Hoy os presento un circuito interesante y bastante conocido por los aficionados a la electrónica: el ladrón de julios o Joule thief en inglés. Es un circuito sencillo de realizar, aunque existen variantes más complejas, y es de bajo costo. Se trata de un amplificador de voltaje no regulado y autooscilante que maneja pequeñas cargas. Es una variante sencilla de oscilador de bloqueo.
Puede usar casi toda la energía en una pila eléctrica, incluso muy por debajo del voltaje donde otros circuitos consideran que la pila 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", en inglés: "jewel thief".
Se utiliza para demostrar que con una simple pila AA o AAA "gastada" se puede mantener encencido un LED (la pequeña carga) que necesita de cerca de 3V o más para permanecer encendido con una buena luminosidad. De este modo, el voltaje de salida, el del LED aumenta a expensas de un mayor consumo de corriente en la entrada (la que proporciona la pila), pero la corriente promedio de la salida se reduce y el brillo disminuye. Más abajo en esta entrada del blog veréis un vídeo que he subido a Youtube explicando el montaje.
Mientras tanto aquí tenéis una foto de mi setup: circuito montado en una protoboard y alimentado con una pila AA, osciloscopio digital Tektronix TDS3052B para ver las forma de onda del voltaje de salida (VLED) y el voltaje de la base del transistor bipolar, los dos respecto a tierra (terminal negativo de la pila), multímetro Fluke 117 para medir voltajes y corrientes medios o más bien una aproximación de estos, un comprobador de componentes chino (Hiland M644) con su correspondiente pila de 9V, para medir resistencia, inductacia y parámetros del transistor bipolar, caja con materiales electrónicos diversos y como no, una libreta en donde tomar notas, dibujos, esquemas y formas de onda del circuito. Haz clic en la imagen para verla más grande:
Una fotografía más cercana de la protoboard con todos los componentes utilizados. Haz clic en la imagen para verla más grande:
COMPONENTES
Os muestro unas fotos con el comprobador de componentes chino (Hiland M644) para saber los parámetros básicos de los mismos. Haz clic en cada imagen para verla en grande:
- Primero el LED azul:
- El transistor bipolar (BC337):
- La resistencia de 1kΩ:
- Primario del transformador toroidal:
- Secundario del transformador toroidal:
FUNCIONAMIENTO
El funcionamiento del circuito se basa en la conmutación rápida del transistor. Inicialmente, la corriente comienza a fluir a través de la resistencia, el devanado primario y la unión base-emisor (vez el esquemático), lo que hace que el transistor comience a conducir la corriente del colector a través del devanado secundario. Dado que los dos devanados están conectados en direcciones opuestas, esto induce un voltaje en el devanado primario que es positivo (debido a la polaridad del devanado, observaz el convenio de los puntos) que enciende el transistor con mayor polarización. Este proceso de autoalimentación/retroalimentación positiva y así 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 el VCE será de solo 0.1 voltios, suponiendo que la corriente base es lo suficientemente alta). Con el devanado secundario 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 VCE. A bajos voltajes de suministro (típicamente 0.75V 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 corriente de base disponible se vuelve insuficiente y el transistor comienza a apagarse y la acción de retroalimentación positiva descrita anteriormente produce un corte sólido del transistor.
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 se colapsa, lo que induce la cantidad de voltaje necesaria para que la carga conduzca, o para que la corriente del devanado primario encuentre otro camino.
Cuando el campo vuelve a cero, se repite toda la secuencia; con la batería aumentando la corriente del devanado secundario 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 capacidades 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 el VCE se refleja en el primario, se producirá una falla del transistor debido a una pequeña carga a través del límite de VBE inverso que se supera para el transistor (esto ocurre a un valor mucho más bajo que VCEmax). Y así todo el proceso comienza de nuevo, dando lugar a nuevos ciclos de las señales observadas.
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 219 kHz. El diodo emisor de luz parpadeará a este ritmo, pero la persistencia del ojo humano hará que no se note el parpadeo.
La ganancia de un transistor no es lineal con VCE. A bajos voltajes de suministro (típicamente 0.75V 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 corriente de base disponible se vuelve insuficiente y el transistor comienza a apagarse y la acción de retroalimentación positiva descrita anteriormente produce un corte sólido del transistor.
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 se colapsa, lo que induce la cantidad de voltaje necesaria para que la carga conduzca, o para que la corriente del devanado primario encuentre otro camino.
