Простейшие схемы подключения светодиодов в 220 вольт без драйвера (самое простое питание светодиода от сети напряжением 220В)

Как устроен светодиод

Обычный индикаторный светодиод выполнен в корпусе из эпоксидной смолы диаметром 5 мм и имеет два контактных провода для подключения к электрическим цепям: анод и катод. Визуально они отличаются длиной. Новый прибор без разрезанных контактов имеет более короткий катод.

1. Запомнить эту позицию помогает простое правило: оба слова начинаются на букву «К:
2. катод;
3. короче.

Когда ножки светодиода обрезаны, анод можно определить, подав на контакты напряжение 1,5 вольта от одной пальчиковой батарейки: свет появляется при совпадении полярностей.

Как устроен светодиод? Монокристалл светоизлучающего активного полупроводника имеет форму прямоугольного параллелепипеда. Он расположен рядом с отражающим параболическим рефлектором из алюминиевого сплава и закреплен на подложке с токопроводящими свойствами.

На торце прозрачного корпуса из полимерных материалов расположена линза, фокусирующая световые лучи. Вместе с отражателем он образует оптическую систему, формирующую угол потока излучения. Характеризуется диаграммой направленности светодиода.

Он характеризует отклонение света от геометрической оси общего строения сторон, что приводит к увеличению рассеивания. Это явление возникает из-за появления мелких нарушений технологии при производстве, а также старения оптических материалов в процессе эксплуатации и некоторых других факторов.

Внизу корпуса может располагаться алюминиевый или латунный пояс, выполняющий роль радиатора для отвода тепла, образующегося при прохождении электрического тока.

Этот принцип построения широко распространен. На этой основе изготавливаются и другие полупроводниковые источники света с использованием других форм конструктивных элементов.

Свечение в полупроводниковом кристалле возникает в результате рекомбинации электронов и дырок в области р-п-перехода. Область pn-перехода образуется при контакте двух полупроводников с разным типом проводимости. Для этого близкоконтактные слои полупроводникового кристалла легируются различными примесями: акцепторными с одной стороны и донорными с другой.

Светодиоды на основе фосфида и арсенида галлия, излучающие в желто-зеленой, желтой и красной областях спектра, были разработаны еще в 60-х и 70-х годах прошлого века. Их использовали в световых индикаторах, табло, приборных панелях автомобилей и самолетов, рекламных дисплеях и различных системах визуализации информации.

По светоотдаче светодиоды обогнали обычные лампы накаливания. По долговечности, надежности, безопасности они также превзошли их. Синих, сине-зеленых и белых светодиодов давно не было.

Цвет светодиода зависит от ширины запрещенной зоны, в которой рекомбинируют электроны и дырки, то есть от полупроводникового материала и легирующих примесей. Чем «голубее» светодиод, тем выше энергия кванта, и, следовательно, ширина запрещенной зоны должна быть больше.

Синие светодиоды изготавливаются на основе полупроводников с большой шириной запрещенной зоны — карбида кремния, соединений элементов II и IV групп или нитридов элементов III группы. Однако светодиоды на основе SiC оказались слишком низкими КПД и низким квантовым выходом излучения (то есть числом испускаемых фотонов на одну рекомбинирующую пару).

Светодиоды на основе твердых растворов селенида цинка ZnSe имели более высокий квантовый выход, но из-за высокого сопротивления перегревались и оказались недолговечными. Первый синий светодиод был изготовлен на основе пленок нитрида галлия на сапфировой подложке.

Квантовый выход — это количество испущенных квантов света на одну рекомбинирующую электронно-дырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый выход. Внутренний — в самом p-n переходе, внешний — для устройства в целом (ведь свет может теряться «по дороге» — поглощаться, рассеиваться).

Внутренняя квантовая эффективность у хороших кристаллов с хорошим тепловыделением достигает почти 100%, рекорд внешней квантовой эффективности для красных светодиодов составляет 55%, а для синих — 35%. Внешняя квантовая эффективность является одной из основных характеристик эффективности светодиодов.

