经典电路——焦耳小偷(Joule Thief),一个神奇的振荡升压电路

经典电路——焦耳小偷(Joule Thief),一个神奇的振荡升压电路

一、电路概述

焦耳小偷(Joule Thief)可以榨干一颗电池的能量,即使是平常所谓“用光了”的旧电池,通过它也能继续发挥“余热”。所以将其形象地比喻为电能量“焦耳”的小偷。

其神奇之处在于:一颗5号旧电池,在“用光了”之后,仍有大约1V电压,而LED需要2~3V驱动电压,焦耳小偷可以实现升压,让旧电池为LED继续供电!

网上搜一下焦耳小偷,可以看到大家的作品:

图1-焦耳小偷(Joule Thief)-旧电池点亮LED

二、原理解析

焦耳小偷,实质是一种(自)振荡电路,它把电池的低电压,转换为一个个较高电压的脉冲,且频率很高(数KHz)。脉冲可以点亮LED,眼睛的“余晖效应”又会让人感觉到LED持续在点亮。

2002年,Clive Mitchell给出了一个由现代化电子元器件构建的振荡升压电路,它包含了一个变压器、一个三极管、一个电阻、一个LED和一个电池,并将这种电路正式取名为“焦耳小偷”:

图2-焦耳小偷电路图

其中,电池选用AA电池(5号电池)1.5 V,电阻阻值为~1 kΩ,三极管可以是2N3904、BC547B、 2N2222等常规型号,LED驱动电压在2.3~3.2V甚至更高都可以。

如果查看LED上的电压波形,会看到一个个脉冲,其电压被钳位到LED驱动电压,占空比大约30%,频率大约40KHz:

图3-焦耳小偷振荡脉冲

虽然电路看上去简单,但是它的工作过程却不简单,解释起来还真不容易。但万变不离其宗,其中最关键的元器件是变压器上的“电感”。

在此,我先给出纯粹依靠“电感”进行升压点灯(闪烁)的电路,相信大家很容易看明白:

图4-电感升压点灯

其中:

  • 开关闭合,电感储存能量,灯不亮;
  • 开关打开,电感释放能量,灯闪烁;(完整过程描述为:电路电流中断,电感上电流不能突变,为维持电流,升高电压打通灯的回路,但因为能量很小,所以只有一瞬间被点亮)

我们可以做个实验如下:

图5-电感升压点灯实验

图中,左侧就是自制电感,右下角不停按的就是开关。试着想象一下,如果一个人可以非常高的速度拼命按开关,那么LED在人类的眼里就是常亮的。这个核心思想,在理解下列焦耳小偷工作过程的时候请记得。


三、工作过程

A. 元器件连接图

为了直观,将图2中的原理图,改画为元器件连接图:

图6-焦耳小偷的电子元器件连接图

其中:

  • 电池可以是普通的5号电池;
  • 电阻为1KΩ限流电阻,为三极管BE通路上提供电流;
  • 变压器是在磁环芯上由两根线绕制而成,注意红线的上端连接电源正极,绿线的下端连接电源正极(忽略电阻),这就符合了图2中变压器的同名端画法;
  • LED并联在三极管CE通路上;

B. 三极管的知识点

如果你对三极管不熟悉,可以将其理解为BE通路上是较小的电流,CE通路上是较大的电流。

在截止状态下,BE通路没有电流或有非常微小电流通过,CE通路上则没有电流通过。

在正常状态下,三极管具有电流放大能力,放大倍数为β。即,CE通路电流与BE通路电流呈β倍数关系。可以说,BE通路电流控制了CE通路电流,BE通路电流小,CE通路电流也小;BE通路电流大,CE通路电流也大;且两者有β的倍数关系。

在饱和状态下,BE通路和CE通路上电流的倍数关系不再成立。此时就算BE通路电流再大,CE通路电流达不到β倍,而只能维持在一个恒定值。这个恒定值是由电源输出能力或者CE通路上电阻决定的。意味着CE通路电流是有极限的,不会无限变大。当然BE通路也是有极限的,它的通路上有一个1KΩ的限流电阻。

C. 工作过程

  • 1. 初始上电时,三极管处于截止状态。
  • 2. 一小部分电流经过电阻和绿色线圈,进入三极管BE通路。这导致三极管CE通路略微打开,因此也有部分电流经红色线圈,再进入三极管CE通路。
  • 3. 此时三极管处于放大状态,流经CE通路和红色线圈的电流要大于流经BE通路和绿色线圈的电流。电流越大,线圈中产生磁通量的也越大。所以在变压器磁环芯上,是以红色线圈电流产生的磁通量为主。
  • 4. 由于红色线圈和绿色线圈共享磁通量,红色线圈电流一直在变大,磁通量也在变大,对于磁通量的变化,绿色线圈会产生感应电动势。这个感应电动势的方向与红色线圈作为负载的电压相反(可以从楞次定律、变压器同名端等角度分析),所以感应电动势叠加电源电压本身,使得三极管BE通路压降变大(见下图),BE通路电流也变大,这使得三极管CE通路电流也进一步变大。
图7-正反馈让三极管迅速饱和
  • 5. 上述3和4是一个正反馈,但CE通路电流不会无限制变大,最终三极管进入饱和状态,CE通路上电流不再变化。
  • 6. CE通路上电流不变,磁通量就不变,于是绿色线圈的感应电动势消失,BE通路上压降变小,BE通路电流也相应变小。
  • 7. 三极管BE通路上电流变小,意味着CE通路上电流也要进一步变小。
  • 8. 三极管CE通路电流变小,红色线圈的磁通量也变小。绿色线圈产生的感应电动势阻碍其变化,这次感应电动势与电源电压方向相反,使得三极管BE通路压降降低,继而降低BE通路上电流(见下图)。
图8-正反馈让三极管迅速截止
  • 9. 上述7和8也是一个正反馈,它使得三极管进入截止状态。
  • 10. 三极管截止,红色线圈作为一个电感,它的电流通路被打断,电流无处释放,它升高两端电压,打通LED通路,点亮LED(原理和图4类似)。
  • 11. 能量释放完后,绿色线圈的感应电动势消失,BE通路可以被电源正偏置。新的一轮过程又周而复始的开始。

所以LED能够被周期性点亮,是由于正反馈的原因,三极管不停地被快速导通(饱和)和快速截止,在这种高频率的振荡下,LED在肉眼看上去就是常亮的。


四、实验效果

图9-焦耳小偷实验效果

总结:

这个电路利用变压器和三极管的组合,使三极管总是处于截止-饱和状态之间不停振荡,每次振荡都有正反馈介入,所以振荡频率非常高,高频的电流变化引发高频的磁场变化,进而能够感应出高于电源的电压来点亮LED。

(全文完)


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发布于 08-01

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