一個(gè)神奇的振蕩升壓電路—焦耳小偷電路概述

一、電路概述

焦耳小偷（Joule Thief）可以榨干一顆電池的能量，即使是平常所謂“用光了”的舊電池，通過(guò)它也能繼續(xù)發(fā)揮“余熱”。所以將其形象地比喻為電能量“焦耳”的小偷。

其神奇之處在于：一顆5號(hào)舊電池，在“用光了”之后，仍有大約1V電壓，而LED需要2~3V驅(qū)動(dòng)電壓，焦耳小偷可以實(shí)現(xiàn)升壓，讓舊電池為L(zhǎng)ED繼續(xù)供電！

二、原理解析

焦耳小偷，實(shí)質(zhì)是一種（自）振蕩電路，它把電池的低電壓，轉(zhuǎn)換為一個(gè)個(gè)較高電壓的脈沖，且頻率很高（數(shù)KHz）。脈沖可以點(diǎn)亮LED，眼睛的“余暉效應(yīng)”又會(huì)讓人感覺(jué)到LED持續(xù)在點(diǎn)亮。

2002年，Clive Mitchell給出了一個(gè)由現(xiàn)代化電子元器件構(gòu)建的振蕩升壓電路，它包含了一個(gè)變壓器、一個(gè)三極管、一個(gè)電阻、一個(gè)LED和一個(gè)電池，并將這種電路正式取名為“焦耳小偷”：

圖2-焦耳小偷電路圖

其中，電池選用AA電池（5號(hào)電池）1.5 V，電阻阻值為1 kΩ，三極管可以是2N3904、BC547B、 2N2222等常規(guī)型號(hào)，LED驅(qū)動(dòng)電壓在2.33.2V甚至更高都可以。

如果查看LED上的電壓波形，會(huì)看到一個(gè)個(gè)脈沖，其電壓被鉗位到LED驅(qū)動(dòng)電壓，占空比大約30%，頻率大約40KHz：

圖3-焦耳小偷振蕩脈沖

雖然電路看上去簡(jiǎn)單，但是它的工作過(guò)程卻不簡(jiǎn)單，解釋起來(lái)還真不容易。但萬(wàn)變不離其宗，其中最關(guān)鍵的元器件是變壓器上的“電感”。

在此，我先給出純粹依靠“電感”進(jìn)行升壓點(diǎn)燈（閃爍）的電路，相信大家很容易看明白：

圖4-電感升壓點(diǎn)燈

其中：

• 開(kāi)關(guān)閉合，電感儲(chǔ)存能量，燈不亮；
• 開(kāi)關(guān)打開(kāi)，電感釋放能量，燈閃爍；（完整過(guò)程描述為：電路電流中斷，電感上電流不能突變，為維持電流，升高電壓打通燈的回路，但因?yàn)槟芰亢苄。灾挥幸凰查g被點(diǎn)亮）

我們可以做個(gè)實(shí)驗(yàn)如下：

圖5-電感升壓點(diǎn)燈實(shí)驗(yàn)

圖中，左側(cè)就是自制電感，右下角不停按的就是開(kāi)關(guān)。試著想象一下，如果一個(gè)人可以非常高的速度拼命按開(kāi)關(guān)，那么LED在人類(lèi)的眼里就是常亮的。這個(gè)核心思想，在理解下列焦耳小偷工作過(guò)程的時(shí)候請(qǐng)記得。

三、工作過(guò)程

A. 元器件連接圖

為了直觀，將圖2中的原理圖，改畫(huà)為元器件連接圖：

圖6-焦耳小偷的電子元器件連接圖

其中：

• 電池可以是普通的5號(hào)電池；
• 電阻為1KΩ限流電阻，為三極管BE通路上提供電流；
• 變壓器是在磁環(huán)芯上由兩根線(xiàn)繞制而成，注意紅線(xiàn)的上端連接電源正極，綠線(xiàn)的下端連接電源正極（忽略電阻），這就符合了圖2中變壓器的同名端畫(huà)法；
• LED并聯(lián)在三極管CE通路上；

B. 三極管的知識(shí)點(diǎn)

如果你對(duì)三極管不熟悉，可以將其理解為BE通路上是較小的電流，CE通路上是較大的電流。

在截止?fàn)顟B(tài)下，BE通路沒(méi)有電流或有非常微小電流通過(guò)，CE通路上則沒(méi)有電流通過(guò)。

在正常狀態(tài)下，三極管具有電流放大能力，放大倍數(shù)為β。即，CE通路電流與BE通路電流呈β倍數(shù)關(guān)系?？梢哉f(shuō)，BE通路電流控制了CE通路電流，BE通路電流小，CE通路電流也?。籅E通路電流大，CE通路電流也大；且兩者有β的倍數(shù)關(guān)系。

