Gratis energie?

Ja, dat kan echt. Het is namelijk de kunst om energie te gebruiken, die aanwezig is in een nog niet bruikbare vorm. Om energie bij elkaar te schrapen dus eigenlijk. Dit word ook wel "energy scavenging" genoemd. Of "energy harvesting": energie oogsten. Het komt er op neer ergens energie uit te halen, op een zodanige manier dat datgene waar je energie vandaan haalt de energie niet mist, en je zelf de energie toch nuttig kunt gebruiken. Zo kun je bijvoorbeeld met een hele lange antenne energie opvangen (van radiozenders), en zo gebruiken om je horloge te laten lopen. Dat is niet erg praktisch: je loopt met 30 meter draad achter je aan. Van lichaamswarmte energie winnen kan ook. Bijvoorbeeld voor een draadloze hartslagmeter. Dat is al wat praktischer. Maar wat dacht je van een zaklamp die op lege batterijen werkt? En toch nog lekker licht geeft? Zonder dat je de zaklamp moet schudden, of 30 meter draad achter je aan meezeult?

Zaklamp op lege batterijen - enkele dagen (continue!) licht uit een lege batterij!

Lege batterijen zijn er genoeg. De energie die er in zat is al nuttig gebruikt, en het restant gooi je meestal weg (in de milieubox! niet op straat!). Maar stel je nou eens voor het allerlaatste restje wat je MP3 speler niet meer lust, toch nuttig te gebruiken. Grappig idee toch?

Dat kan, met een zgn. Joule Thief. Een apparaatje dat eigenlijk energie "steelt" uit de batterij. Een joule Thief is een step-up convertor. Van de onbruikbaar lage batterijspanning maakt 'ie weer een bruikbare spanning. Wel kan 'ie niet zo veel stroom leveren, maar dat is in dit geval een gunstige eigenschap: het voorkomt dat de LED doorbrand. Het leuke is, dat op deze manier een witte led op 1,5V (of zelfs nog minder) kan werken. Normaal heb je toch zo'n 3V nodig, en dan nog iets meer voor 't weerstandje. Nu kan een (witte) led op 1 batterij. En dan nog wel een lege! (Dat wil zeggen: niet helemaal leeg, er moet nog een kleine restspanning over zijn. De meeste apparaten kappen er echter al mee bij 1V oid, terwijl dit schakelingetje daar nog wel een dag (!) of 2 á 3 licht uit kan halen. Continue!)

Hoe werkt het


Dit is een schema van de "Witte Led op 1,5V". Een op CO welbekend schema, en een goed voorbeeld van een joule-thief. Dit schema maakt van de (te) lage spanning van de batterij, een iets hogere spanning voor de LED. Het is dus een schakeling die gelijkspanningen transformeert. Een DC-DC convertor.

De spoel (L1) zorgt ervoor dat de lage gelijkspanning word omgezet in een hogere spanning. (zie hieronder) Het is een onderdeel wat er uit ziet als een dikke weerstand, of gewoon als een opgerolde draad op een klosje. Het "Dikke weerstand" type (Dick Best noemt het smoorspoelen) werkt normaal niet zo goed in schakelende voedingen en DC-DC convertors, maar dit schema heeft er geen problemen mee. De spoel verhoogt de spanning op de volgende manier:

Als je spanning op een spoel zet, gaat er een stroom door de spoel lopen. Doordat er stroom door de spoel loopt, ontstaat er een magnetisch veld rond de spoel. Als je dit wilt uitproberen: Leg een stuk of 50 wikkelingen dun geïsoleerd koperdraad (wikkeldraad heet dat spul) rond een metalen spijker. Krab de isolatie van de uiteinden met een mesje of brand het eraf, en sluit aan op een batterij. De spijker is nu magnetisch. Helaas kun je dit proefje niet doen met het "Dikke weerstand" spoeltje. Het spoeltje brand dan namelijk door. Wel werkt het dikke-weerstand spoeltje hetzelfde: Als er stroom door loopt ontstaat een magnetisch veld. Alleen kan er niet zo veel stroom door lopen, want als er te veel stroom loopt brand het door.

