Obliczenia Joule Thief: parametry ferrytu i zwojów

Obliczenia i montaż generatora blokującego Joule Thief do zasilania niskonapięciowego

Generator blokujący Joule Thief przekształca niskie napięcie wyładowanej baterii (0,3–0,6 V) w impulsy zasilające diodę LED. Cykl pracy obejmuje pięć etapów: otwarcie tranzystora przez rezystor bazowy Rb, liniowy wzrost prądu w uzwojeniu kolektorowym W1 z akumulacją energii w rdzeniu ferrytowym, nasycenie rdzenia, gwałtowne zamknięcie tranzystora Q1 oraz generację wysokiego impulsu napięcia w uzwojeniu wyjściowym W3 dla świecenia LED.

Częstotliwość cyklu wynosi około 20 kHz, co zapewnia ciągłe świecenie dla oka. Układ minimalizuje pobór mocy, nadaje się do nawigacyjnego podświetlenia z prądem LED 5–20 mA.

Schemat i komponenty

Klasyczna topologia: tranzystor Q1 (BC547C lub KT3102), rezystor Rb, transformator trójuzwojeniowy na pierścieniu ferrytowym (10×6×4 mm lub 14×9×5 mm).

Zalety:

• Minimalna liczba elementów
• Pewne uruchomienie przy 0,6 V
• Regulacja napięcia wyjściowego
• Brak szumu akustycznego przy f > 17 kHz

Eksperymentalne określenie parametrów ferrytu

Rzeczywiste charakterystyki ferrytu różnią się od katalogowych. Do obliczeń nawija się testową cewkę bifilarną (15 zwojów z odczepem od środka).

Pole przekroju Se = (D - d) × h / 2. Dla pierścienia 10×6×4 mm: Se = (0,01 - 0,006) × 0,004 / 2 = 8×10^{-6} m².

Nasycenie określa się na stanowisku z symetrycznym multiwibratorem. Na oscylogramie prądu bocznika rejestruje się załamanie krzywej – gwałtowny wzrost nachylenia przy spadku indukcyjności.

Indukcja nasycenia Bsat = (U × T) / (2 × w × Se).

Przykład:

• 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.

Obliczenie rezystora bazy Rb

Dane wyjściowe:

• Uin = 1,5 V
• U_LED = 3,15 V (z spadkiem 5%)
• I_LED = 10 mA
• Sprawność 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, gdzie h21e = 584 (zmierzone miernikiem RLC), s = 2.

Ib ≈ (0,06 / 584) × 2 ≈ 0,205 mA

Rb = (1,5 - 0,7) / 0,000205 ≈ 3,9 kΩ.

Zależność częstotliwości od Rb:

| Rb | f |

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

| 1 kΩ | 16 kHz|

| 3 kΩ | 20 kHz|

| 6 kΩ | 24 kHz|

Optymalnie 18–25 kHz dla braku piszczenia.

Dobór częstotliwości i czasu włączenia

Docelowa f = 22 kHz. Współczynnik wypełnienia D = 40% według oscylogramu kolektora.

ton = D / f = 0,4 / 22000 ≈ 18 μs.

Obliczenie zwojów transformatora

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

Uzwojenie bazowe N2 = 1,2–1,5 × N1 dla łatwego uruchomienia przy niskim Uin. Wybrano 1,5: N2 = 48 zwojów.

Stosunki N2/N1:

• 0,5: słabe uruchomienie
• 1,0: normalne
• 1,2: dobre
• 1,5: bardzo łatwe
• 2,0: przeciążenie bazy

Nawijanie bifilarnie przewodami. Wyjściowe N3 = N1 × (Vout / Vpulse), gdzie Vpulse według oscylogramu kolektora.

Montaż i testowanie

Po nawinięciu sprawdza się uruchomienie przy 0,6 V, częstotliwość, prąd LED. Koryguje się zwoje o 10–20% przy rozrzucie ferrytu. Gotowy przetwornik zasila LED z AA/AAA do pełnego rozładowania.

Co jest ważne

• Eksperymentalnie określaj Bsat: dane katalogowe ferrytu są zawodne.
• Dobieraj Rb dla f 18–25 kHz, aby uniknąć szumu i strat.
• Stosunek N2/N1 = 1,5 zapewnia uruchomienie przy 0,4–0,6 V.
• Testuj na rzeczywistym stanowisku z oscyloskopem dla dokładności.
• Sprawność 70% osiąga się przy I_LED 5–20 mA i prawidłowym doborze tranzystora.

— Editorial Team