Conception et assemblage d'un oscillateur bloqué Joule Thief pour alimentation basse tension
L'oscillateur bloqué Joule Thief convertit la basse tension d'une batterie déchargée (0,3–0,6 V) en impulsions pour alimenter une LED. Le cycle de fonctionnement comprend cinq étapes : l'ouverture du transistor via la résistance de base Rb, une augmentation linéaire du courant dans l'enroulement collecteur W1 avec énergie stockée dans le noyau ferrite, la saturation du noyau, la fermeture brutale du transistor Q1, et la génération d'une impulsion haute tension dans l'enroulement de sortie W3 pour illuminer la LED.
La fréquence du cycle est d'environ 20 kHz, fournissant une lumière visible continue. Le circuit minimise la consommation d'énergie et convient à l'éclairage de navigation avec un courant LED de 5–20 mA.
Circuit et composants
Topologie classique : transistor Q1 (BC547C ou KT3102), résistance Rb, transformateur à trois enroulements sur un anneau ferrite (10×6×4 mm ou 14×9×5 mm).
Avantages :
- Nombre minimal de composants
- Démarrage fiable à 0,6 V
- Tension de sortie ajustable
- Aucun bruit audible à f > 17 kHz
Détermination expérimentale des paramètres du ferrite
Les caractéristiques réelles du ferrite diffèrent des valeurs des fiches techniques. Pour le calcul, enroulez une bobine de test bifilaire (15 spires avec prise médiane).
Surface de section Se = (D - d) × h / 2. Pour un anneau 10×6×4 mm : Se = (0,01 - 0,006) × 0,004 / 2 = 8×10^{-6} m².
La saturation est déterminée à l'aide d'un banc d'essai avec un multivibrateur symétrique. Sur l'oscillogramme du courant de shunt, notez l'inflexion de la courbe—une augmentation brutale de la pente lorsque l'inductance chute.
Induction de saturation Bsat = (U × T) / (2 × w × Se).
Exemple :
- 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.
Calcul de la résistance de base Rb
Données initiales :
- Uin = 1,5 V
- U_LED = 3,15 V (avec chute de 5 %)
- I_LED = 10 mA
- Rendement 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, où h21e = 584 (mesuré avec un RLC-mètre), s = 2.
Ib ≈ (0,06 / 584) × 2 ≈ 0,205 mA
Rb = (1,5 - 0,7) / 0,000205 ≈ 3,9 kΩ.
Dépendance de la fréquence sur Rb :
| Rb | f |
|-------|-------|
| 1 kΩ | 16 kHz|
| 3 kΩ | 20 kHz|
| 6 kΩ | 24 kHz|
L'optimal est 18–25 kHz pour éviter le sifflement audible.
Sélection de la fréquence et du temps d'allumage
Cible f = 22 kHz. Rapport cyclique D = 40 % d'après l'oscillogramme collecteur.
ton = D / f = 0,4 / 22000 ≈ 18 µs.
Calcul des spires du transformateur
N1 = (Uin × ton) / (Bsat × Se) = (1,5 × 1,8×10^{-5}) / (0,106 × 8×10^{-6}) ≈ 32 spires.
Enroulement de base N2 = 1,2–1,5 × N1 pour un démarrage facile à basse Uin. Choisi 1,5 : N2 = 48 spires.
Rapports N2/N1 :
- 0,5 : démarrage médiocre
- 1,0 : normal
- 1,2 : bon
- 1,5 : très facile
- 2,0 : surcharge de base
Enroulez en bifilaire avec des fils. Sortie N3 = N1 × (Vout / Vpulse), où Vpulse provient de l'oscillogramme collecteur.
Assemblage et tests
Après enroulement, testez le démarrage à 0,6 V, la fréquence et le courant LED. Ajustez les spires de 10–20 % pour les variations du ferrite. Le convertisseur fini alimente une LED avec des piles AA/AAA jusqu'à décharge complète.
Points clés
- Déterminez Bsat expérimentalement : les données des fiches techniques ferrite sont peu fiables.
- Choisissez Rb pour f 18–25 kHz pour éviter bruit et pertes.
- Rapport N2/N1 = 1,5 assure le démarrage à 0,4–0,6 V.
- Testez sur un vrai banc avec oscilloscope pour précision.
- 70 % de rendement est atteint à I_LED 5–20 mA avec sélection appropriée du transistor.
— Editorial Team
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