Joule Thief - symulacje różnych wersji układu


Ta część serwisu poświęconego analizie układu Joule Thief oraz jego licznym odmianom przeznaczona jest dla osób bardziej zaawansowanych, pragnących nie tylko zrozumieć zasadę ich działania, ale i poznać odpowiedź na szereg naturalnie nasuwających się pytań: Są to bardzo dobre pytania, na które odpowiedź można znaleźć wykonując serie czasochłonnych prób i testów na "żywym" układzie.
Można też układy takie poddać komputerowej symulacji, która podpowie nam, w którą stronę należy iść by uzyskać zamierzony cel.
Symulatorów układów elektronicznych jest wiele. Nie wszystkie z nich dobrze sobie radzą z układami oscylacyjnymi, podobnie jak i z trudnymi zagadnieniami sprzężeń na elementach indukcyjnych - a takie właśnie występują w analizowanych tu układach.

Jednym z najlepszych pod względem dokładności symulacji i ogólnie dostępnym jest znany od wielu lat program Spice.
Ja używam wersji LTspice IV dostępny na stronach wiodącego na rynku producenta elektroniki jakim jest Linear Technology

Program ten zawiera wszystko, co trzeba. Mamy edytor schematów (dawniej trzeba było samemu w pliku tekstowym opisywać grafy połączeń), mamy analizator (główna część silnika Spice), mamy wizualizacje przebiegów, mamy też bardzo bogaty zbiór bibliotek elementów i układów elektronicznych - mamy więc wszystko, czego nam potrzeba.

By warunki symulacji były jak najbliższe rzeczywistości, we wszystkich przypadkach zastosowałem rzeczywistą rezystancję źródła napięcia zasilania Rs=1Ω
Wartości elementów zostały dobrane tak, by dla wszystkich układów przy napięciu zasilania 1,5V prąd płynący przez diodę LED wynosił ok.20mA.

A zatem do dzieła!

Joule Thief - układ podstawowy


Schemat ideowy
Jako pierwszy poddany symulacji został układ w podstawowej wersji, składający się z minimalnej liczby elementów oraz najprostszym transformatorkiem zawierającym jednakową liczbę zwojów w obu uzwojeniach.

Diagramy przebiegów: start układu oraz stabilnej pracy
Sterowanie diody LED jak widać na załączonym wykresie przebiega impulsowo.
Wartość średnia prądu LED: ~20mA (szczytowa ~120mA)
- sprawność: ~63 %
- dla R1=5k6

Vin [V] 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 2.0 2.5 3.0
ILED [mA] - 1.8 3.5 5.4 7.4 10 12 15 18 20 36 63 48
Eff. [%] - 42 50 55 58 59 62 62 63 63 63 67 55

Maksymalna osiągalna wartość prądu LED przy Vin=1.5V: ~50mA (szczytowa ~600mA)
- sprawność: ~76 %
- dla R1=250
Pobierz pliki z danymi do symulacji.

Fast Joule Thief - wersja szybka (by Flagiusz)

Aby przyspieszyć przełączanie tranzystora dodany został kondensator C1.
Dzięki niemu istotnie zmniejszona została dynamiczna impedancja w obwodzie sterowania bazy tranzystora, w wyniku której przyspieszone zostało przełączanie się tranzystora wywołane przez zmieniający się w czasie indukowany w L1 prąd.
Szybciej przełączający się tranzystor (od zatkania do nasycenia i z powrotem) mniej czasu pracuje w zakresie liniowym przez co uzyskujemy mniejsze straty i wyższa sprawność.

Diagramy przebiegów: start układu oraz stabilnej pracy
Tu także dioda LED sterowana jest impulsowo, a dzięki przyspieszeniu przełączania tranzystora istotnie wzrosła sprawność całego układu.

