ジュール泥棒

ジュールシーフは、小型で低コスト、簡単に構築できる最小限の自己発振電圧ブースターで、通常は 1.5 ボルトのバッテリーを使用して LED を駆動するなど、小さな負荷を駆動するために使用されます。単一セルの電気バッテリーのエネルギーのほぼすべてを、他の回路がバッテリーが完全に放電した (または「死んだ」) と見なす電圧よりはるかに低い電圧でも使用できます。そのため、この名前は、回路がエネルギーまたは「ジュール」をソースから「盗む」という概念を示唆しています。この用語は「宝石泥棒」の しゃれです。

この回路は、非調整電圧ブーストコンバータを形成する ブロッキング発振器の変形です。

ジュールシーフは新しい概念ではありません。基本的には、数十年前に特許を取得した自己発振電圧ブースターの出力に LED を追加するものです。

• 1930年に出願された米国特許1949383 ^{[1] 「}電子装置」では、低電圧を高電圧に変換する真空管ベースの発振回路について説明されている。
• 1937年に出願された米国特許2211852 ^{[2] 「}ブロッキング発振器装置」は、真空管ベースのブロッキング発振器について説明しています。
• 1951年に出願された米国特許2745012 ^[3]「トランジスタブロッキング発振器」では、トランジスタベースのブロッキング発振器の3つのバージョンについて説明されている。
• 1955年に出願された米国特許2780767 ^[4]、「低電圧を高直流電圧に変換するための回路配置」。
• 米国特許第2881380号、^[5] 1956年出願、「電圧変換器」。
• 1987年に出願された米国特許4734658 ^{[6] 「}低電圧駆動発振回路」は、0.1ボルト（ジュールシーフが動作する電圧よりも低い）から動作可能な非常に低い電圧駆動の発振回路について説明しています。これは、JFETを使用することで実現されます。JFETはデプレッションモードで使用されるため、動作にPN接合の順方向バイアスを必要としません。言い換えると、バイアス電圧が印加されていない場合でも、ドレイン-ソース間は既に導通しています。この特許は、熱電電源での使用を目的としていました。

1999 年 11 月のEveryday Practical Electronics ( EPE ) 誌の「Ingenuity Unlimited」(読者のアイデア) セクションに、英国ウィルトシャー州スウィンドンのZ. Kaparnikによる「1 ボルト LED - 明るい光」という斬新な回路アイデアが掲載されました。1.5 ボルト未満の電源電圧で LED を動作させるための 3 つの回路例が示されました。基本回路は、ブロッキング発振器に基づくトランス フィードバック NPN トランジスタ電圧コンバータで構成されていました。3 つのトランジスタ (効率 73% の ZTX450、79% の ZTX650、57% の BC550) をテストした結果、V _ce(sat)が低いトランジスタの方が効率が良いことがわかりました。また、抵抗器の抵抗値が低いほど、電流が大きくなります。^[7]

