Очень часто возникает такая ситуация, когда требуется подключить светодиод к 220 воль т. Для этого существуют специальные схемы, позволяющие сделать подсветку в выключателе или индикатор для бытовой техники. Как правило, при расчетах, напряжение сети берется по амплитудному значению, а ток, проходящий через светодиод, должен быть на 30% ниже номинального.
Расчет питания светодиода
Когда для питания светодиода используется постоянное напряжение, в цепь, последовательно с ним включается . Для расчета его сопротивления используется специальная формула:
Где Uпит - это питающее напряжение, Uсдсостоит из суммы падений напряжения у каждого светодиода, а Iном.сд - является номинальным током резистором. Таким образом, формула позволяет определить сопротивление с достаточной степенью точности.
Питание диодов от переменного сетевого напряжения имеет свои особенности. Здесь присутствуют импульсы высокого напряжения, которое прикладывается к светодиоду в обратной полярности. В это время, рп-переход у светодиода оказывается закрытым, а значение тока равно нулю. Происходит приложение всего сетевого напряжения к кристаллу светодиода, тогда как его допустимое обратное напряжение составляет всего 30-60 В. Таким образом, схемы подключения при переменном токе должны ограничивать прямой ток и прикладываемое обратное напряжение.
Варианты подключения светодиодов к сети
В первом, наиболее распространенном варианте, для подключения используется светодиод, диод и резистор. Светодиод имеет малую мощность, а его обратное напряжение превышает 350 воль т. Сопротивление резистора рассчитывается с помощью формулы, приведенной выше. Чтобы снизить нагрев, сопротивление резистора можно увеличить, хотя это и приведет к некоторому снижению яркости света. Подключение нескольких светодиодов производится последовательно, с соблюдением полярности.
Существует второй вариант того, как подключить светодиод к 220 воль т. Для снижения тепловыделения элементов, присутствующих в схеме, вместо резистора можно использовать , являющийся реактивным сопротивлением.
Кроме того, сопротивление может быть составным, когда задействован резистор и конденсатор. Эта пара выступает в роли токоограничивающего комбинированного сопротивления. Чтобы свечение светодиода было более ярким, увеличивается емкость конденсатора. Количество светодиодов в схеме может быть увеличено, при этом, параметры элементов схемы не изменяются.
Для подключения светодиода к сети переменного тока 220В в схеме применяют специализированные блоки питания, которые называются светодиодными драйверами. Его основными техническими параметрами считаются сила тока и мощность. Для правильного подключения через драйвер может быть использован фиксированный ток на выходе или регулируемый. Если вы проектируете Лед освещение, то с регулятором будет намного удобней. Обычно лед чипы подсоединяются к драйверу последовательно, что позволяет получить практически одинаковый ток через каждый компонент схемы. Главным минусом такой цепочки будет выход из строя всей цепи, если хотя бы один светодиод перегорит. Конструкция драйвера может быть различной, от простой конструкции на гасящем конденсаторе до продвинутой с практически нулевым коэффициентом пульсации.
Принцип работы большинства рассмотренных схем подключения светодиодов к сети 220в приблизительно одинаков. Они ограничивают ток и отсекают обратную полу волну переменного напряжения. Так как большинство светодиодов боятся большого обратного напряжения, в схемах используется блокирующий диод. В качестве последнего применен IN4004 - он рассчитан на напряжение свыше 300 вольт. Если требуется подключить много светоизлучающих компонентов к 220в, то следует соединить их последовательно.
Рассмотренные ниже радиолюбительские конструкции можно применять при изготовлении самодельных цветомузыкальных устройств, различных индикаторов уровня сигнала, плавное включение и выключение освещения и т.п.
Примером такого включения является типовая светодиодная лента на напряжение 220 вольт. На ней последовательно подключены 60 светоизлучающих полупроводниковых светодиодов, которые получают питание от выпрямителя (типового ). Недостатком такой схемы подсоединения к 220в являются сильные световые пульсации.