Cuando el campo vuelve a cero, se repite toda la secuencia; con la batería aumentando la corriente del devanado secundario 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 capacidades 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 el VCE se refleja en el primario, se producirá una falla del transistor debido a una pequeña carga a través del límite de VBE inverso que se supera para el transistor (esto ocurre a un valor mucho más bajo que VCEmax). Y así todo el proceso comienza de nuevo, dando lugar a nuevos ciclos de las señales observadas.
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 219 kHz. El diodo emisor de luz parpadeará a este ritmo, pero la persistencia del ojo humano hará que no se note el parpadeo.
ESQUEMÁTICO
Un esquema del circuito lo tenemos aquí. Haz clic en la imagen para verla más grande:
Vale cualquier pila gastada, el voltaje mínimo de la pila gastada para que funcione el circuito va a depender de los componentes utilizados en el circuito, sobretodo del transistor. Yo con estos valores del esquemático he conseguido que funcionase con una pila bastante gastada, tenía en vacío, sin carga un voltaje de 0.8V. Sabemos que una pila de este tipo nueva tiene un voltaje de 1.5 o más voltios. El transformador se hace con un toroide en donde se pueda bobinar un cable doble de como mínimo 10 vueltas, aunque en internet algunas versiones utilizan 20 vueltas, a mi con 10 me ha llegado para que ilumine este LED. Ojo a la manera de conectar los terminales del transformador toroidal (primario y secundario), fijarse en el convenio de los puntos, que sirve para indicar la fase de las señales de entrada y salida del transformador y de este modo bobinarlo de la manera correcta ya que sino el circuito no funcionará. Un esquema de como se debería bobinar el transformador toroidal y a dónde se deben de conectar los 3 puntos de conexión (colector del transistor y ánodo del diodo, polo positivo de la pila, otro extremo de la resistencia que no está conectada al transistor) lo tenéis en esta imagen, tomada como apunte en mi libreta de notas. Ojo que en esta fotografía solo aparecen 7 espiras, pero vosotros tenéis que poner como mínimo 10 espiras en el doble bobinado del transformador toroidal. Haz clic en la imagen para verla más grande:
SIMULACIÓN
La simulación realizada con el sofware Cadence Pspice del circuito la presento en las siguientes imágenes. En la primera podemos ver la evolución respecto al tiempo del voltaje de la base del transistor: V(R1:2), en color verde; y el voltaje de salida, en la carga o ánodo del diodo LED: V(OUT), en color rojo. En la segunda imagen podemos ver la evolución temporal de la intensidad de corriente que entra en el ánodo del diodo LED: I(D1:1), en color verde; y la intensidad de corriente que entra en la base del transistor: I(Q1:BASE), de color rojo. Haz clic en cada imagen para verla más grande:
LAS PERSONAS QUE QUIERAN EL PROYECTO DE CADENCE ORCAD PARA HACER LAS SIMULACIONES DE PSPICE O QUE LE INTERESEN LAS IMÁGENES SIN TEXTO NI LOGOS, QUE CONTACTEN CONMIGO A TRAVÉS DE MI EMAIL (ESTÁ EN MI PERFIL) Y VEMOS COMO PUEDEN COLABORAR CON EL BLOG.
MEDIDAS CON EL OSCILOSCOPIO
Unas capturas de pantalla de mi osciloscopio digital Tektronix del voltaje de salida en el Ch1 (voltaje en el ánodo del LED), de color amarillo, y del voltaje en la base del transistor en el Ch2, de color azul turquesa. Haz clic en la imagen para verla más grande:
Un conjunto de medidas (periodo, frecuencia, Vpk-pk, Vmax, Vmin, Vrms, etc) de cada canal del osciloscopio se muestran en las siguientes dos capturas. Haz clic en las imágenes para verlas más grandes:
Como se puede observar, las gráficas de la simulación con PSPICE dan bastante parecido a las medidas realizadas con el osciloscopio 😀
MEDIDAS CON EL OSCILOSCOPIO
Unas capturas de pantalla de mi osciloscopio digital Tektronix del voltaje de salida en el Ch1 (voltaje en el ánodo del LED), de color amarillo, y del voltaje en la base del transistor en el Ch2, de color azul turquesa. Haz clic en la imagen para verla más grande:
Un conjunto de medidas (periodo, frecuencia, Vpk-pk, Vmax, Vmin, Vrms, etc) de cada canal del osciloscopio se muestran en las siguientes dos capturas. Haz clic en las imágenes para verlas más grandes:
Como se puede observar, las gráficas de la simulación con PSPICE dan bastante parecido a las medidas realizadas con el osciloscopio 😀
VÍDEO EXPLICATIVO EN MI CANAL DE YOUTUBE
Aquí lo podéis ver:
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