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1 焦耳神偷 (JOULE THIEF) 新版 --- 以電容取代磁鐵環 0.3~1.5V 電池 繞線圈 電容 1kW 電阻 電晶體 2N3904 LED

2 電池電壓 : 1.5V 試測量各元件的頻率及電壓 V F2 V F1 V R V CB V BE V LED 電壓 V F1 V F2 V R V CB V BE V LED 頻率 (khz) 峰對峰 (V p-p ) 最大 (V max ) ( 黃光 LED: 工作電壓 / 電流 1.8~2.2V/20mA)

3 僅供參考 ( 因電路稍有不同 - 舊版 ) 電池電壓 : 1.5V V F2 V F1 V R V CB V BE V LED 周期 : 4 s 頻率 : 0.25 MHz 電壓 峰對峰 (V) 最大 (V) V F V R V BE 電壓 峰對峰 (V) 最大 (V) V F V CB V LED

4 以下為參考資料

5 ~ 舊電池的回春之術 ~ 小小的升壓電路, 就能使用廢 舊電池點亮 LED 二極體發光! 清大物理系 & 科普團隊戴明鳳 教授

6 焦耳神偷 焦耳神偷 : 最小型的阿姆斯壯自激發振盪升壓器 (Armstrong self-oscillating voltage booster ) 可使實際上因電壓不夠而報廢的電池能夠再利用, 減少資源的浪費, 盡一份環境保護的責任 此簡單電路源自於 1999 年 11 月份 Everyday Practical Electronics (EPE),p.804,Ingenuity Unlimited 單元中讀者的回饋 體積小, 成本低, 而且易於製造 ; 通常用於驅動低負載 可以將電池幾乎所有的能量使用殆盡, 甚至遠低於在其他電路考慮完全放電的電池的電壓, 因而得名 即電路從電池偷得能量或 焦耳, 此詞是一個雙關語的表達如 珠寶竊賊 : 誰偷了首飾或寶石 該電路採用的自激振盪特性間歇振盪器, 形成一個調節電壓的升壓轉換器 以輸入高電流消耗為代價, 使輸出電壓上升

7 電路圖 Make a Joule Thief, 圖源 : 經過測量, 總耗電電流 37mA, 發光二極管兩端的波形頻率 52KHz, 占空比 24%

8 新版 --- 以電容取代磁鐵環 0.3~1.5V 繞線圈 電容 電阻 1kW B C 電晶體 2N3904 E LED

9 1. 藍光 LED 2. 電晶體 2N 電阻 1 kω 4. 鐵粉心 現以電容元件取代 5. 雙絞線 ( 可用網路線 ) 6. 麵包板 7. 3 號電池座 8. 3 號電池 實驗材料

10 元件與材料介紹 鐵粉心可改以電容取代 電阻 單芯線 *2 電池盒 廢棄 電池

11 元件介紹 LED 電晶體電阻鐵粉心 網路線 麵包板 電池盒 電池

12 LED 燈簡介 1. 發光二極體 (Light-Emitting Diode, LED) 是一種能發光的半導體電子元件, 可以把電能轉化成光能 2. LED 在 1962 年出現, 早期只能夠發出低光度的紅光 ; 時至今日, 能夠發出的光已遍及可見光 紅外線及紫外線 3. LED 與一般二極體皆由 P 型 N 型半導體組合而成, 具有陽極和陰極兩個端子 4. LED 的電流只能往單一方向流動, 可以從陽極流向陰極, 不能從陰極流向陽極, 此種單向導電的特性通常稱為整流 5. LED 順向流通時具有順向偏壓, 當電流流過時, 電子與電洞在其內重合而輻射出單色光 ; 逆向阻斷時則具有逆向偏壓 6. LED 發出的光線, 其波長 顏色與其所採用的半導體物料種類和摻入的元素雜質有關

13 LED 燈簡介 1. 發光二極體 (Light-Emitting Diode, LED) 是一種能發光的半導體電子元件, 可以把電能轉化成光能 2. LED 在 1962 年出現, 早期只能夠發出低光度的紅光 ; 時至今日, 能夠發出的光已遍及可見光 紅外線及紫外線 3. LED 與一般二極體皆由 P 型 N 型半導體組合而成, 具有陽極和陰極兩個端子 LED 該如何判斷正 負極呢? 回介紹面

14 LED 正負極判斷 負極大片平邊短腳 正極小片圓邊長腳 回介紹面

15 LED 結構及電路符號

16 LED 發光二極體的 P-N 接面圖

17 LED 發光二極體的特性介紹 1. LED 電流只能往單一方向流動, 可以從陽極流向陰極, 不能從陰極流向陽極, 此種單向導電特性稱為整流效應 2. LED 需有足夠高的順向偏壓時, 才可產生較大的順向電流流過, 此時電子與電洞在其內重合而輻射出單頻光 ; 3. 逆向偏壓 : 則使電子電洞反被逆向推開, 故使電阻變大, 阻斷電流流通, 故無電流 4. LED 發出之光線的波長 顏色與其所使用的半導體材料種類和摻入的元素雜質有關 崩潰區 I 逆向偏壓 光線顏色波長 (nm) 順向偏壓 (V) 物料種類 切入電壓 順向偏壓 v LED 伏安特性曲線 紅色 760~ ~ 2.0 AlGaAs GaAsP 綠色 570~ ~4.0 AlGaInP GaP 藍色 500~ ~3.7 InGaN ZnSe 紫色 450~ ~4.0 InGaN 回介紹面

