也玩“能量小偷”

“能量小偷”或者 Joule thief 是一种简易电荷泵电路的昵称,它能把一节旧电池的电压升至 3V 左右并点亮几个 LED 。

外观:

这个玩意由变压器、电阻、三极管组成,其中变压器是用废节能灯里面的磁芯加上双色导线绕制而成的,三极管用的是 NPN 型 BJT ,型号为 S9014 ,电阻阻值为 1kΩ 。

使用时,变压器的公共端接电池正极,三极管射极以及发光二极管阴极公共端接电池负极。

用一只电压不足 1V 的旧电池驱动时的效果。两只 LED 颜色不一样,所以看起来亮度不同,但是它们都是在 3.3V 电压下才会正常发光。根据电路参数(主要是三极管型号、变压器磁芯和绕制)不同效率也会不一样,图中我自制的版本实测效率接近 80% 。

后来,受到龙黎老师的作品的启发,我做了个比较实用的版本,用的仍然是手头上多得成灾的 S9014 。我用的是 7 号( AAA )电池盒,但是有一点要请跃跃欲试的读者们注意,你们最好用 5 号( AA )电池盒,因为 7 号电池盒有点矮了,不容易塞下常见的环形磁芯,同时头部的导线孔没法放下 LED ,它被开关挡住了。

手贱的最终结果是我需要拿手钻在电池盒盖子上开个口子。

背面,开关占满了整个盒子的头部。

通电试机。

这种电路在某些使用干电池或者铅酸电池的手电筒中也有用到。


制作工具和材料:

  • 电烙铁;
  • 焊锡;
  • 剪刀或者剥线钳;
  • 两种不同颜色或者能够区分的导线;
  • 磁芯(推荐环形磁芯,棒状和工字磁芯漏磁太大。因频率较高所以必须是铁氧体磁芯);
  • NPN BJT 三极管,S9014 、S9013 或者 S8050 皆可;
  • 电阻,阻值 100Ω 到 10kΩ ;
  • 做负载用的发光二极管 1 至 3 只。

制作步骤:

  1. 如图,将两种颜色的导线截取同长的一段,并排绕制在磁芯上。对于环形磁芯,5 匝以上基本就能工作了。
  2. 如图,将不同颜色且不同侧的两个线头连接起来。这样的组合有两组,任选一组即可。然后上焊锡焊牢,作为连接电池正极的公共端。
  3. 变压器剩下的两端,一端直接连接三极管集电极并焊好,另一端通过一只电阻连接三极管的基极并焊好。
  4. 将负载 LED 并联在三极管的集电极和发射极之间,注意极性(阴极连接发射极),并焊好。
  5. 最后从三极管发射极焊一根导线出来,用于连接电池负极。

原理:

电路原理图如上图所示。

首先,接通电源时电池的电压通过绕组 1-2 和电阻,加在三极管基极上,形成基极电流(要求电池电压大于一定的值,跟三极管的型号有关,一般为 0.5V 左右),三极管开始导通。绕组 3-4 中的电流随着三极管的导通而形成,使得绕组 1-2 中形成正向的自感电动势,进而使得三极管基区电流增加,最终使得自身加大。当磁芯饱和后,绕组 1-2 中的自感电动势消失,三极管基区电流减小,使得绕组 3-4 中的电流跟着减小,进而使得绕组 1-2 中产生一个反向的自感电动势,使得三极管基区电流迅速减小,三极管迅速关断。三极管的快速关断使得绕组 3-4 中产生一个较大的正向自感电动势,这个电动势和电源电压加起来已经足以点亮 LED ,因此 LED 导通发光。随后,绕组 1-2 中的自感电动势消失,整个“能量小偷”进入下一轮的工作,如此往复震荡。


参考:

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