Joule Thief avec contrôle ultra simple de la puissance lumineuse : 6 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:08

Le circuit Joule Thief est une excellente entrée pour l'expérimentateur électronique novice et a été reproduit d'innombrables fois, en effet une recherche Google donne 245 000 résultats ! Le circuit de loin le plus fréquemment rencontré est celui illustré à l'étape 1 ci-dessous, qui est incroyablement simple et se compose de quatre composants de base, mais il y a un prix à payer pour cette simplicité. Lorsqu'il est alimenté avec une batterie neuve de 1,5 volts, la puissance lumineuse est élevée avec une consommation d'énergie proportionnelle, mais avec une tension de batterie plus faible, la lumière et la consommation d'énergie diminuent jusqu'à ce qu'à environ un demi-volt la puissance lumineuse cesse.

Le circuit réclame une certaine forme de contrôle. L'auteur y est parvenu dans le passé en utilisant un troisième enroulement sur le transformateur pour fournir une tension de commande, voir:

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

Quelle que soit la commande utilisée, elle doit avoir la propriété de base selon laquelle la réduction de la puissance lumineuse diminue également la consommation d'énergie, de sorte qu'un réglage de faible luminosité entraîne une faible consommation de la batterie et une plus longue durée de vie de la batterie. Le circuit développé dans cet article y parvient et est beaucoup plus simple dans la mesure où l'enroulement supplémentaire n'est pas nécessaire et permet une forme de contrôle qui pourrait être adaptée à de nombreux circuits existants. À la fin de l'article, nous montrons comment éteindre automatiquement le circuit à la lumière du jour lorsqu'il est déployé en veilleuse.

Tu auras besoin de:

Deux transistors NPN à usage général. Non critique mais j'ai utilisé 2N3904.

Une diode au silicium. Totalement non critique et une diode de redressement ou une diode de signal conviendra.

Un tore en ferrite. Voir plus loin dans le texte pour plus d'informations.

Un condensateur de 0,1 uF. J'ai utilisé un composant au tantale 35V mais vous pouvez utiliser un électrolytique ordinaire de 1 uF. Gardez la tension nominale élevée - la tension nominale de 35 ou 50 volts n'est pas excessive comme pendant le développement, et avant que votre boucle de contrôle ne soit fermée, une haute tension peut être appliquée à ce composant.

Un condensateur électrolytique 100uF. Le fonctionnement en 12 volts est bien ici.

Une résistance de 10 K Ohm.

Une résistance de 100 K Ohm

Un potentiomètre 220 K Ohm. Non critique et tout ce qui se situe entre 100 K et 470 K devrait fonctionner.

Fil de raccordement monoconducteur en PVC que j'obtiens en dénudant le câble téléphonique

Pour démontrer le circuit au début, j'ai utilisé une planche à pain sans soudure modèle AD-12 que j'ai obtenue de Maplin.

Pour produire une version permanente du circuit, vous devrez être équipé pour la construction électronique élémentaire, y compris la soudure. Le circuit peut ensuite être construit sur Veroboard ou un matériau similaire et une autre méthode de construction utilisant une carte de circuit imprimé vierge est également illustrée.

Étape 1: Notre circuit de base Joule Thief

Ci-dessus est le schéma de circuit et une maquette d'un circuit de travail.

Le transformateur ici se compose de 2 lots de 15 tours de fil PVC monoconducteur récupéré à partir d'une longueur de câble téléphonique torsadée et enroulée sur un tore en ferrite - pas critique mais j'ai utilisé un article Ferroxcube de RS Components 174-1263 taille 14,6 X 8,2 X 5,5 mm. Il y a une énorme latitude dans le choix de ce composant et j'ai mesuré des performances identiques avec un composant Maplin quatre fois plus gros. Les constructeurs ont tendance à utiliser de très petites billes de ferrite, mais c'est aussi petit que je le voudrais - avec de très petits éléments, la fréquence de l'oscillateur augmentera et il peut y avoir des pertes capacitives dans le circuit final.

