Vampire Flashlight

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Présentation

Le but est de créer un convertisseur de tension "boost" afin de finir de vider les piles usagées : une seule pile (1.5V) n'est pas capable d'alimenter seule une LED, il faut en mettre plusieurs, ou augmenter sa tension.
Le projet a été vu sur Make, mais est bien connu sous le nom de Voleur de joule ou Joule thief
Ce montage amusant pourrait être repris à la fête de la science ou dans des évènements publiques : instructif, fun, et vide complètement les piles avant de les jeter !

NB Pour le manuel de montage c'est par là :


Participants

Statut

En cours.

Thérorie

Schéma

Joules thief.png

Principe de fonctionnement

Explication du fonctionnement électrique du montage, Les noms des composants ainsi que des nœuds correspondent au schéma de simulation ci-dessous :

  • À la mise sous tension, N001 = Vin et le bipolaire impose, via son Vbe, une tension d'environ 0.7v sur le nœud n003. L'inductance L1 qui est polarisée par une tension positive égale à Vin - Vbe se charge et le courant dans la maille augmente. Le transistor est ainsi attaqué par un courant de base et est en régime "saturé" car le nœud "n002" sur lequel son collecteur à connecté est tiré vers 0v du fait que l'inductance L2 et l'anode de la diode qui y sont connecté possèdent une haute impédance.
  • Le courant que le transistor absorbe via son collecteur est freiné par l'inductance L2 qui impose une pente au courant de (Vin-V(N002))/L. La variation de courant dans l'enroulement L2 du transformateur, génère une variation de flux magnétique au sein de son cœur ferromagnétique ce qui à pour effet de générer une variation de courant dans L1 égale à celle de L2 au signe près (les enroulements ne sont pas dans le même sens, voir le point noir une fois en haut, une fois en bas). L'inductance de l'enroulement L1 ayant la même valeur que celle de L2, et ces deux dernières bobines subissant la même variation de courant leurs ddp répondant à l'équation U=Ldi/dt sont donc égales.
  • Sous l'effet de la ddp ainsi apparue aux bornes de L1, le noeud N001 grimpe à une tension égale à Vin + (Vin - V(n002)). Le courant circulant dans la base du transistor vaut donc à ce moment là ( Vin + (Vin - V(n002)) - vbe ) /R.
  • Le courant dans le collecteur croit ainsi jusqu’à ce qu'il atteigne une valeur environ égale au gain du transistor multiplié par son courant de base. A ce point le transistor bascule du mode saturé au mode linéaire car l'inductance fournit plus de courant que ce que son collecteur est capable d'absorber. L'excédant de courant qui sort de L2 et que le transistor ne peut absorber circule alors dans la diode ce qui à pour effet de l'allumer (enfin !). La diode impose à ce moment là un potentiel égale à son Vd qui dépends de son courant de polarisation ici égale à beta fois Ib.
  • Le Vt de la diode ainsi polarisée étant plus élevé que Vin (notez que c'est une condition nécessaire au fonctionnement du montage) la tension aux bornes de L2 s'inverse pour avoir une valeur de Vt - Vin. L2 se décharge donc sous l'effet de cette ddp négative et le courant la traversant se met à décroître avec une pente égale à (Vt-Vin)/L.
  • L'inversion de la dérivée du courant circulant dans L2 se répercute alors sur L1 dont la ddp aussi s'inverse et tends à être elle aussi égale à Vt-Vin. L'inversion de polarité aux bornes de L1 à pour effet de faire chuter la tension du noeud n001 jusqu'à valoir Vin-Vt, cette tension qui peut être négative a pour effet de couper le courant de base de Q1. De ce fait Q1 s’éteint et plus aucun courant n'est tiré par son collecteur ce qui fait que tout le courant circulant dans L2 passe intégralement dans la diode.
  • Lorsque le courant dans L2 s'approche de zéro, la tension aux bornes de la diode diminue ce qui entraîne une diminution de la ddp aux bornes de L2 et donc aussi aux bornes de L1. Lorsque la ddp aux bornes de L1 à diminué suffisamment pour que n001 repasse au dessus d'un vbe et que du courant circule dans R2 pour aller polariser la base de Q1, celui-ci repasse en mode saturé.
  • Le collecteur de Q1 ainsi attaqué par un courant de base tire à nouveau le nœud n002 vers la masse ce qui éteint la diode et redémarre un cycle par la charge de L2.

Comment choisir la valeur de la résistance

La valeur de R permet de définir le niveau de courant auquel le voleur de joules bascule du mode "charge de L2" au mode "Décharge de L2 dans la diode". La valeur de ce courant se calcule approximativement comme ceci:

Imax = beta * ( Vin + k*(Vin - Vcesat) - Vbe ) / R

Le souci avec cette formule qui est pourtant très simple est sa variation par rapport à vin.

