« ژول دزد » : دزد انرژی!

.

.

در الکترونیک «دزدِ ژول» یا «ژول دزد» به مداری متشکّل از افزاره های منفرد گفته می شود که یک اختلاف پتانسیل الکتریکی مستقیم را به ولتاژ بالاتری تبدیل می کند. نام «سارق ژول» که به آن در انگلیسی Joule thief می گویند، برگرفته از نام انگلیسیِ «سارق جواهرات» است که Jewel thief خوانده می شود و نوعی بازی با کلماتی است که ضرباهنگ یا نوشتار همسانی دارند و استفاده از آنها، نوعی تداعی و تداخل معانی مضحک ایجاد کرده است و مانند این است که این مدار مانند یک «سارق جواهرات» تا آخرین ذره ی نیروی الکتریکی باتری، حتی باتری های کم رمقی که در مصارفِ دیگر جواب نمی دهند و قابل استفاده نیستند را، می دزد! نام «ژول» در این نامگذاری به این علت به کار رفته که ژول در فیزیک یکای انرژی است.

.

تصویر 1: مدار «ژول دزد» با یک دیود نوری به عنوان بار. در این مدار با در نظر گرفتن مقادیر ولتاژ و جریان معمول، می توان برای سیم پیچ از یک هسته فریت حلقوی استفاده کرد که دور آن دو پیچش 20 دوری از سیم لاکی 0/15 میلی متر پیچیده شده باشد. هر نوع ترانزیستور منفی سیگنال کوچک مانند BC547B می تواند مورد استفاده قرار گیرد.   مقدار اهمی مقاومت باید در حدود یک کیلو اهم قرار داشته باشد. چنین مداری می تواند دیود نوری را حتی با یک باتری که فقط 0/35 ولت در خود دارد، روشن کند!

.

تاریـخـچه

در شماره ی نوامبر 1999 مجله ی Everyday Practical Electronics نویسنده ای به نام Z. Kaparnik در ستون «ایده های خوانندگان» مداری را تحت نام «مدار میکرو چراغ قوه» معرفی کرد. مداری که از یک ترانزیستور و یک سیم پیچ با دو پیچش شکل گرفته بود، و یک «وارونگر ولتاژ افزاینده بر اساس بازخورد مثبت» را تشکیل می داد. فرد دیگری به نام Clive Mitchell این مدار را با استفاده از یک ترانزیستور منفی (NPN) از نوع BC549، یک مقاومت یک کیلواهمی، و یک سیم پیچ با دو پیچش و یک دیود نورافشان سفید ساخت. او این مدار را با یک باتری معمولی 1/5 ولتی از قواره ی AA تغذیه کرد و به آن نام «سارق ژول» نهاد. پس از این، این عبارت عمومیت پیدا کرد و برای تمام مدارهای مشابه به کار برده شد.

.

مدار چگونه کار می کند؟

مدار «سارق ژول» به عنوان یک مبدّل یا وارونگرِ افزاینده با شاخصه ی «خود-نوسانی» (Self-oscillating) کار می کند. ولتاژ پیشرو ال.ای.دی. نور سفید در حدود 3 ولت است، و بلافاصله پس از روشن کردن مدار نورافشانی نمی کند. ترانزیستور مدار به صورت متناوب و چرخشی سیم پیچ را به خط تغذیه وصل می کند که از این طریق «انرژی مغناتیسی» در آن ذخیره می گردد. این انرژی در زمان مسدود بودن، ولتاژ بالایی را القا می کند (پدیده ی اندوکسیون) که این خود روان شدن جریانی از میان دیود نوری را امکان پذیر ساخته و انرژی ذخیره شده در سیم پیچ را در آن تخلیه می کند.

.

