焦耳小偷電路是一個(gè)可以用低電壓驅(qū)動(dòng) LED 的電路。我們知道一般的 LED 導(dǎo)通電壓要 1.8 伏左右，直接用 1.5 伏的電池是點(diǎn)不亮的。

來點(diǎn)歷史

焦耳小偷電路的歷史可以追溯到 1930 年的專利號(hào)為 1949383 的美國(guó)專利。該專利提出了一種基于真空管的振蕩電路，用于將低電壓轉(zhuǎn)換為高電壓。

1999年 11月 出版的 《Everyday Practical Electronics》雜志上，一個(gè)名為 Z. Kaparnik 的英國(guó)人發(fā)表了一款用于用 1.5 伏的電池點(diǎn)亮 LED 的電路，該電路由基于阻塞振蕩器的變壓器 和 NPN 三級(jí)管組成。

2002 年，一位名叫克萊夫·米切爾（Clive Mitchell）的蘇格蘭人給這個(gè)電路取了個(gè)綽號(hào)：焦耳小偷。

開始制造

典型的焦耳小偷電路如下：

注意圖中 T1 上的兩個(gè)小圓點(diǎn)表示變壓器的同名端。在同一交變磁通的作用下任一時(shí)刻兩個(gè)（或兩個(gè)以上）繞組中都具有相同電勢(shì)極性的端頭彼此互為同名端。

三極管我使用的是 2N2222, 你也可以使用其他類型的 NPN 三極管，例如 S8050, 都可以。

本文中我們把流過三極管集電極的線圈（圖中3、4引腳）稱為 Lc, 把接到三極管基極的線圈稱為 Lb。

T1 我使用一個(gè) 現(xiàn)成的 2mH 的共模電感

你也可以自己用銅線繞制。

我將中間兩根線焊接到了一起，接到 VCC 上，這樣可以確保流過兩個(gè)線圈的電流的方向是相反的。

開始分析

電路很簡(jiǎn)單，原理卻不簡(jiǎn)單，下面我我們來具體分析下。

電路啟動(dòng)時(shí)的波形圖如下：

CH1（黃色） 接三極管基極；CH2(青色)接三接管集電極；CH3 測(cè)量的是流過集電極的電流。

1. 三接管截至

可以看到，電路接通前，基極和集電極電壓，還有集電極電流都是 0 ，此時(shí)三極管截至。

2. 三極管打開

開關(guān)閉合后，少量電流通過電阻 R1 和基極線圈 Lb 到達(dá)三極管的基極，當(dāng)三極管基極電壓達(dá)到 0.7 伏左右時(shí)，三極管導(dǎo)通。

3. 正反饋

三極管導(dǎo)通后，電流開始流過電感 Lc, 集電極和發(fā)射極之間開始有電流流過。

此時(shí)兩個(gè)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)極性如下：

線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)總是阻礙電流的流動(dòng)，因此，在此階段，集電極線圈 Lc 產(chǎn)生一個(gè) 上正下負(fù) 的電動(dòng)勢(shì)以阻礙電流流過電感。有小伙伴可能會(huì)問了，從圖中看，這兩個(gè)線圈的電流方向是相同的，都是從上往下流，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)應(yīng)該也是相同的。但為什么實(shí)際卻是相反的呢？

這是因?yàn)?，由于三極管的放大特性，流過基極線圈的電流要遠(yuǎn)小于集電極電流，因此線圈 Lb 產(chǎn)生的原本 上正下負(fù) 的自感電動(dòng)勢(shì)要遠(yuǎn)小于 線圈 Lc 產(chǎn)生的 上負(fù)下正 的互感電動(dòng)勢(shì)，因此，Lb 產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)被 Lc 產(chǎn)生的互感電動(dòng)勢(shì)覆蓋住了。而由于同名端線圈電動(dòng)勢(shì)極性相同，因此基極線圈 Lb 的電動(dòng)勢(shì)是 上負(fù)下正。

基極出現(xiàn)的為正的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)漸漸地抬高了基極的電壓。也就是波形圖中這一段看到的基極電壓漸漸上升的過程。

此階段三極管處于放大區(qū)。作為一個(gè)放大器件，當(dāng)三極管基極的電壓或電流增大時(shí)，集電極 Lc 中的電流也會(huì)增大，并且增量更大，增大的電流又會(huì)產(chǎn)生更大的電動(dòng)勢(shì)進(jìn)一步拉高基極的電壓，如此循環(huán)往復(fù)，形成正反饋，就是上面波形圖中看到的基極電壓和集電極電流不斷增大的效果。

