Распространенные способы подключения светодиодов к сетевому напряжению 220 В, варианты схем, пояснение их работы
В этой статье хотелось рассмотреть несколько принципиальных схем подключения обычных индикаторных светодиодов к сетевому напряжению 220 В. Также постараемся с вами разобраться с принципом их действия, выявить имеющиеся достоинства и недостатки.
Для начала стоит уточнить, как именно работает обычный светодиод.
Светодиод подобен обычному диоду. В одну сторону он проводит ток, в другую сторону не проводит. У светодиода имеются два вывода, это катод и анод. Если на анод подать плюс источника питания, а на катод минус, необходимого для работы напряжения, то светодиод будет светиться. И это называется прямым включением. Если плюс и минус поменять местами, то светодиод гореть не будет. Это будет уже обратное включение светодиода к источнику питания.
При прямом включении (когда светодиод светится) между катодом и анодом имеется определенное падение напряжения. И в зависимости от цвета светодиода это напряжение может быть в пределах от 1,8 вольт (красный цвет) до 4,5 вольт (синий цвет).
Нормальным током для индикаторных светодиодов считается 20 мА (миллиампер). Допустимо немного превышать это значение, ну пусть до 30 мА. Но вот при большем долговременном токе светодиоды такого типа просто сгорят от перегрева своего кристалла. Хотя кратковременно такие светодиоды могу выдержать и ток до 100 мА (но так лучше не делать).
При обратном включении светодиод через себя ток не пропускает, он закрыт. Ток конечно течет (ток утечки), но его величина очень и очень мала (какие-то микроамперы). При этом напряжение на светодиоде будет равно приложенному к нему напряжению. При этом стоит учесть, что у обычных индикаторных светодиодов максимальное обратное напряжение не так уж и велико (в большинстве случаев где-то до 5 вольт). То есть, если при обратном включении на светодиод подать более 5 вольт, то большая вероятность, что он просто выйдет из строя из-за электрического пробоя.
А теперь давайте рассмотрим с вами сами схемы включения светодиодов к сетевому, переменному напряжению 220 вольт. И опять же, для новичков стоит уточнить, что переменное напряжение отличается от постоянного тем, что оно периодически меняет свою полярность на противоположную. И так за секунду аж 100 раз (при частоте 50 Гц).
Схема №1 – схема подключения светодиода к сети 220V через резистор, ограничивающий ток
Данная схема является наиболее простой и обычно именно так индикаторный светодиод пытаются подключить к сетевому напряжению 220 вольт. Что в этой схеме не так. Вроде бы мы ток ограничили дополнительным сопротивлением на 24 ком. И величина тока в этой цепи не должна превышать величины в 10 мА (если быть точнее то 9,1 мА, то есть, мы 220 разделили на 24000 Ом и получили силу тока). Светодиод сгореть не должен от чрезмерного тока. Но он может выйти из строя из-за электрического пробоя при обратном подключении, во время работы противоположной волны переменного напряжения. Поскольку к светодиоду прикладывается все 220 вольт, а если быть точнее и говорить об амплитудном значении напряжения, то все 310 вольт. А как я уже ранее написал, что у обычных светодиодов максимальное обратное напряжение где-то всего до 40 вольт. Вот и велика вероятность электрического пробоя полупроводника при таком вот его подключении к 220 вольт. Поэтому данный вариант схемы является потенциально не рабочим, хотя некоторое время работать возможно и будет.
Схема №2 – схема подключения светодиода к 220 вольт с диодной защитой этого светодиода
В этой схеме мы и ток ограничили резистором R1 до безопасного значения при прямом включении светоизлучающего полупроводника и защитили светодиод от электрического пробоя высоким напряжением при обратном его включении. Для тех, кто не понял как работает в этой схеме защитный диод, поясняю. Дело в том, что когда идет противоположная волна переменного тока, то напряжение, величиной 220 вольт, делится между имеющимися тремя элементами – резистор R1, светодиод VD1 и обычный диод VD2. При обратном подключении внутренняя проводимость как у диода, так и у светодиода очень и очень мала. То есть, это подобно тому, что эти элементы при таком подключении имеют бесконечно большое сопротивление. И поэтому благодаря защитному диоду ток утечки полупроводника настолько мал, что его не хватает для полноценного электрического пробоя светодиода. Следовательно, наш светодиод защищен от перенапряжения.
Но в данной схеме все же есть свой недостаток. Это мерцания светодиода с частотой 25 Гц. То есть, при работе только с одной полу волной переменного тока мы из 50 Гц получаем половину (25 Гц). К сожалению, эта частота заметна глазу и она вызывает некий дискомфорт для восприятия. И еще один недостаток, которым обладают все эти схемы, где используется токоограничительный резистор на 24 кОм. Это его относительно большой нагрев. Это если мы 220 В перемножим на 10 мА, то получим мощность, оседающую на резисторе порядка 2,2 Вт. Поэтому в такие схемы ставятся резисторы мощностью не менее 2 Вт, а то и все 5 Вт.
