Практический расчет и изготовление повышающего преобразователя Joule Thief для питания светодиода от разряженной батарейки

Преобразователь типа Joule Thief широко используется для питания светодиодов от частично разряженных батареек.

Цикл работы преобразователя Joule Thief

Работа преобразователя происходит циклически и состоит из пяти основных этапов.

1. Транзистор начинает открываться

После подключения питания через резистор Rb в базу транзистора начинает течь небольшой ток. Этот ток частично открывает транзистор Q1. Через коллекторную обмотку W1 начинает протекать ток. Получается положительная обратная связь, и транзистор быстро переходит в открытое состояние.

2. Ток в катушке быстро растёт

Когда транзистор открыт, ток через обмотку W1 начинает быстро увеличиваться. В сердечнике трансформатора накапливается магнитная энергия. Ток растёт почти линейно, потому что катушка препятствует резкому изменению тока. В этот момент светодиод ещё не светится, энергия пока только накапливается в магнитном поле сердечника.

3. Сердечник входит в насыщение

По мере роста тока магнитная индукция в ферритовом кольце увеличивается. Когда достигается предел магнитной индукции материала (насыщение феррита), сердечник перестаёт эффективно усиливать магнитное поле. Из-за этого напряжение в базовой обмотке W2 резко уменьшается.

4. Транзистор быстро закрывается

Когда напряжение на базовой обмотке падает, ток базы уменьшается. Транзистор Q1 быстро закрывается. Ток через катушку W1 резко прерывается. Но ток в катушке не может исчезнуть мгновенно, поэтому катушка создаёт высокий импульс напряжения противоположной полярности.

5. Энергия передаётся в светодиод

Импульс напряжения индуцируется в выходной обмотке W3. Это напряжение оказывается достаточно высоким, чтобы открыть светодиод LED. В этот момент энергия, накопленная в магнитном поле трансформатора, передаётся в светодиод. Светодиод получает короткий импульс тока и вспыхивает.

После этого цикл повторяется снова.

Частота повторения

Такой цикл происходит десятки тысяч раз в секунду. В рассматриваемой конструкции частота составляет примерно: ≈ 20 кГц. Поэтому светодиод светится непрерывно для глаза, хотя фактически питается импульсами.

Главная особенность этой схемы — возможность работы при очень низком напряжении питания. В некоторых случаях устройство продолжает работать даже тогда, когда напряжение батарейки падает до 0,3–0,6 В.

Это позволяет эффективно использовать батарейки, которые уже считаются разряженными для большинства устройств.

В данной статье показано, как самостоятельно рассчитать и изготовить простой преобразователь Joule Thief, способный питать светодиод от одной батарейки AA или AAA.

Основное назначение устройства — экономичная навигационная подсветка в тёмном помещении, где требуется минимальный ток потребления и длительная работа от батарейки.

Требования к устройству:

• питание от батарейки AA или AAA

• ток светодиода 5–20 мА

• отсутствие слышимого акустического шума

• запуск при напряжении батареи около 0,6 В

В статье приводится методика расчёта трансформатора, основанная на экспериментальном определении параметров ферритового сердечника.

1. Схема преобразователя

В качестве основы выбран классический блокинг-генератор с трёхобмоточным трансформатором.

Преимущества схемы:

• простота

• минимальное количество деталей

• надёжный запуск

• возможность регулирования выходного напряжения

Элементы схемы: Q1 – транзистор ключа, Rb – резистор базы, W1 – коллекторная обмотка, W2 – базовая обмотка, WЗ – выходная, обмотка, LED – нагрузка.

В качестве транзистора использовались: BC547C и КТ3102. Оба транзистора показали устойчивую работу в данной схеме.

2. Магнитопровод

В качестве магнитопровода использовались ферритовые кольца следующих размеров: 10 × 6 × 4 мм, 14 × 9 × 5 мм.

Кольца большего размера также подходят, однако для рассматриваемой мощности они избыточны.