La plupart de ces paramètres peuvent être considéré comme constants et facilement et raisonnablement approximés.

Considérons donc Vbe = Vcesat = 0.7v. k qui est le facteur de couplage des inductance, dépend au premier ordre des propriétés magnétiques du tore magnétique utilisé. Idéalement égale à 1 on peut plutôt le considérer égale à 0.7 mais ce facteur sera variable d'une réalisation à l'autre.

On peut considérer beta = 100

Reste Vin qui dépend de l'état d'usage de la pile, Vin vaudra 1.5v si la pile est encore chargée et nous considérerons qu'elle peut descendre jusqu'a 0.7v cf .http://mediacenter.service.varta-consumer.com/download/datasheet/Datasheet_4906_curve.pdf

Une application numérique du calcul de la valeur du courant max circulant dans la diode en fonction de Vin compris en 0.8 et 1.5v nous montre que ce courant peut varier d'un facteur 8 !!! et ainsi atteindre des valeurs de plusieurs centaines de mA.

Le courant max est à dissocier du courant moyen qui va circuler dans la diode et dont va dépendre directement la puissance lumineuse émise par la diode.

le temps de charge de L2 vaut à la louche (L2 / Vin) * Imax et le temps de décharge vaut quand à lui (L2 / (Vt - Vin)) * Imax. Le rapport cyclique du courant circulant dans la diode vaut donc Vin / (Vt - Vin).

On peut donc dire que Idiodemoyen = (Imax/2) * Vin / (Vt - Vin)

Soit Idiodemoyen = ((beta * (( Vin + k*(Vin - Vcesat) - Vbe ) / R)) /2) * Vin / (Vt - Vin)

Le problème du courant max qui est très variable selon la valeur de la tension fournit par la pile impacte la valeur du courant moyen car lorsque la diode est polarisée par un courant fort va avoir un fort Vt et donc la rapport cyclique va diminuer ce qui aura comme effet de minimiser la quantité de lumière émise par la diode. Je ne parle pas ici de l’échauffement de la diode qui dégrade aussi ses performances.

C'est pourquoi je recommande d'utiliser une résistance dont la valeur est de 100 Ohms.



D'autres explications similaires sont disponibles sur YouTube, avec les illustrations associées :

Simulation numérique

Si je fais une simulation LTspice, selon les valeurs des composants, voici un exemple de résultat :

Simulation LTSpice2.PNG

On y voit un cycle complet. Quelques commentaires basés sur le schéma visible en partie droite sur cette image :

  • tension sur la base Vb=V(n003) (courbe verte) inférieure au seuil d'ouverture du transistor
  • montée de la tension Vb jusque 0.75V, le transistor devient passant. Le courant dans la base Ib (courbe rouge) passe à 11mA.
  • la tension Vb continue à monter doucement, et le courant collecteur-émetteur Ice=Ic(Q1) (courbe jaune) monte jusque 500mA. Ce courant est celui qui traverse la bobine L2, et qui "freine" par effet de couplage magnétique le courant dans la base Ib.
  • à 230us le courant dans L2 est tel que le courant dans L1 (donc dans la base) est contré par l'effet magnétique et chute rapidement. Il s'inverse même (-4mA) pendant quelques micro-secondes ! (c'est la capacité parasite de la jonction b-e qui se vide - Marc)
  • donc le transistor se bloque, le courant Ice tombe à 0.
  • Pendant ce temps, "l'inertie" de la bobine L2 fait monter la tension en Vn002 (en bleu foncé) qui passe rapidement les 3V. La diode s'allume, son courant (courbe bleu clair) monte jusqu'à 380mA puis redescend progressivement pendant que la bobine se décharge.
  • Le courant dans L2 diminue, ce qui permet au courant dans L1 de se reformer, donc à la tension Vb de remonter jusqu'au seuil d'ouverture du transistor. La LED s'éteint et le cycle recommence.

La LED est donc allumée 70µs, sur un cycle total de période environ 170µs, (avec les composants que j'ai choisis ici)

Consommation

Quelle est la consommation de ce type de lampe sur la pile ---> combien de temps elle peut rester allumée ? Selon certains (merci Marc ;-) ) cela va dépendre de la valeur de la résistance placée en série sur la base du transistor... Pourtant le courant de base est très faible comparé au courant qui traverse la liaison collecteur-émetteur ou la diode, l'influence directe de cette résistance sur le courant global consommé dans la pile est donc faible. Oui mais, selon la valeur de cette résistance, la fréquence d'oscillation du circuit va varier sensiblement. Avec une résistance de 1kOhm, cette fréquence est de l'ordre de 17kHz (compte tenu des autres composants sur ma simulation), alors qu'avec une résistance de 20 Ohm, le circuit oscille à environ 2kHz. La conséquence est qu'avec la résistance faible, le courant dans la bobine a le temps de s'installer, et d'atteindre des pointes de l'ordre de 1000mA (!) dans son cycle en dents de scie, avec une moyenne de 500mA, alors qu'avec la résistance de 1kOhm, la montée en intensité est beaucoup plus courte, avec des pointes de l'ordre de 250mA et une moyenne de 100mA. Donc finalement une consommation 5 fois pus faible. Et l'expérience montre que la luminosité de la LED n'est pas significativement différente !