Схема №3 – схема с защитным диодом, подключенным параллельно светодиоду
Данная схема также защищена от перенапряжения при обратном включении светодиода, но тут, как видно, защитный диод стоит параллельно светодиоду. Работа это схемы проста. Как известно, при прямом включении обычного диода на между его катодом и анодом появляется падение напряжения где-то от 0,6 вольт (при малых токах, проходящих через этот диод) до 1,2 вольта (при больших токах). Следовательно, при прямой волне переменного тока у нас будет светится светодиод и на нем будет падение напряжения около 3 вольт. А при противоположной волне переменного тока у нас прямое подключение будет иметь защитный диод VD2. На котором будет около 0,6 вольт. При этом величина тока в этот полупериод также будет около 10 мА. Если сравнивать эту схему и предыдущую, то вариант №2 пожалуй будет лучше, поскольку не тратится лишняя энергия на защитный диод.
Схема №4 – схема питания светодиода от сети 220V с учетом электробезопасности
По своей работе и по характеристикам эта схема полностью идентична схеме №2. Но тут учтена безопасность самого человека, который случайно может прикоснутся к токовещущей части этой схемы. А именно, если в схеме №2 фазовый провод будет подключен к месту, что ближе к светодиоду и диоду, то при случайном прикосновении человека к этим местам цепи он может получить значительные повреждения от удара током. Величина тока будет максимальной, и она будет зависеть только от сопротивления тела самого человека. Следовательно, есть большая вероятность получить очень сильный удар током. В схеме №4 мы один общий резистор на 24 кОм разделили на два резистора по 12 кОм. Общее сопротивление осталось также 24 кОм, но вот при случайном прикосновении человека к электрической цепи около светодиода удара будет уже ограничен нашим дополнительным сопротивлением. В итоге поражение током будет гораздо меньше, чем в первом случае.
Схема №5 – схема с двумя светодиодами, питающиеся от сетевого напряжения 220V
Данная схема защищена от перенапряжения при обратном включении дополнительным светодиодом. То есть, при одной полу волне будет работать и светиться один светодиод. На котором будет падение напряжения около 3 вольт. А при противоположной волне переменного тока будет работать второй светодиод, на котором также будет падение напряжения около 3 вольт. Хотя мерцание все же будет заметно глазу, также как и будет происходить нагрев самого резистора.
Схема №6 – схема, где используется ионная лампа в роли светового индикатора
Хотя мы и рассматриваем тему подключения именно индикаторных светодиодов к сети 220 вольт, но не стоит сбрасывать со счетов обычную ионную лампу. Ее работа принципиально отличается от работы светодиода. Если для свечения светодиода нужен именно ток, то для ионной лампы нужно определенная величина именно напряжения. Обычные ионные лампы зажигаются от приложенного напряжения величиной более 70 вольт. Причем сила тока очень маленькая. Свечение происходит за счет ионизации газа внутри лампы. Сила свечения не такая уж и большая, но для индикации вполне хватает. Ну, а схему подключения вы можете увидеть на рисунке выше.
Схема №7 – схема подключения светодиода к сети 220 вольт с использованием простого бестрансформаторного блока питания с гасящим конденсатором
Данная схема является лучшей, среди ранее рассмотренных. Хотя она и содержит больше всего электронных компонентов. Дело в том, что в ней отсутствуют все те недостатки, которые были присущи всем предыдущим схемам. Поскольку в место токоограничительного резистора в этой схеме стоит гасящий конденсатор C1, то нет нагрева этого компонента и не тратится лишняя электроэнергия. Также в данной схеме практически не заметны мерцания поскольку частота полу волн тут уже равна 100 Гц. Увеличение частоты произошло за счет переворачивания полу волн диодным мостом VD2, собранном на диодах. И также отсутствует проблема, связанная с опасностью пробоя светодиода от высокого обратного напряжения. Обратного напряжения просто нет, опять же за счет использования диодного моста.
И несколько слов о самой работе данной схемы питания индикаторного светодиода от напряжения 220 вольт. Итак, сила тока ограничивается гасящим конденсатором (обязательно должен быть пленочным, не полярным). Величина ограниченного тока зависит от емкости этого конденсатора. Ниже будет таблица зависимости тока от емкости. Емкость в 330 нФ будет соответствовать максимальному току в 22 мА, что для индикаторных светодиодов является номинальным значением.
Параллельно гасящему конденсатору C1 стоит резистор R1, который нужен только для того, чтобы разряжать конденсатор после выключения схемы от сети. Этот резистор не нагревается, поскольку имеет достаточно большое сопротивление. Далее стоит обычный выпрямительный диодный мост. Он из переменного тока делает постоянный, хотя и пульсирующий. Но эти пульсации особо не заметны для глаза. Поскольку ток потребления светодиодом всего до 20 мА, то тут диоды подойдут любые выпрямительные. Я в схеме поставил наиболее распространенные типа 1n4007 (максимальный прямой ток до 1А, максимальное обратное напряжение до 1000 вольт). Еще в схеме стоит дополнительный резистор R2. Он нужен для того, чтобы обезопасить схему в случае возникновения непредвиденных скачков напряжения. Тем самым ограничив ток для безопасного уровня для питания индикаторного светодиода.
