Výpočet Joule Thief: parametry feritu a závitů

Výpočet a sestavení blokovacího generátoru Joule Thief pro napájení s nízkým napětím

Blokovací generátor Joule Thief převádí nízké napětí vybité baterie (0,3–0,6 V) na impulsy pro napájení LED diody. Pracovní cyklus zahrnuje pět fází: otevření tranzistoru přes základní rezistor Rb, lineární nárůst proudu ve sběracím vinutí W1 s akumulací energie v feritovém jádru, saturace jádra, rychlé uzavření tranzistoru Q1 a generování vysokého napěťového impulsu ve výstupním vinutí W3 pro svícení LED.

Frekvence cyklu je přibližně 20 kHz, což zajišťuje nepřetržité svícení pro lidské oko. Obvod minimalizuje spotřebu, je vhodný pro navigační podsvícení s proudem LED 5–20 mA.

Schéma a součástky

Klasická topologie: tranzistor Q1 (BC547C nebo KT3102), rezistor Rb, třívinutý transformátor na feritovém kroužku (10×6×4 mm nebo 14×9×5 mm).

Výhody:

• Minimální počet prvků
• Spolehlivý start při 0,6 V
• Regulace výstupního napětí
• Absence akustického šumu při f > 17 kHz

Experimentální stanovení parametrů feritu

Skutečné charakteristiky feritu se liší od katalogových. Pro výpočet navíjejte bifilární testovací cívku (15 závitů s odbočkou ze středu).

Plocha průřezu Se = (D - d) × h / 2. Pro kroužek 10×6×4 mm: Se = (0,01 - 0,006) × 0,004 / 2 = 8×10^{-6} m².

Saturaci určete na testovacím zařízení se symetrickým multivibrátorem. Na oscilogramu proudu zkratu zaznamenejte zlom křivky – prudký nárůst sklonu při poklesu indukčnosti.

Indukce saturace Bsat = (U × T) / (2 × w × Se).

Příklad:

• U = 1,28 V
• T = 39,8 µs
• w = 15
• Se = 8×10^{-6} m²

Bsat = (1,28 × 3,98×10^{-5}) / (2 × 15 × 8×10^{-6}) ≈ 0,106 T.

Výpočet základního rezistoru Rb

Výchozí údaje:

• Uin = 1,5 V
• U_LED = 3,15 V (s poklesem 5 %)
• I_LED = 10 mA
• Účinnost η = 70 %

Pout = 3,15 × 0,01 = 0,0315 W

Pin = 0,0315 / 0,7 ≈ 0,045 W

Iavg = 0,045 / 1,5 = 0,03 A

Icpk = 2 × 0,03 = 0,06 A

Ib = (Icpk / h21e) × s, kde h21e = 584 (změřeno RLC-metrem), s = 2.

Ib ≈ (0,06 / 584) × 2 ≈ 0,205 mA

Rb = (1,5 - 0,7) / 0,000205 ≈ 3,9 kΩ.

Závislost frekvence na Rb:

| Rb | f |

|-------|-------|

| 1 kΩ | 16 kHz|

| 3 kΩ | 20 kHz|

| 6 kΩ | 24 kHz|

Optimálně 18–25 kHz pro absenci pískání.

Volba frekvence a času zapnutí

Cílové f = 22 kHz. Činitel plnění D = 40 % podle oscilogramu kolektoru.

ton = D / f = 0,4 / 22000 ≈ 18 µs.

Výpočet závitů transformátoru

N1 = (Uin × ton) / (Bsat × Se) = (1,5 × 1,8×10^{-5}) / (0,106 × 8×10^{-6}) ≈ 32 závitů.

Základní vinutí N2 = 1,2–1,5 × N1 pro snadný start při nízkém Uin. Zvoleno 1,5: N2 = 48 závitů.

Poměry N2/N1:

• 0,5: špatný start
• 1,0: normální
• 1,2: dobrý
• 1,5: velmi snadný
• 2,0: přetížení báze

Navíjení bifilárně dráty. Výstupní N3 = N1 × (Vout / Vpulse), kde Vpulse podle oscilogramu kolektoru.

Sestavení a testování

Po navinutí zkontrolujte start při 0,6 V, frekvenci, proud LED. Upravte závity o 10–20 % při rozptylu feritu. Hotový měnič napájí LED z AA/AAA až do úplného vybití.

Co je důležité

• Experimentálně určujte Bsat: katalogové údaje feritu jsou nespolehlivé.
• Volte Rb pro f 18–25 kHz, abyste se vyhnuli šumu a ztrátám.
• Poměr N2/N1 = 1,5 zajišťuje start při 0,4–0,6 V.
• Testujte na skutečném testovacím zařízení s osciloskopem pro přesnost.
• Účinnost 70 % je dosažena při I_LED 5–20 mA a správné volbě tranzistoru.

— Editorial Team