Voleur de joule

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Article principal : Convertisseur Boost.
Voleur de joule à 3 LEDs

Un voleur de joule (en anglais joule thief) est un circuit électronique convertisseur de tension Boost auto-oscillant réduit à sa plus simple expression. Minuscule, peu coûteux et facile à fabriquer, généralement utilisé pour alimenter de petits appareils (Lampe de poche, baladeur numérique, etc). Il permet d'utiliser la quasi-totalité de l'énergie d'une simple pile ou d'un accu à cellule unique.

Ainsi, le circuit voleur de joule permet de rehausser la tension de la source (pile, accu) au dessus de la tension minimale nécessaire au fonctionnement de l'appareil qui y est connecté. On peut donc utiliser ses piles et accus plus longtemps car, même quand la tension de ces derniers chute en dessous de leur tension de service, le joule thief la rehausse. Le Voleur de joule va soutirer les derniers joules disponibles de la pile ou de l'accumulateur, d'où son nom ! Le terme anglais joule thief (voleur de joule) est un jeu de mots provenant de l'expression jewel thief signifiant voleur de bijoux.

Le circuit utilise les propriétés auto-oscillantes de l'oscillateur à blocage pour former un convertisseur élévateur de tension (non régulée). Comme toutes les technologies de conversion de puissance et en conformité avec la loi de Conservation de l'énergie, aucune énergie n'est créée par le circuit. Au lieu de cela, la tension de sortie est accrue au détriment de la consommation de courant qui augmente à l'entrée. En conséquence, la quantité d'énergie entrant dans le circuit est la même que celle qui en sort, moins les pertes dues au processus de conversion.

Exemple : à l'entrée, on a 1,5 Volts * 1,0 Ampère = 1,5 W , à la sortie, on a 3,0 Volts * 0,4 ampère = 1,2 W + 0,3 W (pertes)

Applications[modifier | modifier le code]

Le joule thief peut alimenter de petits appareils tels que : Lampe de poche, baladeur numérique, sonnette, chargeur ...

On peut utiliser diverses sources d'énergie pour alimenter le joule thief : pile, accumulateur, cellule photovoltaïque, module à Effet Peltier, dynamo de bicyclette (montée sur une petite éolienne, une micro-turbine), etc

Histoire[modifier | modifier le code]

Dans la section « Ingenuity Unlimited » (les idées des lecteurs) de l'édition de Novembre 1999 de la revue Electronics pratiques quotidiennes (EPE), page 804, Mr. Z. Kaparnik de Swindon a publié un circuit simple intitulé « Circuit micro-torche ». Ce dernier se composait d'un convertisseur de tension simple (transformateur de tension transistorisé à rétroaction basé sur l'oscillateur à blocage). À l'origine, il utilisait un tube à vide datant d'avant la Seconde Guerre mondiale. Le nom « Joule Thief » a été donné par Mr. Clive Mitchell [1] qui a inventé la variante du circuit de Kaparnik qui consistait en une cellule unique, un seul transistor NPN BC549, une bobine à deux enroulements, une seule résistance de 1000 ohms, et une seule LED blanche. Le nom « Joule thief » est devenu populaire et, depuis lors, certains l'ont emprunté pour l'attribuer à d'autres circuits électroniques. Cependant, ces circuits ne sont pas de véritables « voleurs de joule ».

Description[modifier | modifier le code]

Schéma d'un circuit Voleur de joule.

Exemple de réalisation d'un circuit de type Joule thief à LED. La bobine est constituée d'un noyau toroïdal en ferrite standard avec deux enroulements de 20 spires de fil de 0,15 mm (0,006 pouces) de diamètre (38 SWG) (34 à 35 AWG). Le circuit peut utiliser une tension d'entrée d'environ 0,35 V et peut durer des semaines, alimenté par une simple pile de type LR6/AA 1,5 V. La résistance est de 1000 Ohm, 1/4 W. Le transistor, de type NPN, pourrait être un BC547B, un 2SC2500, un BC337, un PN2222, un 2N4401 ou autre. VCEO = 30 V, P = 0,625 W. Une LED blanche Vf = 3,2 V convient.

fonctionnement[modifier | modifier le code]

Forme d'onde d'un Joule thief en fonctionnement, indiquant un cycle de service de 30% à environ 40 kHz.