Ниже приведена таблица зависимости тока от емкости гасящего конденсатора.
P.S. Альтернативным вариантом электрической светодиодной подсветки может быть классическая схема подключения неоновой лампочки (параллельно которой ставится резистор где-то на 500кОм-2мОм). Если сравнивать по яркости, то все таки она больше у светодиодной подсветки, ну а если особая яркость не требуется, то вполне можно обойтись данным вариантом схемы на неоновой лампе.
НИЖЕ ВИДЕО ПО ЭТОЙ ТЕМЕ
Какими способами можно подключить простой светодиод к сетевому напряжению 220 вольт, варианты схем, описание их работы, + пример
Как подключить светодиод к 220 В
У многих начинающих радиолюбителей возникает мысль, как подключить светодиод к 220 В без применения трансформатора. Ведь габариты даже самого маломощного трансформатора сравнительно велики. Это в первую очередь вызвано высоким сетевым напряжением, в результате чего первичная обмотка трансформатора имеет большое число витков.
Основной проблемой подключения светодиода к 220 вольтам на прямую, без трансформатора является ограничение ток, протекающего через него вследствие проложенного напряжения. Оценим его величину для понимания сети происходящего.
Светодиод – это светоизлучающий полупроводниковый прибор, как и «обычный» диод пропускает ток лишь в одном направлении. Поскольку переменное напряжение изменяет свое направление дважды за период, то в один полупериод ток протекает, а во второй – нет. Поэтому, чтобы определить средний ток, протекающий через светодиод, следует действующее напряжения 220 В разделить на два. Получим 110 В. Эту величину возьмем за основу при дальнейших расчетах.
Сопротивление любого полупроводника нелинейное, т.е. нелинейно зависит от величины приложенного напряжения. Не вникая в подробности, с приемлемой точностью примем 1,7 Ом. Тогда ток, протекающий через полупроводниковый кристалл равен 110/1,7 = 65 А! Естественно, такой огромный ток сожжёт полупроводниковый прибор. Поэтому обязательно нужно последовательно со светодиодом включать какое-либо сопротивление.
Если в цепи постоянного напряжения в качестве сопротивления можно использовать только резистор, то на переменном напряжении есть возможность применять еще и конденсатор или катушку индуктивности. Их еще называют реактивными элементами. В один полупериод времени они накапливают энергию (в виде электрического или магнитного поля), а в следующий полупериод возвращают ее в направлении источника питания. При этом электрическая энергия практически не потребляется.
Применение катушки индуктивности не рассматривается, по ряду причин, связанных с ее нагревом.
Как подключить светодиод к 220 В с помощью резистора
Для большей наглядности изобразим расчетную схему.
Такая схема очень распространена в цепях индикации работы электротехнических устройств, например, подсветки выключателя или кнопки электрического чайника. Главным достоинством данной схемы является ее простота, а отсюда и надежность.
С целью сравнения полученных результатов возьмем два светодиода. Один индикаторного типа, а второй более мощный.
Определим сопротивление R1, необходимое для первого светодиода:
Сетевое напряжение делим на два по уже указанной выше причине.
Мощность рассеивания резистор равна:
Принимаем 2 ватта, поскольку такой номинал является ближайшим в сторону увеличения из стандартного ряда мощностей.
Теперь определим сопротивление резистора, соединенного последовательно со вторым светодиодом:
Мощность рассеивания равна:
Резисторы с такой мощностью рассеивания имеют значительные размеры и немалую стоимость, поэтому не рационально их применение в цепи с мощными светодиодами. Более эффективным будет замена его конденсатором.
Для защиты полупроводникового прибора встречно-параллельно подсоединяют диод.
Его назначение состоит в следующем. В проводящий полупериод на светодиоде падает напряжения порядка 2…3 В. В не проводящий полупериод он заперт и к его выводам прикладывается обратное полное действующее напряжение 220 В, амплитуда которого достигает 310 В. Поэтому существует вероятность пробоя полупроводникового прибора. Однако если создать путь для протекания тока в этот непроводящий полупериод времени, то снизится амплитуда опасного обратного напряжения. Именно это достигается за счет применения шунтирующего диода.
Кстати, вместо него можно применять еще один светодиод, желательно со схожими параметрами.
Визуально нам будет казаться, что оба они светят все время, но на самом деле они мерцают с частотой 50 Гц. Причем, когда первый светит, второй гаснет и наоборот, т.е. работают в противофазе.
В этом случае необходимо учесть, что через резистор ток протекает в оба полупериода времени, поэтому его сопротивление нужно снизить вдвое. Далее в последующих расчетах мы будем пользоваться схемой без шунтирующего диода.
Как подключить светодиод к 220 В с помощью конденсатора
Выше уже было сказано, что конденсатор обладает реактивным сопротивлением переменному току, т.е. он не потребляет активную мощность, как резистор, поэтому практически не нагревается. Постоянный ток он не пропускает и является для него огромным сопротивлением, которое можно приравнять к разрыву цепи.