18 諾貝爾物理獎榮耀 1970 年代末期時, 紅光 LED 與綠光 LED 已出現, 但二極體本身發光能量太低, 發出藍光需要更高的能量, 因而使得藍光 LED 的製備技術困擾著人類許多年 一直到 1990 年代初期, 開發氮化鎵 (GaN) 結晶化技術的赤崎勇, 與名古屋大學的天野浩 曾任職於日亞化學公司的中村修二有過交流, 成功自半導體材料中研發出高亮度藍光 LED 技術, 為世人帶來更長效節能的白光照明, 取代傳統有害的照明燈具 2014 年, 日本學者中村修二 赤崎勇 天野浩, 憑藉 發明高亮度藍色發光二極體, 帶來了節能明亮的白色光源, 共同獲得諾貝爾物理學獎 圖源 :Nobelprize.org

19 麵包板介紹 1. 麵包板 : 有很多排列整齊小插孔的板子 此發明因參考自烘烤西式小餐包時所用之烤盤的小孔, 因此而得名! 2. 用途 : 因應在電路設計時, 能夠不需焊接而用的 各種電子電路元件可依需要隨時插拔, 免去焊接和解焊的麻煩, 節省電路組裝時間, 適合電子電路的組裝 測試和訓練 3. 麵包板的電路實驗可使學生產生創新思維 回介紹面

20 通斷路大圖解 正面 背面 通路 通路 斷路 正面 5 個孔用 1 條金屬條連接 斷路 元件插入孔中與金屬條接觸達到導電目的

21 1.5V + 1.5V LED 元件 測試 麵包板使用的絕對禁忌 : 單一元件的兩端點絕不可插接在同一排上 否則會形成元件短路, 進而燒毀! - +

22 電阻簡介 R 電路符號 在電磁學裏, 電阻 (Resistance, R) 是一個物體對於電流通過的阻礙能力, 以方程式定義為 : R = V / I 其中,V (Voltage, V) 為物體兩端的電壓,I (Current, I) 為通過物體的電流 假設這物體具有均勻截面面積, 則其電阻與電阻率 長度成正比, 與截面面積成反比 國際單位制, 電阻的單位為歐姆 (Ω,Ohm) 電阻 假設溫度不變, 則很多種物質會遵守歐姆定律, 即這些物質所組成的物體, 其電阻為常數, 不跟電流或電壓有關 稱這些物質為 歐姆物質 ; 不遵守歐姆定律的物質為 非歐姆物質 電路符號常常用 R 來表示, 例 : R1 R02 R100 等

23 電阻器電阻值的色碼色環 第一位數誤差率第二位數倍率 10* % = 1kW +5% 第一位數誤差率第二位數倍率第三位數 390* % 同樣的色碼可標示電容值及電感值, 電容值單位為為 pf 電感值為 µh For more information, see EN 色碼 Color 黑棕紅橙黃綠藍紫灰白金銀透明 Black Brown Red Orange Yellow Green Blue Violet Gray White Gold Silver None 代表數字 倍率 (Multiplier) 誤差 (Tolerance) % +2% % % +0.1 % % - +5% +10% +20%

24 電晶體簡介 一種固體半導體元件, 用於放大 開關 穩壓 訊號調變等功能 電晶體由半導體材料組成, 有三個端子 ( 稱為極 ) 可連接外界電路 輸入電流或電壓, 可改變輸出端的阻抗, 從而控制通過輸出端的電流, 因此電晶體可作為電流開關 電晶體主要分為兩大類 : 雙極性電晶體 (Bipolar Junction Transistor, BJT ) 和場效應電晶體 (Field-Effect Transistor, FET) BJT 的三個極, 射極 (Emitter) 基極 (Base) 和集極 (Collector) ; 射極到基極的微小電流, 會使得射極到集極之間的阻抗改變, 從而改變流經的電流 FET 的三個極, 分別是源極 (Source) 閘極 (Gate) 和汲極 (Drain) 在閘極與源極之間施加電壓能夠改變源極與汲極之間的阻抗, 從而控制源極和汲極之間的電流 回介紹面

25 BJT 雙極性電晶體說明 雙極性電晶體能夠放大訊號, 並且具有較好的功率控制 高速工作以及耐久能力, 所以它常被用來構成放大器電路, 或驅動揚聲器 電動機等設備, 並被廣泛地應用於航空航天工程 醫療器械和機器人等應用產品中 一個雙極性電晶體由三個不同的摻雜半導體區域組成, 它們分別是射極區域 基極區域和集極區域 這些區域在 NPN 型電晶體中分別是 N 型 P 型和 N 型半導體, 而在 PNP 型電晶體中則分別是 P 型 N 型和 P 型半導體 每一個半導體區域都有一個引腳端接出, 通常用字母 E B 和 C 來表示射極 (Emitter) 基極 (Base) 和集極 (Collector) 從右邊這個典型 NPN 型雙極性電晶體的截面簡圖可以看出, 集極接面的面積大於射極接面 此外, 射極具有相當高的摻雜濃度 回介紹面