Wartość średnia prądu LED: ~21mA (szczytowa ~150mA)
- sprawność: ~92,8 %
- dla R1=5k6

Vin [V] 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 2.0 2.5 3.0
ILED [mA] 0.5 1.7 3.3 5.2 7.3 10 12 15 18 21 39 58 86
Eff. [%] 76 86 87 89 90 91 92 92 93 93 94 97 96
Maksymalna osiągalna wartość prądu LED przy Vin=1.5V: ~50mA (szczytowa ~600mA)
- sprawność: ~81,8 %
- dla R1=250

Pobierz pliki z danymi do symulacji.

Supercharged Joule Thief (by A.Watson)


Schemat ideowy
Kolejną ciekawą modyfikacją podstawowego układu JT jest opracowany przez A.Watson`a Supercharged Joule Thief (SJT).
Zmianie uległa gałąź sterująca prądem bazy tranzystora Q1, która nie jest już bezpośrednio zasilana z dodatniego bieguna, lecz poprzez diodę D z punktu znajdującego się za cewką L2.
Połączenie takie wprowadza silne dodatnie sprzężenie zwrotne, które pomaga w jak najszybszym włączaniu tranzystora, powodując natychmiastowe jego przejście ze stanu zatkania do nasycenia.

Cały cykl przebiega w następujący sposób:

Diagramy przebiegów: start układu oraz stabilnej pracy
Optymalne dobranie wartości elementów umożliwia bardzo szybkie przełączanie się tranzystora oraz pełne przebiegi ładowania rdzenia do wartości maksymalnej obsługiwanej przez tranzystor (Ic).

Dlaczego tak wiele poświęciłem akurat temu opisowi?
Otóż dlatego, że choć SJT faktycznie działa znacznie lepiej niż standardowy Joule Thief, to jednak nigdy nie udało mi się uzyskać na nim lepszych wyników, niż na dużo prostszym dobrze zoptymalizowanym stosowanym przeze mnie układzie JT wersji szybkiej.

Wykonane przeze mnie liczne testy i pomiary zarówno na fizycznie zbudowanym układzie jak i przeprowadzanych symulacjach nie potwierdziły wyższoci tego układu nad wersją szybką a pod względem maksymalnego prądu wyjściowego także i moimi wersjami stałoprądowymi.
Wręcz przeciwnie z uwagi na dodatkową szeregową diodę D2 w obwodzie sterowania prądem bazy Q1, minimalne wymagane do startu napięcie niekorzystnie wzrosło.
Wersja szybka takiej wady nie ma - startuje od bardzo niskiego napięcia zasilania nieznacznie przekraczającego napięcie polaryzacji bazy (ok.0,6V).
Także pod względem sprawności SJT nie wyprzedza proponowanego przeze mnie alternatywnego rozwiązania, choć w obu przypadkach sprawność ta faktycznie jest bardzo wysoka i trudna do osiągnięcia przez inne układy JT.
Za ten nieznaczny spadek sprawności w SJT odpowiada owa dioda D2, przez którą de facto płynie prąd bazy tranzystora i to na niej powodowane są te dodatkowe straty.

Korespondowałem w tej sprawie z Watson`em długo dyskutując na temat zalet i wad tego rozwiązania oraz przekonując go, że stosowane przeze mnie rozwiązanie JT wersji szybkiej jest prostsze, tańsze i nieznacznie lepsze (efektywniejsze).
Pomysłodawca pokazywał wyższość swojego rozwiązania porównując je do rozwiązania klasycznego.
Gdyby zdecydował się pozostawić górne wyprowadzenie C2 na odczepie T1 tuż PRZED przełącznikiem SW1, a nie zaś za - wyłącznie w "swojej" gałęzi, z pewnością zauważyłby, że wymyślone przez siebie rozwiązanie nie działa wcale lepiej.

Absolutnie daleki jestem od posądzania kogokolwiek o złe intencje zwłaszcza, że to, co prezentuje on na swoim blogu bezsprzecznie potwierdza, że zna się na rzeczy. W pełni szanuję jego wiedzę i doceniam kreatywność - w przeciwnym razie nie poświęcałbym temu układowi tak wiele czasu.
W elektronice jest czasem tak, że nawet mała niewinna sugestia, drobne różnice w wartościach elementów lub sposobie dokonywanego pomiaru mogą powodować rozbieżne wyniki, a w konsekwencji mylne wrażenie. Mam nadzieję, że tak właśnie było i tym razem.
Jeżeli uważasz inaczej - skontaktuj się proszę ze mną.

