Cuestión de eficiencia del número de LED para el circuito de linterna de ladrón Joule de 6 voltios y 4 celdas

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Esta es una simulación de circuito de Joule Thief de alto voltaje que desarrollé en LTSpice. Estoy seguro de que califica como un verdadero ladrón de Joule porque, en la siguiente imagen, nos acercamos al área de voltaje "muerto" donde todavía se está produciendo luz, el área de 0.8 voltios por celda (4x0.8 = 3.2v) y 0.5 voltios por celda (4x0.5 = 2.0v), que está bastante muerto, según las expectativas habituales de la batería y el voltaje de la celda individual. Sin embargo, todavía estamos publicando unos 10 mA RMS en cada LED. He intentado hacer un ladrón Joule más eficiente, y aquí está mi pregunta.

Un voltaje más alto parece hacer un ladrón Joule más eficiente, hasta cierto punto. Verá en la captura de pantalla, cálculos de eficiencia para alimentar cadenas de LED con diferentes números de LED en ellas. ¿Qué está pasando realmente aquí y cómo podemos mejorar aún más la eficiencia?

PARA 3 LED, (D1-D3 y R1 = 15.000K) 613.12mW / 714.21mW = 85.85% de eficiencia

PARA 4 LED, (D1-D4 y R1 = 14.135K) (MOSTRADO) 613.98mW / 714.19mW = 85.97% de eficiencia

PARA 5 LED, (D1-D5 y R1 = 13.410K) 607.05mW / 714.26mW = 84.99% de eficiencia

Para este ladrón de 6 celdas de 6 voltios Joule ... ¿Por qué la eficiencia sube de 3 a 4 LED? ¿Por qué la eficiencia comienza a bajar a 5 LEDs, ¿Y cómo hacemos al ladrón Joule más eficiente?

Si parece que estoy haciendo demasiadas preguntas, en realidad no estoy seguro de qué pregunta, porque no sé lo que me estoy perdiendo.

También, (y lo trasladaré a una pregunta diferente en este sitio) parece que hay realmente dos conceptos de eficiencia aquí, una eficiencia "instantánea", que cambia según la configuración de la tensión y la resistencia, y una batería general Eficiencia de vida o eficiencia de uso de energía, que pondría en evidencia la eficiencia de una linterna regulada con resistencia comprada en la tienda sería comparada con una Ladrón Joule, o incluso una linterna regulada de corriente constante. Lo más cercano que podría encontrar una manera de probar este tipo de eficiencia es cargar algunos supercapacitores al mismo punto de voltaje y dejar que la linterna use la energía como lo desea, para ver cuánto duran. Entonces, ¿cuáles son los términos de la industria utilizados para este tipo de eficiencia?

Aquí hay una captura de pantalla que describe la naturaleza de mi pregunta:

yaquíestáelarchivodesimulaciónLTSpice(*.asc)paraquepuedasjugarconél:

Version4SHEET11364680WIRE-160-64-272-64WIRE64-64-160-64WIRE-160-32-160-64WIRE64-3264-64WIRE-2720-272-64WIRE-2400-2720WIRE-2240-2400WIRE-27264-2720WIRE-16064-16048WIRE2726425664WIRE2886427264WIRE64806448WIRE112806480WIRE2248017680WIRE2568025664WIRE2568022480WIRE3048025680WIRE4008036880WIRE4968046480WIRE5928056080WIRE8648065680WIRE641126480WIRE-160160-160144WIRE0160-160160WIRE22416022480WIRE-272240-272144WIRE6424064208WIRE64240-272240WIRE224240224224WIRE22424064240WIRE86424086480WIRE864240224240WIRE-272256-272240FLAG-2722560FLAG27264D1FLAG-2400V1SYMBOLind2-176-48R0WINDOW04473Left2WINDOW34546Left2SYMATTRInstNameL2SYMATTRValue220µHSYMATTRTypeindSYMATTRSpiceLineRser=0.001Rpar=0Cpar=0SYMBOLind28064R180WINDOW06740Left2WINDOW33866Left2SYMATTRInstNameL1SYMATTRValue220µHSYMATTRTypeindSYMATTRSpiceLineRser=0.001Rpar=0Cpar=0SYMBOLvoltage-27248R0WINDOW3-64132Left2WINDOW12300Left2WINDOW3900Left2WINDOW03458Left2SYMATTRValuePULSE(06.205ms10ms5ms)SYMATTRInstNameV1SYMBOLnpn0112R0SYMATTRInstNameQ1SYMATTRValue2SCR533PSYMBOLres-176160M180WINDOW03676Left2WINDOW33640Left2SYMATTRInstNameR1SYMATTRValue14.135KSYMBOLLED30464M90WINDOW0-530VBottom2WINDOW37740VTop2SYMATTRInstNameD1SYMATTRValueNSPW500BSSYMBOLschottky11264M90WINDOW0032VBottom2WINDOW33232VTop2SYMATTRInstNameD99SYMATTRValue1N5817SYMATTRDescriptionDiodeSYMATTRTypediodeSYMBOLcap208160R0SYMATTRInstNameC4SYMATTRValue22nFSYMATTRSpiceLineV=50Irms=0Rser=0.008Lser=0SYMBOLLED40064M90WINDOW0-530VBottom2WINDOW310636VTop2SYMATTRInstNameD2SYMATTRValueNSPW500BSSYMBOLLED49664M90WINDOW0-530VBottom2WINDOW37740VTop2SYMATTRInstNameD3SYMATTRValueNSPW500BSSYMBOLLED59264M90WINDOW0-530VBottom2WINDOW310636VTop2SYMATTRInstNameD4SYMATTRValueNSPW500BSTEXT-120-48Left2!K1L1L21.00TEXT-256224Left2!.tran20msstartup