Если же на конденсатор подать переменное напряжение, то через него будет, упрощенно говоря протекать ток. Причем сопротивление этого реактивного элемента обратно пропорционально зависит от частоты f, т.е. с ростом f оно снижается. Таким же образом сопротивление зависит и от емкости:
Из приведенной формулы нам необходимо найти значение емкости:
Подставляем данные значения и находим емкости:
Внимание! Все конденсаторы, подключаемые в сеть 220 В, должны быть рассчитаны на напряжение не менее 400 В.
Главным и очень существенным недостатком такой схемы является протекание значительного тока в момент подключения к сети. При этом величина его может превышать в несколько раз номинальный ток светодиода, в результате последний может выйти из строя.
Следует учитывать, что чем больше емкость конденсатора, тем выше значение тока в момент включения. Поэтому для защиты полупроводникового прибора рекомендуется последовательно с конденсатором включать резистор.
Исходя из тех соображений, что резистор с мощностью рассеивания P = 5 Вт имеет небольшие габариты, то рассчитаем величину его сопротивления при данных ограничениях для схемы с более мощным светодиодом:
Из номинального ряда сопротивлений выбираем ближайшее значение 39 Ом.
Конечно, коэффициент полезного действия данной схемы очень снизится, поскольку для питания светодиода мощностью 1 Вт необходимо затратить 6 Вт с источника питания. 5 ватт будут попросту греть резистор.
Светодиоды, ленты и их питание от ЭТ переменного тока
Наверное, не ошибусь, если скажу, что более 90% жителей России знающих, что такое светодиодные ленты, на вопрос «можно ли трансформаторы от „галогенок“ использовать для питания светодиодных лент?» ответят «нет, нельзя!». Самым распространенным объяснением станет банальное «электронный трансформатор – это переменный ток, а светодиодам нужен постоянный». Именно так нам говорят в магазинах, именно такой лейтмотив имеют подавляющее большинство «профессиональных» статей на эту тему, чем, в общем-то, и приучили людей тратить заметно больше денег.
Всегда ли это оправдано и как на самом деле ведут себя светодиоды в самых распространенных СД лентах при питании переменным током мы и попробуем узнать в процессе изложения чтения этой статьи.
Сразу оговорюсь, что для обозначения «светодиод» я и далее буду применять само собой напрашивающееся и вполне естественное сокращение СД и намеренно не буду использовать для этого понятия английскую техническую аббревиатуру LED (Light Emitting Diode). В нашей нынешней стране отсутствие какой либо должной технической подготовки менеджеров и продавцов в магазинах уже привело к замусориванию и появлению таких неестественных для технического языка, юродивых для слуха и ужасных в написании буквосочетаний «леды», «led’ы», «ледовые», или как недавно увидел бегущей строкой — «LEDовые светодиоды». Мало того, что «масло – масляное», я просто вторить и плодить это «словомутие» не хочу…
Идейным источником написания исследования стало давнее желание опровергнуть необоснованные и безаппеляционные утверждения о недопустимости питания СД переменным током. В общем-то спорность этого утверждения наверняка бросается в глаза любому специалисту (а равно и «неспециалисту»), понимающему, что светодиод, хоть и излучает свет, есть прежде всего – ДИОД. А это значит, что излучать под воздействием переменного напряжения он все же будет, но только в свой полупериод.
По сути, нам необходимо будет последовательно ответить на три вопроса:
1) Сможет ли ЭТ «запуститься» при подключении нагрузки в виде полупроводниковых диодов;
2) Если ЭТ запустится, не превысит ли импульсное «переменное» электрическое воздействие допустимых параметров отдельных СД в лент. Если все же превысит, то как долго протянет СД в таких условиях;
3) Какова экономическая эффективность от использования ЭТ в конструкциях освещения на светодиодных лентах.
Итак, полгода назад у меня как раз подвернулся удобный для экспериментов случай.
Мне нужно было осветить пространство в ящиках и тумбах столов моей мастерской. После оборудования кухни в моем распоряжении осталось 1,2 метра одноцветной СД ленты общей мощностью около 17 Вт (Aztech 14Ватт/метр) и один электронный трансформатор от «галогенок» — EAC 12V 20-60Вт, самый распространенный и дешевый, купленный за 74 рубля в июле 2014 года. Для начала, чтобы запустить ЭТ, я нагрузил его обыкновенной галогеновой лампой 20 Вт и затем параллельно подключил все 1,2 метра ленты (Рис. 1). Как и ожидалось, лента зажглась. При этом свечение ленты было равномерным, средней яркости, без какого либо заметного глазу мерцания, что неудивительно, т.к. выходной меандр ЭТ промодулирован по амплитуде малозаметной глазу частой 100Гц. В ходе эксперимента отключение лампы в такой схеме тут же приводило к прекращению свечения СД ленты, что говорило о невозможности запуска ЭТ на одной полуволне напряжения. Тогда я разбил ленту на два участка и включил их встречно-параллельно (Рис.2), что по замыслу должно было обеспечить работу выходного каскада ЭТ на обоих полупериодах. При этом, что бы исключить перекос токов противоположного направления и перегрев выходной обмотки ЭТ от появление постоянной составляющей, я обеспечил равенство (по 8 Вт) количества СД в обоих плечах нагрузки. Сразу после подключения по такой схеме (Рис.2) трансформатор благополучно вышел на режим генерации, а обе светодиодные ленты равномерно зажглись и были оставлены на 1 час, за который ни они, ни сам ЭТ совершенно не нагрелись, что свидетельствовало скорее о вполне нормальных электрических режимах, чем нет.