Белый свет от светодиодов можно получить несколькими способами. Первый — это смешивание цветов по технологии RGB. Красные, синие и зеленые светодиоды расположены близко друг к другу на матрице, излучение которой смешивается с помощью оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет.

Второй способ заключается в нанесении на поверхность светодиода трех люминофоров, излучающих в ультрафиолетовом диапазоне (есть и такие), и излучающих соответственно синий, зеленый и красный свет. По принципу люминесцентной лампы.

Третий способ — это когда на синий светодиод наносится желто-зеленый или зелено-красный люминофор. При этом два или три излучения смешиваются, образуя белый или почти белый свет.

Напряжение питания светодиодов

Хотя электрическим параметром №1 для светодиода является номинальный ток, для расчетов часто необходимо знать напряжение на клеммах. Термин «напряжение светодиода» означает разность потенциалов на p-n переходе в открытом состоянии.

Является эталонным параметром и вместе с другими свойствами указывается в паспорте на полупроводниковый прибор. 3, 9 или 12 вольт. Часто в руки попадают образцы, о которых ничего не известно. Так как же узнать падение напряжения на светодиоде?

• Теоретический метод

Отличной подсказкой в ​​данном случае является цвет свечения, внешняя форма и размеры полупроводникового прибора. Если корпус светодиода выполнен из прозрачного компаунда, цвет остается загадкой, разгадать которую поможет мультиметр.

Для этого переключатель цифрового тестера переводят в положение «проверка обрыва цепи» и щупы по очереди касаются выводов светодиода. Здоровый элемент прямого смещения будет иметь слабое свечение кристалла. Таким образом, можно сделать вывод не только о цвете свечения, но и о работоспособности полупроводникового прибора.

Светодиоды разных цветов изготавливаются из разных полупроводниковых материалов. Именно химический состав полупроводника во многом определяет напряжение питания светодиодов, точнее падение напряжения на p-n переходе.

Из-за того, что при производстве кристаллов используются десятки химических соединений, не существует точного напряжения для всех светодиодов одного цвета. Однако существует определенный диапазон значений, которого часто бывает достаточно для предварительных расчетов элементов электронной схемы.

С одной стороны, размер и внешний вид корпуса не влияют на прямое напряжение светодиода. Но по-другому через линзу можно увидеть количество излучающих кристаллов, которые можно соединить последовательно. Слой люминофора в светодиодах SMD может скрывать целую цепочку кристаллов.

Хорошим примером является миниатюрный многочиповый светодиод Cree, у которого часто бывают перепады напряжения более 3 вольт. В последние годы появились белые светодиоды SMD, где последовательно соединены 3 кристалла. Их часто можно встретить в китайских светодиодных лампах на 220 вольт.

Естественно, проверить исправность светодиодных кристаллов в такой лампе с помощью мультиметра не получится. Стандартная батарея тестера выдает 9 В, а минимальное напряжение срабатывания трехкристального белого светодиода 9,6 В. Существует также двухкристальная модификация с порогом срабатывания 6 вольт.

• Практический метод

Наиболее точные данные о прямом падении напряжения на светодиоде можно получить, проведя практические измерения. Для этого вам понадобится регулируемый источник питания постоянного тока (БП) с напряжением от 0 до 12 вольт, вольтметр или мультиметр и резистор на 510 Ом (или более). Лабораторная схема для испытаний показана на рисунке.

Здесь все просто: резистор ограничивает ток, а вольтметр следит за прямым напряжением светодиода. Постепенно увеличивайте напряжение от источника питания, наблюдая за увеличением показаний вольтметра. Когда порог будет достигнут, светодиод начнет излучать свет.

В какой-то момент яркость достигнет номинального значения и показания вольтметра перестанут резко увеличиваться. Это означает, что p-n переход открыт, и дальнейшее повышение напряжения с выхода БП будет поступать только на резистор. Текущее показание на экране будет номинальным прямым напряжением светодиода.

