Joule Thief 계산: 페라이트 매개변수 및 턴 수

저전압 전원용 줄 도둑 차단 발진기의 설계 및 조립

줄 도둑 차단 발진기는 방전된 배터리(0.3–0.6 V)의 낮은 전압을 펄스로 변환하여 LED를 구동합니다. 작동 주기는 다섯 단계로 구성됩니다: 베이스 저항 Rb를 통해 트랜지스터가 열리고, 페라이트 코어에 저장된 에너지로 컬렉터 권선 W1에서 선형 전류 증가, 코어 포화, 트랜지스터 Q1의 급격한 닫힘, 출력 권선 W3에서 고전압 펄스 생성으로 LED를 점등합니다.

주파수는 약 20 kHz로, 연속적인 가시광을 제공합니다. 이 회로는 전력 소비를 최소화하며, LED 전류 5–20 mA의 항법 조명에 적합합니다.

회로 및 구성 요소

클래식 토폴로지: 트랜지스터 Q1(BC547C 또는 KT3102), 저항 Rb, 페라이트 링(10×6×4 mm 또는 14×9×5 mm)에 감은 3권선 변압기.

장점:

• 최소한의 구성 요소 수
• 0.6 V에서 안정적인 시동
• 조정 가능한 출력 전압
• f > 17 kHz에서 가청 소음 없음

페라이트 파라미터의 실험적 결정

실제 페라이트 특성은 데이터시트 값과 다릅니다. 계산을 위해, 이중 나선 테스트 코일(중간 탭이 있는 15회 감기)을 감습니다.

단면적 Se = (D - d) × h / 2. 10×6×4 mm 링의 경우: Se = (0.01 - 0.006) × 0.004 / 2 = 8×10^{-6} m².

포화는 대칭 멀티바이브레이터가 있는 테스트 벤치를 사용하여 결정됩니다. 션트 전류 오실로그램에서, 인덕턴스 감소로 기울기가 급격히 증가하는 곡선의 변곡점을 확인합니다.

포화 유도 Bsat = (U × T) / (2 × w × Se).

예시:

• 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.

베이스 저항 Rb 계산

초기 데이터:

• Uin = 1.5 V
• U_LED = 3.15 V (5% 강하 포함)
• I_LED = 10 mA
• 효율 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, 여기서 h21e = 584(RLC 미터로 측정), s = 2.

Ib ≈ (0.06 / 584) × 2 ≈ 0.205 mA

Rb = (1.5 - 0.7) / 0.000205 ≈ 3.9 kΩ.

Rb에 따른 주파수 의존성:

| Rb | f |

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

| 1 kΩ | 16 kHz|

| 3 kΩ | 20 kHz|

| 6 kΩ | 24 kHz|

가청 소음을 피하기 위해 18–25 kHz가 최적입니다.

주파수 및 켜짐 시간 선택

목표 f = 22 kHz. 컬렉터 오실로그램에서 듀티 사이클 D = 40%.

ton = D / f = 0.4 / 22000 ≈ 18 µs.

변압기 권선 계산

N1 = (Uin × ton) / (Bsat × Se) = (1.5 × 1.8×10^{-5}) / (0.106 × 8×10^{-6}) ≈ 32회 감기.

베이스 권선 N2 = 1.2–1.5 × N1로 낮은 Uin에서 쉬운 시동을 위해. 1.5 선택: N2 = 48회 감기.

N2/N1 비율:

• 0.5: 시동 불량
• 1.0: 정상
• 1.2: 양호
• 1.5: 매우 쉬움
• 2.0: 베이스 과부하

이중 나선 와이어로 감습니다. 출력 N3 = N1 × (Vout / Vpulse), 여기서 Vpulse는 컬렉터 오실로그램에서 얻습니다.

조립 및 테스트

감은 후, 0.6 V에서 시동, 주파수, LED 전류를 테스트합니다. 페라이트 변동에 대해 10–20% 권선 조정. 완성된 변환기는 AA/AAA 배터리가 완전히 방전될 때까지 LED를 구동합니다.

핵심 포인트

• Bsat 실험적 결정: 페라이트 데이터시트 데이터는 신뢰할 수 없음.
• Rb 선택으로 f 18–25 kHz로 소음 및 손실 방지.
• N2/N1 비율 = 1.5로 0.4–0.6 V에서 시동 보장.
• 정확성을 위해 오실로스코프로 실제 벤치 테스트.
• 적절한 트랜지스터 선택으로 I_LED 5–20 mA에서 70% 효율 달성.

— Editorial Team