транзистора (это происходит при гораздо меньшем значении, чем V _CE max).

Транзистор рассеивает очень мало энергии, даже на высоких частотах колебаний, поскольку большую часть времени он проводит в полностью включенном или полностью выключенном состоянии, поэтому либо превышение напряжения, либо ток через транзистор равен нулю, что сводит к минимуму потери переключения [ de ] .

Простой ограничитель напряжения

Простая модификация предыдущей схемы заменяет светодиод тремя компонентами для создания простого стабилизатора напряжения на основе стабилитрона . Диод D1 действует как полуволновой выпрямитель, позволяя конденсатору C заряжаться только при наличии более высокого напряжения от похитителя джоулей на левой стороне диода D1. Стабилитрон D2 ограничивает выходное напряжение. Поскольку регулирование отсутствует, любой избыток энергии, не потребляемый нагрузкой, будет рассеиваться в виде тепла в стабилитроне с последующим низким КПД преобразования.

Лучшее решение показано в следующем схематическом примере.

Похититель джоулей с замкнутым контуром и регулированием

Когда требуется более постоянное выходное напряжение, похитителю джоулей можно дать управление с обратной связью. В приведенной схеме диод Шоттки D1 блокирует заряд, накопленный на конденсаторе C1, от обратного тока на переключающий транзистор Q1, когда он включен. D2 на 5,6 В Стабилитрон и транзистор Q2 образуют управление с обратной связью: когда напряжение на конденсаторе C1 превышает пороговое напряжение, образованное напряжением Зенера D2 плюс напряжением включения база-эмиттер транзистора Q2, транзистор Q2 включается. отводя базовый ток переключающего транзистора Q1, препятствуя генерации и предотвращая дальнейшее повышение напряжения на конденсаторе C1. Когда напряжение на C1 падает ниже порогового значения, напряжение Q2 отключается, позволяя колебаниям произойти снова. Эта очень простая схема имеет тот недостаток, что выходное напряжение зависит от температуры из-за BJT2 (Vbe) и относительно высокую пульсацию, но ее можно отфильтровать с помощью простой схемы LC pi с низкими потерями. В приведенной в качестве примера схеме включен стабилизатор с малым падением напряжения, который способствует дальнейшему регулированию выходного напряжения и снижает пульсации, но имеет недостаток в виде низкой эффективности преобразования.

См. также

Ссылки

^ США 1949383 , Гарольд К. Вебер, «Электронное устройство», выдан 27 февраля 1934 г., передан Корпорации промышленного развития.
^ США 2211852 , Гейгер Макс, «Блокирующий генератор», выдан 20 августа 1940 г., передан Telefunken AG.
^ США 2745012 , Джин Х. Фелкер, «Транзисторные блокирующие генераторы», выдан 8 мая 1956 г., передан Nokia Bell Labs.
^ США 2780767 , Янссен Питер Йоханн Хубертус, «Схема для преобразования низкого напряжения в высокое постоянное напряжение», выдан 5 февраля 1957 г., передан Hartford National Bank and Trust Co.
^ US 2881380 , Kruger Bodo, «Преобразователь напряжения», выдан 7 апреля 1959 г., передан корпорации Philips в США.
^ США 4734658 , Джон Э. Бохан-младший, «Схема генератора с низким напряжением», выдан 29 марта 1988 г., передан компании Honeywell Inc.
^ «Практическая электроника на каждый день» (PDF) . Ноябрь 1999 г. с. 804.

Внешние ссылки

Моделирование и реализации

Видео

Клайв Митчелл о создании своего вора Джоуля
Видео сделать джоульного вора (на французском языке)

[US1949383-1] США 1949383 , Гарольд К. Вебер, «Электронное устройство», выдан 27 февраля 1934 г., передан Корпорации промышленного развития.

[US2211852-2] США 2211852 , Гейгер Макс, «Блокирующий генератор», выдан 20 августа 1940 г., передан Telefunken AG.

[US2745012-3] США 2745012 , Джин Х. Фелкер, «Транзисторные блокирующие генераторы», выдан 8 мая 1956 г., передан Nokia Bell Labs.

[US2780767-4] США 2780767 , Янссен Питер Йоханн Хубертус, «Схема для преобразования низкого напряжения в высокое постоянное напряжение», выдан 5 февраля 1957 г., передан Hartford National Bank and Trust Co.

[US2881380-5] US 2881380 , Kruger Bodo, «Преобразователь напряжения», выдан 7 апреля 1959 г., передан корпорации Philips в США.

[US4734658-6] США 4734658 , Джон Э. Бохан-младший, «Схема генератора с низким напряжением», выдан 29 марта 1988 г., передан компании Honeywell Inc.

[Kaparnik_1999-7] «Практическая электроника на каждый день» (PDF) . Ноябрь 1999 г. с. 804.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]