Рассмотрим способы включения лед диодов средней мощности к наиболее популярным номиналам 5В, 12 вольт, 220В. Затем их можно использовать при изготовлении цветомузыкальных устройств, индикаторов уровня сигнала, плавное включение и выключение. Давно собираюсь сделать плавный искусственный рассвет, чтобы соблюдать распорядок дня. К тому же эмуляция рассвета позволяет просыпаться гораздо лучше и легче.
Драйвера с питанием от 5В до 30В
Если у вас есть подходящий источник питания от какой либо бытовой техники, то для включения лучше использовать низковольтный драйвер. Они бывают повышающие и понижающие. Повышающий даже из 1,5В сделает 5В, чтобы светодиодная цепь работала. Понижающий из 10В-30В сделает более низкое, например 15В.
В большом ассортименте они продаются у китайцев, низковольтный драйвер отличается двумя регуляторами от простого стабилизатора Вольт.
Реальная мощность такого стабилизатора будет ниже, чем указал китаец. У параметрах модуля пишут характеристику микросхемы и не всей конструкции. Если стоит большой радиатор, то такой модуль потянет 70% — 80% от обещанного. Если радиатора нет, то 25% — 35%.
Особенно популярны модели на LM2596, которые уже прилично устарели из-за низкого КПД. Еще они сильно греются, поэтому без системы охлаждения не держат более 1 Ампера.
Более эффективны XL4015, XL4005, КПД гораздо выше. Без радиатора охлаждения выдерживают до 2,5А. Есть совсем миниатюрные модели на MP1584 размером 22мм на 17мм.
Включение 1 диода
Чаще всего используются 12 вольт, 220 вольт и 5В. Таким образом делается маломощная светодиодная подсветка настенных выключателей на 220В. В заводских стандартных выключателях чаще всего ставится неоновая лампа.
Параллельное подключение
При параллельном соединении желательно на каждую последовательную цепь диодов использовать отдельный резистор, чтобы получить максимальную надежность. Другой вариант, это ставить одно мощное сопротивление на несколько LED. Но при выходе одного LED из строя увеличится ток на других оставшихся. На целых будет выше номинального или заданного, что значительно сократит ресурс и увеличит нагрев.
Рациональность применений каждого способа рассчитывают исходя из требований к изделию.
Последовательное подключение
Последовательное подключение при питании от 220в используют в филаментных диодах и светодиодных лентах на 220 вольт. В длинной цепочке из 60-70 LED на каждом падает 3В, что и позволяет подсоединять напрямую к высокому напряжению. Дополнительно используется только выпрямитель тока, для получения плюса и минуса.
Такое соединение применяют в любой светотехнике:
- светодиодные лампах для дома;
- led светильники;
- новогодние гирлянды на 220В;
- светодиодные ленты на 220.
В лампах для дома обычно используется до 20 LED включенных последовательно, напряжение на них получается около 60В. Максимальное количество используется в китайских лампочках кукурузах, от 30 до 120 штук LED. Кукурузы не имеют защитной колбы, поэтому электрические контакты на которых до 180В полностью открыты.
Соблюдайте осторожность, если видите длинную последовательную цепочку, к тому же на них не всегда есть заземление. Мой сосед схватил кукурузу голыми руками и потом рассказывал увлекательные стихи из нехороших слов.
Подключение RGB LED
Маломощные трёхцветные RGB светодиоды состоят из трёх независимых кристаллов, находящихся в одном корпусе. Если 3 кристалла (красный, зеленый, синий) включить одновременно, то получим белый свет.
Управление каждым цветом происходит независимо от других при помощи RGB контроллера. В блоке управления есть готовые программы и ручные режимы.
Включение COB диодов
Схемы подключения такие же, как у однокристальных и трехцветных светодиодов SMD5050, SMD 5630, SMD 5730. Единственное отличие, вместо 1 диода включена последовательная цепь из нескольких кристаллов.
Мощные светодиодные матрицы имеют в своём составе множество кристаллов включенных последовательно и параллельно. Поэтому питание требуется от 9 до 40 вольт, зависит от мощности.
Подключение SMD5050 на 3 кристалла
От обычных диодов SMD5050 отличается тем, что состоит из 3 кристаллов белого света, поэтому имеет 6 ножек. То есть он равен трём SMD2835, сделанным на этих же кристаллах.
При параллельном включении с использованием одного резистора надежность будет ниже. Если один их кристаллов выходит из строя, то увеличивается сила тока через оставшиеся 2. Это приводит к ускоренному выгоранию оставшихся.
При использовании отдельного сопротивления для каждого кристалла, выше указанный недостаток устраняется. Но при этом в 3 раза возрастает количество используемых резисторов и схема подключения светодиода становится сложней. Поэтому оно не используется в светодиодных лентах и лампах.
Светодиодная лента 12В SMD5630
Наглядным примером подключения светодиода к 12 вольтам является светодиодная лента. Она состоит из секций по 3 диода и 1 резистора, включенных последовательно. Поэтому разрезать её можно только в указанных местах между этими секциями.
Светодиодная лента RGB 12В SMD5050
В RGB ленте используется три цвета, каждый управляется отдельно, для каждого цвета ставится резистор. Разрезать можно только по указанному месту, чтобы в каждой секции было по 3 SMD5050 и она могла подключатся к 12 вольт.