Итак, ответ на первый вопрос, — запустится ли ЭТ при замене галогеновых ламп на светодиод – положительный. Да, запустится! Если обеспечить встречно-параллельное включение лент как на Рисунке 2.
Идем дальше. Теперь пробуем найти ответ на второй вопрос нашего исследования. Но сейчас нам одних опытов мало, потребуется знание из ТЭРЦиЭ (Теории электро-радиоцепей и элементов), которое в итоге позволит нам предположить: можно ли долговременно питать СД ленты в таком режиме без серьезного ущерба для их долговечности, если вообще рассуждать об ущербе?
Начнем с устройства СД ленты. Лента состоит из соединенных параллельно рабочих участков (Рис.3) из трех излучателей ( обозначены на схеме — E) представляющих собой три отдельных светодиода под общим слоем люминофора. Каждый диод (на схеме — D) излучателя последовательно соединен в триады с диодами из других излучателей и резистором, устанавливающим расчетную рабочую точку диодов (См. Рис. 4).
Резистор в триаде подобран таким образом, что бы при питании от 12 В и расчетной рабочей точке диода Uпр =3,3 В, Iпр = 14 мА на нем гасился избыток напряжения около 2 Вольт.
Покопавшись у производителей SMD светодиодов несложно найти и электрические параметры примененных СД:
Для полноты полученного исследования я дополнительно снял вольтамперную характеристику (ВАХ) рабочего участка ленты (Рис.5), а и путем несложного пересчета получил ВАХ для отдельного СД (Рис.6).
Приведенные на рисунках ВАХ не требуют дополнительных пояснений. Добавлю только, что при напряжении менее 2,35 В на отдельном СД его свечение полностью отсутствует, что соответствует напряжению питания рабочего участка около 7 В., а напряжение питания в 15,5 Вольт на ленте является полностью безопасным, т.к. ток через отдельный светодиод не превышает нормальных эксплуатационных 30 мА.
Однако все эти численные выражения рабочих параметров актуальны только для постоянного тока. Мы собираемся испытывать диод при воздействии переменного напряжения, т.е. импульсного напряжения разных направлений. Однако при таком питании предельно допустимые значения токов и напряжений на диоде могут быть в разы, а то и в десятки раз больше пределов для постоянного тока (это общеизвестно и сомневающиеся менеджеры могут почитать лекции по ТЭРЦ) – все зависит от длительности и периодичности воздействия. Но вот беда: выходное напряжение ЭТ имеет достаточно сложную форму, что не позволяет математически достоверно описать его в пределах данной статьи, а ТТХ на светодиоды не снабжены разделом абсолютных значений для импульсных режимов работы. Хотя там, правда, имеется один параметр (Iпр имп), но для какой длительности импульса он актуален – не ясно, для какой скважности воздействия это применимо, тоже можно только догадываться.
Все дело в том, что p-n переход полупроводника при работе от переменного (импульсного) тока работает с переменной нагрузкой. Токовые периоды, вызывающие нагрев и работу светодиода по излучению световых волн сменяются паузами покоя (при которых ток через переход не течет) и в которых полупроводник остывает. И вопрос здесь уже не столько в абсолютном значении тока через полупроводник, а сколько в том, успеет ли полупроводник в период безтоковой паузы остыть настолько, что бы скомпенсировать нагрев произошедший в токовый период. Т.е. не допустить теплового пробоя.
Здесь, я хочу напомнить «физику» отказа полупроводника. Это нам позволит понять суть происходящих процессов. Она, физика, в общем-то известна, но все же своими словами: долговечность любого прибора определяется его отказоустойчивостью. Отказы диодов при штатной эксплуатации происходят в случае теплового, либо электрического пробоя.
Электрический пробой, как правило, возникает при превышении допустимого обратного напряжения (Uобр). При этом диод теряет свойство односторенней проводимости и начинает проводить в обе стороны. В большинстве случаев электрический пробой обратим и работоспособность прибора восстанавливается.
А вот тепловой пробой, напротив, необратим и возникает при избыточном токе прямого (реже обратного, возникшего уже после электрического пробоя) направления и влечет за собой разрушительного изменения в кристалле полупроводника в результате сильного локального перегрева p-n перехода, неспособного пропустить через себя большое количество заряженных частиц.
