Joule thief
8. Července 2013
Joule thief je malý, ale šikovný obvod, primárně určený k rozsvícení LED diody. Obsahuje pouze 4 součástky, ale je velmi efektivní. Bílou LED diodu, která běžně ke svícení potřebuje 3,4V a 20mA, je schopen rozsvítit na 1,5V a 1mA. Jas LED a spotřeba obvodu silně závisí na použitých součástkách a hlavně na transformátoru, který je většinou nutné ručně navinout.
Vyladěný joule thief s nejlepšími součástkami je schopen pracovat už s velmi nízkým napětím pod 1V. Na YouTube najdete nadšence, kteří byli schopni rozsvítit LED diodu s pomocí joule thiefu s napětím 0,125V i méně.
Já jsem se o tento obvod začal zajímat čistě z legrace, jelikož jsem chtěl vyrobit malé svítítko, které vydrží velmi dlouhou dobu na 1 tužkovou baterii. To jsem následně opatřil vodotěsným obalem a kouskem neodymového magnetu a umístil na veřejně viditelné místo, kde doufejme dlouho svítilo. :-) Podle zkušebního provozu dokáže LED s nastavenou spotřebou 1mA obstojně svítit přibližně 45 dní na jednu levnou, klasickou tužkovou baterií, viz fotka.
Jak to funguje
Po připojení k napájení projde proud a napětí z kladného pólu baterie přes 1. vinutí transformátoru a rezistor do tranzistoru. Projde bází a emitorem až do záporného pólu baterie. Tranzistor se pootevře a dovolí průchod proudu přes kolektor a emitor. Nyní proud prochází i druhým vinutím, ale napětí není dostatečné na rozsvícení LED diody. Cívky transformátoru jsou proti sobě navinuty opačně, to znamená, že proud jimi prochází opačnými směry. Otevření tranzistoru způsobí, že 2. vinutím může procházet větší proud než 1. Tudíž 2. vinutí vytváří kolem sebe a v jádře transformátoru silné magnetické pole. V 1. vinutí se díky tomu odehrává magnetická indukce která zvětšuje napětí a proud na bázi tranzistoru, což pomáhá otevírat tranzistor rychleji. Otevřenější tranzistor propouští více proudu 2. vinutím, čímž zvětšuje indukci v 1. vinutí a posiluje otevírací efekt ještě více. Po úplném otevření tranzistoru se přestane měnit proud procházející 2. vinutím, nebo dojde k nasycení jádra transformátoru, což zamezí další indukci, protože magnetické pole nemůže dále růst. Ztráta indukovaného napětí začne uzavírat tranzistor. Hroutící se magnetické pole kolem jádra transformátoru indukuje v obou cívkách znovu napětí, ale nyní s opačným směrem. Tento jev pomáhá uzavírat tranzistor rychleji. Po rychlém uzavření tranzistoru nemůže indukované napětí z 2. vinutí procházet tranzistorem, ale má správnou polaritu pro LED diodu, tudíž jí projde. Rychlé zhroucení magnetického pole naindukuje do 2. vinutí dostatečně velké napětí, které už dokáže rozsvítit LED diodu, byť původní napájecí napětí na to nestačí. Po zhroucení pole, přestane procházet proud a celý proces se opakuje od začátku.
Stavba
Nejsložitější částí joule thiefu je transformátor. Tradičně se na výrobu joule thiefů používají kulatá feritová jadérka (viz fotka) s cca 20 a 20 závity spojenými na jednom konci. Nicméně lze stejně dobře použít i malé transformátorky ze spínaných zdrojů. U některých není ani potřeba převinovat cívku. Pouze se vinutí na jedné straně spojí, viz schéma. Ale převinutím jednoho vinutí na více závitů, můžeme získat větší výstupní napětí. Dále se součástky zapojí podle schématu. Potenciometrem poté můžeme nastavit vhodný jas. Pokud zároveň budete sledovat odběr proudu, můžete joule thief vyladit tak, aby měl minimální odběr s použitelným jasem. Hodnotu potenciometru poté můžete změřit a poskládat z běžných rezistorů. Je dobré použít velký potenciometr 100 a víc kilo ohmů. Tranzistor je možné použít víceméně libovolný NPN. Nicméně čím nižší bude jeho C-E a B-E saturační napětí, tím lépe. Tím nižší napětí bude stačit k fungování obvodu. Takový tranzistor je například 2SC2314. K prvnímu nastartování je zapotřebí vyšší napětí, než jaké je poté potřeba k udržení činnosti. Někdy je možné joule thief nastartovat pomocí plné baterie připojené na okamžik paralelně k mnohem slabšímu zdroji napájení a po odpojení obvod poběží dále.