4. 嘎然而止

在上面的波形圖中，我們看到基極電壓不斷升高后，突然變?yōu)樨?fù)了，約為 -1 伏左右，為什么會(huì)這樣呢？

下面解釋一下基極電壓為什么會(huì)突然變負(fù)。隨著集電極（Collector)電流的不斷升高，電感或者三級(jí)管有一個(gè)會(huì)飽和（Saturated），無論是哪一個(gè)先飽和，都會(huì)導(dǎo)致流過三極管集電極（Collector）的電流不再增長(zhǎng)。只有 變化的電流 才會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，只有變化的磁場(chǎng)才能在 Lb 上產(chǎn)生互感電動(dòng)勢(shì)或互感電流。

因此，在這個(gè)時(shí)刻（飽和或電流不再增加的那一剎那），基極線圈中Lb 中的互感電動(dòng)勢(shì)突然消失了，這會(huì)導(dǎo)致基極電流迅速減小，緊接著，基極電流的減小會(huì)引起集電極的電流減小，集電極電流一旦減小，集電極線圈 Lc 作為一個(gè)電感，會(huì)抵抗電流的減小，它怎么抵抗？它會(huì)產(chǎn)生一個(gè) 上負(fù)下正 的自感電動(dòng)勢(shì)。這個(gè) 上負(fù)下正 的自感電動(dòng)勢(shì)會(huì)在基極線圈 Lb 上產(chǎn)生 上正下負(fù)的互感電動(dòng)勢(shì)（注意，電流方向的反轉(zhuǎn)也是一種電流的變化），這會(huì)導(dǎo)致三極管基極出現(xiàn)負(fù)電壓，一旦出現(xiàn)負(fù)電壓，三極管會(huì)迅速的關(guān)閉。

總結(jié)一下：三極管或電感飽和 -> 集電極電流不再增長(zhǎng) -> 基極互感電動(dòng)勢(shì)消失 -> 基極電流減小 -> 集電極電流減小 -> 集電極電感抵抗電流減小 -> 集電極電感產(chǎn)生上負(fù)下正的自感電動(dòng)勢(shì) -> 基極電感產(chǎn)生上正下負(fù)的互感電動(dòng)勢(shì)->基極電壓為負(fù)-> 三極管關(guān)閉。

許多朋友沒有理解這個(gè)電路，主要是卡在了這里，因?yàn)檫@一連串的動(dòng)作是在一瞬間完成的，不是很好理解。

5. 電感升壓

三極管截止后，線圈 Lc 作為一個(gè)電感，會(huì)抵抗電流的突然減小，在極短的時(shí)間內(nèi)，還是會(huì)有電流從上往下流過電感的，而電子的流動(dòng)方向剛好與傳統(tǒng)電流的方向相反，隨著3腳處電子流出，此處的電壓迅速升高，可以在 CH2 的波形中看到，三極管集電極有一個(gè)巨大的正向尖峰，電壓一瞬間升高到了 3.01 伏。電壓超過了 2 伏，LED 等開始點(diǎn)點(diǎn)亮。

6. 重新開始

緊接上面，三極管截止后產(chǎn)生的脈沖尖峰（3.01），隨著 LED 的放電，電壓不斷下降，這個(gè)過程中存儲(chǔ)在右邊線圈 Lc 中的電磁場(chǎng)慢慢坍縮，它施加在線圈2腳上的反向電動(dòng)勢(shì)也慢慢減小，表現(xiàn)就是三極基極的電壓緩慢上升。當(dāng)基極電壓升高到 0伏時(shí)，狀態(tài)又和前面步驟 1 的狀態(tài)一致了，于是，一切重新開始，周而復(fù)始。

上面波形截圖中，CH1 的頻率為 37.37 kHz, 也就是說，上面 1~5 這5個(gè)步驟，每秒可以重復(fù)三萬多次。

全家福

將整個(gè)過程放到一張圖里：

結(jié)尾

以上就是筆者對(duì)焦耳小偷電路的一些理解，希望對(duì)讀者能有所幫助。

上面這個(gè)焦耳小偷電路屬于一種自激振蕩（self-oscillating）電路。我們這里每秒振蕩可達(dá)三萬多次。這個(gè)電路也被稱為阻塞振蕩（Blocking oscillator）電路。

自激振蕩電路是自激型反激開關(guān)電源電路的基礎(chǔ)，我們有機(jī)會(huì)再講自激型開關(guān)電源電路。