Wartość średnia prądu LED: ~20,3mA (szczytowa ~135,2mA)
- sprawność: ~92,1 %
- I(in): ~60,2mA (szczytowa ~135,3mA)
- dla R1=2k2

Vin [V] 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 2.0 2.5 3.0
ILED [mA] - - - - 6.4 9.1 11 14 17 20 41 76 125
Eff. [%] 1.4 2.3 3.7 1.4 88 90 90 91 91 92 93 94 94
Maksymalna osiągalna wartość prądu LED przy Vin=1.5V: ~54,9mA (szczytowa ~348,7mA)
- sprawność: ~75,6 %
- I(in): ~346,5mA (szczytowa ~437,1mA)
- dla R1=40

Pobierz pliki z danymi do symulacji.

Wersja stałoprądowa - bez stabilizacji


Schemat ideowy
W przeciwieństwie do dwóch poprzednich wersji tutaj zastosowano prostownik (dioda shottky`ego) i filtr (C2).

Diagramy przebiegów: start układu oraz stabilnej pracy

Dzięki temu dioda LED nie jest zasilana impulsowo, lecz dużo bardziej dla niej korzystnym prądem stałym.
Dodatkowe elementy, przez które przepływa prąd (dioda D2) wprowadzają nieznaczne straty, przez co efektywność układu w porównaniu z wersją poprzednią jest nieco niższa.

Wartość średnia prądu LED: ~20mA (szczytowa ~21mA)
- sprawność: ~86 %
- dla R1=6k4

Vin [V] 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 2.0 2.5 3.0
ILED [mA] 0.2 1.4 2.8 4.7 6.8 8.7 11 14 17 20 40 66 96
Eff. [%] 27 78 81 82 83 83 84 85 86 86 88 89 90
Maksymalna osiągalna wartość prądu LED przy Vin=1.5V: ~72,5mA (szczytowa ~80mA)
- sprawność: ~67,8 %
- dla R1=100
- I(in): ~414mA (szczytowa ~711mA)

Pobierz pliki z danymi do symulacji.

Wersja stałoprądowa - bez stabilizacji #2 (by Flagiusz)


Schemat ideowy
Jest to identyczny układ jak poprzedni, z tą jednak różnicą, że napięcie obwodu sterującego bazę tranzystora nie pochodzi wprost z zasilania, lecz z napięcia wyjściowego.

Diagramy przebiegów: start układu oraz stabilnej pracy
Obwód sterowania tranzystora Q1 na który składają się R1, L1 i C1 pracuje przy stałym napięciu określonym przez Vf(D1) niezależnie od wartości zasilania V1.
W wyniku tego zwiększona została stabilność układu przy niższych napięciach wejściowych oraz uzyskano lepszą wydajność prądową w tym zakresie kosztem odrobinie gorszej sprawności.

Wartość średnia prądu LED: ~20,5mA (szczytowa ~20,6mA)
- sprawność: ~85,6 %
- I(in): ~55,7mA (szczytowa ~127,5mA)
- dla R1=12k

Vin [V] 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 2.0 2.5 3.0
ILED [mA] - 4.5 5.9 7.4 9.1 11 13 15 18 20 37 57 76
Eff. [%] - 76 78 80 81 82 83 84 85 86 88 89 90

Charakterystyki prądu wyjściowego oraz sprawności w funcji napięcia zasilania, porównanie obydwu wersji układu
Maksymalna osiągalna wartość prądu LED przy Vin=1.5V: ~73,7mA (szczytowa ~81,4mA)
- sprawność: ~65,1 %
- dla R1=100
- I(in): ~435mA (szczytowa ~706mA)

Pobierz pliki z danymi do symulacji.

