बेकार समझी जाने वाली बैटरी से भी निकलेगी पूरी बिजली: जानिए 'जूल थीफ' सर्किट का आसान विज्ञान

जूल थीफ नामक एक साधारण सर्किट ट्रांसफार्मर और ट्रांजिस्टर की मदद से वोल्टेज को बढ़ाकर खत्म मानी जाने वाली बैटरी की बची हुई रासायनिक ऊर्जा का इस्तेमाल करके एलईडी जला सकता है।

जब कोई इलेक्ट्रॉनिक उपकरण या टॉर्च अचानक काम करना बंद कर देती है, तो आमतौर पर यही माना जाता है कि उसकी बैटरी पूरी तरह से खत्म हो चुकी है। हालांकि सच्चाई यह है कि कोई भी इस्तेमाल की जा चुकी बैटरी कभी पूरी तरह खाली नहीं होती। उसमें रासायनिक ऊर्जा का कुछ हिस्सा हमेशा बचा रहता है, लेकिन उसका वोल्टेज इतना कम हो जाता है कि वह उस उपकरण या बल्ब तक बिजली का प्रवाह नहीं पहुंचा पाती। फैराडे के प्रेरण नियम और हाई-स्पीड स्विचिंग तकनीक पर आधारित 'जूल थीफ' नाम का एक छोटा सर्किट इस बची हुई ऊर्जा को निचोड़कर वोल्टेज को इतना बढ़ा सकता है कि एक 3-वोल्ट एलईडी रोशनी देने लगे।

बैटरी 'डेड' होने के बाद भी ऊर्जा क्यों बची रहती है?
घरेलू इस्तेमाल वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में बैटरी रासायनिक संभावित ऊर्जा को विद्युत धारा में बदलकर काम करती है। समय के साथ जैसे-जैसे अंदरूनी रासायनिक प्रतिक्रियाएं धीमी पड़ती हैं, बैटरी के टर्मिनलों के बीच पोटेंशियल डिफरेंस कम होता जाता है। आखिरकार वोल्टेज उस स्तर से नीचे गिर जाता है जहां वह उपकरण या बल्ब के प्रतिरोध को पार कर सके।

इस स्थिति में उपकरण बंद हो जाता है और ऐसा लगता है कि बैटरी में अब कोई जान नहीं बची है। लेकिन असल में उस सेल के अंदर रासायनिक ऊर्जा का बड़ा हिस्सा फंसा रह जाता है। बिना किसी वोल्टेज-बूस्टिंग तकनीक के यह बची हुई ऊर्जा पूरी तरह बेकार चली जाती है और बैटरी को कचरे में फेंक दिया जाता है।

इनकैंडिसेंट बल्ब और आधुनिक एलईडी: वोल्टेज की जरूरतें
विभिन्न लाइटिंग तकनीकों में ऊर्जा की खपत को समझने के लिए एक 1.5-वोल्ट AA बैटरी और तांबे के तार से जुड़े एक छोटे इनकैंडिसेंट बल्ब के सर्किट को देखा जा सकता है। इस सेटअप में करंट बैटरी के एक सिरे से निकलकर बल्ब के अंदर मौजूद टंगस्टन फिलामेंट से गुजरता है और दूसरे सिरे पर लौट आता है। टंगस्टन फिलामेंट के अत्यधिक पतले होने के कारण करंट इसे लगभग 4,500 डिग्री फ़ारेनहाइट तक गर्म कर देता है, जिससे यह सफेद चमक के साथ जलने लगता है। टंगस्टन का गलनांक सभी शुद्ध धातुओं में सबसे अधिक होने के कारण यह इतने उच्च तापमान पर भी पिघलता नहीं है। जब तक सर्किट का स्विच ऑन रहता है, करंट बहता रहता है और बैटरी का वोल्टेज गिरता जाता है, जब तक कि बल्ब के जलने लायक रोशनी बनना बंद न हो जाए।

आजकल अधिकांश उपकरणों में इनकैंडिसेंट बल्बों की जगह प्रकाश उत्सर्जक डायोड यानी एलईडी का उपयोग किया जाता है। गर्मी पैदा करके रोशनी देने के बजाय एलईडी एक सॉलिड-स्टेट सेमीकंडक्टर उपकरण है जो ऊर्जा अंतराल के सिद्धांत पर काम करता है। जब करंट में मौजूद इलेक्ट्रॉन कम ऊर्जा स्तर पर गिरते हैं, तो अतिरिक्त ऊर्जा सीधे प्रकाश के रूप में बाहर निकलती है। इससे गर्मी के रूप में ऊर्जा की बर्बादी रुक जाती है। लेकिन एक सफेद एलईडी को चालू करने के लिए कम से कम 3 वोल्ट की आवश्यकता होती है, जिसके लिए आमतौर पर दो 1.5-वोल्ट AA बैटरियों को श्रेणीबद्ध क्रम में जोड़ना पड़ता है।

