焦耳小偷電路是一個可以用低電壓驅動 LED 的電路。我們知道一般的 LED 導通電壓要 1.8 伏左右,直接用 1.5 伏的電池是點不亮的。
來點歷史
焦耳小偷電路的歷史可以追溯到 1930 年的專利號為 1949383 的美國專利。該專利提出了一種基于真空管的振蕩電路,用于將低電壓轉換為高電壓。
1999年 11月 出版的 《Everyday Practical Electronics》雜志上,一個名為 Z. Kaparnik 的英國人發表了一款用于用 1.5 伏的電池點亮 LED 的電路,該電路由基于阻塞振蕩器的變壓器 和 NPN 三級管組成。
2002 年,一位名叫克萊夫·米切爾(Clive Mitchell)的蘇格蘭人給這個電路取了個綽號:焦耳小偷。
開始制造
典型的焦耳小偷電路如下:
注意圖中 T1 上的兩個小圓點表示變壓器的同名端。在同一交變磁通的作用下任一時刻兩個(或兩個以上)繞組中都具有相同電勢極性的端頭彼此互為同名端。
三極管我使用的是 2N2222, 你也可以使用其他類型的 NPN 三極管,例如 S8050, 都可以。
本文中我們把流過三極管集電極的線圈(圖中3、4引腳)稱為 Lc, 把接到三極管基極的線圈稱為 Lb。
T1 我使用一個 現成的 2mH 的共模電感
你也可以自己用銅線繞制。
我將中間兩根線焊接到了一起,接到 VCC 上,這樣可以確保流過兩個線圈的電流的方向是相反的。
開始分析
電路很簡單,原理卻不簡單,下面我我們來具體分析下。
電路啟動時的波形圖如下:
CH1(黃色) 接三極管基極;CH2(青色)接三接管集電極;CH3 測量的是流過集電極的電流。
1. 三接管截至
可以看到,電路接通前,基極和集電極電壓,還有集電極電流都是 0 ,此時三極管截至。
2. 三極管打開
開關閉合后,少量電流通過電阻 R1 和基極線圈 Lb 到達三極管的基極,當三極管基極電壓達到 0.7 伏左右時,三極管導通。
3. 正反饋
三極管導通后,電流開始流過電感 Lc, 集電極和發射極之間開始有電流流過。
此時兩個線圈中的感應電動勢極性如下:
線圈產生的電動勢總是阻礙電流的流動,因此,在此階段,集電極線圈 Lc 產生一個 上正下負 的電動勢以阻礙電流流過電感。有小伙伴可能會問了,從圖中看,這兩個線圈的電流方向是相同的,都是從上往下流,感應電動勢應該也是相同的。但為什么實際卻是相反的呢?
這是因為,由于三極管的放大特性,流過基極線圈的電流要遠小于集電極電流,因此線圈 Lb 產生的原本 上正下負 的自感電動勢要遠小于 線圈 Lc 產生的 上負下正 的互感電動勢,因此,Lb 產生的自感電動勢被 Lc 產生的互感電動勢覆蓋住了。而由于同名端線圈電動勢極性相同,因此基極線圈 Lb 的電動勢是 上負下正。
基極出現的為正的感應電動勢漸漸地抬高了基極的電壓。也就是波形圖中這一段看到的基極電壓漸漸上升的過程。
此階段三極管處于放大區。作為一個放大器件,當三極管基極的電壓或電流增大時,集電極 Lc 中的電流也會增大,并且增量更大,增大的電流又會產生更大的電動勢進一步拉高基極的電壓,如此循環往復,形成正反饋,就是上面波形圖中看到的基極電壓和集電極電流不斷增大的效果。
4. 嘎然而止
在上面的波形圖中,我們看到基極電壓不斷升高后,突然變為負了,約為 -1 伏左右,為什么會這樣呢?
下面解釋一下基極電壓為什么會突然變負。隨著集電極(Collector)電流的不斷升高,電感或者三級管有一個會飽和(Saturated),無論是哪一個先飽和,都會導致流過三極管集電極(Collector)的電流不再增長。只有 變化的電流 才會產生變化的磁場,只有變化的磁場才能在 Lb 上產生互感電動勢或互感電流。
因此,在這個時刻(飽和或電流不再增加的那一剎那),基極線圈中Lb 中的互感電動勢突然消失了,這會導致基極電流迅速減小,緊接著,基極電流的減小會引起集電極的電流減小,集電極電流一旦減小,集電極線圈 Lc 作為一個電感,會抵抗電流的減小,它怎么抵抗?它會產生一個 上負下正 的自感電動勢。這個 上負下正 的自感電動勢會在基極線圈 Lb 上產生 上正下負的互感電動勢(注意,電流方向的反轉也是一種電流的變化),這會導致三極管基極出現負電壓,一旦出現負電壓,三極管會迅速的關閉。
總結一下:三極管或電感飽和 -> 集電極電流不再增長 -> 基極互感電動勢消失 -> 基極電流減小 -> 集電極電流減小 -> 集電極電感抵抗電流減小 -> 集電極電感產生上負下正的自感電動勢 -> 基極電感產生上正下負的互感電動勢->基極電壓為負-> 三極管關閉。
許多朋友沒有理解這個電路,主要是卡在了這里,因為這一連串的動作是在一瞬間完成的,不是很好理解。
5. 電感升壓
三極管截止后,線圈 Lc 作為一個電感,會抵抗電流的突然減小,在極短的時間內,還是會有電流從上往下流過電感的,而電子的流動方向剛好與傳統電流的方向相反,隨著3腳處電子流出,此處的電壓迅速升高,可以在 CH2 的波形中看到,三極管集電極有一個巨大的正向尖峰,電壓一瞬間升高到了 3.01 伏。電壓超過了 2 伏,LED 等開始點點亮。
6. 重新開始
緊接上面,三極管截止后產生的脈沖尖峰(3.01),隨著 LED 的放電,電壓不斷下降,這個過程中存儲在右邊線圈 Lc 中的電磁場慢慢坍縮,它施加在線圈2腳上的反向電動勢也慢慢減小,表現就是三極基極的電壓緩慢上升。當基極電壓升高到 0伏時,狀態又和前面步驟 1 的狀態一致了,于是,一切重新開始,周而復始。
上面波形截圖中,CH1 的頻率為 37.37 kHz, 也就是說,上面 1~5 這5個步驟,每秒可以重復三萬多次。
全家福
將整個過程放到一張圖里:
結尾
以上就是筆者對焦耳小偷電路的一些理解,希望對讀者能有所幫助。
上面這個焦耳小偷電路屬于一種自激振蕩(self-oscillating)電路。我們這里每秒振蕩可達三萬多次。這個電路也被稱為阻塞振蕩(Blocking oscillator)電路。
自激振蕩電路是自激型反激開關電源電路的基礎,我們有機會再講自激型開關電源電路。
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