JT ze stabilizacją prądu


Schemat ideowy

Diagramy przebiegów: start układu oraz stabilnej pracy
Wartość średnia prądu LED: ~19,6mA (szczytowa ~20,0mA)
- sprawność: ~67,4 %
- I(in): ~79,7mA (szczytowa ~399,1mA)
- dla R1=510

Vin [V] 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 2.0 2.5 3.0
ILED [mA] 4.0 8.3 11 14 16 17 18 19 20 20 20 21 21
Eff. [%] 43 67 67 67 67 67 68 68 68 68 67 66 64
Pobierz pliki z danymi do symulacji.

JT ze stabilizacją prądu #2 (by Flagiusz)


Schemat ideowy

Diagramy przebiegów: start układu oraz stabilnej pracy
Vin [V] 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 2.0 2.5 3.0
ILED [mA] 19 20 20 21 21 21 21 21 21 21 22 23 24
Eff. [%] 41 47 50 53 55 56 58 58 59 60 61 62 66

Charakterystyki prądu wyjściowego oraz sprawności w funcji napięcia zasilania, porównanie obydwu wersji układu
Pobierz pliki z danymi do symulacji.

Porównanie wszystkich wersji Joule Thief


Zbiorcze zestawienie charakterystyk prądu wyjściowego oraz sprawności w funcji napięcia zasilania
Bardzo ważne jest to, że załączone tu symulacje oraz pochodzące z nich diagramy zostały przeprowadzone dla określonych kryteriów wejściowych, a mianowicie do porównania układów przyjęto wartości elementów, które dla napięcia zasilania równego 1,5V dawały przy maksymalnej możliwej sprawności prąd diody LED możliwie bliski 20 mA.
To, że z załączonych wykresów może wynikać, że przy innych napięciach zasilania pewne rozwiązania mogą osiągać wyższy prąd (np.SJT), nie oznacza, że inne układy tak samo wysokiego lub nawet wyższego prądu nie są w stanie uzyskać. Są w stanie, ale dla innej wartości elementów.
Dlatego też do każdego z powyższych układów dopisałem maksymalne osiągnięte w trakcie symulacji wartości prądu wyjściowego (LED) podając odpowiadające im wartości elementów.

Wersja błyskająca


Schemat ideowy

Diagramy przebiegów: start układu oraz stabilnej pracy
Pobierz pliki z danymi do symulacji.

Przetwornica step-up +5V


Schemat ideowy

Diagramy przebiegów: start układu oraz stabilnej pracy pod małym i dużym obciążeniem
Wartości elementów zostały tak dobrane, by uzyskać wartość stabilizacji napięcia na poziomie 5.0V

Vin [V] 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5
Iout=1mA Vout [V] 0.5 0.6 2.6 3.0 3.5 4.9 4.9 4.9 4.9 4.9 5.0 5.0 5.0 5.0 5.1 5.2
Eff. [%] - - 0.9 1.0 9.7 9.7 9.7 9.7 9.7 9.7 9.9 10.2 12.5 12.9 15.1 12.7
Iout=10mA Vout [V] 0.4 0.5 2.6 3.0 3.5 4.9 4.9 4.9 4.9 4.9 4.9 5.0 5.0 5.0 5.1 5.2
Eff. [%] - - 9.7 10 42 47 47 47 47 47 48 51 54 54 55 61.7
Iout=50mA Vout [V] 0.4 0.5 2.4 2.8 3.1 3.5 3.9 4.3 4.5 4.6 4.9 4.9 5.0 5.0 5.0 5.1
Eff. [%] - - 47 48 49 49 51 57 65 69 74 77 79 81 82 83
Iout=100mA Vout [V] 0.4 0.5 1.8 2.1 2.4 2.6 2.9 3.2 3.5 3.8 4.5 4.8 4.9 5.0 5.0 5.0
Eff. [%] - - 61 61 62 62 62 62 62 63 76 80 83 84 84 85

Charakterystyki stabilności napięcia wyjściowego oraz sprawności układu w funcji napięcia zasilania dla różnych obciążeń
Pobierz pliki z danymi do symulacji.