Un ladrón de julios es un amplificador de voltaje minimalista auto-oscilante que es pequeño, de bajo costo y fácil de construir, generalmente utilizado para manejar cargas pequeñas. Este circuito también es conocido por otros nombres como oscilador de bloqueo , joule ringer , vampire torch .
Puede usar casi toda la energía en una batería eléctrica de celda única , incluso muy por debajo del voltaje donde 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 la antigua expresión "ladrón de joyas".
El circuito es una variante del oscilador de bloqueo que forma un convertidor de refuerzo 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 [ editar ]
Técnica anterior [ editar ]
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 de los Estados Unidos 1949383, [1] presentada en 1930, " Dispositivo electrónico ", describe un circuito oscilador basado en un tubo de vacío para convertir un bajo voltaje en un alto voltaje.
- La patente de los Estados Unidos 2211852, [2] presentada en 1937, " Aparato oscilador de bloqueo ", describe un oscilador de bloqueo basado en tubo de vacío.
- La patente de los Estados Unidos 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 bajo voltaje en un alto voltaje directo ".
- Patente de Estados Unidos 2881380, [5] presentada en 1956, " Convertidor de voltaje ".
- La patente de los Estados Unidos 4734658, [6] presentada en 1987, " Circuito oscilador controlado por bajo voltaje ", describe un circuito oscilador controlado por muy bajo voltaje, capaz de operar desde tan solo 0.1 voltios (voltaje más bajo que el que funcionará 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, ya que se utiliza 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 termoeléctrica .
Kaparnik [ editar ]
En la edición de noviembre de 1999 de la revista Everyday Practical Electronics ( EPE ), la sección "Ingenio ilimitado" (ideas para el lector) tenía una nueva idea de circuito titulada "One Volt LED - A Bright Light" de Z. Kaparnik de Swindon , Wilts, Reino Unido. Se mostraron tres ejemplos de circuitos para operar LED desde voltajes de suministro por debajo de 1.5 voltios. Los circuitos básicos consistían en un convertidor de voltaje de transistor NPN ZTX450 (o ZTX650) con realimentación de transformador basado en el oscilador de bloqueo. [7]
Mitchell [ editar ]
En 2002, [8] el nombre " Joule Thief " fue acuñado por Clive Mitchell [9] y dado a su variante del circuito de Kaparnik (de la revista EPE de 1999) que consistía en una sola célula, un solo transistor BC549 NPN , una bobina con dos devanados, una resistencia simple (típicamente 1000 ohmios) y un solo LED blanco . Clive originalmente nombró al circuito " Antorcha de vampiro ", porque absorbió los últimos restos de vida de una batería. [8]
El circuito más nuevo de Mitchell es esencialmente el mismo que el circuito más antiguo de Kaparnik, excepto por los valores de los componentes:
- El esquema de Kaparnik mostró un valor de resistencia de 10K, aunque afirmó que una resistencia menor, como 2K, produciría corrientes más altas. El esquema de Mitchell mostró solo una resistencia de 1K. [8]
- Kaparnik declaró que un transistor NPN con V ce (sat) más bajo produjo mejores resultados. Probó tres transistores: ZTX450 con un 73% de eficiencia, ZTX650 con un 79% y BC550 con un 57%. Mitchell mostró solo el BC549 en su esquema. [8]
Descripción de la operación [ editar ]
El circuito funciona cambiando rápidamente el transistor. Inicialmente, la corriente comienza a fluir a través de la resistencia, el devanado secundario y la unión del emisor base (vea el 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, vea la convención de puntos ) que activa el transistor con mayor polarización. Este proceso de autoalimentación / retroalimentación positiva casi instantáneamente enciende el transistor lo más fuerte posible (colocándolo en la región de saturación), haciendo que la ruta del colector-emisor parezca esencialmente un interruptor cerrado (ya que V CEserá solo de aproximadamente 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 velocidad proporcional a la tensión de alimentación dividida 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 bajos voltajes de suministro (típicamente 0.75 V y menos) el transistor requiere una corriente de base más grande 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 la acción de retroalimentación positiva descrita anteriormente se produce al apagarlo.
Para resumir, 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 la cantidad de voltaje necesaria para que la carga conduzca, o para que la corriente del devanado secundario encuentre otra ruta.
Cuando el campo vuelve a cero, se repite toda la secuencia; con la batería aumentando la corriente del devanado primario hasta que se encienda el transistor.
Si la carga en el circuito es muy pequeña, la tasa de aumento y el voltaje final en el colector están limitados solo por las capacitancias parásitas , y pueden aumentar a más de 100 veces el voltaje de suministro. Por esta razón, es imperativo que una carga esté siempre conectada para que el transistor no se dañe. Debido a que V CE se refleja en el secundario, se producirá una falla del transistor debido a una carga pequeña a través del límite inverso de V BE para que se supere el transistor (esto ocurre a un valor mucho más bajo que V CE max).
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 voltaje sobre o la corriente a través del transistor es cero, minimizando así las pérdidas de conmutación.
La frecuencia de conmutación en el circuito de ejemplo opuesto es de aproximadamente 50 kHz . El diodo emisor de luz parpadeará a este ritmo, pero la persistencia del ojo humano significa que no se notará el parpadeo. [8]
Regulación de voltaje simple [ editar ]
Una simple modificación del esquema anterior reemplaza el LED con tres componentes para crear un simple regulador de voltaje basado en diodos zener . 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 desde el ladrón de julios en el lado izquierdo del diodo D1. El diodo Zener D2 limita el voltaje de salida.
Una mejor solución se muestra en el siguiente ejemplo esquemático.
