Diseño y Montaje de un Oscilador de Bloqueo Joule Thief para Alimentación de Bajo Voltaje
El oscilador de bloqueo Joule Thief convierte el bajo voltaje de una batería agotada (0,3–0,6 V) en pulsos para alimentar un LED. El ciclo de operación consta de cinco etapas: el transistor se abre a través de la resistencia de base Rb, un aumento lineal de corriente en el devanado del colector W1 con energía almacenada en el núcleo de ferrita, saturación del núcleo, el cierre abrupto del transistor Q1 y la generación de un pulso de alto voltaje en el devanado de salida W3 para iluminar el LED.
La frecuencia del ciclo es de aproximadamente 20 kHz, proporcionando luz visible continua. El circuito minimiza el consumo de energía y es adecuado para iluminación de navegación con una corriente de LED de 5–20 mA.
Circuito y Componentes
Topología clásica: transistor Q1 (BC547C o KT3102), resistencia Rb, un transformador de tres devanados en un anillo de ferrita (10×6×4 mm o 14×9×5 mm).
Ventajas:
- Número mínimo de componentes
- Arranque confiable a 0,6 V
- Voltaje de salida ajustable
- Sin ruido audible a f > 17 kHz
Determinación Experimental de los Parámetros de la Ferrita
Las características reales de la ferrita difieren de los valores de la hoja de datos. Para el cálculo, enrolla una bobina de prueba bifilar (15 vueltas con toma central).
Área de sección transversal Se = (D - d) × h / 2. Para un anillo de 10×6×4 mm: Se = (0,01 - 0,006) × 0,004 / 2 = 8×10^{-6} m².
La saturación se determina utilizando un banco de pruebas con un multivibrador simétrico. En el oscilograma de corriente del shunt, observa la inflexión de la curva—un aumento brusco de la pendiente a medida que cae la inductancia.
Inducción de saturación Bsat = (U × T) / (2 × w × Se).
Ejemplo:
- 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.
Cálculo de la Resistencia de Base Rb
Datos iniciales:
- Uin = 1,5 V
- U_LED = 3,15 V (con caída del 5%)
- I_LED = 10 mA
- Eficiencia 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, donde h21e = 584 (medido con un medidor RLC), s = 2.
Ib ≈ (0,06 / 584) × 2 ≈ 0,205 mA
Rb = (1,5 - 0,7) / 0,000205 ≈ 3,9 kΩ.
Dependencia de la frecuencia con Rb:
| Rb | f |
|-------|-------|
| 1 kΩ | 16 kHz|
| 3 kΩ | 20 kHz|
| 6 kΩ | 24 kHz|
Lo óptimo es 18–25 kHz para evitar zumbidos audibles.
Selección de Frecuencia y Tiempo de Encendido
Frecuencia objetivo f = 22 kHz. Ciclo de trabajo D = 40% del oscilograma del colector.
ton = D / f = 0,4 / 22000 ≈ 18 µs.
Cálculo de las Vueltas del Transformador
N1 = (Uin × ton) / (Bsat × Se) = (1,5 × 1,8×10^{-5}) / (0,106 × 8×10^{-6}) ≈ 32 vueltas.
Devanado de base N2 = 1,2–1,5 × N1 para un arranque fácil a bajo Uin. Elegido 1,5: N2 = 48 vueltas.
Relaciones N2/N1:
- 0,5: arranque deficiente
- 1,0: normal
- 1,2: bueno
- 1,5: muy fácil
- 2,0: sobrecarga de base
Enrolla bifilar con cables. Salida N3 = N1 × (Vout / Vpulse), donde Vpulse es del oscilograma del colector.
Montaje y Pruebas
Después del enrollado, prueba el arranque a 0,6 V, la frecuencia y la corriente del LED. Ajusta las vueltas en un 10–20% para variaciones de ferrita. El convertidor terminado alimenta un LED con baterías AA/AAA hasta que se descargan por completo.
Puntos Clave
- Determina Bsat experimentalmente: los datos de la hoja de datos de ferrita no son confiables.
- Elige Rb para f 18–25 kHz para evitar ruido y pérdidas.
- Relación N2/N1 = 1,5 asegura el arranque a 0,4–0,6 V.
- Prueba en un banco real con osciloscopio para precisión.
- Se logra un 70% de eficiencia a I_LED 5–20 mA con la selección adecuada del transistor.
— Editorial Team
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