فرآیند شروع به کار مدار

پس از اتصال مدار به منبع ولتاژ، جریانِ اندکی از طریق مقاومت و پیچش ثانویه ی سیم پیچ به سوی پایه ی بیس ترانزیستور روان می شود و آن را به حالت هدایت می برد. در این جا، جریان بالاتری از راه پیچش اولیه ی سیم پیچ و مسیر میان کلکتور-امیتر ترانزیستور برقرار می گردد. بر اثر این جریان، «چگالی فلوی مغناتیسی» در هسته ی سیم پیچ بالا می رود. این تغییر مثبت در چگالی فلو به پیچش ثانویه ولتاژی را القا می کند که به علت «سری بودن» پیچش های سیم پیچ با منبع تغذیه ی مدار هم قطب است و در نتیجه باعث افزایش جریان بیس در ترانزیستور می شود. حالا، ترانزیستور مدار به علت این «تزویج» یا به عبارت دیگر «بازخورد مثبت»، بیش تر اشباع می شود و بهتر هدایت می کند. پایین آمدن مقاومت اهمی مسیر کلکتور-امیتر ترانزیستور باعث می شود که عملاً اولیه ی سیم پیچ به طور مستقیم به منبع تغذیه وصل شود. جریان سیم پیچ به صورت تقریبی – با چشم پوشی از تلفات ها – مطابق قانون خودالقایی (اندوکسیون) افزایش می یابد:

.

.

فرآیند خاموش شدن مدار

خاموش شدن ترانزیستور دو تاثیر متفاوت دارد.

اثر اصلی در این واقعیت نهفته است که ظرفیت سیم پیچ برای ذخیره انرژی مغناتیسی به خاطر کاربرد هسته ای از جنس ماده ی «فرّیت» محدود است. نظر به این که جریان گذرنده از سیم پیچ به مرور زمان به طور پیوسته افزایش می یابد، میدان مغناتیسی هم که توسط این پیچش پدید می آید بالا می رود. می دانیم که چگالی فلو پس از عبور از مقدار معینی، دیگر به بالاتر رفتن میدان جواب نمی دهد. این وضعیت که به ویژگی های ماده ی تشکیل دهنده ی هسته ی پیچش بستگی دارد، «اشباع هسته» خوانده می شود. در این نقطه است که افزایش چگالی فلو متوقف می شود. نتیجه این است که ولتاژ القا شده بر روی پیچش ثانویه دچار کاهش شده و به نوبه ی خود جریان بیس ترانزیستور را پایین می آورد. این امر باعث می شود که هدایت ترانزیستور کمتر شود. حالا، چگالی فلوی کاهش یابنده در سیم پیچ، یک ولتاژ القایی در خلاف جهت ولتاژ منبع تغذیه در ثانویه ی سیم پیچ ایجاد می کند که این خود باعث پایین رفتن هر چه بیشتر جریان بیس ترانزیستور می شود. این بازخورد (فیدبک) منفی نهایتاً سبب مسدود شدن ترانزیستور می شود. چون چگالی فلوی کاهش یابنده در هسته، در سیم پیچ اولیه نیز یک ولتاژ القایی ایجاد می کند، و پلاریته ی این ولتاژ حالا به صورت سری با منبع ولتاژ قرار دارد، روی کلکتور ولتاژی پدید می آید که بیش تر از ولتاژ تغذیه ی مدار است. حال این ولتاژ قادر است عبور جریان از درون دیود نوری را ممکن سازد. عبور جریان از دیود نوری به منزله ی تخلیه ی انرژی ذخیره شده در هسته ی سیم پیچ به دیود نوری و تبدیل آن به نور است.

اثر دوم بر چگونگی «تقویت جریان در یک ترانزیستور دو قطبی» به ازای جریان کلکتور آن موثر است. این اثر هم در باز شدن مجدد ترانزیستور موثر است. ابتدا، هنگام ناچیز بودن جریان کلکتور، متناسب با افزایش جریان کلکتور، ضریب تقویت جریان اندکی افزایش می یابد. پس از رسیدن جریان کلکتور به مقدار معینی، ضریب تقویت جریان شروع به کاهش می کند. چون مقدار جریان بیس توسط مقاومت، ولتاژ تغذیه و ولتاژ القا شده در سمت ثانویه ی سیم پیچ تعیین می شود، از این نقطه به بعد جریان کلکتور دیگر افزایش پیدا نخواهد کرد، و بالاتر رفتن چگالی فلو در ثانویه ی سیم پیچ نیز متوقف می گردد. در پی این حالت، ولتاژ القایی در ثانویه هم پایین می آید و همراه آن جریان بیس کمتر می شود. حالا با پدیدار شدن بازخورد منفی، ترانزیستور هم به حالت قطع می رود.

