Ladrão de Joule regulamentado: por que funciona?

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Por favor, explique-me por que esse circuito pode me dar um 5V regulado? Entendo a parte Joule Thief, mas por que a parte do regulador funciona?

esquemático

simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab

Especialmente, por que o diodo Zener D2 é crucial para impedir que o 1117 e o MCU sejam fritos e por que a tampa C1 não deve ser totalmente carregada o tempo todo?

- EDITAR -

Como vocês estão sugerindo um design de loop fechado, isso parece melhor? (Lembre-se de que o MCU não aceita um trilho de força pulsante muito bem, então eu só mantenho o LDO lá com o mínimo de espaço possível para obter uma regulamentação adequada.)

esquemático

simule este circuito

O esquema acima é modificado para incluir o resistor sugerido por Olin.

- EDIÇÃO 2 -

Isso funcionará com menos perda?

esquemático

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Ajuste o R2 neste esquema para que o JFET apareça quando a tensão em C1 estiver acima de 6V (espaço suficiente para 1117 aqui).

Maxthon Chan
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Para melhorar ainda mais a sua pergunta com toda a já feedback que você merece +1
jippie

Respostas:

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Esse é um circuito bem ruim. Observe que o conversor de impulso está executando um loop completamente aberto. Não há feedback que o desligue quando sua saída estiver alta o suficiente. Você não mostra quais são as tensões do zener e do regulador linear, mas provavelmente o zener existe apenas para garantir que a entrada não fique acima do que a tampa e o regulador linear podem suportar. O regulador linear produz a tensão de saída estável e agradável.

A razão pela qual digo que este é um circuito ruim é porque é um desperdício. Isso geralmente é uma coisa ruim quando se usa uma bateria. Em vez de adicionar feedback ao comutador de reforço, a energia extra é desperdiçada no zener e no regulador linear. Seria necessário apenas mais um transistor para ligar quando o regulador tiver um pouco mais de tensão do que realmente precisa. Este transistor mataria as oscilações do Q1, desligando o conversor de impulso até que a tensão caísse novamente. Isso basicamente adiciona alguma regulamentação frouxa à saída do comutador.

Adicionado:

Vejo nos comentários que há interesse em discutir como regular o comutador para que ele não esteja em loop aberto.

Como Russell e eu mencionamos, neste caso, um transistor NPN que puxa a base do Q1 para baixo é um meio de matar as oscilações. Agora, o problema se torna ligando esse transistor quando a saída do comutador fica alta o suficiente. No contexto desse circuito, como Russell já mencionou, a maneira mais simples é fazer com que o fundo do zener entre na base desse segundo transistor que mata os osciladores. Eu também colocaria um resistor dessa base no terra para garantir que esse transistor não acenda apenas devido a vazamentos. Quando a saída do comutador fica alta o suficiente, o zener conduz, que liga o novo transistor, que mata as oscilações para que o comutador pare de produzir alta tensão até que a tensão volte um pouco mais baixa.

Uma maneira totalmente diferente de obter um sinal de "tensão é alta o suficiente" é o que Russell aludiu em um comentário. Isso está colocando um transistor PNP em torno do regulador, de forma que ele acenda quando a entrada do regulador é a queda BE do transistor acima da saída do regulador. Esse transistor de detecção de limiar seria então usado para ligar o transistor de oscilação. Entro em mais detalhes sobre esse método de detecção de limite como feedback para um comutador em /electronics//a/149990/4512 .

Adicionado 2:

Vejo que você adicionou um esquema atualizado. Sim, é exatamente disso que Russell e eu estamos falando.

Eu só faria um pequeno refinamento adicionando um resistor da base do Q2 ao terra. Isso garante alguma corrente mínima através de D2 antes que o comutador seja desligado. Se você não fizer isso, a tensão no D2 poderá ser significativamente menor que a sua classificação zener. Veja a folha de dados do D2. Sua voltagem será garantida apenas acima de uma corrente mínima. Sem saber nada sobre esse zener, eu apontaria para cerca de 500 µA. A tensão de base Q2 será de 600 mV, de modo que o resistor seja de 1,2 kΩ.

