Voleur de joules

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. Petit, peu coûteux et facile à fabriquer, généralement utilisé pour alimenter de petits appareils (lampe de poche, baladeur numérique, chargeur de téléphone, etc). Il permet d'utiliser la quasi-totalité de l'énergie contenue dans une pile ou un accumulateur à cellule unique. Le potentiel de ce circuit tient au fait qu'il est possible de faire fonctionner une ou plusieurs LEDs à partir d'une tension de seulement 0,7 V.

Description

Le circuit voleur de joule permet de relever 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 accumulateurs plus longtemps car, même quand la tension de ces derniers chute en dessous de leur tension de service, le voleur de joule la remonte. Le Voleur de joule va extraire 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 avec 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 conformément à la loi de Conservation de l'énergie, aucune énergie n'est créée par le circuit. En fait, la tension de sortie est relevée en contrepartie d'une consommation de courant augmentée 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 Volt * 1,0 Ampère = 1,5 W (puissance consommée),
• à la sortie, on a 3,0 Volt * 0,4 Ampère = 1,2 W (puissance fournie) + 0,3 W (pertes)

Applications

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

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

Histoire

Ce circuit a été décrit en 1999, par Z. Kaparnik. 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 Clive Mitchell [1] à sa variante du circuit de Kaparnik qui consistait en une cellule unique, un seul transistor NPN BC549, une bobine à deux enroulements, une unique résistance de 1000 ohms, et une 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 ».

Exemple

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 tore en ferrite standard avec deux enroulements de 20 spires de fil de 0,15 mm de diamètre. Le circuit peut utiliser une tension aussi faible que 0,35 V environ et peut durer des semaines s'il est alimenté par une pile de type LR6/AA 1,5 V. La résistance est une 1 000 Ohm ¹⁄₄ W. Le transistor, de type NPN, peut être un BC547B, un 2SC2500, un BC337, un 2N2222, un 2N4401 ou autre de $V_{CEO}$ = 30 V, P = 0,625 W. Une LED blanche $V_{f}$ = 3,2 V convient.

Fonctionnement

Forme d'onde d'un Joule thief en fonctionnement, montrant un rapport cyclique de 30% à environ 40 kHz.

Le circuit fonctionne par commutation rapide du transistor. Au démarrage, le courant traverse la base du transistor via la résistance de polarisation, l'enroulement secondaire et la jonction base-émetteur du transistor. Ceci commence à rendre le transistor conducteur, ce qui permet le passage du courant à travers l'enroulement primaire. Cela induit une tension dans l'enroulement secondaire (positive, en raison de la polarité d'enroulement, voir les points sur le schéma) qui rend le transistor encore plus conducteur en augmentant le courant de polarisation. Ce processus auto-oscillant (contre-réaction positive) rend le transistor conducteur presque instantanément en le mettant dans la zone de saturation, ce qui rend la jonction collecteur-émetteur équivalente à un interrupteur fermé (avec une tension VCE de seulement environ 0,1 V, en supposant que le courant de base soit suffisamment élevé). Avec l'enroulement primaire connecté ainsi aux bornes de la batterie, le courant augmente à un rythme proportionnel à la tension d'alimentation divisée par l'inductance. Le blocage du transistor s'effectue par des mécanismes différents selon la valeur de la tension d'alimentation.

Le principal mode de fonctionnement repose sur la non-linéarité de l'inducteur (ceci ne s'applique donc pas aux bobines à noyau d'air). Le courant augmente jusqu'au moment (qui dépend du matériau et de la géométrie du noyau) où la ferrite sature (le noyau peut aussi être fait d'un matériau autre que de la ferrite). Le champ magnétique résultant cesse alors d'augmenter et le courant induit dans l'enroulement secondaire cesse, ce qui réduit le courant de base du transistor. Le transistor commence alors à devenir moins conducteur. Le champ magnétique commence à baisser, et le courant de la bobine est redirigé vers la LED (la tension à ses bornes augmente jusqu'à ce que la conduction se produise) et induit un courant inverse dans le secondaire, bloquant le transistor brutalement.

A des tensions d'alimentation inférieures c'est un mode de fonctionnement différent qui s'applique : le gain d'un transistor n'est pas linéaire avec $V_{CE}$. Pour des tensions d'alimentation faibles (à partir de 0,75 V et au-dessous) le transistor nécessite un courant de base plus important pour maintenir la saturation alors que le courant collecteur augmente. Ainsi, quand il atteint un courant collecteur critique, le courant de base disponible devient insuffisant et le transistor commence à se bloquer et l'action de rétroaction positive décrite précédemment se produit bloquant brutalement le transistor.

En résumé, une fois que le courant dans les bobines cesse d'augmenter pour une raison quelconque, le transistor cesse d'être conducteur (et ouvre l'"interrupteur" collecteur-émetteur). La baisse soudaine du champ magnétique, génère cependant une tension plus importante pour que la charge devienne conductrice, et le courant de l'enroulement secondaire doit trouver un autre chemin.

Lorsque le champ est revenu à zéro, la séquence entière se reproduit ; avec la batterie augmentant le courant dans le primaire jusqu'à ce que le transistor devienne conducteur.

Si la charge du circuit est très faible, le taux d'augmentation de la tension et la tension maximum au niveau du collecteur ne sont limitées que par les capacités parasites, et peut s'élever jusqu'à plus de 100 fois la tension d'alimentation. Pour cette raison, il est impératif qu'une charge soit toujours connectée sinon le transistor risque d'être détruit. Comme $V_{CE}$ est identique sur le secondaire, la destruction du transistor en raison d'une faible charge est souvent due au dépassement de la limite de tension inverse $V_{BE}$ (ce qui se produit à une valeur beaucoup plus faible que $V_{CE_{max}}$).

Le transistor dissipe très peu d'énergie, même à des fréquences d'oscillation élevées, car il passe le plus clair de son temps en état complètement saturé (conducteur) ou bloqué, ce qui minimise les pertes de commutation et donc son échauffement.

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 rétinienne de l'œil humain fait que cela ne se remarque pas.[1]

Stabilisation de la tension de sortie

Quand une tension de sortie plus constante est souhaitée, on peut ajouter un régulateur de tension à la sortie du premier schéma. Dans cet exemple simple, d'un régulateur shunt, une diode de blocage ($D_{rect}$) permet l'enroulement secondaire pour charger un condensateur de filtrage ($C_{filter}$), mais empêche le transistor de décharger le condensateur. Une diode Zener ($Z1$) est utilisée pour limiter la tension de sortie maximale.

Systèmes concurrents

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.

Voir aussi

Bibliographie

• Abc Faire un joule thief, Consulté 28/06/2013

Liens externes

• [vidéo] Comment réaliser un « joule Thief »