The Joule Thief as a simple Battery Charger

 

        Idenya adalah untuk mengisi baterai yang hampir kosong dengan hanya menggunakan baterai yang hampir habis untuk melakukan pengisian. Proyek ini menggunakan salah satu sirkuit paling sederhana dan kuat yang pernah diproduksi dan itu adalah sirkuit "Joule Thief". Sirkuit yang paling mengesankan ini dibagikan oleh perancangnya Z. Kaparnick di bagian "Kecerdasan Tidak Terbatas" dari majalah "Elektronik Praktis Sehari-hari" edisi November 1999. Rangkaiannya sangat, sangat sederhana, hanya terdiri dari satu transistor, satu resistor, dan sebuah kumparan. Rangkaian awalnya digunakan untuk menyalakan Light Emitting Diode (“LED”), tetapi dapat digunakan untuk lebih dari itu. Ini adalah sirkuitnya:

                Kumparan asli terbuat dari dua helai kawat yang dililitkan berdampingan di sekitar cincin ferit kecil atau "toroid". Rangkaian secara otomatis berosilasi, menghasilkan tegangan yang jauh lebih tinggi pada kolektor transistor, dan sementara tegangan baterai hampir tidak cukup untuk membuat LED menyala, rangkaian menyalakannya dengan mudah.

            Tidak perlu melilitkan kumparan pada cincin ferit karena silinder kertas sudah cukup memadai. Rangkaian tersebut kemudian diadaptasi oleh Bill Sherman dan digunakan untuk mengisi baterai kedua serta menyalakan Light-Emitting Diode seperti ini:

            Saya pernah menggunakan rangkaian jenis ini tanpa LED, untuk mengisi baterai isi ulang dari 0,6 volt hingga 1,34 volt hanya dalam waktu satu jam, jadi tentu efektif sebagai pengisi daya baterai. Sirkuitnya seperti ini:

 

            Namun, rangkaian memiliki kelemahan kecil jika baterai penggerak memiliki tegangan lebih besar dari tegangan baterai pengisian ditambah penurunan tegangan melintasi dioda, maka baterai penggerak akan memberi makan arus langsung ke baterai pengisi daya melalui belitan merah yang ditunjukkan di atas dan melalui dioda. Itu bisa diatasi dengan memasang baterai secara seri seperti yang dilakukan John Bedini. Arus yang mengalir ke baterai yang sedang diisi juga mengalir ke baterai drive:

                Kumparan dapat dililit dengan cukup mudah. Pensil bisa dijadikan bekas yang bagus untuk gulungan, jadi potong selembar kertas selebar 100 milimeter dan bungkus di sekitar pensil untuk membentuk silinder kertas setebal beberapa lapis dan lebar 100 milimeter dan tutup dengan Selotape:

                Pastikan bahwa ketika Anda menarik silinder kertas bersama-sama dengan Selotape, Anda tidak menempelkan kertas ke pensil karena kita ingin menggeser silinder yang sudah selesai dari pensil setelah kita melilitkan gulungan di atasnya. Kumparan sekarang dapat dililitkan pada silinder kertas, dan untuk ini, lebih mudah menggunakan dua gulungan kawat tembaga enamel lima puluh gram. Kawat yang saya gunakan berdiameter 0,375 milimeter. Ada banyak cara berbeda untuk menggulung kumparan. Cara yang saya gunakan adalah dengan menyisakan sedikitnya 100mm kawat cadangan di awal agar koil dapat disambungkan saat dililit, lalu buat tiga atau empat putaran seperti ini:

            Kemudian tahan belokan itu di tempatnya dengan Selotape sebelum melilitkan sisa koil. Akhirnya, ujung kanan kumparan diamankan dengan Selotape dan kemudian kedua ujungnya ditutup dengan pita listrik karena Selotape memburuk seiring waktu. Sementara gulungan ini telah dililit hanya dengan satu lapisan, jika Anda mau, selembar kertas tambahan dapat digunakan untuk menutupi lapisan pertama dan lapisan kedua yang dililitkan di atasnya sebelum direkatkan dan dilepas dari pensil.