На сегодняшний день светодиоды изготавливаются различной мощности. Блоки питания для них подходят самые разнообразные. Также следует учитывать, что подключение модели зависит от типа драйвера устройства (если он имеется). В наше время можно найти хорошие и плохие схемы включения светодиодов. Чтобы более подробно разобраться в этом вопросе, необходимо посмотреть на модели различной мощности.
Подключение к сети на 5 В
В сети с напряжением 5 В подключение светодиодов (схема показана ниже) чаще всего происходит в последовательном порядке. В данном случае многое зависит от номинального сопротивления в сети. Если этот параметр превышает 10 Ом, то целесообразнее использовать импульсные блоки питания.
При этом с электромагнитными помехами в цепи позволит справиться проходной конденсатор. В данном случае подключение светодиодов лучше проводить с резисторами линейного типа. В свою очередь открытые аналоги сопротивление максимум способны выдерживать 13 Ом. Для повышения проводимости светодиода используются системные модуляторы.
Если рассматривать модели с контактными драйверами, то для них необходимо отдельно подбирать контроллеры. Чаще всего их используют со специальным усилителем. В данном случае пороговое напряжение будет находиться на уровне 6 В. Для того чтобы решить проблему с отрицательной полярностью в сети, многие специалисты рекомендуют использовать операционные усилители.
Подключение к сети на 12 В
Подключение светодиодов к 12 вольт может осуществляться как в последовательном, так и в параллельном порядке. Если рассматривать первый вариант, то блоки питания целесообразнее подбирать импульсного типа. Также следует знать, что выполнить подключение светодиодов к 12 вольт можно без усилителей. Однако если устанавливается более трех штук, то их предусмотреть необходимо. Модели с резонансными драйверами должны соединяться только с низкоомными усилителями.
Если рассматривать параллельное подключение светодиодов, то в данном случае для цепи важно подобрать два резистора открытого типа. При этом первый из них должен устанавливаться перед усилителем. Пропускная способность тока у него обязана быть не ниже 3 А.. При этом параметр порогового напряжения в устройстве не должен допускаться ниже уровня 4 А. Как правило, отрицательное сопротивление у моделей данного типа небольшое. При этом сохранение линейности достигается за счет использования качественных драйверов.
Светодиоды в сети 220 В
Какие особенности в данном случае имеет подключение светодиодов? 220В предусматривает, как правило, последовательный порядок. Блоки питания в данном случае используются в основном понижающего типа. Для предотвращения повышения частоты, подключение светодиодов к сети 220В должно осуществляться с операционными усилителями.
Также следует учитывать, что чувствительность их зависит от типов фильтров. Для того чтобы минимизировать магнитные помехи, эксперты советуют устанавливать низкоомные фильтры. В данном случае многое зависит от драйвера светодиода. Если рассматривать аналоговый тип, то для него регулятор потребуется поворотный. Чтобы справиться в этой ситуации с нелинейными искажениями, применяют низкочастотные адаптеры. Устанавливаются они, как правило, возле усилителей.
Схема подключения устройств к компьютеру
К компьютеру подключение светодиодов может осуществляться по-разному. Как правило, конденсаторы с этой целью применяются только фазового типа. В данном случае резисторы могут использоваться открытые, однако пороговое напряжение они обязаны выдерживать не ниже 5 В. Дополнительно следует обращать внимание на частотность светодиода.
Если рассматривать стандартные модели, то они соединяются с блоками питания через усилители. При этом резисторы обязаны располагаться в конце цепи. Если рассматривать мощные светодиоды, то для них потребуется интегральный усилитель. В данном случае драйвера приветствуются с высоким покрытием. Проводимость устройства зависит исключительно от мощности блока питания. Непосредственно соединения светодиода происходит в данном случае через сетевой фильтр.
Подключение к низкочастотному блоку питания
К низкочастотному блоку питания подключение светодиодов (схема показана ниже) может осуществляться только в сети с постоянным током. При этом резисторы используются открытого типа. В данном случае минимум мощность светодиода обязана составлять 5 В. Усилитель для него можно подобрать операционного типа. Если рассматривать модели с драйверами, то они припаиваются часто вместе с проходными конденсаторами.
В данном случае параметр проводимости тесно связан с их емкостью. Для усиления чувствительности прибора многие эксперты советуют использовать широкополосные преобразователи. В данном случае адаптеры для борьбы с помехами не подходят. Однако различные фильтры устанавливать имеет смысл. Дополнительно следует отметить, что регуляторы в цепи можно использовать как поворотного, так и кнопочного типа.
Подключение светодиодов к высокочастотному блоку питания
К высокочастотным блокам питания подключение светодиодов происходит только через вспомогательный адаптер. При этом в данном случае важную роль играет тип драйвера. Если рассматривать однополюсные модели, то они отличаются высоким параметром проводимости. В данном случае отрицательное сопротивление в цепи должно держаться на уровне 10 Ом. Если подсоединяется только один светодиод, то усилитель операционного типа использовать не обязательно.