В данной схеме подключения светодиода к 220в превышение напряжения отсекается с помощью конденсатора, который выбираем исходя из справочных параметров тока светодиодов. Мощность резистора от 0.25 Вт или выше. Конденсатор должен быть не менее 300 вольт. Номинал стабилитрона следует взять чуть больший, чем напряжение питания светодиода, например на 5 вольт отлично подойдет отечественный стабилитрон КС156А.
Схема работает следующим образом при включении питания 220В начинается заряд конденсатора С1, при этом от одной полуволны он заряжается напрямую, а с другой через стабилитрон. С увеличением напряжения на конденсаторе стабилитрон увеличивает свое внутреннее сопротивление, ограничивая тем самым напряжения заряда конденсатора. Эту схему применяют в случае питания светодиодов с большим рабочим током - от 20 мА или более.
Типовой пример такой конструкции, это . Пластинку с LED компонентами должна быть установлена на теплоотвод и рядом размещен стабилизатор. Если драйвер некачественный, то свет будет мерцать с частотой около 100 Герц. Подобные продолжительные пульсации могут нанести непоправимый вред здоровью человека или домашних животных.
Для светодиодов подключенных в цепь 220 вольт при создании светильников, всегда нужно пытаться уменьшить уровень пульсаций из-за их отрицательного влияния на зрительную систему человека. Все зависит от частоты: чем она ниже, тем заметнее глазу пульсации. На частотах выше 300 Гц пульсации полностью невидимы и поэтому безопасны для глаз.
А вот пульсации на частотах 60-80 Гц и даже 100-150 Гц практически визуально не воспринимаются, но, они вызывают повышенную утомляемость глаз и при длительном воздействие способны также ухудшить зрение.
Ниже рассмотрим схемы, как включить светодиод в сеть 220 вольт, чтобы ослабить пульсации. Для этого проще всего подключить параллельно светоизлучающему компоненту сглаживающий конденсатор.
Таблица - Зависимость тока через светодиоды от емкости балластного конденсатора.
Как только подается питание на схему мигающего светодиода начинает заряжаться конденсатор С2 через резистор и диод D1. Постоянное напряжение поступающее с емкости периодически открывает , заставляя кратковременно загораться светодиод. Частота вспышек последнего задается ёмкостью конденсатора, а яркость вспышек - сопротивлением резистора.
Сопротивление R1 предназначено для гашения амплитуды выбросов тока возникающих: в момент выбора яркости свечения тумблером SA1, в момент подключения к сети переменного напряжения на 220В и во время заряда конденсаторов. Конденсатор С4 используется для уменьшения пульсации напряжения после выпрямления переменного напряжения, таким образом уменьшается риск повреждения светодиодов при питании от сети 220В.
Одним из важных вопросов при работе со светодиодами является его подключение к сети переменного тока и высокого напряжения. Известно, что светодиод от сети 220 В напрямую питаться не может. Как правильно собрать схему и обеспечить питание, чтобы решить проблему?
Электрические свойства
Для ответа на поставленный выше вопрос необходимо изучить электрические свойства светодиода.
Его вольт-амперная характеристика представляет собой крутую линию. Это значит, что при увеличении напряжения даже на очень малую величину ток через излучающий полупроводник резко возрастает. Повышение тока ведет за собой разогрев светодиода, в результате чего он может просто сгореть. Эту проблему решают, включая в цепь ограничительный резистор.
У светодиода маленькое значение обратного пробивного напряжения (около 20 вольт), поэтому его нельзя подключать к сети 220 вольт с переменным током. Чтобы исключить протекание тока в противоположном направлении, в цепь необходимо включить диод или навстречу первому светодиоду включить второй. Подключение должно быть параллельным.
Итак, мы знаем, что любая схема подключения светодиода к сети 220 вольт должна содержать резистор и выпрямитель, иначе питание будет невозможным.
Для чего нужна такая схема? Прежде всего, для конструкции индикатора сети. Светодиодная лампочка может быть отличным индикатором, помогающим определять, включен электроприбор в сеть или нет. Ее добавляют в схему выключателей и розеток, чтобы легко находить их в темноте.