yaquíestáelarchivo"Plot" de LTSpice (* .plt) para configurar el gráfico: 

[Transient Analysis]
{
   Npanes: 1
   {
      traces: 4 {524290,2,"V(D1)*I(D1)"} {524291,2,"V(V1)*I(V1)"} {268959748,0,"V(v1)"} {303038469,1,"I(D1)"}
      X: ('m',0,0,0.002,0.02)
      Y[0]: (' ',1,0,0.6,6.6)
      Y[1]: ('m',0,-0.02,0.02,0.18)
      Volts: (' ',0,0,1,0,0.6,6.6)
      Amps: ('m',0,0,0,-0.02,0.02,0.18)
      Units: "W" (' ',0,0,1,-2,0.5,3.5)
      Log: 0 0 0
   }
}

=============

EDITAR # 1

Para mostrar que esto no es solo "ruido" y se encuentra en otra parte, aquí hay una foto que (para mí) muestra que esto sucede con un Chip convertidor de vibración (y, wow, muestra que se puede lograr un 98% de eficiencia) - (el gráfico a la derecha). Incluso hay más gráficos en la hoja de datos, para inductores de diferentes tamaños.

Además,aquíhayunaimagendeunaversiónde6LED,conlos6.2voltiosconstantesqueutilicépararealizarmispruebas.Lascifrasparalaversiónde6LEDson594.96mW/714.17mW=83.31%deeficiencia.Comoesperoquepuedanver,laeficienciacomienzaacaeramedidaqueseagreganmásLED.Porsupuesto,con6LED,tenemosqueaumentarelvoltajede6.2voltiosa19.455voltiosRMS,asíqueloespero,perorealmentenosécontraquéestoyluchando.Con10LED,(R1=12.575K)caemosa573.36mW/714.17mW=80.28%deeficiencia.

Finalmente,aquíhayunarchivoactualizadodeLTSpice(*.asc)paraacompañarlaimagendearriba:

