Acasă / Atelier / Diverse / Joule Thief: Cum alimentăm un LED la 1,5V

Joule Thief: Cum alimentăm un LED la 1,5V

Un LED are o caracteristică similară cu a unei diode. La fel cum dioda are o tensiune de deschidere de 0,6V, aşa şi un LED are o tensiune de deschidere, care variază în funcţie de culoarea redată. Cea mai înaltă tensiune de deschidere o au LED-urile albe, aceasta fiind în jur de 2,5V. Uneori avem nevoie să aprindem LED-uri albe chiar la tensiune mai mică, ca de exemplu, de la o singură celulă NiMH de 1,2V. Pentru a obţine o iluminare suficientă chiar şi la tensiune aşa mică, putem face următorul montaj foarte simplu:

Montajul nu este deloc pretenţios. Ca bobină se poate folosi un miez de ferită de orice formă. Se pot folosi în egală măsură toruri de ferită din surse defecte de PC, filtre EMI, oale de ferită, etc. Se bobinează 5-10 spire, iar alături, sau peste, în funcţie de cum permite locul pe miezul de ferită, se mai bobinează încă 5 sau 10 spire. Dacă montajul nu funcţionează din prima, se inversează legăturile la una (şi doar una) dintre bobine, oricare.
Montajul este arhicunoscut sub denumirea de Joule Thief, în traducere, hoţ de jouli. Joule este unitatea de măsură a energiei. Practic „fură” energie din baterie, o stochează provizoriu în bobină, şi o varsă în LED. Astfel se obţine o tensiune pe LED mai mare decît tensiunea bateriei.

Un exemplu de bobină care se poate construi este prezentat în imaginea de mai jos:

Prin acest articol vreau să prezint funcţionarea montajului. Deşi simplu, montajul funcţionează pe principiul reacţiei pozitive, care adesea, poate fi dificil de înţeles. Voi încerca să explic cît mai simplu, fără a face referire la chestii exotice precum condiţiile de oscilaţie Barkhaussen, funcţii de comutaţie sau calcule energetice. Aşa că sper ca toţi amatorii începători să nu se mulţumească cu un montaj funcţional, ci să încerce să înţeleagă funcţionarea.
Reacţia pozitivă constă în preluarea unei părţi din semnaul de la ieşire, şi aplicarea acestuia la intrare, astfel încît să fie din nou amplificat şi să se suprapună peste semnalul de la ieşire.
Pentru a înţelege funcţionarea, trebuie să ştim psihologia transformatorului din montaj. Dacă aplicăm un semnal dreptunghiular pe o parte, observăm că pe cealaltă parte transformatorul nu poate să păstreze palierul. Ceea ce este firesc, dacă ne gîndim că transformatorul nu funcţionează în curent continuu, ci transferă energie doar pe fronturi. Aşa că în secundar, între cele două fronturi, tensiunea va tinde să coboare la 0V. Timpul de coborîre a tensiunii este dat de inductanţa secundarului şi de rezistenţa din paralel cu acesta. Astfel, formele de undă arată ca în figura de mai jos:

De asemenea trebuie avută în vedere comportarea unei bobine, similară cu a unui condensator, doar că pe dos. Adică:

  • Condensatorul se încarcă la curent constant, dînd o rampă de tensiune. Bobina se încarcă la tensiune constantă, dînd o rampă de curent.
  • Condensatorul dă curent infinit în rezistenţă zero, bobina dă tensiune infinită la rezistenţă infinită. Este principiul după care merge aprinderea la Dacie, tensiunea pe bobina de inducţie creşte fără sarcină, pînă declanşează scînteia.
  • Condensatorul în gol tinde să-şi păstreze tensiunea la borne. Bobina în scurt tinde să-şi păstreze curentul prin spire.

Bun, acum ce se-ntîmplă în timpul funcţionării?