Такой индикатор начинает светиться при напряжении всего в несколько вольт. При этом он потребляет минимальное количество электроэнергии за счет малого (несколько мили ампер) тока.
Какой резистор использовать?
Чтобы подобрать оптимальное сопротивление резистора, необходимо воспользоваться законом Ома.
R=(Uсети-Uсв.)/Iсв.ном.
Предположим, мы взяли для индикатора красный светодиод с номинальным значением тока 18мА и прямым напряжением 2,0 Вольт.
(311-2)/0,018=17167 Ом=17 кОм
Объясним, откуда взялось число 311. Это пик синусоиды, по которой меняется напряжение в нашей сети. Не вдаваясь в область математики со всеми ее вычислениями, можно просто сказать, что пиковое напряжение составляет 220*√2.
Иногда встречаются схемы, в которых отсутствует выпрямляющий диод. В этом случае сопротивление необходимо увеличить в несколько раз, чтобы сделать ток меньше и обезопасить индикаторную лампочку от перегорания.
Элементарная схема индикатора тока
Что необходимо для изготовления самого простого индикатора, у которого питание происходит от сети 220 вольт? Вот перечень:
- обычный индикаторный светодиод любого цвета, какой вам нравится;
- резистор от 100 до 200 кОм (чем больше сопротивление, тем менее ярко будет светиться лампочка);
- диод с обратным напряжением 100 Вольт или больше;
- маломощный паяльник, чтобы не перегреть светодиод.
Поскольку количество деталей минимальное, то плата в монтаже не используется. Подключение индикатора осуществляется параллельно электроприбору.
Для тех, у кого нет желания бегать в поисках диода, производители придумали готовый двухцветный индикатор в виде встроенных в один корпус двух светодиодов разного цвета. Обычно это красный и зеленый цвета. В этом случае количество деталей схемы еще больше уменьшается.
Есть и другие схемы подключения, в которых резистор заменяют конденсатором или применяют диодные мосты, транзисторы и т. д. Но какие бы конструктивные особенности не вносились, основной задачей является выпрямление тока и понижение его до безопасной величины.
Светоиндикация – это неотъемлемая часть электроники, с помощью которой человек легко понимает текущее состояние прибора. В бытовых электронных устройствах роль индикации, выполняет светодиод, установленный во вторичной цепи питания, на выходе трансформатора или стабилизатора. Однако в быту используется и множество простых электронных конструкций, неимеющих преобразователя, индикатор в которых был бы нелишним дополнением. Например, вмонтированный в клавишу настенного выключателя светодиод, стал бы отличным ориентиром расположения выключателя ночью. А светодиод в корпусе удлинителя с розетками будет сигнализировать о наличии его включения в электросеть 220 В.
Ниже представлено несколько простых схем, с помощью которых даже человек с минимальным запасом знаний электротехники сможет подключить светодиод к сети переменного тока.
Схемы подключения
Светодиод – это разновидность полупроводниковых диодов с напряжением и током питания намного меньшим, чем в бытовой электросети. При прямом подключении в сеть 220 вольт, он мгновенно выйдет из строя. Поэтому светоизлучающий диод обязательно подключается только через токоограничивающий элемент. Наиболее дешевыми и простыми в сборке является схемы с понижающим элементом в виде резистора или конденсатора.
Важный момент, на который нужно обратить внимание при подключении светодиода в сеть переменного тока – это ограничение обратного напряжения. С этой задачей легко справляется любой кремниевый диод, рассчитанный на ток не менее того, что течет в цепи. Подключается диод последовательно после резистора или обратной полярностью параллельно светодиоду.
Существует мнение, что можно обойтись без ограничения обратного напряжения, так как электрический пробой не вызывает повреждения светоизлучающего диода. Однако обратный ток может вызвать перегрев p-n перехода, в результате чего произойдет тепловой пробой и разрушение кристалла светодиода.
Вместо кремниевого диода можно использовать второй светоизлучающий диод с аналогичным прямым током, который подключается обратной полярностью параллельно первому светодиоду.