В противном случае лучше его установить для решения проблем с нелинейными искажениями. Дополнительно следует учитывать, что электродные драйвера для подключения к высокочастотным блокам питания не подходят. Связано это в первую очередь с высокой чувствительности таких устройств. В сложившейся ситуации светодиоды будут сгорать довольно быстро. При этом регуляторы мощности не помогут.
Последовательное подключение
Подключение светодиодов последовательно осуществляется при помощи стабилитронов. Найти их в магазине на сегодняшний день довольно просто. Устанавливаются они, как правило, на специальной магнитной сетке. Для их фиксации на плате придется воспользоваться паяльной лампой. Также следует учитывать, что у блока питания должен быть предусмотрен мощный усилитель. В данном случае резисторы многие специалисты рекомендуют устанавливать пектронного типа.
При этом уровень номинального сопротивления они должны выдерживать не менее 4 Ом. В свою очередь параметр нагрузки приветствуется на отметке в 20 А. Решить проблему с магнитными помехами можно при помощи установки выходного фильтра. Для поднятия чувствительности устройства используются как переменные, так и статические конденсаторы. По габаритам они довольно сильно отличаются. В связи с этим по данному вопросу необходимо подходить каждый раз индивидуально.
Схемы с емкостными конденсаторами
Подключение мощных светодиодов с емкостными конденсаторами, на первый взгляд, осуществляется довольно простой. Однако в данной ситуации необходимо в первую очередь учитывать мощность резисторов. Также важно помнить, что по параметрам драйверы светодиодов могут довольно сильно отличаться. В связи с этим подбирать конденсаторы для устройства необходимо очень тщательно. В первую очередь оценивается непосредственно блок питания, к которому подсоединяется усилитель. Если рассматривать модификации с пороговым напряжением в 20 В, то емкостный конденсатор в данном случае можно использовать один.
В противном случае их устанавливается два для решения проблем с нелинейными искажениями. В свою очередь чувствительность устройства всегда можно настроить при помощи котроллера. Непосредственно драйвера чаще всего используются импульсного типа. В свою очередь модуляторы можно устанавливать разнообразные. Проблемы с полярностью в данном случае возникнуть не должны. В итоге при блоке питания в 20 В пороговый ток обязан поддерживаться на уровне 3 А. При этом частотность может колебаться в зависимости от скачков напряжения в сети.
Использование демпфирующих конденсаторов
Подключение светодиодов с демпфирующими конденсаторами подразумевает использование блоков питания на 15 В.. При этом резисторы применяются только открытого типа. В итоге параметр отрицательного сопротивления в цепи не превышает 30 Ом. Также следует учитывать, что светодиоды могут использоваться только малой мощности. Непосредственно конденсаторы устанавливаются возле блоков питания. В данном случае для нормальной работы устройства усилители не требуются.
За счет высокой чувствительности моделей их пороговое напряжение - не менее 15 В.. При этом максимальная нагрузка зависит от мощности светодиодов. Драйвера для моделей, как правило, подбирают широтного типа. Решить проблему с отрицательной полярностью в такой ситуации можно довольно просто. Фильтры с этой целью следует устанавливать за усилителями. Также в данном случае с проблемой помогут справиться интегральные тетроды.
Применение поглощающих фильтров
Фильтры данного типа больше всего подходят для светодиодов на 20 В. При этом с импульсными блоками питания работать они не способны. Дополнительно следует учитывать, что проблемы с нелинейными искажениями они не решают. В свою очередь стабилизировать частотность фильтры способны довольно быстро. За счет этого проблемы с чувствительностью у таких моделей бывают очень редко.
Светодиоды с волновыми ресиверами
Светодиоды данного типа, как правило, подключаются напрямую к блокам питания. При этом усилители в сети не требуются. Однако в данном случае важно помнить о типе резистора. Если он используется открытый, фильтры устанавливать придется. Дополнительно следует учитывать, что для последовательного соединения светодиодов указанные ресиверы подходят идеально. При этом параллельное подключение может спровоцировать нелинейные искажения. Чувствительность устройства будет зависеть от параметра входного напряжения.
Светодиоды с магнитными драйверами
Подключаются светодиоды с магнитными драйверами, как правило, в последовательном порядке. На первом этапе очень важно оценить их мощность. Дополнительно следует учитывать параметр отрицательного сопротивления в цепи. Если рассматривать маломощные модели, то они соединяются с блоками питания через усилитель. В противном случае лучше использовать сетевые фильтры.
При этом поглотительные модификации могут привести к магнитным помехам. Как решить проблемы с повышенной частотностью в данном случае? Специалисты рекомендуют использовать одноканальные резисторы. При этом модуляторы для схемы можно подбирать самые разнообразные.
Достаточно часто нам приходится сталкиваться с таким вопросом - как подключить светодиоды к 220 В, или попросту к электрической сети переменного напряжения. Как таковое, прямое подключение диода напрямую к сети не несет никакой смысловой нагрузки. Даже при использовании определенных схем мы не получим необходимого эффекта.
Если нам необходимо подключить светодиод к сети постоянного напряжения, то такая задача решается очень просто - ставим ограничительный резистор и забываем. Светодиод как работал "в прямом направлении" так и будет работать.