Если продолжать увеличивать подачу тока в цепь, то увеличится только ток через полупроводник, а разность потенциалов на нем не изменится более чем на 0,1-0,2 вольта. Слишком большой ток вызовет перегрев кристалла и электрический пробой p-n-перехода.

Если рабочее напряжение светодиода составляет ок. 1,9 вольта, но свечения нет, видимо инфракрасный диод тестируется. Чтобы убедиться в этом, направьте поток излучения на включенную камеру на телефоне. На экране должно появиться белое пятно.

При отсутствии регулируемого блока питания можно запитать светодиод «короной» на 9 В. Также можно использовать в измерениях сетевой адаптер на 3 или 9 вольт, который выдает выпрямленное стабилизированное напряжение, и пересчитать значение сопротивления.

Распиновка светодиода

Есть только 3 пути решения проблемы:

• Структурно говоря

Согласно мировым нормам, на обычном светодиоде (не типа SMD) длинная ножка всегда «+» или анод. Для работы светодиода к нему должна быть приложена положительная полуволна. А короткий — это катод.

• Использование мультиметра

Для проверки нужно перевести переключатель прибора в режим «Прозвонка» и установить красный щуп мультиметра на анод, а черный на катод. В результате должен загореться светодиод. Если этого не произошло, необходимо поменять полярность (черный к аноду, а красный к катоду).

• Визуально

Если внимательно посмотреть на светодиод, то можно увидеть 2 острия возле кристалла. Чем больше катод, тем меньше анод.

Цоколевка светодиодов

Под распиновкой принято понимать внешний вид (конструкцию корпуса) светодиода. Каждый производитель выпускает светодиод в своем корпусе, в зависимости от его конструкции и назначения. Единого стандарта нет, так как у светодиодных ламп, напомню, самые распространенные цоколи ламп: е27, е14.

Единого стандарта для разводки светодиодов не существует. Каждый производитель делает то, что считает нужным. В итоге мы получаем на прилавках магазинов множество светодиодов, различных по форме, внешнему виду, дизайну.

Из всего набора еще можно выделить пару небольших групп. Например, самые распространенные простые светодиоды выполнены в прозрачном или цветном корпусе из прочного пластика или стекла, и имеют форму цилиндра, край которого чаще всего закруглен.

Более дорогие светодиоды состоят из нескольких частей: основания и линзы. На основании расположены токопроводящие дорожки, а линза выполнена из качественного материала, выполняющего роль светорассеивателя.

Основание выполнено в виде круга или квадрата. Полярность квадрата обозначается скошенным углом. Например, светодиоды CREE выглядят так:

Нестандартная распиновка может возникнуть при ремонте электронных компонентов и вызвать определенные трудности при определении полярности. Цоколевка светодиода определяет его полярность, знание которой необходимо для ремонта или правильной установки светодиода в схему.

Определить полярность обычными способами не всегда возможно из-за нестандартной цоколевки светодиода: особого строения корпуса, утолщения одного из светодиодов и других причин. Поэтому в таких случаях, как ни крути, приходится прибегать к электроизмерениям.

Обозначение светодиодов на схеме

Светодиод на схеме обозначен как обычный диод с двумя стрелками, указывающими в сторону, обозначающими световое излучение. Сам диод можно изобразить как в круге, так и без него.

Катод расположен со стороны носа треугольника, а анод — со стороны спинки треугольника. Иногда на схеме можно увидеть обозначения анода и катода в виде букв А и К или + и -, которые соответственно означают анод и катод или плюс и минус.

Полупроводниковый элемент подписывается на отечественных схемах буквами ХЛ (ХЛ1, ХЛ2 и так далее) — это по ГОСТу. В зарубежных стандартах обозначение светодиода на схеме аналогично российскому. Обозначается другим словом — LED (LED1, LED2, LED3 и так далее), что в переводе с английского означает light — Emitting диод — светоизлучающий диод.

Не путайте обозначение светодиода на схеме с фотодиодом. На первый взгляд может показаться, что они одинаковые, но при ближайшем рассмотрении видна существенная разница: стрелки фоторезистора направлены в сторону диода (треугольник с палочкой на остром конце).