      Sementara diagram di atas menunjukkan untaian kawat dalam dua warna, kenyataannya adalah bahwa kedua kabel akan memiliki warna yang sama sehingga Anda berakhir dengan sebuah kumparan yang memiliki dua kabel yang tampak identik keluar dari setiap ujungnya. Anda membuat kabel di setiap ujung lebih dari panjang koil sehingga Anda memiliki cukup kabel penghubung untuk membuat sambungan akhir. Gunakan multimeter (atau baterai dan LED) untuk mengidentifikasi kabel di setiap ujung yang menghubungkan sepanjang kumparan dan kemudian hubungkan salah satu ujung kabel itu ke kabel lainnya di ujung lainnya. Itu membuat ketukan tengah koil "B":

            Kumparan perlu diperiksa dengan cermat sebelum digunakan. Idealnya, sambungan tersebut disolder dan jika kawat tembaga berenamel yang digunakan adalah jenis yang “dapat disolder” (yang merupakan jenis yang paling umum), maka panas besi penyolder akan membakar enamel setelah beberapa detik, membuat sambungan yang baik pada sambungan yang digunakan sebelumnya. menjadi kabel yang sepenuhnya berenamel. Tes resistensi perlu dilakukan untuk memeriksa kualitas koil. Pertama, periksa resistansi DC antara titik "A" dan "B". Hasilnya harus kurang dari 2 ohm. Kemudian periksa resistansi antara titik "B" dan "C" dan itu harus menjadi nilai resistansi yang sama persis. Akhirnya, periksa resistansi antara titik "A" dan "C" dan nilai itu harus dua kali resistansi "A" ke "B" tetapi tampaknya jarang.

            Rangkaian sederhana seperti yang ditunjukkan dapat mengisi empat baterai AA secara seri ketika rangkaian digerakkan oleh hanya satu baterai AA. Saya telah menggunakan dioda 1N4148 yang merupakan dioda silikon dengan penurunan tegangan 0,65 atau 0,7 volt dan telah bekerja dengan baik. Namun, dioda germanium dengan penurunan tegangan 0,25 hingga 0,3 yang jauh lebih rendah umumnya direkomendasikan, mungkin dioda 1N34A. Disarankan juga bahwa menggunakan dua atau tiga dioda secara paralel sangat membantu.

             Metode pelengkap atau alternatif untuk meningkatkan efisiensi sirkuit adalah dengan menambahkan belitan bifilar tambahan ke koil, membuat sirkuit "FLEET" Lawrence Tseung seperti yang dibahas dalam bab 5:

        Dengan susunan ini, belitan kedua juga dibuat dengan dua kabel berdampingan dan kemudian ujung kabel pertama terhubung secara permanen ke awal kabel kedua, hanya menyisakan satu kabel yang keluar dari setiap ujung belitan baru. Arus yang ditarik dari belitan baru ini tidak mempengaruhi penarikan arus dari baterai penggerak yang menjalankan sirkuit Joule Thief.

        Jika Anda memiliki osiloskop, maka rangkaian dapat disetel untuk kinerja optimal dengan menempatkan kapasitor kecil di resistor "R" dan menemukan nilai kapasitor yang menghasilkan tingkat denyut tertinggi dengan komponen khusus Anda. Kapasitor tidak penting dan saya tidak pernah menggunakannya tetapi nilai seperti 2700 pF terkadang ditampilkan. Saya telah menggunakan sirkuit "FLEET" ini untuk mengisi dua baterai timbal- asam 12 volt, menggunakan satu untuk menggerakkan sirkuit yang mengisi baterai kedua. Kemudian, tukar baterai dan ulangi prosesnya beberapa kali. Setelah itu, baterai dibiarkan selama satu jam untuk menghentikan proses kimia, dan kemudian diukur tegangannya. Hasilnya adalah kedua baterai memperoleh daya yang signifikan, nyata, dan dapat digunakan selama proses tersebut. Karena satu-satunya daya yang diterapkan ke sirkuit berasal dari baterai, itu adalah hasil yang signifikan. Juga, karena baterai timbal-asam hanya 50% efisien dan kehilangan setengah dari arus pengisian yang Anda masukkan ke dalamnya, sirkuit harus menghasilkan keuntungan energi dengan lebih dari dua kali daya output dibandingkan dengan daya input.

