焦耳小偷 一个神奇的电路

焦耳小偷电路是一个可以用低电压驱动 LED 的电路。我们知道一般的 LED 导通电压要 1.8 伏左右，直接用 1.5 伏的电池是点不亮的。

焦耳小偷电路的历史可以追溯到 1930 年的专利号为 1949383 的美国专利。该专利提出了一种基于真空管的振荡电路，用于将低电压转换为高电压。

1999年 11月 出版的 《Everyday Practical Electronics》杂志上，一个名为 Z. Kaparnik 的英国人发表了一款用于用 1.5 伏的电池点亮 LED 的电路，该电路由基于阻塞振荡器的变压器 和 NPN 三级管组成。

2002 年，一位名叫克莱夫·米切尔（Clive Mitchell）的苏格兰人给这个电路取了个绰号：焦耳小偷。

典型的焦耳小偷电路如下：

注意图中 T1 上的两个小圆点表示变压器的同名端。在同一交变磁通的作用下任一时刻两个（或两个以上）绕组中都具有相同电势极性的端头彼此互为同名端。

三极管我使用的是 2N2222, 你也可以使用其他类型的 NPN 三极管，例如 S8050, 都可以。

本文中我们把流过三极管集电极的线圈（图中3、4引脚）称为 Lc, 把接到三极管基极的线圈称为 Lb。

T1 我使用一个 现成的 2mH 的共模电感：

你也可以自己用铜线绕制。

我将中间两根线焊接到了一起，接到 VCC 上，这样可以确保流过两个线圈的电流的方向是相反的。

面包板上组装完成后的电路如下：

电路很简单，原理却不简单，下面我我们来具体分析下。

电路启动时的波形图如下：

CH1（黄色） 接三极管基极；CH2(青色)接三接管集电极；CH3 测量的是流过集电极的电流。

可以看到，电路接通前，基极和集电极电压，还有集电极电流都是 0 ，此时三极管截至。

开关闭合后，少量电流通过电阻 R1 和基极线圈 Lb 到达三极管的基极，当三极管基极电压达到 0.7 伏左右时，三极管导通。

三极管导通后，电流开始流过电感 Lc, 集电极和发射极之间开始有电流流过。

此时两个线圈中的感应电动势极性如下：

线圈产生的电动势总是阻碍电流的流动，因此，在此阶段，集电极线圈 Lc 产生一个上正下负的电动势以阻碍电流流过电感。有小伙伴可能会问了，从图中看，这两个线圈的电流方向是相同的，都是从上往下流，感应电动势应该也是相同的。但为什么实际却是相反的呢？

这是因为，由于三极管的放大特性，流过基极线圈的电流要远小于集电极电流，因此线圈 Lb 产生的原本上正下负的自感电动势要远小于 线圈 Lc 产生的上负下正的互感电动势，因此，Lb 产生的自感电动势被 Lc 产生的互感电动势覆盖住了。而由于同名端线圈电动势极性相同，因此基极线圈 Lb 的电动势是上负下正。

基极出现的为正的感应电动势渐渐地抬高了基极的电压。也就是波形图中这一段看到的基极电压渐渐上升的过程。

此阶段三极管处于放大区。作为一个放大器件，当三极管基极的电压或电流增大时，集电极 Lc 中的电流也会增大，并且增量更大，增大的电流又会产生更大的电动势进一步拉高基极的电压，如此循环往复，形成正反馈，就是上面波形图中看到的基极电压和集电极电流不断增大的效果。

在上面的波形图中，我们看到基极电压不断升高后，突然变为负了，约为 -1 伏左右，为什么会这样呢？

下面解释一下基极电压为什么会突然变负。随着集电极（Collector)电流的不断升高，电感或者三级管有一个会饱和（Saturated），无论是哪一个先饱和，都会导致流过三极管集电极（Collector）的电流不再增长。只有变化的电流才会产生变化的磁场，只有变化的磁场才能在 Lb 上产生互感电动势或互感电流。因此，在这个时刻（饱和或电流不再增加的那一刹那），基极线圈中Lb 中的互感电动势突然消失了，这会导致基极电流迅速减小，紧接着，基极电流的减小会引起集电极的电流减小，集电极电流一旦减小，集电极线圈 Lc 作为一个电感，会抵抗电流的减小，它怎么抵抗？它会产生一个上负下正的自感电动势。这个上负下正的自感电动势会在基极线圈 Lb 上产生 上正下负的互感电动势（注意，电流方向的反转也是一种电流的变化），这会导致三极管基极出现负电压，一旦出现负电压，三极管会迅速的关闭。

总结一下：三极管或电感饱和 -> 集电极电流不再增长 -> 基极互感电动势消失 -> 基极电流减小 -> 集电极电流减小 -> 集电极电感抵抗电流减小 -> 集电极电感产生上负下正的自感电动势 -> 基极电感产生上正下负的互感电动势->基极电压为负-> 三极管关闭。

许多朋友没有理解这个电路，主要是卡在了这里，因为这一连串的动作是在一瞬间完成的，不是很好理解。

三极管截止后，线圈 Lc 作为一个电感，会抵抗电流的突然减小，在极短的时间内，还是会有电流从上往下流过电感的，而电子的流动方向刚好与传统电流的方向相反，随着3脚处电子流出，此处的电压迅速升高，可以在 CH2 的波形中看到，三极管集电极有一个巨大的正向尖峰，电压一瞬间升高到了 3.01 伏。电压超过了 2 伏，LED 等开始点点亮。

紧接上面，三极管截止后产生的脉冲尖峰（3.01），随着 LED 的放电，电压不断下降，这个过程中存储在右边线圈 Lc 中的电磁场慢慢坍缩，它施加在线圈2脚上的反向电动势也慢慢减小，表现就是三极基极的电压缓慢上升。当基极电压升高到 0伏时，状态又和前面步骤 1 的状态一致了，于是，一切重新开始，周而复始。

上面波形截图中，CH1 的频率为 37.37 kHz, 也就是说，上面 1~5 这5个步骤，每秒可以重复三万多次。

将整个过程放到一张图里：

以上就是笔者对焦耳小偷电路的一些理解，希望对读者能有所帮助。

上面这个焦耳小偷电路属于一种自激振荡（self-oscillating）电路。我们这里每秒振荡可达三万多次。这个电路也被称为阻塞振荡（Blocking oscillator）电路。

自激振荡电路是自激型反激开关电源电路的基础，我们有机会再讲自激型开关电源电路。

来源：飞多学堂

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