Le circuit fonctionne en modifiant rapidement le transistor. Initialement, courant entre la borne de base du transistor (à travers la résistance et l'enroulement secondaire), l'amenant à commencer à conduire le courant de collecteur à travers l'enroulement primaire. Cela induit une tension dans l'enroulement secondaire (positif, en raison de la polarité d'enroulement, voir convention dot) qui bloque le transistor sur dur. Ce processus self-stoking/positive-feedback tourne presque instantanément le transistor sur aussi dur que possible (de le mettre dans la zone de saturation), ce qui rend le chemin regard collecteur-émetteur comme essentiellement un interrupteur fermé (depuis VCE sera seulement d'environ 0,1 volts, en supposant que le courant de base est suffisamment élevée). Avec l'enroulement primaire de manière efficace à travers la batterie, le courant augmente à un rythme proportionnel à la tension d'alimentation divisée par l'inductance. Switch-off du transistor s'effectue par des mécanismes différents qui dépendent de la tension d'alimentation. Le principal mode de fonctionnement repose sur la non-linéarité de l'inducteur (ceci ne s'applique pas aux bobines à noyau d'air). Comme les rampes de courant jusqu'à ce qu'il atteigne un point, dépend du matériau et de la géométrie de l'âme, où la ferrite saturés (le noyau peut être fait d'un matériau autre que la ferrite). Le champ magnétique résultant cesse d'augmenter et le courant dans l'enroulement secondaire est perdu, ce qui prive le transistor de commande de la base et le transistor commence à se désactiver. Le champ magnétique commence à s'effondrer, la conduite de courant dans la bobine dans la diode émettrice de lumière (élever la tension jusqu'à ce que la conduction se produit) et le champ magnétique induit une réduction de courant inverse dans le secondaire, bloquant le transistor disque hors tension. Au alimentation inférieure tensions d'un mode de fonctionnement différent prend le relais: le gain d'un transistor n'est pas linéaire avec VCE. Pour des tensions d'alimentation faibles (typiquement 0,75 V et au-dessous) du transistor nécessite un courant de base plus grande pour maintenir la saturation en tant que collecteur de courant augmente. Ainsi, quand il atteint un collecteur de courant critique, le lecteur de base disponible devient insuffisante et le transistor commence à pincer et l'action de rétroaction positive décrit précédemment se produit le tournant difficile off. Pour résumer, une fois le courant dans les bobines cesse d'augmenter pour une raison quelconque, le transistor va dans la région de coupure (et ouvre le "switch" collecteur-émetteur). Les effondrements de champ magnétique, induisant toutefois beaucoup de tension est nécessaire pour rendre la conduite de charge, ou pour l'enroulement secondaire courant de trouver un autre chemin. Lorsque le champ est à zéro, l'ensemble des répétitions de séquences, avec la batterie montée en puissance du courant primaire à remontage automatique jusqu'à ce que le transistor se met en marche. Si la charge sur le circuit est très faible, le taux de montée et la tension ultime au niveau du collecteur n'est limitée que par les capacités parasites, et peut s'élever à plus de 100 fois la tension d'alimentation. Pour cette raison, il est impératif que la charge est toujours connectée de sorte que le transistor n'est pas endommagé. Notez que, parce VCE est reflété vers le secondaire, l'échec du transistor en raison d'une faible charge se fera à travers la limite de VBE inverse pour le transistor étant dépassé (cela se produit à une valeur beaucoup plus faible que VCEmax). Le transistor dissipe très peu d'énergie, même à des fréquences d'oscillation élevées, car il passe le plus clair de son temps dans l'état complètement, soit nul, minimisant ainsi les pertes de commutation. La fréquence de commutation dans le circuit exemple ci-contre est d'environ 50 kHz. La diode électroluminescente clignote à ce rythme, mais la persistance de l'œil humain signifie que ce ne sera pas remarqué. [1]


Une simple dérivation régulateur pour les charges nécessitant une tension constante Quand une tension de sortie plus constante est souhaitée, un régulateur de tension peut être ajoutée à la sortie du premier schéma. Dans cet exemple simple, d'un shunt-régulateur, une diode de blocage ("D_rect") permet l'enroulement secondaire pour charger un condensateur de filtrage ("C_filter"), mais empêche le transistor de décharge du condensateur. Une diode Zener ("Z1") est utilisé pour limiter la tension de sortie maximale.

Systèmes concurrents[modifier | modifier le code]

Le brevet US 4,734,658 décrit un circuit oscillateur axé sur la basse tension, capable de fonctionner avec seulement 0,1 volt. Il s'agit d'une tension de fonctionnement beaucoup plus faible que celle nécessaire au joule thief. Ceci est possible grâce à l'usage d'un JFET, qui ne nécessite pas de sollicitation à l'avant d'une jonction PN pour son fonctionnement, car elle est utilisée dans le mode d'appauvrissement. En d'autres termes, le drain-source conduit déjà, même en l'absence de tension de polarisation. Le brevet US 4,734,658 est destiné à l'usage de sources d'énergie thermoélectriques, qui sont par nature des dispositifs basse tension. Un avantage de ce système est l’utilisation d'un JFET au silicium [2] plus facile à se procurer que les anciens composants au germanium.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  • « Abc Faire un joule thief » , www.bigclive.com, Consulté 28/06/2013
  • « Tension basse du circuit Driven Oscillator », www.google.com / patents, déposé 14/08/1987, Consulté 20/03/2012

Liens externes[modifier | modifier le code]

Joule Thief Simulation Supercharged Thief Joule a une grande efficacité US4734658, Google Brevets fiche complète de la version JFET de Joule Thief espacenet.com: CA1303154 - circuit oscillateur axée sur la basse tension, la date de priorité 1987-08-14