Если же нам необходимо использовать сеть 220 В для подключения LED, то на него будет уже воздействовать обратная полярность. Это хорошо видно, взглянув на график синусоиды, где каждый полупериод синусоида имеет свойство менять свой знак на противоположный.
В данном случае мы не получим свечение в этом полупериоде. В принципе, ничего страшного))), но светодиод выйдет из строя очень быстро.
Вообще гасящий резистор стоит выбирать из условия расчетного напряжения в 310 В. Объяснять почему так - муторное занятие, но стоит просто это запомнить, т.к. действующее значение напряжения составляет 220 В, а амплитудное уже увеличивается на корень из двух от действующего. Т.е. таким образом мы получаем приложенное прямое и обратное напряжение к светодиоду. Резистор подбирается на 310В обратной полярности, дабы защитить светодиод. Каким образом можно произвести защиту мы посмотрим ниже.
Как подключить светодиоды к 220 В по простой схеме, используя резисторы и диод - вариант 1
Первая схема работает по принципу гашения обратного полупериода. Подавляющее большинство полупроводников отрицательно относятся к обратному напряжение. Для блокировки его нам нужен диод. Как правило, в большинстве случаев используют диоды типа IN4004, рассчитанный на напряжение больше 300 В.
Подключение LED по простой схеме с резистором и диодом - вариант 2
Другая простая схема показывает, как подключить светодиоды к 220 В переменного напряжения не намного сложнее и ее также можно отнести к простым схемам.
Рассмотрим принцип работы. При положительной полуволне ток идет сквозь резисторы 1 и 2, а также сам светодиод. В данном случае стоит помнить, что падение напряжения на светодиоде будет обратным для обычного диода - VD1. Как только в схему "попадает" отрицательная полуволна 220 В, ток пойдет через обычный диод и резисторы. В этом случае уже прямое падение напряжение на VD1 будет обратным по отношению к светодиоду. Все просто.
При положительной полуволне сетевого напряжения ток протекает через резисторы R1, R2 и светодиод HL1 (при этом прямое падение напряжения на светодиоде HL1 является обратным напряжением для диода VD1). При отрицательной полуволне сетевого напряжения ток протекает через диод VD1 и резисторы R1, R2 (при этом прямое падение напряжения на диоде VD1 является обратным напряжением для светодиода HL1).
Расчетная часть схемы
Номинальное напряжение сети:
U С.НОМ = 220 В
Принимается минимальное и максимальное напряжение сети (опытные данные):
U С.МИН = 170 В
U С.МАКС = 250 В
Принимается к установке светодиод HL1, имеющий максимально допустимый ток:
I HL1.ДОП = 20 мА
Максимальный расчетный амплитудный ток светодиода HL1:
I HL1.АМПЛ.МАКС = 0,7*I HL1.ДОП = 0,7*20 = 14 мА
Падение напряжения на светодиоде HL1 (опытные данные):
Минимальное и максимальное действующее напряжение на резисторах R1, R2:
U R.ДЕЙСТВ.МИН = U С.МИН = 170 В
U R.ДЕЙСТВ.МАКС = U С.МАКС = 250 В
Расчетное эквивалентное сопротивление резисторов R1, R2:
R ЭКВ.РАСЧ = U R.АМПЛ.МАКС /I HL1.АМПЛ.МАКС = 350/14 = 25 кОм
P R.МАКС = U R.ДЕЙСТВ.МАКС 2 /R ЭКВ.РАСЧ = 2502/25 = 2500 мВт = 2,5 Вт
Расчетная суммарная мощность резисторов R1, R2:
P R.РАСЧ = P R.МАКС /0,7 = 2,5/0,7 = 3,6 Вт
Принимается параллельное соединение двух резисторов типа МЛТ-2, имеющих суммарную максимально допустимую мощность:
P R.ДОП = 2·2 = 4 Вт
Расчетное сопротивление каждого резистора:
R РАСЧ = 2*R ЭКВ.РАСЧ = 2*25 = 50 кОм
Принимается ближайшее большее стандартное сопротивление каждого резистора:
R1 = R2 = 51 кОм
Эквивалентное сопротивление резисторов R1, R2:
R ЭКВ = R1/2 = 51/2 = 26 кОм
Максимальная суммарная мощность резисторов R1, R2:
P R.МАКС = U R.ДЕЙСТВ.МАКС 2 /R ЭКВ = 2502/26 = 2400 мВт = 2,4 Вт
Минимальный и максимальный амплитудный ток светодиода HL1 и диода VD1:
I HL1.АМПЛ.МИН = I VD1.АМПЛ.МИН = U R.АМПЛ.МИН /R ЭКВ = 240/26 = 9,2 мА
I HL1.АМПЛ.МАКС = I VD1.АМПЛ.МАКС = U R.АМПЛ.МАКС /R ЭКВ = 350/26 = 13 мА
Минимальный и максимальный средний ток светодиода HL1 и диода VD1:
I HL1.СР.МИН = I VD1.СР.МИН = I HL1.ДЕЙСТВ.МИН /К Ф = 3,3/1,1 = 3,0 мА
I HL1.СР.МАКС = I VD1.СР.МАКС = I HL1.ДЕЙСТВ.МАКС /К Ф = 4,8/1,1 = 4,4 мА
Обратное напряжение диода VD1:
U VD1.ОБР = U HL1.ПР = 2 В
Расчетные параметры диода VD1:
U VD1.РАСЧ = U VD1.ОБР /0,7 = 2/0,7 = 2,9 В
I VD1.РАСЧ = U VD1.АМПЛ.МАКС /0,7 = 13/0,7 = 19 мА
Принимается диод VD1 типа Д9В, имеющий следующие основные параметры:
U VD1.ДОП = 30 В
I VD1.ДОП = 20 мА
I 0.МАКС = 250 мкА
Минусы использования схемы подключения светодиодов к 220 В по варианту 2
Главные недостатки подключения светодиодов по этой схеме - малая яркость светодиодов, за счет малого тока. I HL1.СР = (3,0-4,4) мА и большая мощность на резисторах: R1, R2: P R.МАКС = 2,4 Вт.
