Oscilador de bloqueo (joule thief)

El «joule thief» es un oscilador de bloqueo que utiliza el comportamiento del campo magnético en las bobinas para generar una frecuencia con un «empuje de corriente».

El comportamiento es parecido a lo que sucede en un regulador «boost», es decir, se aprovecha el cargar una bobina con corriente, y se le descarga en algún elemento, ya sea para aumentar un voltaje o tener una serie de impulsos de corriente.

El circuito que normalmente se encuentra en internet es algo asi:

joule thief

El Led es ultra brillante (estos necesitan mas voltaje para trabajar), por lo que una batería de 1.5V no podría encenderlo. El objetivo es elevar el voltaje un poco para encender el led.

El punto importante o el «secreto» aquí, son las bobinas (que comparten el núcleo), que de hecho es una bobina «partida» a la mitad (o con división central) la idea detrás de esta bobina dividida, es usar el campo magnético de ambas para oscilar. ¿Cómo es esto? Bien, empecemos por el principio. Re interpretemos el diagrama a algo un poco mas «físico»:

joule thief con bobina dividida

Pero analicemos un poco lo que sucede:

Primera etapa

En la imagen anterior, se muestra el primer paso en el funcionamiento. Cuando alimentamos el circuito, hay una corriente que pasa por la bobina L1, la resistencia y polariza el transistor (corriente de base), generando una corriente de colector. Esta corriente empieza a cargar a L2. Además, podemos observar que, cuando la corriente de base del transistor esta activa, el campo magnético de L1 (B1) tiene el sentido indicado.

Segunda etapa

Después de un tiempo de cargar la bobina L2, el campo magnético asociado a esta bobina (B2) empieza a ser mas grande y en sentido contrario al campo asociado a L1. El voltaje colector-emisor empieza a crecer.

Bloqueo de L1

Cuando el campo en L2 es mayor, este «bloquea» (de alli el nombre) el campo de L1 produce un pico de voltaje negativo en la base, con lo que el transistor deja de conducir, ya no se carga la bobina L1.

Corriente en Led

La energía almacenada en L2 no tiene otra forma de circular si no es por medio del Led (al final del día es también un diodo y direcciona la corriente), la bobina se polariza de tal forma que ahora hay 2 fuentes en serie: la fuente de alimentacion (nuestra pila AA) y la fuente temporal (la bobina cargada). Estas 2 fuentes ya pueden superar el voltaje de nuestro Led de alto brillo, y mientras la bobina se descarga, el led brillará.

Una vez que la bobina se descarga lo suficiente, la bobina y la pila no pueden mantener el voltaje necesario para el Led, y este se apaga. También el campo de la bobina L2 ha disminuido lo suficiente para dejar de bloquear a la bobina L1, el voltaje negativo en la base «desaparece» y la corriente en la base vuelve a ser suficiente para que el transistor pueda conducir de nuevo y comience de nuevo la carga de L2.

Este proceso sucede muy rápido, de hecho a algunos kHz, depende de la bobina principalmente.

Pero bueno, lo poco de «teoría» que vimos es suficiente para armar nuestro circuito. Primer paso:

La bobina(s)

Toroide

Las bobinas comparten el núcleo (ya sea una barra de ferrita o en el caso que presento, un toroide) por la simple razón de que los campos asociados a ellas tienen que interactuar 😉 si tenemos bobinas separadas o alejadas los campos de estas interactúan débilmente (o no lo harán) y pues, ya no funciona como se planea. La razón de que use un toroide es que trato de que las lineas de campo se queden en el nucleo, ya que es un poco mas inmune a campos magnéticos externos.

La bobina que construí tiene el siguiente diagrama:

Bobina

Con aprox 12 vueltas por bobina basta (alambre esmaltado de calibre 24, hay que tener cuidado en el sentido de las vueltas), pueden jugar con el numero, se darán cuenta si les faltan vueltas porque la bobina empieza a zumbar levemente 😉 o si les sobran porque simplemente no oscila 😉 El núcleo tiene un diámetro exterior de aprox 0.5 pulgadas.

Ya que tenemos la bobina lo demás es fácil 🙂

Circuito armado

Y cuando lo ponemos a prueba:

Circuito encendido

Bueno, ahora vamos a medirlo con el osciloscopio:

Colocando puntas de osciloscopio

Vbe y Vce

Podemos ver como el circuito oscila a una buena frecuencia, aprox 24kHz, si hacemos un «zoom» podemos ver a detalle como es cada etapa:

Detalle Vce y Vbe

Antes del 1 es cuando la bobina se esta cargando a través del transistor 🙂

1) El campo de L2 tiene la suficiente fuerza para bloquear a L1, ya que comienza a elevar el voltaje.

2) L2 bloquea a L1 y como resultado hay un pico de voltaje negativo en la base del transistor.

3) L2 se descarga en el Led haciéndolo brillar

Después de (3), L2 ya no puede bloquear a L1, la corriente en la base se restablece y L2 comienza a cargarse nuevamente….

Como verán, el led no prende todo el tiempo, pero 24Khz no se sienten a la vista 😉

Espero esto les sea de utilidad, ya que es bueno tener una buena linterna que usa una sola batería y puede durar bastante e iluminar muy bien 🙂

De hecho, al tiempo que escribo esto, tengo funcionando el circuito con una batería recién cargada (1.2V @2500mAh). Cuando lo encendí, el voltaje en la batería era de 1.260V, después de 36hrs sin interrupciones, el voltaje medido es de 1.230V!!!! Tan solo ha «consumido» 30mV en 36hrs!!!!  833.33uV/hr !!! Si dejamos que el voltaje baje hasta 0.8V, es decir que consuma aprox 0.4V la lampara podría durar hasta 480hrs, unos 20 días seguidos!!! No se ustedes, pero a mi me parece genial!!! 😉

Con bateria recargabe (1.2V @ 2500mAh)

Por ultimo, dejo un link con la simulación del circuito, esta «animado», contiene 3 graficas: la corriente de base, la corriente de colector y la ultima, combinando la corriente y voltaje del diodo. Por cierto es un applet de java (por si su navegador se las hace de emoción 😉 )

Sin mas por el momento…

Argos

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