        Namun, menjaga hal-hal sederhana dan berkonsentrasi pada sirkuit Joule Thief, jika kami mewakili versi yang sedikit lebih baik dari sirkuit yang menggunakan tiga dioda pengisian yang terhubung secara paralel, seperti ini:

        Kemudian kita dapat memberinya makan dari beban yang berguna daripada baterai. Misalnya, jika kita memutuskan untuk menghasilkan pencahayaan menggunakan rangkaian 12-volt 24-LED:

    Kemudian kita mungkin memilih untuk menggunakan konverter DC-ke-DC komersial seperti ini:

Seperti ini:

        Sirkuit ini bekerja dengan sangat baik. Arus yang diumpankan ke konverter step-up DC-ke-DC dikendalikan oleh tegangan pada titik “A” dan resistansi keseluruhan rangkaian Joule Thief. Seperti yang ditunjukkan, ia menarik sekitar 70 miliampere dan menyalakan satu atau dua rangkaian LED dengan terang selama enam jam saat ditenagai oleh satu set empat baterai ukuran AA Digimax 2850 mAHr.

        Selama periode enam jam itu, semua 70 miliampere arus diumpankan ke sirkuit Joule Thief dan itu memungkinkannya untuk mengisi baterai set kedua. Enam jam adalah lamanya waktu yang saya pribadi menyalakan lampu di malam hari. Itu berarti bahwa selain enam jam pengisian daya yang telah dicapai, masih ada delapan belas jam lagi selama sirkuit dapat digunakan untuk melanjutkan pengisian daya baterai.

        Sementara rangkaian menunjukkan sakelar yang menyebabkan korsleting pada konverter untuk memadamkan lampu, sebenarnya tidak perlu menggunakan arus setinggi itu selama sisa hari itu, sehingga sakelar dua kutub dapat digunakan untuk memutuskan lampu dan menjatuhkannya. tingkat arus ke 20 miliampere dengan hubungan arus pendek salah satu dioda yang mengurangi tegangan di Pencuri Joule seperti ini:

        Sirkuit seperti yang ditunjukkan sejauh ini memiliki dua set empat baterai. Akan menyenangkan untuk bertukar di antara mereka setiap beberapa menit. Baterai yang memberikan daya ke beban hampir tidak terisi seperti halnya baterai yang tidak terisi sedang diisi. Namun, mekanisme yang beralih di antara dua set baterai harus memiliki penarikan arus yang sangat rendah agar tidak membuang arus. Salah satu kemungkinan untuk itu adalah dengan menggunakan relai pengunci 5 volt seperti ini:

        Ini adalah versi elektronik dari sakelar dua kutub mekanis. Pulsa arus singkat antara pin 1 dan 16 mengunci sakelar di satu posisi dan kemudian, pulsa arus antara pin 2 dan 15 menguncinya di posisi lain. Pengurasan arus di sirkuit akan hampir nol.