Ladrón de joule regulado de circuito cerrado [ editar ]
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 vuelva al transistor de conmutación Q1 cuando se enciende. Un diodo Zener de 5.6 voltiosD2 y el transistor Q2 forman el control de retroalimentación: cuando el voltaje a través del condensador C1 es mayor que el voltaje umbral formado por el voltaje Zener de D2 más el voltaje de encendido del emisor base del transistor Q2, el transistor Q2 se enciende desviando la corriente base del transistor de conmutación Q1, impidiendo la oscilación y evita que el voltaje 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, permitiendo que la oscilación vuelva a ocurrir. Si la carga requiere una ondulación aún más baja, en este ejemplo, algunos circuitos digitales delicados como un microcontrolador, se puede usar un regulador lineal para suavizar la ondulación.
Little Box Challenge fue una competencia de ingeniería dirigida por Google y la Power Electronics Society de IEEE . [1] [2] El desafío original se publicó el 22 de julio de 2014 con modificaciones el 16 de diciembre de 2014 y el 23 de marzo de 2015. [3] Las pruebas se realizaron en octubre de 2015 en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable . De los 18 finalistas, el equipo de CE + T Power llamado Red Electrical Devils ganó el premio de $ 1 millón, que se les otorgó en marzo de 2016. [4]
El desafío consistía en construir un inversor de potencia que fuera aproximadamente una décima parte del tamaño de la tecnología más avanzada en ese momento. Tenía que tener una eficiencia superior al 95 por ciento y manejar cargas de 2 kW. También tenía que caber en una caja metálica de no más de 40 pulgadas cúbicas (la "caja pequeña" homónima) y soportar 100 horas de prueba. [3]
Los objetivos de la competencia eran energía solar fotovoltaica de menor costo , suministros de energía ininterrumpida más eficientes , microrredes asequibles y la capacidad de usar la batería de un vehículo eléctrico como energía de respaldo durante un corte de energía . Google también esperaba que un inversor más pequeño pudiera hacer que sus centros de datos funcionen de manera más eficiente.
Los demonios eléctricos rojos [ editar ]
(CE + T Power, Bélgica) [ editar ]
Olivier Bomboir, Paul Bleus, Fabrice Frebel, Thierry Joannès, François Milstein, Pierre Stassain, Christophe Geuzaine, Carl Emmerechts, Philippe Laurent
Equipo Schneider Electric [ editar ]
(Francia) [ editar ]
Miao-xin Wang, Rajesh Ghosh, Srikanth Mudiyula, Radoslava Mitova, David Reilly, Milind Dighrasker, Sajeesh Sulaiman, Alain Dentella, Damir Klikic, Chandrashekar Devalapuraramegowda, Michael Hartmann, Vijaykumar Atadkar
Future Energy Electronics Center [ editar ]
(VirginiaTech, EE. UU.) [ Editar ]
Jih-Sheng Lai, Lanhua Zhang, Xiaonan Zhao, Rachael Born, Chung-Yi Lin, Ming-Chang Chou, Shu-Shuo Chang, Kye Yak See
Finalistas restantes [ editar ]
! verter [ editar ]
(Alemania / Suiza) [ editar ]
Eckart Hoene, Johann W. Kolar, Dominik Bortis, Yanick Lobsiger, Dominik Neumayr, Oliver Knecht, Florian Krismer, Stefan Hoffmann, Adam Kuczmik, Oleg Zeiter, Franc Zajc
[1] Presentación final del proyecto
Lógica adiabática [ editar ]
(Reino Unido) [ editar ]
Geoff Harvey, Alan Walbridge, Steve Love
AHED [ editar ]
(Alemania) [ editar ]
Alexander Huenten
AMR [ editar ]
(Argentina) [ editar ]
Agustin Reibel
Cambridge Active Magnetics [ editar ]
(Reino Unido) [ editar ]
John Wood, Ed Shelton, Tim Regan, Ellen Wood, Kyle Rogers, Dr. Kevin Rathbone, Sam Harrup
Capa de energía [ editar ]
(Ucrania) [ editar ]
Evgeny Sboychakov, Ruslan Kotelnikov
Fraunhofer IISB [ editar ]
(Alemania) [ editar ]
Bernd Eckardt, Stefan Endres, Maximilian Hofmann, Stefan Matlok, Thomas Menrath, Martin März, Stefan Zeltner
Helios [ editar ]
(Estados Unidos) [ editar ]
Jack Zhu, Mari Ma
LBC1 [ editar ]
(Eslovaquia) [ editar ]
Martin Pietka, Andrej Teren, Marian Vranka, Lubos Drozd, Peter Sedlacko
OKE-Services [ editar ]
(Países Bajos) [ editar ]
Henk Oldenkamp
Rompower [ editar ]
(Estados Unidos / Rumanía) [ editar ]
Ionel Jitaru, Nicolae Daniel Bolohan, Antonio Marco Davila
La Universidad de Tennessee [ editar ]
(Estados Unidos) [ editar ]
Daniel Costinett, Leon Tolbert, Fred Wang, Chongwen Zhao, Bradford Trento, Ling Jiang, Rick Langley, John Jansen, Reid Kress, Anthony Brun
Tommasi - Bailly 3NERGY [ editar ]
(Francia) [ editar ]
Mike Tommasi, enfoque técnico de Alain Bailly
UIUC Pilawa Group [ editar ]
(Estados Unidos) [ editar ]
Robert Pilawa, Shibin Qin, Christopher Barth, Yutian Lei, Wen-Chuen Liu, Andrew Stillwell, Intae Moon, Derek Chou, Thomas Foulkes
Venderbosch [ editar ]
(Países Bajos) [ editar ]
Herbert Venderbosch, Gerard Bruggink
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