一个神奇的振荡升压电路—焦耳小偷电路概述

一、电路概述

焦耳小偷（Joule Thief）可以榨干一颗电池的能量，即使是平常所谓“用光了”的旧电池，通过它也能继续发挥“余热”。所以将其形象地比喻为电能量“焦耳”的小偷。

其神奇之处在于：一颗5号旧电池，在“用光了”之后，仍有大约1V电压，而LED需要2~3V驱动电压，焦耳小偷可以实现升压，让旧电池为LED继续供电！

二、原理解析

焦耳小偷，实质是一种（自）振荡电路，它把电池的低电压，转换为一个个较高电压的脉冲，且频率很高（数KHz）。脉冲可以点亮LED，眼睛的“余晖效应”又会让人感觉到LED持续在点亮。

2002年，Clive Mitchell给出了一个由现代化电子元器件构建的振荡升压电路，它包含了一个变压器、一个三极管、一个电阻、一个LED和一个电池，并将这种电路正式取名为“焦耳小偷”：

图2-焦耳小偷电路图

其中，电池选用AA电池（5号电池）1.5 V，电阻阻值为1 kΩ，三极管可以是2N3904、BC547B、 2N2222等常规型号，LED驱动电压在2.33.2V甚至更高都可以。

如果查看LED上的电压波形，会看到一个个脉冲，其电压被钳位到LED驱动电压，占空比大约30%，频率大约40KHz：

图3-焦耳小偷振荡脉冲

虽然电路看上去简单，但是它的工作过程却不简单，解释起来还真不容易。但万变不离其宗，其中最关键的元器件是变压器上的“电感”。

在此，我先给出纯粹依靠“电感”进行升压点灯（闪烁）的电路，相信大家很容易看明白：

图4-电感升压点灯

其中：

• 开关闭合，电感储存能量，灯不亮；
• 开关打开，电感释放能量，灯闪烁；（完整过程描述为：电路电流中断，电感上电流不能突变，为维持电流，升高电压打通灯的回路，但因为能量很小，所以只有一瞬间被点亮）

我们可以做个实验如下：

图5-电感升压点灯实验

图中，左侧就是自制电感，右下角不停按的就是开关。试着想象一下，如果一个人可以非常高的速度拼命按开关，那么LED在人类的眼里就是常亮的。这个核心思想，在理解下列焦耳小偷工作过程的时候请记得。

三、工作过程

A. 元器件连接图

为了直观，将图2中的原理图，改画为元器件连接图：

图6-焦耳小偷的电子元器件连接图

其中：

• 电池可以是普通的5号电池；
• 电阻为1KΩ限流电阻，为三极管BE通路上提供电流；
• 变压器是在磁环芯上由两根线绕制而成，注意红线的上端连接电源正极，绿线的下端连接电源正极（忽略电阻），这就符合了图2中变压器的同名端画法；
• LED并联在三极管CE通路上；

B. 三极管的知识点

如果你对三极管不熟悉，可以将其理解为BE通路上是较小的电流，CE通路上是较大的电流。

在截止状态下，BE通路没有电流或有非常微小电流通过，CE通路上则没有电流通过。

在正常状态下，三极管具有电流放大能力，放大倍数为β。即，CE通路电流与BE通路电流呈β倍数关系。可以说，BE通路电流控制了CE通路电流，BE通路电流小，CE通路电流也小；BE通路电流大，CE通路电流也大；且两者有β的倍数关系。

在饱和状态下，BE通路和CE通路上电流的倍数关系不再成立。此时就算BE通路电流再大，CE通路电流达不到β倍，而只能维持在一个恒定值。这个恒定值是由电源输出能力或者CE通路上电阻决定的。意味着CE通路电流是有极限的，不会无限变大。当然BE通路也是有极限的，它的通路上有一个1KΩ的限流电阻。

C. 工作过程

• 1. 初始上电时，三极管处于截止状态。
• 2. 一小部分电流经过电阻和绿色线圈，进入三极管BE通路。这导致三极管CE通路略微打开，因此也有部分电流经红色线圈，再进入三极管CE通路。
• 3. 此时三极管处于放大状态，流经CE通路和红色线圈的电流要大于流经BE通路和绿色线圈的电流。电流越大，线圈中产生磁通量的也越大。所以在变压器磁环芯上，是以红色线圈电流产生的磁通量为主。
• 4. 由于红色线圈和绿色线圈共享磁通量，红色线圈电流一直在变大，磁通量也在变大，对于磁通量的变化，绿色线圈会产生感应电动势。这个感应电动势的方向与红色线圈作为负载的电压相反（可以从楞次定律、变压器同名端等角度分析），所以感应电动势叠加电源电压本身，使得三极管BE通路压降变大（见下图），BE通路电流也变大，这使得三极管CE通路电流也进一步变大。

图7-正反馈让三极管迅速饱和

• 5. 上述3和4是一个正反馈，但CE通路电流不会无限制变大，最终三极管进入饱和状态，CE通路上电流不再变化。
• 6. CE通路上电流不变，磁通量就不变，于是绿色线圈的感应电动势消失，BE通路上压降变小，BE通路电流也相应变小。
• 7. 三极管BE通路上电流变小，意味着CE通路上电流也要进一步变小。
• 8. 三极管CE通路电流变小，红色线圈的磁通量也变小。绿色线圈产生的感应电动势阻碍其变化，这次感应电动势与电源电压方向相反，使得三极管BE通路压降降低，继而降低BE通路上电流（见下图）。

图8-正反馈让三极管迅速截止

• 9. 上述7和8也是一个正反馈，它使得三极管进入截止状态。
• 10. 三极管截止，红色线圈作为一个电感，它的电流通路被打断，电流无处释放，它升高两端电压，打通LED通路，点亮LED（原理和图4类似）。
• 11. 能量释放完后，绿色线圈的感应电动势消失，BE通路可以被电源正偏置。新的一轮过程又周而复始的开始。
• 所以LED能够被周期性点亮，是由于正反馈的原因，三极管不停地被快速导通（饱和）和快速截止，在这种高频率的振荡下，LED在肉眼看上去就是常亮的。

四、实验效果

图9-焦耳小偷实验效果

总结：

这个电路利用变压器和三极管的组合，使三极管总是处于截止-饱和状态之间不停振荡，每次振荡都有正反馈介入，所以振荡频率非常高，高频的电流变化引发高频的磁场变化，进而能够感应出高于电源的电压来点亮LED。