Второе отличие – это буквенное обозначение фоторезистора – ВД или ВБ, что означает фотоэлемент.

В заключение я хотел бы сказать, что маркировка очень важна. Знание расшифровки позволяет определить основные параметры светодиода, не открывая техпаспорт. Запомнить маркировку всех производителей нереально, да и делать нечего, достаточно знать расшифровку основных марок.

Пример расчета балластного резистора

Допустим, нам нужно получить средний ток через светодиод = 20мА, поэтому сопротивление должно быть:

R = 220В/0,020А = 11000 Ом (берем два резистора: 10+1кОм)

P = (220В) 2 / 11000 = 4,4 Вт (включаем запас: 5 Вт)

Требуемое значение сопротивления можно получить из таблицы ниже.

Таблица 1. Зависимость тока светодиода от сопротивления балластного резистора.

Основы подключения к 220 В

В отличие от драйвера, питающего светодиод постоянным током и относительно небольшим напряжением (от единиц до десятков вольт), в сеть выдается переменное синусоидальное напряжение с частотой 50 Гц и средним значением 220 В. Поскольку светодиод пропускает ток только в одном направлении, он будет светиться только на определенных полуволнах:

Это означает, что светодиоды с такой мощностью не горят постоянно, а мигают с частотой 50 Гц. Однако из-за медлительности человеческого зрения это не так заметно.

При этом напряжение обратной полярности хоть и не вызывает свечение светодиода, но все же подается на него и может вывести из строя, если не принять защитных мер.

Способы подключения светодиода к сети 220 В

Самый простой способ (обо всех возможных способах подключения светодиодов читайте) — подключить с помощью гасящего резистора, включенного последовательно со светодиодом. Следует учитывать, что 220 В – это среднеквадратичное значение U в сети. Амплитудное значение составляет 310 В, и его необходимо учитывать при расчете сопротивления резистора.

Кроме того, необходимо защитить светодиод от обратного напряжения такой же величины. Это можно сделать несколькими способами.

Последовательное подключение диода с высоким напряжением обратного пробоя (400 В и более).

Рассмотрим схему подключения более подробно.

В схеме используется выпрямительный диод 1N4007 с обратным напряжением 1000 В. При переполюсовке на него будет подаваться все напряжение и светодиод защищен от пробоя.

Там же описано, как определить расположение анода и катода стандартного маломощного светодиода и рассчитать сопротивление резистора.

Шунтирование светодиода обычным диодом.

Здесь подойдет любой маломощный диод, соединенный встречно со светодиодом. В этом случае на запирающий резистор будет подано обратное напряжение, потому что диод включен в прямом направлении.

Встречно-параллельное подключение двух светодиодов:

Схема подключения выглядит так:

Принцип аналогичен предыдущему, только здесь светодиоды горят отдельными участками синусоиды, предохраняя друг друга от пробоя.

Обратите внимание, что подключение светодиода к сети 220В без защиты приводит к быстрому выходу из строя.

Схемы подключения на 220В с использованием гасящего резистора имеют серьезный недостаток: на резисторе выделяется большой ток.

Например, в рассмотренных случаях используется резистор номиналом 24 кОм, который при напряжении 220 В дает ток около 9 мА. Таким образом, мощность, рассеиваемая на сопротивлении, равна:

9 * 9 * 24 = 1944 мВт, примерно 2 Вт.

Это означает, что для оптимальной работы необходим резистор мощностью не менее 3 Вт.

Если светодиодов больше, и они потребляют больший ток, ток будет увеличиваться пропорционально квадрату тока, что сделает использование резистора нецелесообразным.

Применение резистора недостаточной мощности приводит к быстрому перегреву и выходу из строя, что может вызвать короткое замыкание в сети.

В таких случаях в качестве токоограничивающего элемента можно использовать конденсатор. Преимущество этого метода в том, что в конденсаторе не рассеивается ток, так как сопротивление реактивное.