La pornire, înfăşurarea din stînga a transformatorului se comportă ca şi cum n-ar fi acolo. Rezistorul bagă la pornire un curent în bază. Curentul este amplificat şi se regăseşte în colector. Astfel, tranzistorul trăgînd curent pe colector, tensiunea la colector începe să scadă. Dacă facem legea 2 a lui kirchoff pe bobina din dreapta a transformatorului, pînă la emitorul tranzistorului, observăm că odată cu scăderea tensiunii pe colector, tensiunea pe transformator creşte. Astfel se induce o tensiune în înfăşurarea din stînga a transformatorului. Aceasta fiind înfăşurată invers faţă de bobina din dreapta, va introduce un curent suplimentar în bază. Curentul este amplificat în colector, şi aşa mai departe. Practic procesul se produce aproape instantaneu, şi se finalizează cu intrarea în saturaţie a tranzistorului. Acest moment este marcat pe forma de undă cu o dungă galbenă, între o zonă „2” şi zona următoare „1”. În urma acestei comutări tensiunea pe tranzistor devine aproape egală cu zero (în realitate 0,2V), iar tensiunea în ambele bobine sare la 1,5-0,2=1,3V.
Urmează o perioadă notată pe grafic ca zonă „1”. Aici, bobina se încarcă la tensiune constantă din colectorul tranzistorului. Curentul creşte în înfăşurarea din dreapta, în timp ce tensiunea se păstrează relativ constantă. În partea stîngă, apare o formă de undă similară cu ce-am descris mai sus cînd am menţionat funcţionarea transformatorului. Astfel, tensiunea Ub+Ur (tensiunea bazei plus căderea de tensiune pre rezistenţă) începe să scadă, în timp, pînă atinge valoarea de 0,6V. Atingînd această valoare, curentul care se scurgea prin bază scade suficient de mult cît să scoată tranzistorul din saturaţie şi să-l bage în regim de amplificator. Sîntem acum aproape de începutul unei zone „2”
Curentul de colector scade, ceea ce determină creşterea tensiunii pe colector, respectiv scăderea tensiunii pe bobina din dreapta. Această scădere se transmite în bobina din dreapta, astfel că scade mai mult tensiunea în bază, ceea ce deremină în continuare scăderea curentului de colector, şi aşa mai departe. Încă o dată, reacţia pozitivă apare şi determină comutarea. La sfîrşitul comutării, tranzistorul este complet blocat, nu circulă curent pe colector. Pe parcursul ciclului „1”, bobina a înmagazinat o energie. Ea are tendinţa să păstreze curentul (după cum se vede, curentul nu are puncte de discontinuitate), deci tensiunea pe bobină devine negativă. Aceasta devine din consumator de putere, generator. Tensiunea la bornele ei creşte pînă cînd deschide joncţiunea LED-ului, indiferent de valoarea tensiunii de deschidere. Curentul prin LED scade, pe măsură ce tensiunea pe bobina din stînga începe să scadă. Acest ciclu durează pînă cînd tensiunea în bază urcă pînă la valoarea de deschidere a joncţiunii BE, de 0,6V. Aici, sîntem din nou în buza unei comutări „2” – „1”, iar procesul se reia.

În concluzie, energia se preia din baterie prin intermediul tranzistorului şi se stochează în bobina din dreapta a transformatorului pe parcursul ciclului „1”, şi se eliberează în LED, pe parcursul ciclului „2”. De aici vine şi denumirea de Joule Thief.
Mai jos, am pozat formele de undă pe osciloscop, sus fiind tensiunea pe colector, şi jos, curentul tras de la baterie. Observăm că seamănă destul de mult cu simularea.


Mulţumesc pentru interesul acordat…reacţiei pozitive! Fenomenele care au loc sînt interesante, dacă ne gîndim că totul se petrece într-un montaj cu 4 componente. Dacă există nelămuriri, vă rog să le menţionaţi în secţiunea de commenturi de mai jos.

Despre Cristian Grecu

Mă numesc Cristi, şi uneori sînt student la facultatea de electronică din Bucureşti. Consider electronica un domeniu infinit, cu cît învăţ mai mult, cu atît văd că marginile sale sînt tot mai departe.

14 Comentarii

  1. Felicitari !!. Mi-a placut !! Am vazut un montaj din asta ( adica un led functionind la o tensiune mica) dar nu stiam exact functionarea

  2. adrian petrescu

    inlocuind bateria cu un condensator si modificand putin bobina … in plus trecand prin centrul bobinei un 220volti de la priza catre un consumator, am putea aprinde ledul fara baterie?