Суть здесь такова, что пока не созданы условия для возникновения теплового пробоя – полупроводник работает. Повторюсь, что в общем то не важно какое абсолютное значение имеет ток через него протекающий. Он может быть очень большим! Главное, что бы наш диод не успел перегреться. В паспорте на любой диод указываются два максимально допустимых параметра: Максимальный прямой ток Iпр mzx и Максмальное обратное напряжение U обр макс, для длительного воздействия постоянным током, которые при стандартных условиях эксплуатации гарантированно не приведут ни к электрическому, ни к тепловому пробою.
Поэтому для исследования степени воздействия переменного напряжения ЭТ на светодиоды мы оттолкнемся от постулата, что любое длительное импульсное воздействие тока можно привести к такому значению постоянного тока, при котором работа, совершаемая светодиодом под воздействием импульсного тока, будет идентична работе при постоянно токе.
Как же мы оценим производимую светодиодом работу? Да очень просто. Светодиод под действием протекающего через него тока совершает работу по выделению световой энергии и тепловой. А эти два параметра мы как раз очень легко можем замерить и сравнить для обоих видов тока, а значит определить, как сильно нагружает светодиод выходное напряжение ЭТ по сравнению со стандартным 12 В стабилизатором.
Для оценки световой энергии излучаемой отдельным рабочим участком СД ленты я снял зависимость освещенности от напряжения питания. Освещенность замерялась на расстоянии 10 см от излучателей (Рис 7).
Таким образом, на данном этапе, у нас все готово для того, что бы получить ответ на второй и третий вопросы нашего исследования.
Приступим.
Для начала исследуем выходное напряжение нашего ЭТ:
Рис.8
Сразу скажу, что использовать бытовой электронный тестер-ампервольтметр для измерения амплитуды напряжения такой формы нельзя. Он рассчитан на измерение строго гармонического колебаний, а в нашем случае он будет очень сильно врать, ибо мы имеем дело с переменным импульсным напряжением промодулированным по амплитуде током удвоенной промышленной частоты. Частота модуляции 100 Гц, частота заполнения: 10КГц – двунаправленный меандр, амплитуда сигнала Uа = 18 Вольт. Отдельных выбросов амплитудой более 18 В осциллограф не зафиксировал. Так как заполнение меандр, то действующее значение напряжения будет целиком подчиняться закону модулирующего сигнала, а поэтому в нашем случае Uдейст =Uа/√2= 18/1,41 = 12,7В. Именно поэтому в паспорте на ЭТ указано, что выходное напряжение составляет
Глядя на эпюры и сопоставляя их с ТТХ и ВАХ становится ясно, что при действии прямого тока на СД, мы едва ли выйдем за пределы допустимых параметров. Заявленный предельный прямой импульсный ток для одиночного СД в 60 мА достижим только при Uпр > 3,9 В, т.е. при напряжении питания на ленте более 20 В (см. вольт-амперные характеристики), но таких значений мы, как видим все равно не достигаем. С другой стороны, легко видно, что длительность воздействия напряжения свыше упомянутых и совершено безопасных 15,5 В (при которых ток через СД не более 30 мА) составляет не более 8% от общего времени питания от рассматриваемого ЭТ. Думаю едвали это опасно для СД. Ок. Запомним. Проверим чуть позже.
Теперь прикинем, не выйдем ли мы за пределы допустимого обратного напряжения и при воздействии обратного полупериода напряжения. В этом случае сопротивлением R в триаде можно пренебречь, Uа (18В) равномерно распределится по СД в триаде, и амплитудное значение напряжения на диода составит 6 В, что больше заявленных 5В. Но, длительность превышения опять не превысит 8% от общего времени работы СД, и второе, что меня очень сильно смутило, это то, что допустимое обратное напряжение, во всех даташитах как то уж очень подозрительно одинаково для разных серий светодиодов. Оно всегда равно 5В. Ок. Запомним и это и начнем подводить первые итоги.
Итак, теоретически, при прямом полупериоде мы не должны превысить прямых токов для СД, а при обратном полупериоде, превышение заявленного допустимого обратного напряжения мало, — как по продолжительности воздействия, так и по абсолютному значению.
Ну что, же теперь пора проверить наши выводы на практике. Давайте практически оценим световую и тепловую отдачу. Если свет и тепло выделяемые лентой не превысят тех, что выделяются при питании от стандартного источника питания для СД лент, то значит наш положительный теоретический вывод будет подтвержден.