Отрицательной стороной схем с токоограничивающим резистором является необходимость в рассеивании большой мощности. Эта проблема становится особо актуальной, в случае подключения нагрузки с большим потребляемым током. Решается данная проблема путем замены резистора на неполярный конденсатор, который в подобных схемах называют балластным или гасящим.
Включенный в сеть переменного тока неполярный конденсатор, ведет себя как сопротивление, но не рассеивает потребляемую мощность в виде тепла.
В данных схемах, при выключении питания, конденсатор остается не разряженным, что создает угрозу поражения электрическим током.
Данная проблема легко решается путем подключения к конденсатору шунтирующего резистора мощностью 0,5 ватт с сопротивлением не менее 240 кОм.
Расчет резистора для светодиода
Во всех выше представленных схемах с токоограничивающим резистором расчет сопротивления производится согласно закону Ома: R = U/I, где U – это напряжение питания, I – рабочий ток светодиода. Рассеиваемая резистором мощность равна P = U * I. Эти данные можно рассчитать при помощи .
Важно. Если планируется использовать схему в корпусе с низкой конвекцией, рекомендуется увеличить максимальное значение рассеиваемой резистором мощности на 30%.
Расчет гасящего конденсатора для светодиода
Расчёт ёмкости гасящего конденсатора (в мкФ) производится по следующей формуле: C = 3200*I/U, где I – это ток нагрузки, U – напряжение питания. Данная формула является упрощенной, но ее точности достаточно для последовательного подключения 1-5 слаботочных светодиодов.
Важно. Для защиты схемы от перепадов напряжения и импульсных помех, гасящий конденсатор нужно выбирать с рабочим напряжением не менее 400 В.
Конденсатор лучше использовать керамический типа К73–17 с рабочим напряжением более 400 В или его импортный аналог. Нельзя использовать электролитические (полярные) конденсаторы.
Это нужно знать
Главное – это помнить о технике безопасности. Представленные схемы питаются от 220 В сети переменного тока, поэтому требуют во время сборки особого внимания.
Подключение светодиода в сеть должно осуществляться в четком соответствии с принципиальной схемой. Отклонение от схемы или небрежность может привести к короткому замыканию или выходу из строя отдельных деталей.
Собирать бестрансформаторные источники питания следует внимательно и помнить, что они не имеют гальванической развязки с сетью. Готовая схема должна быть надёжно изолирована от соседних металлических деталей и защищена от случайного прикосновения. Демонтировать её можно только с отключенным напряжением питания.
Небольшой эксперимент
Чтобы немного разбавить скучные схемы, предлагаем ознакомится с небольшим экспериментом, который будет интересен как начинающим радиолюбителям, так и опытным мастерам.
Читайте так же
Для питания светодиодов необходим источник постоянного тока. Кроме этого, этот ток должен быть стабилизирован. В бытовой сети напряжение 220В, что значительно больше, чем нужно для питания обычных светодиодов. Плюс, это напряжение переменное. Как же совместить несовместимое и подключить светодиод к сети 220В? Нет ничего невозможного, но сначала попробуем разобраться, для чего это подключение может вообще потребоваться.
Прежде всего, речь может идти о подключении мощных источников света. В этом случае совсем простыми способами не обойтись, потребуются специализированные драйвера или аналогичные приборы, которые будут способны выдать стабилизированный ток большой мощности. Оставим этот вариант напоследок.
Также часто бывает необходимо к 220В подключить маломощный индикаторный светодиод - для, собственно, индикации того, что напряжение в данный момент присутствует. Или может потребоваться маломощное дежурное освещение, для которого городить сложную электронику совсем не хочется. В этих случаях, если нужные токи светодиодов не превышают 20-25мА, можно обойтись минимальным количеством дополнительных деталей. Рассмотрим эти подключения подробнее.
Самый простой способ ограничения тока - использование резистора. Этот вариант подойдет и для сети переменного тока с напряжением 220В. Необходимо только учесть один важный нюанс: 220В - это ДЕЙСТВУЮЩЕЕ напряжение. Фактически же напряжение в бытовой сети меняется в более широких пределах - от -310В до +310В. Это, так называемое, АМПЛИТУДНОЕ напряжение. Подробнее, почему так - читайте в Википедии. Для нас же важно, что для расчета значений токоограничиваюжего резистора нужно использовать не действующее, а именно амплитудное значение сети переменного тока, т.е. 310В.