Вариант 3 подключения LEDs к электрической сети переменного напряжения 220 В
При положительном полупериоде ток протекает через резистор R1, диод и светодиод. При отрицательном ток не протекает, т.к. диод в этом случае включается в обратное направление.
Расчет параметров схемы аналогичен второму варианту. Кому надо - посчитает и сравнит. Разница небольшая.
Минусы подключения по 3 варианту
Если самые "пытливые умы" уже посчитали, то могут сравнить данные со вторым вариантом. Кому лень - придется поверить на слово. Минус такого подключения - также низкая яркость светодиода, т.к. ток протекающий через полупроводник составляет всего I HL1.СР = (2,8-4,2) мА.
Зато при такой схеме мы получаем заметное снижение мощности резистора: Р R1.МАКС = 1,2 Вт вместо 2,4 Вт полученных ранее.
Подключение светодиода на 220 В с использованием диодного моста - 4 вариант
Как видно на графической картинке, в данном случае для подключения на 220 мы используем резисторы и диодный мост.
В данном случае ток через 2 резистора и светодиод ток будет протекать как при положительной, так и при отрицательной полуволне синусоиды за счет использования выпрямительного моста на диодах VD1-VD4.
U VD.РАСЧ = U VD.ОБР /0,7 = 2,6/0,7 = 3,7 В
I VD.РАСЧ = U VD.АМПЛ.МАКС /0,7 = 13/0,7 = 19 мА
Принимаются диоды VD1-VD4 типа Д9В, имеющие следующие основные параметры:
U VD.ДОП = 30 В
I VD.ДОП = 20 мА
I 0.МАКС = 250 мкА
Недостатки схемы подключения по 4 варианту
Однако при такой схеме мы получим заметное увеличение яркости светодиода: HL1: I HL1.СР = (5,9-8,7) мА вместо (2,8-4,2) мА
В принципе, это самые распространенные схемы, которые нам показывают как подключить светодиоды к 220 В с применением обычного диода и резисторов. Для простоты понимания были приведены расчеты. Не для всех, может быть понятные, но кому надо, тот найдет, прочитает и разберется. Ну а если нет, то достаточно будет простой графической части.
Как подключить светодиод к 220 В используя конденсатор
Выше мы посмотрели, как легко, используя только диоды и резисторы, подключить к сети 220 В любой светодиод. Это были простые схемы. Сейчас посмотрим на более сложные, но лучшие в плане реализации и долговечности. Для этого нам понадобится уже конденсатор.
Токоограничивающий элемент - конденсатор. На схеме - C1. Конденсатор должен быть рассчитан на работу с напряжением не менее 400 В. После зарядки последнего ток через него будет ограничивать резистор.
Подключение светодиода к сети 220 В на примере выключателя с подсветкой
Сейчас уже никого не удивишь выключателем с интегрированной подсветкой в виде светодиода. Разобрав его и разобравшись мы получим еще один способ, благодаря которому можем подключить любой светодиод к сети 220 В.
Во всех выключателях с подсветкой используется резистор с номиналом не менее 20 кОм. Ток в этом случае ограничивается порядка 1А. При включении в сеть такой светодиод будет светиться. Ночью его легко можно различить на стене. Обратный же ток в этом случае будет очень маленьким и не сможет повредить полупроводник. В принципе, такая схема также имеет право на существование, но свет от такого диода будет все-таки ничтожно маленьким. И стоит ли овчинка выделки - не понятно.
Видео на тему подключения светодиода к сети 220 В
Ну и в конце всего длинного поста посмотрим видео на тему: "как подключить светодиоды к 220 В". Для тех, кому лень все читать было.
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 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 R 1 , 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.
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:
Сопротивления X с мы принимаем аналогично ранее найденным для резисторов: X С1 = R 1 = 11000 Ом; X С2 = R 2 = 306 Ом.
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
В предыдущих статьях были описаны различные вопросы подключения светодиодов. Но в одной статье всего не написать, поэтому придется эту тему продолжить. Здесь речь пойдет о различных способах включения светодиодов.
Как было сказано в упомянутых статьях, т.е. ток через него должен быть ограничен с помощью резистора. Как рассчитать этот резистор, было уже рассказано, повторяться здесь не будем, но формулу, на всякий случай, приведем еще раз.
Рисунок 1.