Запитав ленту от ЭТ встречно параллельно измеряем светоотдачу единичного рабочего участка ленты из трех излучаетелей и сравниваем значения с характеристикой на Рис. 7. Люксметр фиксирует значения на уровне 970-990 люкс, что соответствует питанию ленты от источника напряжения чуть ниже 10 В. Нагрев ленты оказался ничтожны и через 1 час работы не превысил 35 градусов Цельсия, при температуре окружающего воздуха 25°C. В аналогичных условиях, но при питании постоянным током Uпр=12В, лента нагревалас до 49°C, а создаваемая освещенность составляла около 2000 Люкс. Эти результаты совершенно однозначно говорят о том, что несмотря на все маркетологические увещевания, полупроводник при питании от ЭТ работает в недогруженном режиме и ожидать его скорой смерти едва ли приходится. Кстати, посмотрев на Рис. 9, и произведя замеры площадей фигур светло синего и кирпичного цветов можно понять, почему именно СД светятся так, будто питаются от 10В. Дело в том, что светло-синяя фигура характеризует условия, при которых СД лента совершает полезную работу (помним, что это происходит при Uпит > 7 Вольт). Светло-коричневая фигура за вычетом светло-синей – это условия, при которых СД лента простаивает – не работает! Соотношение их площадей как раз 10 к 8. Все сходится, однако, хе-хе.
Рис.9
И тем не менее, на фоне положительного ответа второй вопрос нашего исследования, мысль о пусть и незначительном, но все же превышении допустимого обратного напряжения мне не давала покоя. Короче, я решил по жесткому: подключил ленту к источнику постоянного тока и плавно увеличивая обратное напряжение стал ожидать, когда же миллиамперметр зафиксирует электрический пробой. Доведя обратное напряжение на отдельном светодиоде почти до 20 Вольт я так и не добился пробоя. Обратный ток при этом не превышал 15 мкА. Оставив все это дело почти на сутки – я убедился, что ничего с излучателями не случилось, а уж видимо от коротких импульсных воздействий 6В против 5В и подавно ничего не должно произойти в обозримой перспективе.
Выводы и ответ на третий вопрос
Использовать ЭТ от галогенок для питания светодиодных лент можно и похоже это вовсе не скажется на долговечности работы СД лент и источников света. Скорее даже наоборот скажется, но служить они будут дольше. Наверное. Пока получается, что так. Незабудьте только про встречно параллельное включение и равенство плеч.
Теперь главный вопрос не в том, что — можно ли? Вопрос в том, — А стоит ли?
Ответ следующий – если вы собираете смонтировать систему освещения с нови, то наверное не стоит. Так дешевизна ЭТ будет перекрыта покупкой большего количества, либо большей мощности светодиодов, ведь при 10 В световой поток создаваемый СД лентой в два раза меньше того, что имеем при 12В (см. Рис. 7)
Правильное подключение светодиода. Схемы подключения.
Если у Вас появилась задача подключения светодиода, то постараюсь Вам в этом помочь в этой статье. При подключении светодиодов необходимо правильно подключать светодиод, соблюдать полярность. Что бы узнать, где у светодиода плюс (+) , а где минус (-) достаточно посмотреть на светодиод одна из ножек светодиода длиннее, чем вторая, соответственно самая длинная ножка будет плюс (+), а короткая минус (-). Начнем с подключения одинарных обычных светодиодов с рабочим напряжением 2-3В с рабочим током 10-20мА, как правило, напряжение светодиодов 2 вольта и что бы подключить светодиод, скажем к 12 вольтам постоянного напряжения (схема подключения светодиода к 12 вольтам представлена на рисунке 1), нам необходимо подобрать резистор.
Чтобы подобрать резистор для светодиода, будем пользоваться следующим способом: нам известно, что напряжение светодиода 2В, соответственно при подключении светодиода к 12 вольтам (например, светодиод будем использовать в автомобиле) нам надо ограничить 10В, в принципе в случаях светодиодов правильней говорить ограничить ток светодиода, но мы при выборе резистора будем пользоваться простым проверенным многими годами способом без всяких математических формул. На каждый вольт необходим резистор сопротивлением 100 Ом, т.е. если светодиод с рабочим напряжением 2В, и мы подключаем к 12 вольтам, нам нужен резистор 100Ом х 10В=1000 Ом или 1кОм обычно на схемах обозначается 1К, мощность резистора зависит от тока светодиода, но если мы используем обычный не мощный светодиод, как правило, его ток 10-20мА и в этом случае достаточно резистора на 0,25Вт самого маленького резистора по размеру.
Резистор с большей мощностью нам понадобится в 2х случаях: 1) если ток светодиода будет больше и 2) если напряжение будет выше, чем 24В и соответственно в случаях подключения светодиода к напряжению 36-48В и выше нам понадобится резистор с большей мощностью 0,5 – 2Вт, а в случае подключения светодиода к сети 220В лучше использовать резистор на 2Вт, но при подключении светодиода к сети переменного тока нам потребуется еще ряд элементов, но об этом чуть позже.
А если нам надо будет подключить светодиод к напряжению 24В, то резистор нужен будет 100Ом х 22В = 2,2кОм. Т.е. при помощи данного способа можно рассчитать резистор для подключения 2-3 вольтового светодиода и с током 5-20мА на любое напряжение постоянного тока. Для удобства приведу ряд номиналов резисторов (рисунок 2) для разных напряжений постоянного тока:
5В – R1 = 300 Ом; 9В – R1 = 750 Ом; 12В – R1 = 1 кОм; 15В – R1 = 1,3кОм; 18В – R1 = 1,6 кОм; 24В – R1 =2,2 кОм; 28В – 2,6 кОм
Если требуется светодиод подключить к батарейке, скажем на 3В, то можно поставить резистор последовательно на 100 Ом, а если батарейка пальчиковая на 1,5В, то можно подключить и без резистора.