    • Cristian Grecu

      Înţeleg unde baţi, şi da, se poate. Dacă iei un tor ca ăla din figură, bobinezi 20-40 de spire de sîrmă subţire, şi doar treci un fir de la priză la un consumator de 220V, la bornele bobinei vei avea tensiune suficientă să aprinzi un LED. Ar fi bine ca în antiparalel cu LED-ul (antiparalel adică anod la catod)să mai pui fie alt LED, fie o diodă.

  3. ???deci pana la urma ce trebe facut?? nu ca nu ar fii bun topicul..dar nu inteleg nimic…si am cunostinte medii de electronica..:)

  4. Ce trebe făcut pentru….ce? Schema e aia de la începutul topicului. Restul sînt explicaţii.

  5. Dar daca vreau sa obtin o tensiune mai mare, de exemplu 12v,ca mai apoi sa o stabilizez la 9v avand tens constanta, chiar daca bateria de 1.5-3v se consuma, ce trebuie modifact si adaugat? Tensiunea de iesire 9v asigurand curentul pt un consumator de 20mA.

    • Păăi, scoţi LED-ul, pui în locul lui o diodă Zener de 9V1, paralel cu 1uF, micşorezi R1 pînă obţii 20mA prin Zener.

  6. Salut! Pentru cei ce nu au ce face m-am gandit sa va spun cu am facut un bec cu 50 LED_uri .Am legat toate LED-urile in serie , si le am conectat la un incarcator de 12 V de Walkie Talkie, si gata becu’ . Asta pt cine nu a inteles principiile de mai sus! PS: Foarte bun topicul !

  7. Pentru un Joule Thief cu un LED albastru si tranzistor BC547C valoarea optima a lui R1 e 22 Kohmi, nu 1 Kohm, cu 1 K curentul consumat de la bateria…oricum consumata e de 35-40mA, pe cand, cu 22Kohmi numai de 4-5mA, iar luminozitatea LED-ului scade nesemnificativ.

  8. Salutare la toata lumea . Daca pun 2 spire sa mai multe . de la 220 ce merge la un consumator . si bobinez mai multe spire de 0,1-03 mm diametru pe torul (luat de la o sursa defecta de calculator ) pot afla cati amperi trec prin „atelaj ” ?Evident masurand cu un AVO- metru , pe o treapta de altrrnativ curent . Va multumesc anticipat tuturor cslor care imi veti trimite sfaturi mai bune sau orice sfat .

    • În principiu ceea ce vrei tu să faci se numeşte „transformator de curent” şi îl poţi folosi ca traductor de curent, adică faci conversia tensiunii citite la ieşie(spirele de 0,1-0,3mm) din curentul de la
      intrare. Dacă foloseşti un amplificator poţi să pui torul direct(fără nici o spiră) pe firul de 220V. Inducţia magnetică apare oricum dar e de amplitudine mică. Restul e doar etalonarea ca ampermetru.

  9. SALUTARE La toata lumea . Foarte interesant Joule thief , dar as vrea sa alimentez un bec de 3w / 12 volti,alternativ curent si pentru ca nu am prea multa sarma de bobinat as vrea sa functioneze acest joule thief la 40 Kz . Surse defecte am piese recuperate etc . Iuliu19

  10. Salutare la toata lumea Sarma de bobinat am ,Toruri am ,dar nu stiu ce diametru de sarma de bobinaj sa folosesc . As vrea sa am la dispozitie 3 watti la 12 volti .Acumulatori de 1,2 volti am (vreo 6 bucati ) Sarma am de la diverse transformatoare de retea . Transformatoare de retea stiu sa constuiesc .Dar pentru acest joule thief nu stiu sa calculez diametrul sarmelor din colector si baza tranzistorului. Iuliu19

  11. Pentru un curent atât de mic, cât are nevoie un led (2…10) este suficient, mai simplu şi cu randament fara bataie de cap, o pompă de tensiune doar din diodă şi condensator.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *

*