Здесь показана типовая схема подключения светодиода к сети 220В с использованием конденсатора. Так как конденсатор после отключения тока может сохранять опасный для человека остаточный заряд, его необходимо разряжать с помощью резистора R1. R2 защищает всю цепь от пускового тока через конденсатор при включении питания. VD1 защищает светодиод от напряжения обратной полярности.

Конденсатор должен быть неполярным, рассчитанным на напряжение не менее 400 В.

Применение полярных конденсаторов (электролитных, танталовых) в сети переменного тока недопустимо, т к ток, проходящий через них в обратном направлении, разрушает их структуру.

Емкость конденсатора рассчитывается по эмпирической формуле:

где U — пиковое напряжение сети (310 В),

I — ток, проходящий через светодиод (в миллиамперах),

Uд — падение напряжения на светодиоде в прямом направлении.

Допустим, вам нужно подключить светодиод с падением напряжения 2 В при токе 9 мА. Исходя из этого, вычисляем емкость конденсатора при подключении такого провода к сети:

Эта формула справедлива только для частоты колебаний напряжения в сети 50 Гц. На других частотах потребуется перерасчет коэффициента 4,45.

Читайте также: Как переделать электродвигатель с 380 на 220

Нюансы подключения к сети 220 В

При подключении к сети 220В есть некоторые особенности, связанные с величиной протекающего тока. Например, в обычных выключателях с подсветкой светодиод включается, как показано ниже:

Как видите, здесь нет защитных диодов, а сопротивление резистора выбрано таким образом, что оно ограничивает проводимый постоянный ток на уровне ок. 1 мА. Ламповая нагрузка также действует как ограничитель тока.

При такой схеме подключения светодиод будет светиться слабо, но достаточно, чтобы различить выключатель в комнате ночью. Кроме того, обратное напряжение в основном будет подаваться на резистор при разомкнутом ключе, а светодиод защищен от пробоя.

Если вам нужно подключить несколько светодиодов к 220В, то можно включить их последовательно по схеме гасящего конденсатора:

При этом все светодиоды должны быть рассчитаны на один и тот же ток для равномерного свечения.

Вы можете заменить шунтирующий диод встречно-параллельным подключением светодиода:

В обоих случаях придется пересчитывать значение емкости конденсатора, т.к напряжение на светодиодах увеличится.

Параллельное (не встречно-параллельное) подключение светодиодов к сети недопустимо, так как при выходе из строя одной цепи по другой потечет удвоенный ток, что приведет к перегоранию светодиодов и последующему короткому замыканию.

Еще несколько вариантов недопустимого подключения светодиодов к сети 220В описаны в этом видео:

Вот почему бы и нет:

• включите светодиод напрямую;
• последовательно соединить светодиоды, рассчитанные на разные токи;
• включить светодиод без защиты от обратного напряжения.

Безопасность при подключении

При подключении к 220В учтите, что выключатель света обычно размыкает фазную линию. При этом ноль держится общим по всему помещению. Кроме того, в электросети часто отсутствует защитное заземление, поэтому даже на нулевом проводе присутствует некоторое напряжение по отношению к земле.

Также следует помнить, что в некоторых случаях провод заземления подключается к радиаторам или водопроводным трубам. Поэтому при одновременном контакте человека с фазой и аккумулятором, особенно при монтажных работах в ванной, существует риск попадания напряжения между фазой и землей.

В связи с этим при подключении к сети лучше отключать и ноль, и фазу с помощью пакетного автомата во избежание поражения электрическим током при прикосновении к токоведущим проводам сети.

Другие варианты подключения

В предыдущих схемах защитный диод подключался встречно-параллельно, но его можно разместить и так:

Это вторая схема включения светодиодов на 220 вольт без драйвера. В этой схеме ток через резистор будет в 2 раза меньше, чем в первом варианте. И поэтому на него будет выделено в 4 раза меньше мощности. Это явный плюс.

