Un ladrón de julios es un amplificador de voltaje auto-oscilante minimalista que es pequeño, de bajo costo y fácil de construir, generalmente usado para manejar cargas pequeñas. Este circuito también se conoce con otros nombres como oscilador de bloqueo , timbre de joule , antorcha de vampiro . Puede utilizar casi toda la energía de una batería eléctrica de celda única , incluso muy por debajo del voltaje cuando otros circuitos consideran que la batería está completamente descargada (o "muerta"); de ahí el nombre, que sugiere la noción de que el circuito está robando energía o " julios " de la fuente; el término es un juego de palabras con "ladrón de joyas". [ cita requerida] El circuito es una variante del oscilador de bloqueo que forma un convertidor elevador de voltaje no regulado. El voltaje de salida aumenta a expensas de un mayor consumo de corriente en la entrada, pero la corriente integrada (promedio) de la salida se reduce y el brillo de una luminiscencia disminuye.
Historia
Estado de la técnica
El ladrón de julios no es un concepto nuevo. Básicamente, agrega un LED a la salida de un amplificador de voltaje auto-oscilante, que fue patentado hace muchas décadas.
- La patente estadounidense 1949383, [1] presentada en 1930, " Dispositivo electrónico ", describe un circuito oscilador basado en un tubo de vacío para convertir un voltaje bajo en un voltaje alto.
- La patente estadounidense 2211852, [2] presentada en 1937, " Aparato de oscilador de bloqueo ", describe un oscilador de bloqueo basado en un tubo de vacío.
- La patente estadounidense 2745012, [3] presentada en 1951, " Osciladores de bloqueo de transistores ", describe tres versiones de un oscilador de bloqueo basado en transistores .
- Patente de Estados Unidos 2780767, [4] presentada en 1955, " Disposición de circuito para convertir un voltaje bajo en un voltaje directo alto ".
- Patente estadounidense 2881380, [5] presentada en 1956, " Convertidor de voltaje ".
- La patente estadounidense 4734658, [6] presentada en 1987, " Circuito oscilador accionado por bajo voltaje ", describe un circuito oscilador accionado por voltaje muy bajo, capaz de funcionar desde tan solo 0,1 voltios (voltaje más bajo que el que funcionaría un ladrón de julios). Esto se logra mediante el uso de un JFET , que no requiere la polarización directa de una unión PN para su funcionamiento, porque se usa en el modo de agotamiento . En otras palabras, la fuente de drenaje ya conduce, incluso cuando no se aplica voltaje de polarización. Esta patente fue diseñada para su uso con fuentes de energía termoeléctricas .
Kaparnik
En el número de noviembre de 1999 de la revista Everyday Practical Electronics ( EPE ), la sección "Ingenuity Unlimited" (ideas del lector) tenía una idea de circuito novedosa titulada "One Volt LED - A Bright Light" de Z. Kaparnik de Swindon , Wilts, Reino Unido. Se mostraron tres circuitos de ejemplo para el funcionamiento de los LED desde voltajes de suministro por debajo de 1,5 voltios. Los circuitos básicos consistían en un convertidor de voltaje de transistor NPN con retroalimentación de transformador basado en el oscilador de bloqueo. Después de probar tres transistores (ZTX450 al 73% de eficiencia, ZTX650 al 79% y BC550 al 57%), se determinó que un transistor con V ce (sat) más bajo arroja mejores resultados de eficiencia. Además, una resistencia con menor resistencia produciría una alta corriente. [7]
Descripción de la operación
El circuito funciona cambiando rápidamente el transistor. Inicialmente, la corriente comienza a fluir a través del resistor, el devanado secundario y la unión base-emisor (ver diagrama), lo que hace que el transistor comience a conducir la corriente del colector a través del devanado primario. Dado que los dos devanados están conectados en direcciones opuestas, esto induce un voltaje en el devanado secundario que es positivo (debido a la polaridad del devanado, consulte la convención de puntos ) que enciende el transistor con una mayor polarización. Este proceso de auto-carrera / retroalimentación positiva enciende casi instantáneamente el transistor lo más fuerte posible (poniéndolo en la región de saturación), haciendo que la ruta colector-emisor parezca esencialmente un interruptor cerrado (ya que V CE será de solo 0.1 voltios , suponiendo que la corriente base sea lo suficientemente alta). Con el devanado primario efectivamente a través de la batería, la corriente aumenta a una tasa proporcional al voltaje de suministro dividido por la inductancia. La desconexión del transistor se realiza mediante diferentes mecanismos que dependen de la tensión de alimentación.
La ganancia de un transistor no es lineal con V CE . A tensiones de suministro bajas (normalmente 0,75 V y menos), el transistor requiere una corriente de base mayor para mantener la saturación a medida que aumenta la corriente del colector. Por lo tanto, cuando alcanza una corriente de colector crítica, la unidad base disponible se vuelve insuficiente y el transistor comienza a pellizcarse y se produce la acción de retroalimentación positiva descrita anteriormente que lo apaga por completo.