Здесь Uпит. - напряжение питания, Uпад. - падение напряжение на светодиоде, R - сопротивление ограничивающего резистора, I - ток через светодиод.
Однако, несмотря на всю теорию, китайская промышленность выпускает всевозможные сувениры, брелоки, зажигалки, в которых светодиод включен без ограничительного резистора: просто две-три дисковых батарейки и один светодиод. В этом случае ток ограничивается внутренним сопротивлением батареи, мощности которой просто не хватает, чтобы спалить светодиод.
Но тут, кроме перегорания, есть и еще одно неприятное свойство - деградация светодиодов, более всего присущее светодиодам белого и синего цветов: через некоторое время яркость свечения становится совсем незначительной, хотя ток через светодиод протекает вполне достаточный, на уровне номинального.
Нельзя сказать, что не светит вовсе, свечение еле заметно, но это уже не фонарик. Если при номинальном токе деградация происходит не ранее, чем через год непрерывного свечения, то при завышенном токе дождаться этого явления можно через полчаса. Такое включение светодиода следует назвать плохим.
Подобную схему можно объяснить лишь стремлением сэкономить на одном резисторе, припое, и трудозатратах, что при массовых масштабах производства, видимо, оправдано. Кроме того, зажигалка или брелок вещь одноразовая, копеечная: кончился газ или села батарейка - сувенир просто выкинули.
Рисунок 2. Схема плохая, но применяется достаточно часто.
Очень интересные вещи получаются (конечно, случайно), если по такой схеме подключить светодиод к блоку питания с выходным напряжением 12В и током не менее 3А: происходит ослепительная вспышка, раздается достаточно громкий хлопок, дымок, и остается удушливый запах. Так и вспоминается вот такая притча: «Можно ли посмотреть на Солнце в телескоп? Да, но только два раза. Один раз левым глазом, другой правым». Кстати, подключение светодиода без ограничительного резистора наиболее распространенная ошибка у начинающих, и о ней хотелось бы предупредить.
Чтобы исправить это положение, продлить срок службы светодиода, схему следовало бы чуточку изменить.
Рисунок 3. Хорошая схема, правильная.
Именно такую схему следует считать хорошей или правильной. Чтобы проверить, правильно ли указан номинал резистора R1, можно воспользоваться формулой, показанной на рисунке 1. Будем считать, что падение напряжения на светодиоде 2В, ток 20мА, напряжение питания 3В обусловлено применением двух пальчиковых батареек.
А вообще не надо стремиться ограничить ток на уровне предельно допустимых 20мА, можно запитать светодиод меньшим током, ну, хотя бы, миллиампер 15…18. При этом произойдет совсем незначительное уменьшение яркости, который глаз человека, в силу особенностей устройства, не заметит совсем, а вот срок службы светодиода намного увеличится.
Еще один пример плохого включения светодиодов можно встретить в различных фонариках, уже более мощных, нежели брелоки и зажигалки. В этом случае некоторое количество светодиодов, иногда достаточно большое, просто включено параллельно, и тоже без ограничительного резистора, в роли которого опять же выступает внутреннее сопротивление батареи. Такие фонарики достаточно часто попадают в ремонт именно по причине выгорания светодиодов.
Рисунок 4. Совсем плохая схема включения.
Казалось бы, исправить положение может схема, показанная на рисунке 5. Всего один резистор, и дело, казалось бы, пошло на поправку.
Рисунок 5. Так уже немного лучше.
Но и такое включение поможет мало. Дело в том, что в природе просто не найти двух одинаковых полупроводниковых приборов. Именно поэтому, например, транзисторы одного типа имеют различный коэффициент усиления, даже если они из одной производственной партии. Тиристоры и симисторы тоже бывают разные. Некоторые открываются легко, а другие настолько тяжко, что от их применения приходится отказаться. То же можно сказать и о светодиодах - двух абсолютно одинаковых, тем более трех или целой кучи, найти просто невозможно.
Замечание на тему. В DataSheet на светодиодную сборку SMD-5050 (три независимых светодиода в одном корпусе) включение, показанное на рисунке 5, не рекомендуется. Мол, из-за разброса параметров отдельных светодиодов, может быть заметна разница в их свечении. А казалось бы, в одном корпусе!
Никакого коэффициента усиления у светодиодов, конечно же, нет, зато есть такой важный параметр, как прямое падение напряжения. И если даже светодиоды взяты из одной технологической партии, из одной упаковки, то двух одинаковых в ней просто не будет. Поэтому ток у всех светодиодов будет разный. Тот светодиод, у которого ток будет больше всех, и рано или поздно превысит номинальный, сгорит раньше всех.
В связи с этим прискорбным событием весь возможный ток пойдет через два оставшихся в живых светодиода, естественно, превышая номинальный. Ведь резистор-то рассчитывался «на троих», на три светодиода. Повышенный ток вызовет и повышенный нагрев кристаллов светодиодов, и тот, который окажется «слабее», тоже сгорает. Последнему светодиоду также не остается ничего иного, как последовать примеру своих товарищей. Такая вот цепная реакция получается.
В данном случае под словом «сгорит» подразумевается просто разрыв цепи. Но может произойти, что в одном из светодиодов получится элементарно короткое замыкание, шунтирующее остальные два светодиода. Естественно, что они обязательно погаснут, хотя и останутся в живых. Резистор при такой неисправности будет усиленно греться и в конце концов, может быть, сгорит.