この回路は、トランジスタを高速に切り替えることで機能します。最初に、抵抗器、二次巻線、ベース・エミッタ接合部 (図を参照) に電流が流れ始め、トランジスタが一次巻線にコレクタ電流を流し始めます。2 つの巻線は反対方向に接続されているため、二次巻線に正の電圧 (巻線の極性による、ドット規則を参照) が誘導され、より高いバイアスでトランジスタがオンになります。この自己ストローク/正のフィードバック プロセスにより、トランジスタはほぼ瞬時に最大限にオンになり (飽和領域になります)、コレクタ・エミッタ パスは基本的に閉じたスイッチのように見えます (ベース電流が十分に高いと仮定すると、V _{CE は}約 0.1 ボルトに過ぎないため)。一次巻線が実質的にバッテリーを横切ると、電流は電源電圧をインダクタンスで割った値に比例した速度で増加します。トランジスタのスイッチオフは、電源電圧に応じてさまざまなメカニズムで行われます。トランジスタのゲインは V _CEと直線的ではありません。低い電源電圧 (通常 0.75 V 以下) では、コレクタ電流が増加するにつれて、トランジスタは飽和を維持するためにより大きなベース電流を必要とします。したがって、臨界コレクタ電流に達すると、利用可能なベース駆動が不十分になり、トランジスタがピンチオフし始め、前述の正のフィードバック動作が発生してトランジスタが強制的にオフになります。要約すると、コイルの電流が何らかの理由で増加しなくなると、トランジスタはカットオフ領域に入ります (コレクタ - エミッタ「スイッチ」が開きます)。磁場が崩壊し、負荷を導通させるために必要な電圧、または二次巻線電流が別の経路を見つけるために必要な電圧が誘導されます。磁場がゼロに戻ると、シーケンス全体が繰り返され、バッテリーが一次巻線電流を徐々に増加させ、トランジスタがオンになります。回路の負荷が非常に小さい場合、コレクタの上昇率と最終電圧は浮遊容量によってのみ制限され、電源電圧の 100 倍以上に上昇することがあります。このため、トランジスタが損傷しないように常に負荷を接続することが不可欠です。V _CEは二次側にミラーリングされるため、小さな負荷によるトランジスタの故障は、トランジスタの逆 V _{BE制限を超えることによって発生します (これは V CE の}最大値よりもはるかに低い値で発生します)。トランジスタは、ほとんどの時間を完全オンまたは完全オフの状態で過ごすため、高い発振周波数でもエネルギーをほとんど消費しません。そのため、トランジスタの電圧または電流はゼロになり、スイッチング損失が最小限に抑えられます [de]。

前の回路図を少し変更して、LED を 3 つのコンポーネントに置き換え、シンプルなツェナー ダイオード ベースの電圧レギュレータを作成します。ダイオード D1 は半波整流器として機能し、ダイオード D1 の左側にあるジュール シーフからより高い電圧が利用できる場合にのみコンデンサ C を充電します。ツェナー ダイオードD2 は出力電圧を制限します。調整がないため、負荷によって消費されない余分なエネルギーはツェナー ダイオードで熱として消散され、結果として変換効率が低下します。

より一定の出力電圧が必要な場合、ジュールシーフに閉ループ制御を与えることができます。例の回路では、ショットキー ダイオードD1 は、オンになったときにコンデンサ C1 に蓄積された電荷がスイッチング トランジスタ Q1 に逆流するのをブロックします。5.6 ボルトのツェナー ダイオードD2 とトランジスタ Q2 はフィードバック制御を形成します。コンデンサ C1 の両端の電圧が、D2 のツェナー電圧とトランジスタ Q2 のベース エミッタ ターンオン電圧によって形成されるしきい値電圧よりも高い場合、トランジスタ Q2 がオンになり、スイッチング トランジスタ Q1 のベース電流を迂回して発振を妨げ、コンデンサ C1 の両端の電圧がそれ以上上昇するのを防ぎます。C1 の両端の電圧がしきい値電圧を下回ると、Q2 はオフになり、発振が再び発生します。この非常に単純な回路には、BJT2 (Vbe) による温度依存の出力電圧と比較的高いリップルという欠点がありますが、損失の少ない単純な LC π ネットワークでフィルタリングできます。この例の回路には、出力電圧をさらに調整し、リップルを低減する低ドロップアウトレギュレータが含まれていますが、変換効率が低いという欠点があります。

• アームストロング発振器 - インダクタとコンデンサを使用して振動を生成する電子発振回路フォールバックとしてウィキデータの説明を表示するページ
• ブロッキング発振器 - 自由走行信号を生成できる個別の電子部品の構成フォールバックとしてウィキデータの説明を表示するページ
• フライバックコンバーター - 電圧変換回路の種類
• フォワードコンバータ – 電圧変換回路の種類
• スイッチング電源 – スイッチングレギュレータを備えた電源

ウィキメディア・コモンズには、ジュール泥棒 (電子機器)に関連するメディアがあります。

• ジュールシーフシミュレーション - 2021-05-01 アーカイブ
• さまざまな Joule Thief バージョンのシミュレーションと効率の比較 - 2017 年 10 月 30 日にアーカイブ(ポーランド語)
• 効率の高いスーパーチャージ式ジュールシーフ（拡大図）
• ジュール泥棒 - 修正版
• クライヴ・ミッチェルがジュール泥棒を製作
• ビデオ ジュール泥棒を作る(フランス語)