        Sementara sirkuit terpadu NE555 standar dapat beroperasi dengan tegangan suplai hingga 4,5 volt (dan dalam praktiknya, sebagian besar akan beroperasi dengan baik pada tegangan suplai yang jauh lebih rendah), ada beberapa IC 555 yang jauh lebih mahal yang dirancang untuk bekerja pada tegangan suplai yang jauh lebih rendah. Salah satunya adalah TLC555 yang memiliki rentang tegangan suplai dari hanya 2 volt hingga 15 volt, yang merupakan rentang yang sangat mengesankan. Versi lain adalah ILC555N dengan rentang tegangan 2 hingga 18 volt. Menggabungkan salah satu chip tersebut dengan relai pengunci menghasilkan rangkaian yang sangat sederhana karena rangkaian timer 555 sangat sederhana:

        Kapasitor yang digunakan harus berkualitas tinggi dengan kebocoran yang sangat rendah untuk mendapatkan bentuk gelombang yang Nyala untuk jangka waktu yang sama persis dengan Nyala. Ini penting jika kita ingin kedua paket baterai menerima lama waktu yang sama untuk menyalakan beban dengan waktu yang mereka terima untuk diisi ulang.

        Kelemahan dari chip timer 555 dari sudut pandang kami adalah bahwa ia hanya memiliki satu output sementara kita membutuhkan dua output, satu jatuh ketika yang lain naik. Itu dapat diatur dengan menambahkan transistor dan beberapa resistor seperti ini:

    Dengan rangkaian ini, ketika pin 3 dari chip 555 menjadi rendah, kapasitor yang  menghubungkannya ke pin 2 dari relai menarik tegangan rendah pada pin 2 dan menyebabkan relai berubah status saat relai pin 15 terhubung ke + 5V, menyebabkan lonjakan arus melalui koil saat kapasitor diisi. Beberapa saat kemudian, ketika kapasitor telah diisi, arus turun ke nol. Lima menit kemudian pin 3 menjadi tinggi lagi dan itu mengaktifkan transistor yang menyebabkan tegangan kolektornya turun dengan cepat mendekati nol. Itu menarik pin 1 relai ke bawah yang menyebabkannya berubah status sebelum kapasitor memiliki kesempatan untuk mengisi daya.

           Ini baik-baik saja jika kapasitor yang ditunjukkan dengan warna biru berkualitas buruk dan muatannya habis dalam waktu lima menit. Saat ini, bahkan kapasitor murah pun umumnya memiliki kualitas yang terlalu bagus untuk memungkinkan hal itu terjadi, jadi kita perlu menghubungkan resistor melintasi kapasitor untuk membuat penurunan muatan itu. Tetapi resistor tambahan itu terhubung terus menerus dan karenanya harus memiliki nilai yang cukup tinggi untuk tidak menyia-nyiakan arus yang signifikan – mungkin 18K akan menjadi pilihan yang masuk akal. Sebuah resistor 18K dengan lima volt melintasinya hanya menarik arus 0,278 miliampere. 

        Sirkuit Joule Thief tidak memerlukan arus input sebanyak 70 miliampere jika ingin mengisi baterai dengan baik. Akibatnya, kita dapat menggunakan dua atau tiga sirkuit Joule Thief, semuanya ditenagai oleh arus yang mengalir melalui LED penerangan. Jika sirkuit akan digunakan oleh seseorang yang tidak mengerti cara kerjanya, maka mungkin perlu menambahkan sirkuit penginderaan tegangan baterai yang mematikan sistem pengisian saat baterai terisi penuh karena sistem mungkin tidak digunakan selama beberapa hari. jika pemiliknya jauh dari rumah. 

        Timer yang ditampilkan di sini idealnya harus memiliki rasio Nyala / Mati yang sangat cocok dan output yang turun ke nol pada awal periode Nyala dan Mati. Kapasitor adalah kapasitor besar apa pun karena hanya mencegah hilangnya penerangan singkat selama transisi dari satu baterai ke baterai lainnya.