При расчете мы можем выбрать только резисторы из стандартных номиналов, поэтому нет ничего страшного, если сопротивление резистора, будет чуть больше или меньше расчетного.
Если вы используете очень яркий светодиод, а светодиод используется, к примеру, для индикации в каких-либо устройствах, то можно сопротивление резистора увеличить, и тем самым яркость светодиода уменьшится, и светодиод не будет ослеплять. Но лучше всего в таких случаях если не требуется большая яркость светодиода, то при покупке в магазине или заказе в Китае можно выбрать матовый светодиод нужного цвета и током, как правило, 6-20мА, угол обзора у данных светодиодов, как правило, составляет 60 градусов, они отлично подходят для индикации, не ослепляют и от них не устают глаза, даже если долго на них смотреть. Прозрачные белые светодиоды для данных целей, как правило, не подходят.
В случае подключения светодиода к микроконтроллеру или плате ARDUINO, как правило, рабочее напряжение составляет 5В, соответственно резистор можно взять 300-470 Ом можно и еще с большим сопротивлением. Главное учитывать, что ток не может превышать предельного тока вывода микроконтроллера, как правило, не более 10мА, поэтому сопротивление резистора 300-470 Ом для подключения светодиода является золотой серединой. Схема подключения светодиода к микроконтроллеру или плате ARDUINO представлена на рисунке 3. Стоит обратить Ваше внимание, что светодиод может быть подключен как анодом, так и катодом к микроконтроллеру и от этого будет зависеть программный способ управления светодиодом.
3. Последовательное подключение нескольких светодиодов
При последовательном соединении светодиодов чтобы их яркость не отличалась, друг от друга надо, чтобы светодиоды были одного типа. При последовательном соединении светодиодов сопротивление резистора будет меньше в отличие от случая, когда мы подключаем один светодиод. Для расчета резистора мы так же можем использовать ранее рассмотренный способ.
К примеру, нам необходимо последовательно подключить четыре светодиода к напряжению постоянного тока 12В, соответственно рабочее напряжение светодиодов 2В при последовательном соединении будет 2В х 4шт. = 8В. Тогда мы можем выбрать резистор из стандартного ряда на 470-510 Ом. При последовательном соединении светодиодов ток, протекающий через все светодиоды, будет одинаковым.
Рисунок 5 — Последовательное соединение светодиодов
Одним из недостатков последовательного соединения светодиодов является тот факт, что в случае выхода одного из светодиодов из строя, все светодиоды перестанут светится. Ниже приведена схема с последовательным соединением двух, трех и четырех светодиодов.
4.Параллельное подключение светодиодов
При параллельном подключении светодиодов резистор выбираем так же, как в случае одиночного светодиода. На каждый светодиод должен быть свой резистор при этом, если резисторы по сопротивлению будут отличаться или светодиоды будут различных марок, то будет очень заметно неравномерность свечения одного светодиода от другова. Ток при параллельном соединении будет складываться в зависимости от количества светодиодов.
5. Подключение мощных светодиодов с большим рабочим током, как правило, применяемых для освещения. При использовании мощных светодиодов лучше всего не использовать обычные резисторы, а применять специальные импульсные источники питания для светодиодов в них, как правило, уже установлены цепи стабилизации тока, данные источники питания обеспечивают равномерность свечения светодиодов и более долговечный срок службы. Светодиоды, применяемые для освещения необходимо устанавливать на теплоотвод (радиатор).
6. Подключение светодиода к переменному напряжению 220В.
(Внимание. Опасное напряжение все работы по подключению к сети 220В необходимо производить только при выключенном, снятом напряжении и при этом необходимо убедится, что напряжение отсутствует. Будьте внимательны. Ко всем элементам схемы не должно быть прямого доступа).
При подключении светодиода к переменному напряжению 220В нам понадобится не только резистор, но и диод для выпрямления напряжения, так как светодиод работает от постоянного тока. Без диода на переменное напряжение лучше не включать. Схема подключения светодиода к сети 220В представлена на рисунке 7. Благодаря тому что мы используем два резистора вместо одного, мы можем использовать резисторы мощностью 1Вт. Так же лучше всего установить конденсатор особено если будет заметно мерцание светодиода. Конденсатор может быть керамический или пленочный главное нельзя использовать электролитический конденсатор.
7. Подключение двухцветных светодиодов.
Если мы возьмем двухцветный светодиод, то увидим, что у данного светодиода не два, а три вывода, соответственно, один вывод по центру является общим, а два вывода по бокам каждый отвечает за свой цвет.
Немного математики :
Расчет сопротивления ограничивающего резистора при 5В и токе светодиода 20мА:
R = U / Imax = 5 / 0.020 = 250 Ом — соответственно сопротивление резистора при 5В должно быть не меньше 250 Ом