Сопротивление резистора рассчитывается по привычному закону Ома:
R = (U a - U L) / I , где U a - амплитудное значение напряжения (310В), U L - падение напряжения на светодиодах, I - требуемая сила тока.
Токоограничивающий резистор должен быть очень мощным, поскольку на нем будет рассеиваться большое количество тепла, которое будет зависеть от рабочего тока и сопротивления резистора:
P = I 2 * R
Резистор будет греться и, если окажется, что он не рассчитан на рассеивание того количества тепла, которое на нем выделяется, он достаточно эффектно сгорит. Поэтому про допустимую мощность резистора забывать ни в коем случае не следует, а для реального использования подбирать ее еще и с запасом. Если вам не хочется заниматься собственными расчетами значений резистора, можете воспользоваться "Калькулятором светодиодов".
Простые схемы для подключения светодиода к сети 220В с токоограничивающим резистором
Светодиоды способны выдержать только небольшое обратное напряжение (до 5-6В) и для работы в сети переменного тока им нужна защита. В самом простом случае для этого может быть использован диод, которые включается в цепь последовательно светодиоду. Требования к диоду - он должен быть рассчитан на обратное напряжение не менее 310В и на прямой ток, который нам нужен. Подойдет, например, диод 1N4007 - обратное напряжение 1000В, прямой ток 1А.
Второй вариант - включить диод параллельно светодиоду, но в обратном направлении. В этом случае подойдет любой маломощный диод, например, КД521 или аналогичный. Более того, можно вместо диода подключить второй светодиод (как и изображено на правой схеме). В этом случае они будут защищать друг друга и одновременно светиться.
Для ограничения тока в переменной сети можно использовать и, так называемый, балластный конденсатор. Это неполярный керамический конденсатор, который включается в цепь последовательно. Его допустимое напряжение должно быть, по меньшей мере, с полуторным запасом больше напряжения сети - не менее 400В. Ограничение тока будет зависеть от емкости конденсатора, которая может быть рассчитана по следующей эмпирической формуле:
C = (4,45 * I) / (U a - U L) , где I - требуемый ток в миллиамперах. Значение емкости при этом получится в микрофарадах.
Использование балластного конденсатора для подключения светодиода к сети 220В
В приведенной выше схеме резистор R1 необходим для разряда конденсатора после отключения питания. Без его использования конденсатор C1 заряд в себе сохранит и пребольно ударит, если потом коснуться его выводом. Резистор R2 служит для ограничения начального тока заряда конденсатора C1. Использование его очень желательно, поскольку он продлевает срок службы других деталей, кроме того, при пробое конденсатора он будет служить предохранителем и сгорит первым, защитив остальную часть схемы.
Оставшиеся детали - светодиод D1 и защитный диод D2 уже знакомы нам с предыдущих схем.
Почему не использовать конденсаторы вместо токоограничивающего резистора все время? Дело в том, что высоковольтные конденсаторы достаточно крупные по размеру да и при их использовании резисторы все равно нужны - готовая схема в итоге займет больше места. Преимущество же их в том, что они практически не греются.
Приведенные схемы подключения светодиодов к сети 220В часто используются на практике. Индикаторные светодиоды можно встретить в выключателях с подсветкой.
Схема обычного выключателя с подсветкой
Как можно увидеть, здесь даже не используется защитный диод! Дело в том, что сопротивление резистора очень велико, итоговый ток получается очень небольшой - около 1мА. Светодиод светится совсем не ярко, но этого свечения хватает, чтобы подсветить выключатель в темной комнате.
Схемы с балластным конденсатором используются в простых светодиодных лампах.
Схема светодиодной лампы мощностью до 5Вт
Здесь ток выпрямляется диодным мостом. Резисторы R2 и R3 служат для защиты моста и светодиодов соответственно. Для уменьшения мерцания света используется конденсатор С2.