 

atau:

        Saat ini yang dimasukkan ke konverter DC-DC mengontrol tingkat pencahayaan yang disediakan. Tingkat saat ini diatur oleh jumlah dioda dalam seri di bawah titik "A" dalam diagram sirkuit. Menambahkan dioda tambahan meningkatkan hasil imbang saat ini secara substansial. Dioda yang digunakan adalah jenis 1N4148 yang sangat murah meskipun satu dioda germanium 1N34 dapat digunakan jika diperlukan kontrol tegangan yang lebih akurat. Output cahaya ditingkatkan kualitasnya dengan menambahkan satu atau lebih rangkaian LED tambahan yang disambungkan secara paralel karena arus dibagi secara merata di antara semua rangkaian LED dan masing-masing menjadi kurang menyilaukan karena keluaran cahaya berasal dari area yang lebih terang. Keuntungan tambahan adalah bahwa setiap LED bekerja pada suhu yang jauh lebih rendah dan meningkatkan keandalan dan masa pakai.

    

        Berikut adalah tata letak fisik untuk desain tiga Joule Thief, menggunakan potongan stripboard 125 x 35 mm, yaitu potongan yang memiliki empat belas strip tembaga yang masing-masing strip memiliki empat puluh sembilan lubang. Kenapa ukurannya aneh? Karena sepotong ukuran itu tersedia sebagai potongan ketika prototipe sedang dibangun. Tata letak prototipe seperti ini:

 

            Titik-titik merah di tata letak fisik yang disarankan menunjukkan tempat-tempat di mana strip tembaga di bagian bawah papan rusak. Ada berbagai sirkuit yang telah saya tunjukkan yang menggunakan sirkuit "Joule Thief" yang terkenal sebagai bagian dari desain. Perangkat ini telah bekerja dengan baik untuk saya. Namun, pada tahun 2014, Sucahyo menyatakan bahwa beberapa orang menemukan bahwa pengisian pulsa beberapa kali, menyebabkan baterai tersebut kemudian memiliki “surface charge” di mana tegangan baterai naik tanpa ada muatan asli yang sesuai di dalam baterai. Itu adalah sesuatu yang belum pernah saya alami sendiri, tetapi itu mungkin karena saya tidak melepaskan dan mengisi ulang baterai beberapa kali untuk merasakan efeknya. Sucahyo menggunakan sirkuit ini:

        Yang terlihat agak rumit dengan dua transistor terhubung terbalik dan dioda proteksi terhubung antara kolektor transistor dan basis. Sucahyo mengatakan bahwa dia telah menggunakan sirkuit ini selama empat tahun sekarang tanpa mengalami efek muatan permukaan.

        Bentuk Joule Thief yang saya sukai menggunakan kumparan bi-filar dengan diameter 0,335 mm yang dililitkan pada silinder kertas yang dibentuk di sekitar pensil dan panjangnya hanya 100 mm (4 inci), karena menghasilkan sirkuit yang sangat murah dan ringan. Seperti yang saya pahami, Pencuri Joule menghasilkan aliran lonjakan tegangan tinggi yang cepat dengan durasi yang sangat singkat. Lonjakan tersebut menyebabkan lingkungan lokal memasukkan energi statis ke dalam sirkuit dan perangkat beban sirkuit (biasanya LED atau baterai).

        Meskipun saya tidak pernah mengalami muatan permukaan dari sirkuit Joule Thief, saya menguji beberapa baterai uji Digimax 2850 mAHr lama yang tidak digunakan selama lebih dari satu tahun. Ini memang menunjukkan efek muatan permukaan saat beban diuji. Pengujian pertama menggunakan satu baterai untuk menggerakkan rangkaian dan mengisi tiga baterai secara seri menggunakan rangkaian ini:

        Namun berapa lama pun rangkaian dioperasikan, tidak akan mengisi baterai keluaran di atas 4,0 volt yaitu 1,33 volt per baterai. Hasil uji beban sangat buruk dengan tegangan pada interval satu jam menjadi 3.93V, 3.89V, 3.84V, 3.82V dan 3.79V setelah hanya lima jam menyalakan beban. Itu adalah kinerja yang konyol karena baterai tersebut mengelola daya beban 22 jam dengan desain panel surya.