在飽和狀態(tài)下，BE通路和CE通路上電流的倍數(shù)關(guān)系不再成立。此時(shí)就算BE通路電流再大，CE通路電流達(dá)不到β倍，而只能維持在一個(gè)恒定值。這個(gè)恒定值是由電源輸出能力或者CE通路上電阻決定的。意味著CE通路電流是有極限的，不會(huì)無(wú)限變大。當(dāng)然BE通路也是有極限的，它的通路上有一個(gè)1KΩ的限流電阻。

C. 工作過(guò)程

• 1. 初始上電時(shí)，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)。
• 2. 一小部分電流經(jīng)過(guò)電阻和綠色線(xiàn)圈，進(jìn)入三極管BE通路。這導(dǎo)致三極管CE通路略微打開(kāi)，因此也有部分電流經(jīng)紅色線(xiàn)圈，再進(jìn)入三極管CE通路。
• 3. 此時(shí)三極管處于放大狀態(tài)，流經(jīng)CE通路和紅色線(xiàn)圈的電流要大于流經(jīng)BE通路和綠色線(xiàn)圈的電流。電流越大，線(xiàn)圈中產(chǎn)生磁通量的也越大。所以在變壓器磁環(huán)芯上，是以紅色線(xiàn)圈電流產(chǎn)生的磁通量為主。
• 4. 由于紅色線(xiàn)圈和綠色線(xiàn)圈共享磁通量，紅色線(xiàn)圈電流一直在變大，磁通量也在變大，對(duì)于磁通量的變化，綠色線(xiàn)圈會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向與紅色線(xiàn)圈作為負(fù)載的電壓相反（可以從楞次定律、變壓器同名端等角度分析），所以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)疊加電源電壓本身，使得三極管BE通路壓降變大（見(jiàn)下圖），BE通路電流也變大，這使得三極管CE通路電流也進(jìn)一步變大。

圖7-正反饋?zhàn)屓龢O管迅速飽和

• 5. 上述3和4是一個(gè)正反饋，但CE通路電流不會(huì)無(wú)限制變大，最終三極管進(jìn)入飽和狀態(tài)，CE通路上電流不再變化。
• 6. CE通路上電流不變，磁通量就不變，于是綠色線(xiàn)圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)消失，BE通路上壓降變小，BE通路電流也相應(yīng)變小。
• 7. 三極管BE通路上電流變小，意味著CE通路上電流也要進(jìn)一步變小。
• 8. 三極管CE通路電流變小，紅色線(xiàn)圈的磁通量也變小。綠色線(xiàn)圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)阻礙其變化，這次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電源電壓方向相反，使得三極管BE通路壓降降低，繼而降低BE通路上電流（見(jiàn)下圖）。

圖8-正反饋?zhàn)屓龢O管迅速截止

• 9. 上述7和8也是一個(gè)正反饋，它使得三極管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。
• 10. 三極管截止，紅色線(xiàn)圈作為一個(gè)電感，它的電流通路被打斷，電流無(wú)處釋放，它升高兩端電壓，打通LED通路，點(diǎn)亮LED（原理和圖4類(lèi)似）。
• 11. 能量釋放完后，綠色線(xiàn)圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)消失，BE通路可以被電源正偏置。新的一輪過(guò)程又周而復(fù)始的開(kāi)始。
• 所以L(fǎng)ED能夠被周期性點(diǎn)亮，是由于正反饋的原因，三極管不停地被快速導(dǎo)通（飽和）和快速截止，在這種高頻率的振蕩下，LED在肉眼看上去就是常亮的。

四、實(shí)驗(yàn)效果

圖9-焦耳小偷實(shí)驗(yàn)效果

總結(jié)：

這個(gè)電路利用變壓器和三極管的組合，使三極管總是處于截止-飽和狀態(tài)之間不停振蕩，每次振蕩都有正反饋介入，所以振蕩頻率非常高，高頻的電流變化引發(fā)高頻的磁場(chǎng)變化，進(jìn)而能夠感應(yīng)出高于電源的電壓來(lái)點(diǎn)亮LED。