En resumen, una vez que la corriente en las bobinas deja de aumentar por cualquier motivo, el transistor entra en la región de corte (y abre el "interruptor" colector-emisor). El campo magnético colapsa, induciendo el voltaje que sea necesario para hacer que la carga conduzca, o para que la corriente del devanado secundario encuentre algún otro camino.
Cuando el campo vuelve a cero, toda la secuencia se repite; con la batería aumentando la corriente del devanado primario hasta que el transistor se encienda.
Si la carga en el circuito es muy pequeña, la tasa de aumento y el voltaje máximo en el colector están limitados solo por capacitancias parásitas y pueden aumentar a más de 100 veces el voltaje de suministro. Por esta razón, es imperativo que siempre haya una carga conectada para que el transistor no se dañe. Debido a que V CE se refleja en el secundario, la falla del transistor debido a una pequeña carga ocurrirá a través del límite de V BE inverso para el transistor que se excede (esto ocurre a un valor mucho más bajo que V CE máx.).
El transistor disipa muy poca energía, incluso a altas frecuencias de oscilación, porque pasa la mayor parte de su tiempo en el estado completamente encendido o completamente apagado, por lo que el exceso de voltaje o la corriente a través del transistor es cero, minimizando así las pérdidas de conmutación.
Limitador de voltaje simple
Una simple modificación del esquema anterior reemplaza el LED con tres componentes para crear un regulador de voltaje basado en un diodo Zener simple . El diodo D1 actúa como un rectificador de media onda para permitir que el condensador C se cargue solo cuando hay un voltaje más alto disponible del ladrón de joules en el lado izquierdo del diodo D1. El diodo Zener D2 limita la tensión de salida. Al no existir regulación, cualquier exceso de energía no consumida por la carga, se disipará como calor en el diodo zener con la consecuente baja eficiencia de conversión.
En el siguiente ejemplo esquemático se muestra una mejor solución.
Ladrón de julio regulado de circuito cerrado
Cuando se desea un voltaje de salida más constante, el ladrón de julios puede recibir un control de circuito cerrado. En el circuito de ejemplo, el diodo Schottky D1 bloquea la carga acumulada en el condensador C1 para que no fluya de regreso al transistor de conmutación Q1 cuando está encendido. Un diodo Zener D2 de 5.6 voltios y un transistor Q2 forman el control de retroalimentación: cuando el voltaje a través del capacitor C1 es más alto que el voltaje umbral formado por el voltaje Zener de D2 más el voltaje de activación base-emisor del transistor Q2, el transistor Q2 se enciende al desviar la corriente de base del transistor de conmutación Q1, impide la oscilación y evita que la tensión a través del condensador C1 aumente aún más. Cuando el voltaje a través de C1 cae por debajo del umbral, el voltaje Q2 se apaga, lo que permite que la oscilación vuelva a ocurrir. Este circuito muy simple tiene el inconveniente de un voltaje de salida dependiente de la temperatura debido a BJT2 (Vbe) y una ondulación relativamente alta, pero se puede filtrar con una red LC pi simple con bajas pérdidas. En el circuito de ejemplo, se incluye un regulador de baja caída que contribuye a regular aún más el voltaje de salida y reduce la ondulación, pero tiene la penalización de una baja eficiencia de conversión.
Ver también
- Oscilador Armstrong
- Oscilador de bloqueo
- Convertidor flyback
- Convertidor directo
- Fuente de alimentación de modo conmutado
Referencias
- ^ Estados Unidos 1949383 , Harold C Weber, "Dispositivo electrónico", publicado el 27 de febrero de 1934, asignado a Industrial Development Corp
- ^ US 2211852 , Geiger Max, "Aparato oscilador de bloqueo", publicado el 20 de agosto de 1940, asignado a Telefunken AG
- ^ US 2745012 , Jean H Felker, "Osciladores de bloqueo de transistores", publicado el 8 de mayo de 1956, asignado a Nokia Bell Labs
- ^ US 2780767 , Janssen Peter Johanne Hubertus, "Disposición del circuito para convertir un voltaje bajo en un voltaje directo alto", publicado el 05 de febrero de 1957, asignado a Hartford National Bank y Trust Co
- ^ US 2881380 , Kruger Bodo, "Convertidor de voltaje", emitido el 7 de abril de 1959, asignado a US Philips Corp
- ^ US 4734658 , John E. Bohan, Jr., "Circuito de oscilador accionado por bajo voltaje", publicado el 29 de marzo de 1988, asignado a Honeywell Inc
- ^ "Electrónica práctica cotidiana" (PDF) . Noviembre de 1999. p. 804.
enlaces externos
- Simulaciones e implementaciones
- Simulación de ladrón de Joule
- Comparación de simulación y eficiencia de diferentes versiones de Joule Thief - archivado 2017-10-30 (en polaco)
- Ladrón de Joule sobrealimentado con mayor eficiencia ( esquema más grande )
- Joule Thief - Versión modificada
- Video
- Clive Mitchell sobre cómo convertir a su Joule en ladrón
- Video make joule thief (en francés)