Чтобы такого не произошло, схему надо немного изменить: для каждого светодиода установить свой резистор, что и показано на рисунке 6.
Рисунок 6. А вот так светодиоды прослужат очень долго.
Здесь все, как требуется, все по правилам схемотехники: ток каждого светодиода будет ограничен своим резистором. В такой схеме токи через светодиоды не зависят друг от друга.
Но и это включение не вызывает особого восторга, поскольку количество резисторов равно количеству светодиодов. А хотелось бы, чтобы светодиодов было побольше, а резисторов поменьше. Как же быть?
Выход из этого положения достаточно простой. Каждый светодиод надо заменить цепочкой последовательно включенных светодиодов, как показано на рисунке 7.
Рисунок 7. Параллельное включение гирлянд.
Платой за такое усовершенствование будет увеличение напряжения питания. Если для одного светодиода достаточно всего трех вольт, то даже два светодиода, включенных последовательно, от такого напряжения уже не зажечь. Так какое же напряжение понадобится для включения гирлянды из светодиодов? Или по-другому, сколько светодиодов можно подключить к источнику питания с напряжением, например, 12В?
Замечание. Под названием «гирлянда» здесь и далее следует понимать не только елочное украшение, но также любой осветительный светодиодный прибор, в котором светодиоды соединены последовательно или параллельно. Главное, что светодиод не один. Гирлянда, она и в Африке гирлянда!
Чтобы получить ответ на этот вопрос, достаточно напряжение питания просто разделить на падение напряжения на светодиоде. В большинстве случаев при расчетах это напряжение принимается 2В. Тогда получается 12/2=6. Но не надо забывать, что какая-то часть напряжения должна остаться для гасящего резистора, хотя бы вольта 2.
Получается, что на светодиоды остается только 10В, и количество светодиодов станет 10/2=5. При таком положении дел, чтобы получить ток 20мА, ограничительный резистор должен иметь номинал 2В/20мА=100Ом. Мощность резистора при этом составит P=U*I=2В*20мА=40мВт.
Такой расчет вполне справедлив, если прямое напряжение светодиодов в гирлянде, как было указано, 2В. Именно это значение часто принимается при расчетах, как некоторое среднее. Но на самом деле это напряжение зависит от типа светодиодов, от цвета свечения. Поэтому при расчетах гирлянд следует ориентироваться на тип светодиодов. Падения напряжения для светодиодов разных типов приведены в таблице, показанной на рисунке 8.
Рисунок 8. Падение напряжения на светодиодах разных цветов.
Таким образом, при напряжении источника питания 12В, за вычетом падения напряжения на токоограничивающем резисторе, всего можно подключить 10/3,7=2,7027 белых светодиодов. Но кусочек от светодиода не отрежешь, поэтому подключить возможно только два светодиода. Такой результат получается если из таблицы взять максимальное значение падения напряжения.
Если же в расчет подставить 3В, то совершенно очевидно, что подключить возможно три светодиода. При этом каждый раз придется кропотливо пересчитывать сопротивление ограничительного резистора. Если реальные светодиоды окажутся с падением напряжения 3,7В, а может выше, три светодиода могут и не зажечься. Так что лучше остановиться на двух.
Принципиально не важно, какого цвета будут светодиоды, просто при расчете придется учитывать разные падения напряжений в зависимости от цвета свечения светодиода. Главное, чтобы они были рассчитаны на один ток. Нельзя собрать последовательную гирлянду из светодиодов, часть которых с током 20мА, а другая часть из 10-ти миллиамперных.
Понятно, что при токе 20мА светодиоды с номинальным током 10мА попросту сгорят. Если же ограничить ток на уровне 10мА, то 20-ти миллиамперные засветятся недостаточно ярко, примерно как в выключателе со светодиодом: ночью видно, днем нет.
Чтобы облегчить себе жизнь, радиолюбители разрабатывают различные программы-калькуляторы, облегчающие всевозможные рутинные расчеты. Например, программы для расчета индуктивностей, фильтров различного типа, стабилизаторов тока. Есть такая программа и для расчета светодиодных гирлянд. Скриншот такой программы приведен на рисунке 9.
Рисунок 9. Скриншот программы «Расчет_сопротивления_резистора__Ledz_».
Программа работает без установки в системе, просто ее надо скачать и пользоваться. Все настолько просто и понятно, что никаких пояснений к скриншоту совсем не требуется. Естественно, что все светодиоды должны быть одного цвета и с одинаковым током.
Ограничительные резисторы это, конечно, хорошо. Но только тогда, когда известно, что вот эта гирлянда будет питаться от постоянного напряжения 12В, и ток через светодиоды не превысит расчетного значения. А как быть, если просто нет источника с напряжением 12В?
Такая ситуация может возникнуть, например, в грузовом автомобиле с напряжением бортовой сети 24В. Выйти из такой кризисной ситуации поможет стабилизатор тока, например, «SSC0018 - Регулируемый стабилизатор тока 20..600мА». Его внешний вид показан на рисунке 10. Такое устройство можно купить в интернет-магазинах. Цена вопроса 140…300 рублей: все зависит от фантазии и наглости продавца.
