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Joule Thiefの検討(5) FETでやってみた。

スイッチングの半導体としてはMOS-FETが適しているという。
そこで、スイッチング用のMOS-FETをJoule Thiefに組み込むことを試みた。

乾電池一本で制御が可能なVg(th)が1V程度の物を探した。
SSM3K324Rが見つかった。
ネットで売っている業者(Chip 1 Stop)を見つけて注文しまし。
プロ用商品の大きさを知りませんでした。到着して口があんぐり。
ゴマ粒の大きさです。
半田付けを考えただけでもメゲます。

試しに元の回路の2SC2500のベース電圧を測ると、
0.6V/-0.2V、また、コイル側では2.3V/-0.5~0.2Vと
SSM3K324Rを制御するのに十分なON-OFF電圧が供給されています。
Joule Thiefを考えた人は、うまいこと工夫してますね~。
2500とMOS-FETを置き換えました。
虫眼鏡を固定し、脚を半田付けしました。
一発で強力に発振してくれました。
コイルからの電圧は楽々とこのFETをOn-Off制御しています。とりあえず、大成功。
Joule_thief_fet_2    
Joule master thief with MOS FET

いくつかの問題点がありました。
(1)トランジスタOFF時の放電が急峻なため、スパイク電圧がとてつもなく大きいです。
LEDは生きていますが、精神的にとっても悪い。
ショットキバリアーダイオードを通じてコンデンサにスパイクを吸収してもらいました。
コンデンサの容量・材質はLEDが明るく点灯する物を選びました。
スパイクがなまされて、最大3.5V程度のなまったピークになりました。
10μ秒程度のパルス点灯な感じになっています。十分に明るいです。
色調は青白くなりません。

(2)強力な発振を制御できません。
制御する方法がわかりません。
電源電圧が0.7V程度から発振しますが、電圧を上げると暴走的に発振する条件もあり、それを、抑え込む方法がありません。

コアや巻き数を変えて(20種類テストしました)適当なコイルを選び出しました。

●MOS-FETの働きがON-OFFなので、中間的な制御ができないことは当然です。

発振周波数を変化させて電源電流を調節するしか無いですね。

★(3/5修正しました) 電池の消耗を考えると、電源電流を0.5Aとなるようにコイルを選ぶとFT50-43に18回銅線を捲いたものだった。この時の明るさは概ね1W点灯と同等だった。

(3)発振周波数を上げられません。100KHz以上は無理です。
ちゃんとした回路であれば、FETの寄生発振を抑制する方法があるようですが、今回の回路では方法がわかりません。
コイルの巻き数を増やして14KHzで発振させることにしました。

★(3/5修正しました) デカップリングコンデンサを追加した。

  100KHzの発振が安定した。低い周波数でも波形が綺麗になった。

  コンデンサの容量・材質によって性能が大きく異なった。

  最も良い物を選んだ。

(4)前回選抜したコアでも効率が悪い物があり、唯一、FT50-43が良好だった。直径12.5mmで大きいです。
他の透磁率が高いコアも発振はしましたが、効率が上がりません。
周波数が低下したのと、一回のスパイクのエネルギー量が増加したせいだと思います。

【結論1】
●発振はうまく行った。
図の回路で、1.2V 0.5Aの電源電力で、1Wに相当する明るさで点灯しています。

【結論2】
■2SC2500の回路に比べて大幅な改善は見られなかった。
■部品点数が3個増えた。
 2SC2500でもこれを追加するつもりだったのでマイナス点では無いが。
■発振周波数を上げられなかったので、コアが大型化した。
■発振電力を簡単に制御できない。

⇒制御が楽な2SC2500へ戻りましょう。

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