Olin Lathrop
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Por curiosidade, onde esse transistor seria colocado?
Ignacio Vazquez-Abrams
por exemplo, coloque um NPN com base "em" D2 para que, quando D2 conduz, o transistor seja ligado. Emissor para terra e coletor para base de Q1. Quando o Vout estiver em torno de 6V, o drive base do conversor será desviado.
Russell McMahon
@ Ignac: Existem várias maneiras de isso funcionar. Minha primeira reação instintiva é colocar o CE entre o BE do Q1. Quando o segundo transistor é ligado, Q1 é retido, o que mataria as oscilações e, portanto, deixaria de produzir alta tensão. Isso ainda consumiria energia através do R1, e você teria que garantir que as oscilações iniciassem novamente quando esse transistor de realimentação se desligar. Existem outras maneiras também, como usar um FET para abrir a conexão com a bateria.
Olin Lathrop
Uma alternativa "agradável" é colocar um transistor na entrada / saída U1, de modo que, quando o regulador obtenha cerca de 0,6V de altura, o transistor seja ligado. isso pode ser NPN com emissor em Vout e base em Vin (por meio de um resistor ou um PNP ao contrário. Você o usa para afetar o oscilador de alguma forma. Eu fiz isso há muito tempo e mudei a relação marca-espaço do oscilador e tem um muito bom controle linear de ação regulador Olin há muito tempo também observou ter feito semelhante -.. que ambos chegaram ao iea independentemente meu osillator foi um gatilho inversor 74C14 Schmitt - permitindo um baixo custo e eficazes SMPS
Russell McMahon
- O ransistor no U1 pode fornecer headroom> 0,6V, se necessário.
Russell McMahon
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Você pode postar um link para onde você obteve as reivindicações. O comentário re C1 não faz todo o sentido.

Os circuitos JT (ladrão de Joule) geralmente são mal projetados ou não são realmente projetados ou mostram sinais de que as pessoas que os produziram não tinham um bom entendimento do que estavam fazendo. Este circuito está nessa classe.

O LD1117 possui uma tensão de entrada máxima de 15V. Mais alto que isso irá matá-lo.
Folha de dados LM1117 O diodo zener destina-se a proteger o regulador, mas sua classificação de tensão é mais baixa do que deveria.

O 1N4734A é um zener de 5,6V 1 Watt. A tensão do zener é muito baixa para permitir que o regulador LM1117 tenha espaço adequado em plena corrente. É provável que o "ladrão de Joule" não consiga energia suficiente para permitir que o LM1117 atinja a corrente de saída nominal máxima.

O JT executa "openloop". Se fizer mais de 1 Watt, tentará destruir o zener e, em seguida, o regulador e o MCU. Sem o zener, porque o JT é um conversor flyback, a tensão de saída será reduzida até que a energia disponível seja dissipada. Se a carga não estiver aceitando a energia disponível, a tensão continuará subindo até que o LM1117 comece a aceitar energia involuntariamente (ou seja, Vin_max excedido).

O significado da pergunta C1 não é claro. C1 pode ser totalmente carregado sem danos, desde que as tensões envolvidas não excedam o valor nominal de outros componentes conectados.

No geral, este não é um bom circuito. Existem circuitos substancialmente melhores disponíveis que não dependem da dissipação da força bruta da saída do conversor. Além disso, esse circuito não é especialmente "projetável" - é difícil dizer qual será o desempenho do conversor em nível de potência ou eficiência (mas ambos provavelmente são pequenos).

Russell McMahon
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Talvez eu precise de um Zener com classificação mais alta para proteger as entradas. No entanto, você pode me dizer como controlá-la fechada loop (eu posso usar o MCU à mente esta se o circuito pode inicializar em si, ou seja, começar a malha aberta e quando as botas MCU torna-se circuito fechado)
Maxthon Chan
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Além disso, eu manteria o LDO lá, pois, pelo menos, alguma regulamentação local, pois o MCU não aceita muito bem um trilho de força pulsante.
Maxthon Chan