Le transistor utilisé est le NPN à usage général 2N3904, mais presque tous les transistors NPN fonctionneront. La résistance de base est de 10K où vous pourriez voir plus fréquemment 1K utilisé, mais cela peut aider lorsque nous en viendrons à appliquer le contrôle au circuit plus tard.

C1 est un condensateur de découplage pour lisser les transitoires de commutation générés par le fonctionnement du circuit et ainsi garder le rail d'alimentation propre.

Étape 2: Performance du circuit de base

Une certaine connaissance des performances du circuit de base peut être instructive. A cette fin, le circuit a été alimenté avec différentes tensions d'alimentation et la consommation de courant respective mesurée. Les résultats sont montrés dans l'image ci-dessus.

La LED commence à émettre de la lumière avec une tension d'alimentation de 0,435 et consomme 0,82 mA de courant. A 1,5 Volt, (la valeur pour une batterie neuve,) la LED est très lumineuse mais le courant est supérieur à 12 mA. Cela illustre le besoin de contrôle; nous devons pouvoir régler la puissance lumineuse à un niveau raisonnable et ainsi prolonger considérablement la durée de vie de la batterie.

Étape 3: Ajout de contrôle

Le schéma de circuit du circuit de contrôle supplémentaire est montré dans la première image ci-dessus.

Un deuxième transistor 2N3904 (Q2) a été ajouté avec le collecteur connecté à la base du transistor de l'oscillateur, (Q1.) Lorsqu'il est éteint, ce deuxième transistor n'a aucun effet sur la fonction de l'oscillateur mais lorsqu'il est allumé, il shunte la base du transistor oscillateur à la terre réduisant ainsi la sortie de l'oscillateur. Une diode au silicium connectée au collecteur du transistor de l'oscillateur fournit une tension redressée pour charger C2, un condensateur de 0,1 uF. À travers C2, il y a un potentiomètre de 220 kOhm (VR1,) et l'essuie-glace est reconnecté à la base du transistor de commande (Q2,) via une résistance de 100 kOhm complétant la boucle. Le réglage du potentiomètre contrôle maintenant la puissance lumineuse et dans ce cas la consommation de courant. Avec le potentiomètre réglé au minimum, la consommation de courant est de 110 microampères, lorsqu'elle est réglée pour que la LED commence tout juste à s'allumer, elle est toujours de 110 microampères et à pleine luminosité de la LED, la consommation est de 8,2 mA - nous avons le contrôle. Le circuit est alimenté dans cet exemple avec une seule cellule Ni/Mh à 1,24 Volts.

Les composants supplémentaires ne sont pas critiques. A 220 kOhm pour le potentiomètre et 100 kOhm pour la résistance de base Q2, le circuit de commande fonctionne bien mais charge très peu l'oscillateur. À 0,1 uF, C2 fournit un signal redressé en douceur sans ajouter une grande constante de temps et le circuit répond rapidement aux changements de VR1. J'ai utilisé un électrolytique au tantale ici, mais un composant en céramique ou en polyester fonctionnerait tout aussi bien. Si vous augmentez la capacité de ce composant, la réponse aux modifications du potentiomètre sera lente.

Les trois dernières images ci-dessus sont des captures d'écran de l'oscilloscope du circuit en fonctionnement et montrent la tension sur le collecteur du transistor oscillateur. Le premier montre le motif à une luminosité LED minimale et le circuit fonctionne avec de petites rafales d'énergie largement espacées. La deuxième image montre le motif avec une sortie LED accrue et les rafales d'énergie sont maintenant plus fréquentes. Le dernier est à pleine puissance et le circuit est passé en oscillation régulière.