समय के साथ जब ये बैटरियां डिस्चार्ज होती हैं, तो इनका कुल आउटपुट 3 वोल्ट से नीचे चला जाता है। अगर बैटरियों में 2.8 वोल्ट की ऊर्जा बची भी हो, तब भी एलईडी पूरी तरह बंद हो जाती है। यह तकनीकी सीमा बैटरियों के भीतर बची हुई ऊर्जा को लॉक कर देती है क्योंकि वोल्टेज आवश्यक सीमा से थोड़ा ही कम होता है।

इलेक्ट्रोमैग्नेटिक इंडक्शन और फैराडे का नियम
विद्युत धारा उत्पन्न करने का एकमात्र जरिया रासायनिक बैटरियां ही नहीं हैं। फैराडे के प्रेरण नियम के अनुसार, जब भी किसी प्रवाहकीय तार के पास चुंबकीय क्षेत्र में बदलाव होता है, तो उस तार में वोल्टेज प्रेरित होता है। यदि कोई बंद तार ऐसे क्षेत्र में स्थित हो जहां चुंबकीय फ्लक्स लगातार बदल रहा हो, तो तार के दोनों छोरों पर वोल्टेज पैदा हो जाता है।

यही सिद्धांत इलेक्ट्रिकल ट्रांसफार्मर के काम करने का आधार है। एक साधारण ट्रांसफार्मर में लोहे की रिंग जैसे साझा कोर पर लिपटे हुए इंसुलेटेड तारों के दो अलग-अलग कॉइल होते हैं। तारों पर इंसुलेशन होने की वजह से दोनों सर्किट आपस में सीधे संपर्क में नहीं आते। जब प्राथमिक कॉइल से करंट गुजारा जाता है, तो वह कोर में एक चुंबकीय क्षेत्र बनाता है। जब इस चुंबकीय क्षेत्र में कोई बदलाव होता है, तो यह दूसरी कॉइल में वोल्टेज और करंट प्रेरित करता है।

ध्यान देने योग्य बात यह है कि एक स्थिर चुंबकीय क्षेत्र दूसरी कॉइल में कोई वोल्टेज पैदा नहीं करता। प्रेरण का प्रभाव पूरी तरह से चुंबकीय क्षेत्र के बदलने की दर पर निर्भर करता है। प्राथमिक करंट को तेजी से बंद या चालू करने से एक तेज चुंबकीय बदलाव आता है, जिससे दूसरी कॉइल में हाई वोल्टेज स्पाइक उत्पन्न होता है। इसके विपरीत, चुंबकीय क्षेत्र में धीमा बदलाव कम वोल्टेज पैदा करता है। साथ ही प्राथमिक कॉइल की तुलना में द्वितीयक कॉइल में तार के फेरों की संख्या बढ़ाकर आउटपुट वोल्टेज को इनपुट वोल्टेज से काफी अधिक किया जा सकता है।

ट्रांसफार्मर और ट्रांजिस्टर की जुगलबंदी
डिस्चार्ज हो चुकी 1.5-वोल्ट की बैटरी से 3-वोल्ट की एलईडी को जलाने के लिए ट्रांसफार्मर के साथ ट्रांजिस्टर नाम के एक इलेक्ट्रॉनिक स्विचिंग कंपोनेंट को जोड़ा जाता है। ट्रांसफार्मर प्रेरण के माध्यम से वोल्टेज बढ़ाता है, लेकिन इसके निरंतर काम करने के लिए करंट का लगातार बदलते रहना जरूरी है। इसी काम को पूरा करने के लिए ट्रांजिस्टर का इस्तेमाल किया जाता है।

ट्रांजिस्टर एक इलेक्ट्रॉनिकी रूप से नियंत्रित वाल्व की तरह काम करता है जो विद्युत प्रवाह को तेजी से चालू और बंद कर सकता है। इसे किसी मैन्युअल स्विच की आवश्यकता नहीं होती, बल्कि इसका कंट्रोल गेट खुद एक छोटे विद्युत करंट द्वारा संचालित होता है। प्रेरित करंट के एक छोटे हिस्से को ट्रांजिस्टर के गेट में वापस भेजकर एक सेल्फ-सस्टेनिंग फीडबैक लूप बनाया जाता है, जो प्राथमिक करंट को एक सेकंड में हजारों बार चालू और बंद करता है।

जूल थीफ सर्किट के काम करने का चरणबद्ध तरीका
जूल थीफ सर्किट में विद्युत क्रियाएं एक तीव्र और निरंतर चक्र में चलती हैं