Практика показывает, что реальные параметры ферритовых сердечников часто существенно отличаются от заявленных в справочниках.

Поэтому перед расчётом желательно экспериментально определить параметры сердечника, в первую очередь индукцию насыщения.

3. Намотка тестовой катушки

Чтобы понять, сколько энергии может накопить катушка, нужно определить момент насыщения феррита, для этого на кольцо наматываются две тестовые катушки с отводом от средины.

Мотать лучше двумя проводами одновременно (бифилярно), можно слегка свитыми между собой.

Параметры тестовой катушки:

• число витков: 15

• намотка: бифилярная

4. Определение параметров магнитопровода

Площадь поперечного сечения магнитопровода определяется по приближённой формуле:

Se = (D — d) * h / 2, где: D – наружный диаметр кольца, d – внутренний диаметр кольца, h – высота кольца

Se = (0,01 — 0,006) * 0,004 / 2 = 0,000008 м²

Этот параметр используются для последующих расчетов.

5. Определение насыщения сердечника

Момент насыщения определяется с использованием испытательного стенда на основе симметричного мультивибратора.

При постепенном увеличении напряжения питания на шунте наблюдается форма тока через катушку.

Сначала ток растёт почти линейно, поскольку индуктивность препятствует быстрому изменению тока.

Однако когда ферритовый сердечник достигает состояния магнитного насыщения, индуктивность резко уменьшается.

В этот момент на осциллограмме появляется характерный излом кривой тока — наклон графика резко увеличивается.

Именно этот момент используется для определения индукции насыщения феррита.

Индукция насыщения определяется по формуле:

Bsat = (U * T) / (2 * w * Se), где: U – напряжение на катушке, Т – период колебаний, w – число витков, Se – площадь сечения магнитопровода.

Пример расчёта

Исходные данные:

• напряжение питания — 1,5 В

• напряжение на катушке — 1,28 В

• период колебаний — 0,0000398 с

• число витков — 15

• площадь сечения магнитопровода — 0,000008 м²

Bsat=(1,28*0,0000398)/(2*15002A0,000008) = 0,106 Тл

6. Определение номинала резистора базы Rb

Пример расчёта резистора базы

Исходные данные:

• напряжение питания — 1,5 В

• напряжение светодиода (с учетом просадки 5%) — 3,15 В

• ток светодиода — 10 мА

• предполагаемый КПД (n) — 70 %

Выходная мощность: Pout = Uout * Iout = 3,15 х 0,01 = 0.0315 Вт

Потребляемая мощность: Pin = Pout / n = 0,0315 / 0,7 = 0,045 Вт      

Средний ток потребления: Iavg = Pin / Uin = 0,045 / 1,5 = 0,03 А        

Пиковый ток коллектора: Icpk = 2 * Iavg = 2 * 0,03 = 0,06 А   

Параметры транзистора измерялись RLC-метром.

Ток базы: Іb = (Ісрк / h21) * s, где s – коэффициент форсирования, обычно 2. Коэффициент форсирования используется для гарантированного насыщения транзистора при разбросе параметров.

Іb = (0.06 / 584) * 2 = 0,000205 А

Сопротивление резистора базы: Rb=(Uin-Ube)/Ib = (1,5 – 0,7) / 0,000205 = 3902 Ом., округляю до 3,9 кОм.

Частота генерации определяется временем насыщения сердечника и временем закрывания транзистора. Поэтому на неё сильно влияют:

• резистор базы

• коэффициент усиления транзистора

• число витков

• тип феррита

 Для рассматриваемого устройства зависимость примерно такая:

7. Выбор рабочей частоты

Чтобы устройство не издавало слышимый писк, частоту лучше выбрать выше слышимого диапазона. Практика показывает если частота <17 кГц — слышимый писк, >50 кГц — растут потери. Обычно хорошо работает диапазон: 18–25 кГц

Я выбрал примерно: 22 кГц

8. Определение времени включения транзистора

Коэффициент заполнения определяется экспериментально по осциллограмме напряжения на коллекторе транзистора.