Une méthode de contrôle aussi simple n'est pas totalement sans problèmes; il y a un chemin continu du rail d'alimentation positif à travers l'enroulement du transformateur jusqu'au collecteur du transistor et à travers D1. Cela signifie que C2 se charge jusqu'au niveau du rail d'alimentation moins la chute de tension directe de la diode, puis la tension produite par l'action Joule Thief s'y ajoute. Cela n'a pas d'importance pendant le fonctionnement normal du Joule Thief avec une seule cellule de 1,5 volt ou moins, mais si vous essayez de faire fonctionner le circuit à des tensions supérieures à environ 2 volts, la sortie LED ne peut pas être contrôlée jusqu'à zéro. Ce n'est pas un problème avec la grande majorité des applications Joule Thief normalement observées, mais le potentiel de développements ultérieurs est tel qu'il pourrait devenir important et qu'il faille alors recourir à la dérivation de la tension de commande à partir d'un troisième enroulement sur le transformateur qui assure un isolement total.

Étape 4: Application du Circuit 1

Avec un contrôle efficace, le Joule Thief peut être appliqué beaucoup plus largement et des applications réelles telles que des torches et des veilleuses à flux lumineux contrôlé sont possibles. De plus, avec des réglages de faible luminosité et une faible consommation d'énergie proportionnelle, des applications extrêmement économiques sont possibles.

Les images ci-dessus montrent toutes les idées de cet article jusqu'à présent rassemblées sur une petite carte prototype et avec la sortie respectivement réglée sur basse et haute avec un potentiomètre préréglé intégré. Les enroulements de cuivre sur le tore sont du fil de cuivre émaillé plus habituel.

Il faut dire que cette forme de construction est délicate et que la méthode utilisée à l'étape suivante est beaucoup plus facile.

Étape 5: Application du Circuit-2

L'image composite ci-dessus montre une autre réalisation du circuit cette fois construite sur un morceau de carte de circuit imprimé simple face en cuivre vers le haut avec de petits tampons de carte de circuit imprimé simple face collés avec de la colle polymère MS. Cette forme de construction est très simple et intuitive car vous pouvez disposer le circuit pour reproduire le schéma de circuit. Les plots constituent un ancrage robuste pour les composants et les connexions à la terre sont réalisées par soudure sur le substrat de cuivre en dessous.

L'image montre la LED entièrement éclairée à gauche et à peine éclairée à droite, ce qui est obtenu avec un simple réglage du potentiomètre de trimmer embarqué.

Étape 6: Application du Circuit-3

Le schéma de circuit de la première image ci-dessus montre une résistance de 470 kOhm en série avec une cellule solaire de 2 volts et connectée au circuit de contrôle Joule Thief efficacement en parallèle avec le potentiomètre de réglage intégré. La deuxième photo montre la cellule solaire de 2 volts (récupérée d'une lampe solaire de jardin défunte,) câblée à l'assemblage illustré à l'étape précédente. La cellule est à la lumière du jour et fournit donc une tension qui éteint le circuit et la LED s'éteint. Le courant du circuit a été mesuré à 110 microampères. La troisième image montre un capuchon placé sur la cellule solaire simulant ainsi l'obscurité et la LED est maintenant allumée et le courant du circuit mesuré à 9,6 mA. La transition marche/arrêt n'est pas nette et la lumière s'allume progressivement au crépuscule. Notez que la cellule solaire est utilisée simplement comme un composant de contrôle bon marché à un circuit de batterie qui ne fournit pas lui-même d'énergie.

Le circuit à ce stade est potentiellement très utile. Avec une cellule solaire montée discrètement dans une fenêtre ou sur un rebord de fenêtre chargeant un super condensateur ou une cellule rechargeable à hydrure métallique de nickel, une veilleuse permanente très efficace devient un futur projet possible. Lorsqu'il est utilisé avec une pile AA, la possibilité de réduire la puissance lumineuse puis d'éteindre la lumière pendant la journée signifie que le circuit fonctionnera pendant une longue période avant que la tension de la batterie ne tombe à environ 0,6 volt. Quel superbe cadeau sur mesure pour les grands-parents à offrir aux petits-enfants ! D'autres idées incluent une maison de poupée illuminée ou une veilleuse pour la salle de bain pour permettre de maintenir les normes d'hygiène sans perte de vision nocturne - les possibilités sont énormes.