        Mungkin baterainya rusak. Jadi saya menagihnya secara berlebihan dengan pengisi daya yang dioperasikan utama, mencapai 4,26 volt yaitu 1,42 volt per baterai dan hasil pengujian beban per jam adalah 4,21, 4,18, 4,16, 4,15,4.13, 4.12, 4.10, 4.08, 4.07, 4.07, 4.06, 4.05, 4.03, 4.03, 4.02, 4.01, 4.00 (setelah 17 jam), 3.99, 3.99,3,98, 3,97, 3,97, 3,96, 3,96, 3,95 setelah 25 jam dan 3,90 setelah 33 jam. Jelas, tidak ada yang salah dengan baterai sehingga efeknya harus menjadi faktor pengisian.

        Memasukkan listrik statis ke kapasitor mengubahnya menjadi listrik "panas" normal, tetapi kami menginginkan rangkaian yang sangat sederhana, jadi langkah selanjutnya adalah menambahkan kapasitor 100 volt 1 mikrofarad yang terlihat seperti ini:

           membuat sirkuit:

        Dengan baterai yang terisi daya dilepas, tegangan pada kapasitor mencapai 22 volt. Pengisian baterai yang sama dengan rangkaian ini mencapai 4.14 volt dan menghasilkan hasil beban 4.09, 4.05, 4.01, 3.98, 3.96,3.93, 3.90, 3.88, 3.85, 3.83, 3.81 dan 3.79 volt setelah 12 jam yang jauh lebih baik daripada 5- total jam yang dialami sebelumnya. Namun, jelas, diperlukan sesuatu yang lebih baik.

        Langkah selanjutnya adalah menggunakan jembatan dioda dari dioda 1N4148 alih-alih dioda tunggal, memberikan rangkaian ini:

        Tanpa pengisian baterai terhubung, rangkaian ini memberikan tegangan 28 volt pada kapasitor dan pengisian baterai baik, memberikan hasil pengujian beban 4.18, 4.16, 4.15, 4.13, 4.11, 4.10, 4.08, 4.08, 4.06, 4.05,4.04, 4.03, 4.02, 4.00, 3.99, 3.98, 3.97, 3.96, 3.95, 3.95, 3.94, 3.94, 3.93, 3.93, dan 3.93 volt setelah menyalakan bebanselama 24 jam. Ini tampaknya menjadi hasil yang sangat memuaskan untuk perubahan kecil seperti itu.

        Jika dua baterai 1.2V digunakan untuk menggerakkan rangkaian, tanpa baterai diisi, maka tegangan pada kapasitor mencapai 67 volt, tetapi itu tidak diperlukan untuk mengisi baterai 12 volt. Meskipun perubahannya sedikit, operasi sirkuit berubah secara signifikan. Kapasitor tidak langsung mengeluarkan daya dan karenanya, untuk beberapa waktu antara pulsa Joule Thief yang tajam, kapasitor memasok arus pengisian tambahan ke baterai yang sedang diisi. Ini tidak berarti bahwa baterai yang sedang diisi diisi lebih cepat dan Anda dapat mengharapkan bahwa pengisian penuh akan memakan waktu beberapa jam. Saya belum mengujinya, tetapi saya berharap bahwa dengan menggunakan dua atau lebih sirkuit ini secara bersamaan, akan meningkatkan laju pengisian;

        Tidak perlu membatasi baterai yang terisi daya hingga nominal 3,6 volt di salah satu sirkuit ini karena baterai penggerak 1,2 volt tunggal dapat dengan mudah mengisi baterai 4,8 volt atau lebih besar. Nilai kapasitor memiliki efek yang cukup besar dan saya menyarankan kapasitor satu mikrofarad adalah pilihan yang baik. Dikatakan bahwa dua dioda tambahan di setiap sisi baterai yang diisi tidak diperlukan, meskipun saya telah menunjukkan mereka untuk mengisolasi dua sirkuit dari satu sama lain.

Share this post