Quelle LED choisir ?

Quelle est l'influence de la LED utilisée ? Dans ma simulation, je sélectionne différents modèles de LEDs dans la librairie LTSpice. La fréquence d'oscillation du circuit et le courant consommé ne varient pas significativement. Par contre, les pics de tension oui ! Selon la LED choisie dans la librairie, on obtient des pointes entre 3V et 12V en entrée de LED...

Noter que ceci correspond aux essais mentionnés ci-dessous : changement de LED ==> changement de tension.

Quelle valeur de self ?

Comme dit plusieurs fois ci-dessus, les valeurs reportées dans les exemples sont liés aux choix de composants dans la simulation effectuée. Concernant la partie "transfo", j'avais une valeur de self de 200uH... mise un peu par hasard :-(

Comme je n'y connais pas grand chose en comportement de tores de ferrite, je cherche maintenant et je trouve un fournisseur (http://www.selectronic.fr/c/composants-electroniques/composants-passifs/selfs-inductances/choke-absorbers-tores-ferrites/tore-de-ferrite-9x6x3-3f3.html) qui propose de se baser sur "l'inductance spécifique" (AL) du tore, à multiplier par le carré du nb de spires pour trouver l'inductance de la bobine construite. Pour un tore de dimensions similaires à ce que j'ai utilisé, il donne AL=440, ce qui compte tenu de ma douzaine de spires, amènerait une inductance de 63uH. J'avais dans les simulations précédentes 200uH. Le passage à 63uH ne semble pas changer les tensions et courants dans le circuit, mais augmente sensiblement (x3) la fréquence d'oscillation du système. Ce qui corrobore encore une fois les essais mentionnés ci-dessous (ça rassure :-) )

Valeurs mini ? Il semble qu'en dessous d'une quinzaine de uH, le phénomène oscillatoire ne se déclenche pas. Cette valeur correspondant à 6 spires serait donc un minimum... encore une fois pour les composants utilisés dans la simul. Et pour arriver à 200uH il faudrait 21 spires avec ce tore. Mais 10 à 15 spires semblent un bon compromis facile à bobiner et bien efficace.

Vider la pile ?

Dernière question que l'on se pose : jusqu'où peut-on "vider" la pile ?

Autrement dit, jusque quelle tension mini ce montage est-il capable de fonctionner en fournissant de la lumière au pauvre hacker perdu dans le noir...? Je fais donc baisser progressivement la valeur de la source de tension continue dans LTSpice. Résultat, il semble qu'à moins de 0,5V, le phénomène oscillant ne veuille plus s'initialiser. Expérience faite en ayant "vidé" quelques piles, selon le montage (tore récupéré, nb de tours des bobinages, etc.) une pile de l'ordre de 0,6V à 0,5V n'allume plus notre lampe.

Fichiers 3D stl du boitier

Essais

17/07/14

On a commencé par essayer avec les composants sous la main : ça marche mieux en mettant la LED dans le bon sens

FlashLight.jpg

Nottez la belle sonde d'oscillo :)


Ensuite on a essayé de comprendre pourquoi ça fonctionne, et l'impact des éléments : même si le rendement n'est pas optimum beaucoup de choses fonctionnent

  • Nombre de tours -> impact sur la fréquence : saturation plus ou moins rapide de la bobine
  • Forme du tore -> impact sur la forme du courant, rampe ou bosse. cf photos (Pas encore compris pourquoi)
  • Changement de transistor -> pas encore essayé, une sombre histoire de saturation qui ne doit pas arriver avant celle de la bobine
  • Changement de la led -> impact sur la tension du montage, vu qu'elle l'impose :)

Professeur Patrick passant par là, il nous a aidé à mieux comprendre le principe et nous a guidé vers un rapport cyclique optimal de 1/3 en enlevant des tours de la bobine de base.

Le montage fonctionne donc avec à peu près tout mais, malgré notre insistante, Patrick avait raison : il n'est pas possible de faire fonctionner le montage avec un barreau ferromagnétique, même si on essaie de le boucler avec une pince plate... On a aussi essayé de bobiner autour d'une self de mode commun : ça ne fonctionne pas, mais une petite lecture nous apprend que ça aurait été possible quand même avec un bobinage différent.

Conclusion du jour : ça fonctionne, c'est fun et on peut presque tout utiliser.