Version4SHEET11364680WIRE-160-64-272-64WIRE64-64-160-64WIRE-160-32-160-64WIRE64-3264-64WIRE-2720-272-64WIRE-2400-2720WIRE-2240-2400WIRE-27264-2720WIRE-16064-16048WIRE2726425664WIRE2886427264WIRE64806448WIRE112806480WIRE2248017680WIRE2568025664WIRE2568022480WIRE3048025680WIRE4008036880WIRE4968046480WIRE5928056080WIRE6888065680WIRE7848075280WIRE9288084880WIRE641126480WIRE-160160-160144WIRE0160-160160WIRE22416022480WIRE-272240-272144WIRE6424064208WIRE64240-272240WIRE224240224224WIRE22424064240WIRE92824092880WIRE928240224240WIRE-272256-272240FLAG-2722560FLAG27264D1FLAG-2400V1SYMBOLind2-176-48R0WINDOW04473Left2WINDOW34546Left2SYMATTRInstNameL2SYMATTRValue220µHSYMATTRTypeindSYMATTRSpiceLineRser=0.001Rpar=0Cpar=0SYMBOLind28064R180WINDOW06740Left2WINDOW33866Left2SYMATTRInstNameL1SYMATTRValue220µHSYMATTRTypeindSYMATTRSpiceLineRser=0.001Rpar=0Cpar=0SYMBOLvoltage-27248R0WINDOW3-754Left2WINDOW12300Left2WINDOW3900Left2WINDOW03458Left2SYMATTRValue6.2SYMATTRInstNameV1SYMBOLnpn0112R0SYMATTRInstNameQ1SYMATTRValue2SCR533PSYMBOLres-176160M180WINDOW03676Left2WINDOW33640Left2SYMATTRInstNameR1SYMATTRValue13.336KSYMBOLLED30464M90WINDOW0-530VBottom2WINDOW37740VTop2SYMATTRInstNameD1SYMATTRValueNSPW500BSSYMBOLschottky11264M90WINDOW0032VBottom2WINDOW33232VTop2SYMATTRInstNameD99SYMATTRValue1N5817SYMATTRDescriptionDiodeSYMATTRTypediodeSYMBOLcap208160R0SYMATTRInstNameC4SYMATTRValue22nFSYMATTRSpiceLineV=50Irms=0Rser=0.008Lser=0SYMBOLLED40064M90WINDOW0-530VBottom2WINDOW310636VTop2SYMATTRInstNameD2SYMATTRValueNSPW500BSSYMBOLLED49664M90WINDOW0-530VBottom2WINDOW37740VTop2SYMATTRInstNameD3SYMATTRValueNSPW500BSSYMBOLLED59264M90WINDOW0-530VBottom2WINDOW310636VTop2SYMATTRInstNameD4SYMATTRValueNSPW500BSSYMBOLLED68864M90WINDOW0-530VBottom2WINDOW37740VTop2SYMATTRInstNameD5SYMATTRValueNSPW500BSSYMBOLLED78464M90WINDOW0-530VBottom2WINDOW310636VTop2SYMATTRInstNameD6SYMATTRValueNSPW500BSTEXT-120-48Left2!K1L1L21.00TEXT-256224Left2!.tran04.2ms0.2msstartupTEXT-824-40Left2;FOR3LED's,(D1-D3andR1=15.000K)\n613.12mW/714.21mW=85.85%Efficiency\n\nFOR4LED's,(D1-D4andR1=14.135K)\n613.98mW/714.19mW=85.97%Efficiency\n\nFOR5LED's,(D1-D5andR1=13.410K)\n607.05mW/714.26mW=84.99%Efficiency\n\nFOR6LED's,(D1-D6andR1=13.336K)\n594.96mW/714.17mW=83.31%EfficiencyTEXT-240256Left2;Foreachcase,R1hasbeenadjustedtodrawinthesameamountofpoweratV1(714mW).\nEfficiency=V(D1)*I(D1)/V(V1)*I(V1)electronics-stackexchange-efficient-6v-joule-thief-query-1TEXT104-72Left2;L1-L2isahypotheticalperfectcoupledinductor\n(ESR=1mOhm,100%coupling).\nD1=65.975mARMS,37.424mAAVG,172mAPKfor4LED's.\nD99&C4preventnegativecurrentsindiodestring.

Graciasdeantemanoatodoslosquepuedenarrojarluzsobreunaverdadquepareceser"aumento de voltaje significa mayor eficiencia" y, lo que es más importante, POR QUÉ esto parece ser cierto, y también a qué "muro de ladrillo" parece impactar.

    
pregunta MicroservicesOnDDD

1 respuesta

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una verdad que parece ser "aumento de voltaje significa aumento   eficiencia ... y también lo que "la pared de ladrillo" parece golpear "

Entonces, un voltaje más alto aumenta la eficiencia, ¿hasta que no?

Lo que generalmente ocurre es que a medida que aumenta la tensión de salida, el ciclo de trabajo también tiene que aumentar para "transformar" la potencia a una tensión más alta a una corriente más baja. Esto provoca un aumento de las pérdidas en algunos componentes y una reducción de las pérdidas en otros. Cuáles (si los hay) 'ganan' dependen de sus características individuales, pero la eficiencia de en general tiende a reducirse a medida que aumenta la tensión.

Sin embargo, la eficiencia también puede disminuir cuando el aumento de voltaje es pequeño, debido al aumento de la corriente de salida requerida para entregar la misma potencia. Esto parece ser lo que está viendo: la eficiencia aumenta ligeramente de 3 a 4 LED, pero se reduce por encima de eso.

Si vas por debajo de los 3 LED, las cosas empiezan a ponerse raras. Con 2 LEDs la eficiencia cae dramáticamente. Con 1 LED puede obtener más del 94%, pero solo aumentando R1 hasta que la oscilación se detenga por completo, empujando la corriente continua a través del LED. Con cero LEDs ...

Está bien, eso es una tontería, pero muestra que amplias generalizaciones como "un aumento de voltaje aumenta la eficiencia hasta que llega a una pared de ladrillos 'no son un sustituto para un análisis adecuado. Entre 3 y 5 LED, su curva de eficiencia es prácticamente plana, y sugiere una reducción gradual de la eficiencia a un voltaje de salida más alto. Entonces, en este caso particular, su generalización no solo es inútil, es incorrecta .

También tenga en cuenta que esto es solo una simulación, utilizando modelos de componentes que no tienen todas las características de un circuito real. En un verdadero ladrón de Joule, la curva de eficiencia podría ser bastante diferente.

    
respondido por el Bruce Abbott

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