Het magnetisch veld rond het spoeltje is wel bruikbaar uiteraard. Alleen is het door de lage maximum-stroom niet erg sterk en dus niet sterk genoeg om spijkers op te tillen. Maar wel sterk genoeg om, als je de spanning van het spoeltje afhaalt (en er dus geen stroom meer door het spoeltje loopt), weer terug te werken op het spoeltje. Het magnetisch veld is ooit opgebouwd door stroom door het spoeltje te laten lopen. Nu er geen stroom meer door het spoeltje loopt word het veld weer afgebroken. Maar zoals met veel dingen, actie=(-)reactie, dus word dat afbreken tegengewerkt. Het magnetisch veld "wil" weer een stroompje door het spoeltje laten lopen. Alleen kan dat niet meer, want het spoeltje is niet meer verbonden met de batterij, het is geen gesloten circuit meer. Dus stijgt de spanning die over het spoeltje komt te staan. Totdat er weer stroom kan lopen. Bij de spoelen van relais is dat vervelend, omdat de elektronica die het relais aanstuurt door de hoge spanning kapot kan gaan (dit word voorkomen door een diode in sperrichting over het relais te zetten). Maar in dit circuit is het prettig, want de hogere spanning is hoog genoeg om de LED te doen oplichten. Doordat de LED oplicht word loopt er stroom door het spoeltje en zal de spanning dus niet verder stijgen. Daardoor kan dit circuit met iedere kleur led gebruikt worden, niet alleen met witte. Het past zich automatisch aan aan de LED. Ook de voor de led benodigde voorschakelweerstand is zoals je kunt zien in dit schema weggelaten. Hij is ook niet nodig, het ontwerp van de schakeling is zodanig dat de LED niet beschadigd kan worden, ongeacht de kleur LED.

Als je zelf de spoel (met daaraan parallel de LED) op een lege batterij zou aansluiten, zou de led alleen een heel korte flits geven, misschien zelfs te kort om te zien. Of je spoel brand door, dan was de batterij nog niet leeg genoeg. Als je heel snel (te snel om echt te kunnen doen) de spoel op de batterij zou aansluiten en de aansluiting weer los zou halen, dan zie je de led knipperen. Als je het nog sneller zou doen zou het knipperen te snel gaan om te kunnen zien. Omdat je het zelf zo snel niet kunt, nemen de transistors (samen met de weerstanden en de condensator) in deze schakeling die taak op zich. Zo zal de LED constant branden als de batterij met de schakeling verbonden is.

Niet getekend in het schema, maar wel handig als je de schakeling als zaklampje wilt gebruiken, is een aan/uit schakelaar tussen de batterij en de rest van de schakeling. Die kun je dus naar eigen smaak toevoegen. Zonder aan/uit schakelaar houd deze schakeling het op een lege batterij ongeveer [u]1,5 dag tot 2 dagen continue[/u] uit, al word het licht op het laatst wel erg zwak. Op een minder lege batterij doet de schakeling het uiteraard langer . Op deze Engelstalige webpagina staat een ontwerp wat het zelfs een week (continue!) uit schijnt te houden.

opbouw van de schakeling

Gewoon alles aan elkaar solderen. De schakeling is klein genoeg om dat zonder printplaat te doen, maar op een stukje gaatjesboard is misschien wel netter. Een voorbeeld van de schakeling op gaatjesboard:

Dit plaatje en het schema zijn van CO: Circuitsonline.net, de beste website voor elektronica-hobbyisten!

In SMD werkt 'ie trouwens ook goed:

Je kon deze schakeling als bouwpaketje kopen op de CO-stand op de elektronicabeurs in rosmalen. Of in het "beursrestantentopic" op CO. Dat laatste heb ik dus gedaan.

Om deze pagina te kunnen printen, zonder de rest van de frameset, voeg &print toe aan de url, of klik deze link: print. Kleur wordt als het goed is genegeerd (spaart inkt). Zo niet: stuur me a.u.b. even een (liefst niet al te boos) mailtje en ik pas het aan.