24/07/14

  • Essais avec la petite ferrite achetée (9mm OD, 5mm OD) pour que ce soit le même format que la pile => succès
  • Essais avec la ferrite de Benj : contrairement à ce qu'il dit ça ne va pas très bien :) Ferrite trop grose ? => fail
  • Essais avec des diodes en série : testé jusqu'à 5 mais la luminosité globale diminue. => succcès
  • Mise en place sur une palque à trous => succès si on oublie pas un fil entre le collecteur et la diode

10/10/14

J'ai un peu zappé la mise à jour de la page mais deux protos imprimés on été faits.
Nous avons aussi essayé les diodes en parallèle avec le même résultat qu'en série

Le premier prototype imprimé fonctionne avec les composants qui débordent un peu, un switch à l'arrière pas totalement en place. Un fil dénudé plié en accordéon sert de contact pour les piles


Le deuxième, après avoir fait plusieurs essais pour faire un switch imprimé, je suis tombé sur un "accordéon" qui vient mettre en contact la patte d'une attache parisienne avec un fil :)
Et cette fois toute l'électonique est rangée, merci à Marc pour le plan de câblage !

30/11/14

Tests de Philippe : Composants : Tores récupérés sur des cartes mères, bobiné avec du fil de cuivre émaillé récupéré dans un transfo, LED blanche 20000mcd fournie par Colin, BC547c, pile ressortie de la boîte de pile "mortes" (puisqu'on doit faire une lampe "vampire"), petit poussoir 4 broches (classique sur breadboard)... et résistance 1kOhm. Avec les composants utilisés, la résistance est beaucoup trop forte (la LED ne s'allume pas). Je la remplace par un potentiomètre pour tester --> il faut réduire à quelques dizaines d'ohms pour que la LED accepte de briller --> finalement j'ôte la résistance et tout semble bien se passer. La LED s'allume bien, je la laisse fonctionner quelques heures... la pile tient bon. Si quelqu'un peut m'expliquer à quoi devrait servir la résistance et pourquoi chez moi il ne la faut pas...? --> Tentative de réponse par Xav : La resistance (a mon avis) sert à limiter le courant dans la base du transistor, un npn a classiquement un gain "beta" Ic = beta x Ib (Ic = courant de collexteur, Ib = courant de base). Une résistance que qq centaines d'ohm permet de limiter le courant à environ un dixaine de mA dans la base et donc de limiter le courant dans la LED à 1A. C'est une protection pour la LED. En fin de fin de vie de la pile ca peut limiter le fonctionnement.

Je conçois un boitier qui essaie d'intégrer les différents éléments "en place" : la LED dans un alèsage avec un lamage pour sa collerette, le tore autour des pattes de la LED, un emplacement pour coincer le transistor, un emplacement pour fixer le petit poussoir, emplacement pour la pile, pile placée entre un morceau de ressort collé à la colle à chaud, et une attache parisienne. Ci-dessous quelques images de l'ensemble.

La pile se glisse et se clipse dans le boitier principal : une fois en place, elle est difficile à retirer pour être changée. Mais là il y a une astuce : le couvercle vient se clipser lui-même sur la pile, et le clipsage du couvercle est légèrement plus serré que celui du boitier, ce qui fait que lorsque l'on ouvre le couvercle, la pile vient avec celui-ci. Il ne reste plus qu'à la faire coulisser pour l'extraire aisément.

24/12/14

Une notice détaillée et illustrée est maintenant disponible ici : Montage LOGreLight v2 Elle présente pas à pas la construction de cette lampe "LOGreLight v2", ainsi qu'une version bougeoir développée spécialement pour la soirée de Noël 2014 :-)

11/1/15

Version intégrant l'interrupteur à glissière et la résistance documentée sur Montage LOGreLight v2 et les STL associés sur thingiverse

17/1/2015

Et la version "pour fred" : avec 3 Leds en parallèle, une vampire flashlight qui flashe !! Lorsqu'il aura besoin d'intervenir dans le boîtier de disjoncteurs du LOGal, il ne sera pas sans lumière :-)

Méca/intégration

L'idée est d'imprimer des boitiers, à dessiner ou récupérer sur le net. On peut même imaginer les personnaliser pendant la fête de la science.

Pistes à essayer

  • Simulation --> Done, dans le wiki
  • Utiliser un JFET, comme décrit dans ce brevet
  • D'autres transistor
  • Faire une version en imprimant la place des composants pour faciliter le cablâge --> done
  • Mettre en ligne les scad/stl après les avoir "épuré" -> done, sur Thingiverse
  • Faire un "banc de cablâge" permettant de souder les composants au bon endroit pour ensuite les insérer dans la lampe
  • Utiliser ce principe pour construire une alimentation pour d'autres appareils