26 BJT 雙極性電晶體工作模式 當 NPN 型電晶體處於順向主動區時, 它的基極 - 射極電壓 集極 - 基極電壓均為正值, 即射極接面 為順向偏壓, 集極接面為逆向偏壓 在主動區內, 電子從 N 型摻雜的射極區域被注入到 P 型的基極區 域 在基極, 電子一方面漂移到到 N 型摻雜的集 極, 一方面與基極區域的多數載子電洞發生複合 電壓射極接面偏壓集極接面偏壓工作模式 E < B < C 順向偏壓逆向偏壓順向 - 放大 E < B > C 順向偏壓順向偏壓飽和 E > B < C 逆向偏壓逆向偏壓截止 NPN 型雙極性電晶體的符號注意圖中的箭頭指向外側 E > B > C 逆向偏壓順向偏壓逆向 - 放大 突崩潰 : 當施加在集極接面上的逆向偏壓將超過集極接面所能承受範圍時, 這個 PN 接面將被擊穿, 若電流足夠大會造成器件損壞 回介紹面

27 Collector 集極 Base 基極 Collector 集極 Base 基極 Emitter 射極 Emitter 射極

28

29 - + E LED C B 1kW A 0.3~1.5V

30 升壓原理 : 回路一 : 電池正極 雙股線圈 1kW 電阻 & 電容 電晶體基極 B 電晶體射極 E- 電池極 ; 回路一中串聯線圈 ( 電感 ) 及電容, 所以電流 I 是從零開始直到最大 ; 電流逐漸增大到電晶體開始導通後, 電流開始增加另一回路 : 回路二 : 電池正極 雙股線圈 電晶體集極 C 電晶體射極 E 1 0.3~1.5V 回路一 回路二 2 3 1kW B C E

31 升壓原理 : 由於變壓器互感效應, 開始一場 1-3 電流增大導致 1-2 間電流繼續增大的 循環, 直到電晶體飽和 ( 就是電晶體失去放大能力,C-E 電流不再隨 B-E 電流變化 ), 此時 1-3 電感的電流最大並儲備了一定磁能 ( 這個磁能遠大於 1-2 間磁能 ), 由於電晶體的飽和,1-3 之間電流不再增大, 所以不再 循環, 並且 1-2 之間電流也不再增大並迅速降低接近剛通電時的大小 ( 此時的狀況像盪鞦韆時鞦韆達到最高點一樣儲備了最大位能 ), 導致電晶體的電流迅速降低, 然而 1-3 間因電磁感應, 磁能轉化成電能, 努力維持電感的電流不降低, 由於電晶體不讓多餘的電流通過 C-E 回路, 於是這部分電流會和電池一起串連給 LED 供電 至此完成了一個 1-3 電感充磁, 放電的過程 回路一 kW B C E 回路二

32 升壓原理 : 在放電過程中, 磁能被釋放電流, 由於互感作用, 回路 2-3 電流減少也導致回路 1-2 電流減少直到電晶體截止或者磁能釋放電流完畢 ( 兩種結束條件取決於電感 LED 和電晶體基極電阻大小, 電感和電阻也決定了該電路的充 放電周期, 也就是電路震盪頻率 ); 當放電結束時, 回路一電流會小於剛通電時的電流, 於是開始另一輪由回路一電流恢復並增大引起的 循環, 直到電晶體飽和, 然後 1-3 再放電 概括為回路 2 電流增大 1-3 電感儲能 回路 1 電流增大直至電晶體飽和 磁能釋放 回路 1 電流降低 磁能釋放完畢或電晶體截止 回路 1 電流增大直至電晶體飽和 磁能釋放 回路一 kW B C E 回路二

33 電池電壓 : 1.5V V1 周期 : 4 s 頻率 : 0.25 MHz V2 V4 V3 電壓 頻率 (khz) 峰對峰 (V) 最大 (V) V1: 螺線管 V2: 電阻 V3: 電晶體 BE 端 V4:LED ( 黃光 LED: 工作電壓 / 電流 1.8~2.2V/20mA)

34 電池電壓 : 1.5V F2 F1 R C B LED E 電壓 峰對峰 (V) 最大 (V) F R BE 周期 : 4 s 頻率 : 0.25 MHz 電壓峰對峰 (V) 最大 (V) F CB LED ( 黃光 LED: 工作電壓 / 電流 1.8~2.2V/20mA)

35 Volt (V) 2.5 F2 Volt (V) 2.5 F Volt (V) 2.5 R Volt (V) 2.5 CB Volt (V) BE Volt (V) LED

36 參考資料 電晶體 utu.be

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