Рисунок 10. Регулируемый стабилизатор тока SSC0018
Технические характеристики стабилизатора показаны на рисунке 11.
Рисунок 11. Технические характеристики стабилизатора тока SSC0018
Изначально стабилизатор тока SSC0018 был разработан для применения в светодиодных светильниках, но может также применяться для зарядки малогабаритных аккумуляторов. Пользоваться устройством SSC0018 достаточно просто.
Сопротивление нагрузки на выходе стабилизатора тока может быть нулевым, попросту можно замкнуть накоротко выходные клеммы. Ведь стабилизаторы и источники тока не боятся коротких замыканий. При этом ток на выходе будет номинальным. Уж если установили 20мА, то столько и будет.
Из сказанного можно сделать вывод, что к выходу стабилизатора тока можно «напрямую» подключить миллиамперметр постоянного тока. Начинать такое подключение следует с самого большого предела измерений, ведь какой там отрегулирован ток никому не известно. Далее простым вращением подстроечного резистора установить требуемый ток. При этом, конечно, не забыть подключить стабилизатор тока SSC0018 к блоку питания. На рисунке 12 показана схема включения SSC0018 для питания светодиодов, соединенных параллельно.
Рисунок 12. Подключение для питания светодиодов, соединенных параллельно
Здесь все понятно из схемы. Для четырех светодиодов с током потребления 20мА на каждый на выходе стабилизатора надо выставить ток 80мА. При этом на входе стабилизатора SSC0018 потребуется напряжение чуть большее, чем падение напряжения на одном светодиоде, о чем было сказано выше. Конечно, подойдет и большее напряжение, но это приведет только к дополнительному нагреву микросхемы стабилизатора.
Замечание. Если для ограничения тока с помощью резистора напряжение источника питания должно превышать общее напряжение на светодиодах незначительно, всего вольта на два, то для нормальной работы стабилизатора тока SSC0018 это превышение должно быть несколько выше. Никак не меньше, чем 3…4В, иначе попросту не откроется регулирующий элемент стабилизатора.
На рисунке 13 показано подключение стабилизатора SSC0018 при использовании гирлянды из нескольких последовательно соединенных светодиодов.
Рисунок 13. Питание последовательной гирлянды через стабилизатор SSC0018
Рисунок взят из технической документации, поэтому попробуем рассчитать количество светодиодов в гирлянде и постоянное напряжение, потребное от блока питания.
Указанный на схеме ток, 350мА, позволяет сделать вывод, что гирлянда собрана из мощных белых светодиодов, ведь как было сказано чуть выше, основное назначение стабилизатора SSC0018 это источники освещения. Падение напряжения на белом светодиоде находится в пределах 3…3,7В. Для расчета следует взять максимальное значение 3,7В.
Максимальное входное напряжение стабилизатора SSC0018 составляет 50В. Вычитаем из этого значения 5В, необходимых для работы самого стабилизатора, остается 45В. Этим напряжением можно «засветить» 45/3,7=12,1621621… светодиодов. Очевидно, что это надо округлить до 12.
Количество светодиодов может быть и меньше. Тогда входное напряжение придется уменьшить (при этом выходной ток не изменится, так и останется 350мА как был отрегулирован), зачем на 3 светодиода, пусть даже мощных, подавать 50В? Такое издевательство может закончиться плачевно, ведь мощные светодиоды отнюдь недешевы. Какое потребуется напряжение для подключения трех мощных светодиодов желающие, а они всегда найдутся, могут посчитать сами.
Регулируемый стабилизатор тока SSC0018 устройство достаточно хорошее. Но весь вопрос в том, всегда ли оно нужно? Да и цена девайса несколько смущает. Каков же может быть выход из создавшегося положения? Все очень просто. Прекрасный стабилизатор тока получается из интегральных стабилизаторов напряжения, например, серии 78XX или LM317.
Для создания такого стабилизатора тока на базе стабилизатора напряжения потребуется всего 2 детали. Собственно сам стабилизатор и один единственный резистор, сопротивление и мощность которого поможет рассчитать программа StabDesign, скриншот которой показан на рисунке 14.
Рисунок14. Расчет стабилизатора тока с помощью программы StabDesign.
Особых пояснений программа не требует. В выпадающем меню Type выбирается тип стабилизатора, в строке Iн задается требуемый ток и нажимается кнопочка Calculate. В результате получается сопротивление резистора R1 и его мощность. На рисунке расчет проведен для тока 20мА. Это для случая, когда светодиоды соединены последовательно. Для параллельного соединения ток подсчитывается так же, как показано на рисунке 12.
Светодиодная гирлянда подключается вместо резистора Rн, символизирующего нагрузку стабилизатора тока. Возможно даже подключение всего одного светодиода. При этом катод подключается к общему проводу, а анод к резистору R1.
Входное напряжение рассмотренного стабилизатора тока находится в пределах 15…39В, поскольку применен стабилизатор 7812 с напряжением стабилизации 12В.
Казалось бы, на этом рассказ о светодиодах можно закончить. Но есть еще светодиодные ленты, о которых будет рассказано в следующей статье.