По осциллограмме определяется коэффициент заполнения D.

Время включения ton = Т * D = D/f, где Т – период колебаний (1/f), D – коэффициент заполнения, обычно 30–50%, f – частота.

Пример расчёта

Дано:

• частота f=22 кГц. (22000 Гц.)

• коэффициент заполнения D=40 % (0,4)

ton = D / f = 0,4 / 22000 = 0,000018 с

9. Расчет числа витков

Число витков коллекторной обмотки N1 = (U * ton) / (Bsat * Se), где: U – напряжение питания, ton – времени включения транзистора, Se – площадь сечения магнитопровода, Bsat – индукция насыщения

Пример расчёта

Исходные данные:

• напряжение питания — 1,5 В

• падение напряжения на переходе база-эмитер — 0,7 В

• время включения транзистора — 0,000018 с

• площадь сечения магнитопровода — 0,000008 м²

• индукция насыщения 0,106 Тл

N1 = (1,5 * 0,00002) / (0,000008 * 0,106) = 31,8 (32 витка)

Ключевой момент для запуска блокинг-генератора типа «Joule Thief» при очень низком напряжении (0.4–0.6 В.) — соотношение витков коллекторной и базовой обмоток. В большинстве случаев лучше всего работает: N2 = 1,2 ... 1,5 * N1.

Типичные соотношения витков:

В рассматриваемом примере N1 = 32 витка. Полученное значение не является строгим. На практике число витков может отличаться на 10–20 % из-за разброса параметров ферритовых сердечников. Базовая обмотка N2 = 1,5 * N1 = 48 витков.

10. Намотка трансформатора

Наматываем: W1 = 32 витка, W2 = 48 витков.

Мотать можно сразу двумя слегка свитыми между собой проводами.

Выходная обмотка рассчитывается по формуле:

N3=N1*(Vout/Vpulse), где Vpulse — разница между напряжением на коллекторе и напряжением питания, определяется измерением напряжения на коллекторе.

Пример расчёта.

Исходные данные:

• число витков коллекторной обмотки — 32

• напряжение на коллекторе — 3,36 В

• напряжение питания — 1,5 В

Vpulse=Vmax-Vin = 3,36-1,5 = 1,86 В

N3=32*(3,15/1,86) = 54,2 (54 витка)

После этого наматываем выходную обмотку, поверх W1 и W2 (в том же направлении) в рассматриваемом примереW3 ≈ 54 витка.

11. Проверка работы

После намотки трансформатора схема собирается на макетной плате

Проводятся измерения:

• ток светодиода

• напряжение на светодиоде

• ток потребления

• частота генерации

12. Конструкция устройства

Готовый преобразователь может быть закреплён непосредственно на батарейном отсеке.

Для удобства крепления используются небольшие неодимовые магниты.

Обмотки трансформатора фиксируются полоской из ФУМ-ленты, пайка защищена термоусадочной трубкой.

Результаты

Измеренные параметры устройства: 

 Преобразователь устойчиво запускается при напряжении около 0,3 В. и обеспечивает хорошее, стабильное свечение светодиода от 0,6 В до 1,6 В.

Заключение

Предложенная методика расчёта позволяет последовательно и достаточно точно определить параметры трансформатора для преобразователя типа Joule Thief.

Основное преимущество метода заключается в экспериментальном определении параметров ферритового сердечника, что позволяет учитывать реальные характеристики магнитопровода.

Это делает результаты расчёта значительно ближе к практическим значениям.

Разброс параметров готового устройства составляет примерно 10–20 %, что является нормальным для генераторов данного типа.

Разработанный преобразователь устойчиво запускается при напряжении около 0,3 В и обеспечивает стабильное питание светодиода при напряжении батареи от 0,6 до 1,6 В.

В.Г. Ильченко

Днепропетровск, 2026