• प्रारंभिक करंट प्रवाह: कम वोल्टेज वाली बैटरी ट्रांसफार्मर की प्राथमिक कॉइल के माध्यम से करंट भेजती है, जिससे लोहे के कोर में एक चुंबकीय क्षेत्र बनता है।
• प्रेरण और स्विचिंग: बढ़ता हुआ चुंबकीय क्षेत्र द्वितीयक कॉइल में करंट का एक छोटा स्पाइक प्रेरित करता है। यह सिग्नल ट्रांजिस्टर के गेट तक पहुंचकर प्राथमिक करंट के रास्ते को बंद कर देता है।
• चुंबकीय क्षेत्र का गिरना: प्राथमिक करंट बंद होते ही कोर का चुंबकीय क्षेत्र तेजी से खत्म हो जाता है। चुंबकीय फ्लक्स में आए इस अचानक बदलाव से द्वितीयक सर्किट में 3 वोल्ट या उससे अधिक का वोल्टेज स्पाइक पैदा होता है, जिससे एलईडी जल उठती है।
• लूप रिसेट: चुंबकीय क्षेत्र समाप्त होते ही द्वितीयक करंट गिर जाता है, जिससे ट्रांजिस्टर गेट फिर से खुल जाता है। प्राथमिक कॉइल में करंट दोबारा बहने लगता है और चक्र फिर से शुरू हो जाता है।

यह उच्च-आवृत्ति दोलन लगातार दोहराता रहता है, जिससे वोल्टेज स्पाइक्स की एक सतत धारा बनती है। इसके प्रभाव से 1.5 वोल्ट की सीमा से काफी नीचे डिस्चार्ज हो चुकी सिंगल बैटरी भी एलईडी को लगातार जलाए रखती है। यह प्रक्रिया तब तक जारी रहती है जब तक कि बैटरी की रासायनिक ऊर्जा पूरी तरह खत्म न हो जाए।

टॉर्च से लेकर सोलर पावर बूस्ट कनवर्टर तक व्यावहारिक उपयोग
जूल थीफ सर्किट के पीछे के भौतिक सिद्धांत केवल प्रयोगशाला के प्रयोगों तक सीमित नहीं हैं। उच्च गुणवत्ता वाली कॉम्पैक्ट पॉकेट टॉर्च में इस सर्किट के लघु रूप का बड़े पैमाने पर उपयोग किया जाता है, जिसे 'बूस्ट कनवर्टर' या 'स्टेप-अप स्विचिंग रेगुलेटर' कहा जाता है। ये छोटे सर्किट बोर्ड टॉर्च को एक ही AA या AAA बैटरी पर लंबे समय तक और तेज रोशनी के साथ चलने की सुविधा देते हैं।

इसी तरह, सोलर पावर सिस्टम में भी बूस्ट कनवर्टर की महत्वपूर्ण भूमिका होती है। सौर पैनल रात में इस्तेमाल के लिए घरेलू स्टोरेज बैटरियों को चार्ज करने हेतु डायरेक्ट करंट (DC) बिजली बनाते हैं। हालांकि बादलों वाले दिनों में सौर पैनल केवल 10 वोल्ट का कम आउटपुट उत्पन्न कर पाते हैं, जो 12-वोल्ट की बैटरी को सीधे सीधे चार्ज करने के लिए नाकाफी होता है। ऐसी स्थिति में बूस्ट कनवर्टर सर्किट इस कम वोल्टेज को बढ़ाकर 12 वोल्ट से अधिक कर देते हैं, जिससे प्रतिकूल मौसम में भी सौर ऊर्जा का संचयन जारी रहता है।

इसका आप पर असर
बूस्ट कनवर्टर सर्किट के काम करने के तरीके को समझकर टेक प्रेमी और DIY यूज़र्स घरेलू बैटरियों से पूरी ऊर्जा निचोड़ सकते हैं और सोलर पावर स्टोरेज सिस्टम की कार्यकुशलता बढ़ा सकते हैं।

सवाल-जवाब

1. जूल थीफ सर्किट क्या होता है?
जूल थीफ एक छोटा इलेक्ट्रिकल सर्किट है जो ट्रांसफार्मर और ट्रांजिस्टर की मदद से लो-वोल्टेज डिस्चार्ज बैटरियों से बची हुई ऊर्जा खींचकर वोल्टेज को बढ़ा देता है।

2. बैटरी पूरी तरह खाली होने से पहले ही एलईडी बंद क्यों हो जाती है?
सफेद एलईडी को जलने के लिए न्यूनतम 3 वोल्ट की आवश्यकता होती है। जब डिस्चार्ज होकर बैटरियों का वोल्टेज 3 वोल्ट से नीचे चला जाता है, तो उसमें ऊर्जा बचे होने के बावजूद एलईडी बंद हो जाती है।

3. फैराडे का नियम जूल थीफ में कैसे काम करता है?
फैराडे के नियमानुसार बदलते चुंबकीय क्षेत्र से तार में वोल्टेज प्रेरित होता है। जूल थीफ ट्रांसफार्मर के चुंबकीय क्षेत्र को तेजी से बदलकर द्वितीयक कॉइल में हाई-वोल्टेज स्पाइक बनाता है।

4. क्या जूल थीफ तकनीक का उपयोग वास्तविक उत्पादों में होता है?
हां, पॉकेट टॉर्च और सोलर पावर सिस्टम में 'बूस्ट कनवर्टर' के रूप में इस तकनीक का इस्तेमाल वोल्टेज बढ़ाने के लिए किया जाता है।

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