.

چـرخـه

در هر دو حالت چرخه ی کار مدار پس از تخلیه ی کامل انرژی مغناتیسیِ  هسته ی سیم پیچ تکرار می شود، زیرا به علت وجود ولتاژ تغذیه از طریق مقاومت و حالا سیم پیچی که در حال تخلیه ی انرژی خود است، دوباره جریان بیس می تواند برقرار شود. فرکانس کار این مدار، در صورت پایین نگاه داشتن ولتاژ تغذیه و جریان ها در حدود 50 کیلوهرتز خواهد بود.

.

اصلاحات و تغییرات

ولتاژ القا شونده در پیچش اولیه ی سیم پیچ در طول زمان تخلیه ی چگالی فلوی مغناتیسی هسته، توسط مداری که با دیود نوری شکل گرفته، محدود می شود. اگر دیود نوری به عنوان مصرف کننده یا «بار» از مدار حذف شود، تنها «ظرفیت های خازنی پارازیتی»این ولتاژ القایی را تحت تاثیر قرار داده و محدود می کنند. در این حالت ولتاژ القایی می تواند به مقادیری تا صدها برابر ولتاژ تغذیه افزایش یابد، که به علت تجاوز این ولتاژ از ولتاژ مجاز کلکتور-امیتر ترانزیستور باعث تخریب آن شود.

.

تصویر 2: مدار توسعه یافته ی  ژول دزد برای ایجاد یک ولتاژ پایدار و ثابت در خروجی. مقدار ولتاژ خروجی توسط ولتاژ شکست دیود زینر محدود و تثبیت می شود.

.

این افزایش تقریباً دلبخواه ولتاژ القایی هم می تواند برای تامین یک ولتاژ خروجی تثبیت شده ی بالاتر از ولتاژ منبع تغذیه مورد استفاده قرار گیرد. اگر به جای دیود نوری یک دیود پرسرعت و یک خازن به صورت سری در مدار قرار دهیم، ولتاژ القایی سبب شارژ شدن خازن خواهد شد. با موازی بستن یک دیود زینر با این خازن، ولتاژ شارژ خازن تا حد مورد نظر تنظیم و تثبیت و محدود می گردد.

.

کـاربـرد

ولتاژ پیشرو دیود نوری های سفید خیلی بالاتر از ولتاژ نامی باتری های قلمی معمولی (1/5 ولت) قرار دارد. اگر نخواهیم باتری های ویژه و گران قیمت مخصوص چراغ قوه هایی را که دارای دیود نوری های سفید هستند، بخریم، لازم است ولتاژ تغذیه ی دیود نوری ها را با اضافه کردن این مدار به چراغ قوه، افزایش دهیم.

به علت کمی افزاره های مصرفی و سادگی ساخت، این مدار بهترین انتخاب برای تولید ارزان چراغ قوه است.

.

.    

مطالب مرتبط:

.

.

www. etesalkootah.ir ||   2016-02-07 © 

2015 www.etesalkootah.ir  © All rights reserved.

تمامی حقوق برای www.etesalkootah.ir محفوظ است. بیان شفاهی بخش یا تمامی یک مطلب از www.etesalkootah.ir در رادیو،  تلویزیون و رسانه های مشابه آن با ذکر واضح "اتصال کوتاه دات آی آر" بعنوان منبع مجاز است. هر گونه  استفاده  کتبی از بخش یا تمامی هر یک از مطالب www.etesalkootah.ir در سایت های اینترنتی در صورت قرار دادن لینک مستقیم و قابل "کلیک" به آن مطلب در www.etesalkootah.ir مجاز بوده و در رسانه های چاپی نیز در صورت چاپ واضح "www.etesalkootah.ir" بعنوان منبع مجاز است.