一個神奇的振蕩升壓電路—焦耳小偷電路概述

一、電路概述

焦耳小偷（Joule Thief）可以榨干一顆電池的能量，即使是平常所謂“用光了”的舊電池，通過它也能繼續發揮“余熱”。所以將其形象地比喻為電能量“焦耳”的小偷。

其神奇之處在于：一顆5號舊電池，在“用光了”之后，仍有大約1V電壓，而LED需要2~3V驅動電壓，焦耳小偷可以實現升壓，讓舊電池為LED繼續供電！

二、原理解析

焦耳小偷，實質是一種（自）振蕩電路，它把電池的低電壓，轉換為一個個較高電壓的脈沖，且頻率很高（數KHz）。脈沖可以點亮LED，眼睛的“余暉效應”又會讓人感覺到LED持續在點亮。

2002年，Clive Mitchell給出了一個由現代化電子元器件構建的振蕩升壓電路，它包含了一個變壓器、一個三極管、一個電阻、一個LED和一個電池，并將這種電路正式取名為“焦耳小偷”：

圖2-焦耳小偷電路圖

其中，電池選用AA電池（5號電池）1.5 V，電阻阻值為1 kΩ，三極管可以是2N3904、BC547B、 2N2222等常規型號，LED驅動電壓在2.33.2V甚至更高都可以。

如果查看LED上的電壓波形，會看到一個個脈沖，其電壓被鉗位到LED驅動電壓，占空比大約30%，頻率大約40KHz：

圖3-焦耳小偷振蕩脈沖

雖然電路看上去簡單，但是它的工作過程卻不簡單，解釋起來還真不容易。但萬變不離其宗，其中最關鍵的元器件是變壓器上的“電感”。

在此，我先給出純粹依靠“電感”進行升壓點燈（閃爍）的電路，相信大家很容易看明白：

圖4-電感升壓點燈

其中：

• 開關閉合，電感儲存能量，燈不亮；
• 開關打開，電感釋放能量，燈閃爍；（完整過程描述為：電路電流中斷，電感上電流不能突變，為維持電流，升高電壓打通燈的回路，但因為能量很小，所以只有一瞬間被點亮）

我們可以做個實驗如下：

圖5-電感升壓點燈實驗

圖中，左側就是自制電感，右下角不停按的就是開關。試著想象一下，如果一個人可以非常高的速度拼命按開關，那么LED在人類的眼里就是常亮的。這個核心思想，在理解下列焦耳小偷工作過程的時候請記得。

三、工作過程

A. 元器件連接圖

為了直觀，將圖2中的原理圖，改畫為元器件連接圖：

圖6-焦耳小偷的電子元器件連接圖

其中：

• 電池可以是普通的5號電池；
• 電阻為1KΩ限流電阻，為三極管BE通路上提供電流；
• 變壓器是在磁環芯上由兩根線繞制而成，注意紅線的上端連接電源正極，綠線的下端連接電源正極（忽略電阻），這就符合了圖2中變壓器的同名端畫法；
• LED并聯在三極管CE通路上；

B. 三極管的知識點

如果你對三極管不熟悉，可以將其理解為BE通路上是較小的電流，CE通路上是較大的電流。

在截止狀態下，BE通路沒有電流或有非常微小電流通過，CE通路上則沒有電流通過。

在正常狀態下，三極管具有電流放大能力，放大倍數為β。即，CE通路電流與BE通路電流呈β倍數關系?？梢哉f，BE通路電流控制了CE通路電流，BE通路電流小，CE通路電流也??；BE通路電流大，CE通路電流也大；且兩者有β的倍數關系。

在飽和狀態下，BE通路和CE通路上電流的倍數關系不再成立。此時就算BE通路電流再大，CE通路電流達不到β倍，而只能維持在一個恒定值。這個恒定值是由電源輸出能力或者CE通路上電阻決定的。意味著CE通路電流是有極限的，不會無限變大。當然BE通路也是有極限的，它的通路上有一個1KΩ的限流電阻。

C. 工作過程

• 1. 初始上電時，三極管處于截止狀態。
• 2. 一小部分電流經過電阻和綠色線圈，進入三極管BE通路。這導致三極管CE通路略微打開，因此也有部分電流經紅色線圈，再進入三極管CE通路。
• 3. 此時三極管處于放大狀態，流經CE通路和紅色線圈的電流要大于流經BE通路和綠色線圈的電流。電流越大，線圈中產生磁通量的也越大。所以在變壓器磁環芯上，是以紅色線圈電流產生的磁通量為主。
• 4. 由于紅色線圈和綠色線圈共享磁通量，紅色線圈電流一直在變大，磁通量也在變大，對于磁通量的變化，綠色線圈會產生感應電動勢。這個感應電動勢的方向與紅色線圈作為負載的電壓相反（可以從楞次定律、變壓器同名端等角度分析），所以感應電動勢疊加電源電壓本身，使得三極管BE通路壓降變大（見下圖），BE通路電流也變大，這使得三極管CE通路電流也進一步變大。

圖7-正反饋讓三極管迅速飽和

• 5. 上述3和4是一個正反饋，但CE通路電流不會無限制變大，最終三極管進入飽和狀態，CE通路上電流不再變化。
• 6. CE通路上電流不變，磁通量就不變，于是綠色線圈的感應電動勢消失，BE通路上壓降變小，BE通路電流也相應變小。
• 7. 三極管BE通路上電流變小，意味著CE通路上電流也要進一步變小。
• 8. 三極管CE通路電流變小，紅色線圈的磁通量也變小。綠色線圈產生的感應電動勢阻礙其變化，這次感應電動勢與電源電壓方向相反，使得三極管BE通路壓降降低，繼而降低BE通路上電流（見下圖）。

圖8-正反饋讓三極管迅速截止

• 9. 上述7和8也是一個正反饋，它使得三極管進入截止狀態。
• 10. 三極管截止，紅色線圈作為一個電感，它的電流通路被打斷，電流無處釋放，它升高兩端電壓，打通LED通路，點亮LED（原理和圖4類似）。
• 11. 能量釋放完后，綠色線圈的感應電動勢消失，BE通路可以被電源正偏置。新的一輪過程又周而復始的開始。
• 所以LED能夠被周期性點亮，是由于正反饋的原因，三極管不停地被快速導通（飽和）和快速截止，在這種高頻率的振蕩下，LED在肉眼看上去就是常亮的。

四、實驗效果

圖9-焦耳小偷實驗效果

總結：

這個電路利用變壓器和三極管的組合，使三極管總是處于截止-飽和狀態之間不停振蕩，每次振蕩都有正反饋介入，所以振蕩頻率非常高，高頻的電流變化引發高頻的磁場變化，進而能夠感應出高于電源的電壓來點亮LED。