Но есть и минус: на защитный диод подается полное (амплитудное) сетевое напряжение, так что любой диод тут не подойдет. Нужно подобрать что-то с обратным напряжением 400 В и выше. Но в наши дни это вообще не проблема. Отлично подойдет, например, вездесущий диод на 1000 вольт — 1N4007 (КД258).

Несмотря на распространенное заблуждение, во время отрицательных полупериодов сетевого напряжения светодиод все равно будет находиться в состоянии электрического пробоя. Однако из-за того, что сопротивление обратного p-n перехода защитного диода очень велико, тока пробоя будет недостаточно для отключения светодиода.

Обратите внимание на следующее! Все простейшие схемы подключения светодиодов на 220 вольт имеют непосредственную гальваническую связь с сетью, поэтому прикосновение к любой точке схемы КРАЙНЕ ОПАСНО!

Как быть с пульсациями?

В обеих схемах светодиод будет гореть только во время положительного полупериода сетевого напряжения. То есть он будет мерцать с частотой 50 Гц или 50 раз в секунду, а размах пульсаций будет 100% (10 мс вкл, 10 мс выкл и так далее). Это будет видно глазу.

Кроме того, при освещении мигающими светодиодами движущихся объектов, таких как лопасти вентилятора, колеса велосипеда и т д., неизбежно возникает стробоскопический эффект. В некоторых случаях этот эффект может быть неприемлем или даже опасен.

Например, при работе на станке фреза может казаться стоящей на месте, но на самом деле она крутится с бешеной скоростью, только и ожидая, когда вы засунете в нее пальцы.

Обратите внимание, что по сравнению со схемой № 2 при том же значении сопротивления мы получили вдвое больший средний ток. И, следовательно, в четыре раза больше мощности потерь резисторов.

При этом к диодному мосту особых требований не предъявляется, самое главное, чтобы диоды, из которых он состоит, выдерживали половину рабочего тока светодиода. Обратное напряжение на каждом из диодов будет совершенно пренебрежимо мало.

Фишка в том, что при таком включении максимальное обратное напряжение на каждом из светодиодов будет равно прямому напряжению другого светодиода (несколько вольт максимум), поэтому каждый из светодиодов будет надежно защищен от пробоя.

Светодиоды должны располагаться как можно ближе друг к другу. В идеале постараться найти двойной светодиод, где оба кристалла расположены в одном корпусе и у каждого свои выводы (хотя таких я еще не встречал).

Вообще говоря, для светодиодов, выполняющих индикаторную функцию, величина импульсов не имеет большого значения. Для них важнее всего наиболее заметная разница между включенным и выключенным состояниями (индикация включения/выключения, воспроизведение/запись, зарядка/разрядка, нормальное/аварийное и т.д.)

Но при изготовлении светильников всегда нужно стараться минимизировать пульсации. И не столько из-за опасности стробоскопического эффекта, сколько из-за их вредного воздействия на организм.

Какие пульсации считаются допустимыми?

Все зависит от частоты: чем она ниже, тем заметнее пульсации. На частотах выше 300 Гц пульсации становятся совершенно незаметными и вообще не нормализуются, то есть нормой считается даже 100.

Несмотря на то, что световые пульсации на частотах 60-80 Гц и выше зрительно не воспринимаются, тем не менее, они могут вызывать повышенную утомляемость глаз, общую утомляемость, тревожность, снижение зрительной работоспособности и даже головные боли.

Для предотвращения вышеперечисленных последствий международный стандарт IEEE 1789-2015 рекомендует максимальный уровень пульсаций яркости для частоты 100 Гц – 8% (гарантированный безопасный уровень – 3%). Для частоты 50 Гц это будет 1,25% и 0,5% соответственно. Но это для перфекционистов.

На самом деле, чтобы пульсации яркости светодиода перестали как-то раздражать, достаточно, чтобы они не превышали 15-20%. Это именно уровень мерцания ламп накаливания средней мощности, и на них еще никто не жаловался. Да и наш российский СНиП 23-05-95 допускает мерцание света на уровне 20% (и только для особо кропотливой и ответственной работы требование повышено до 10%).

В соответствии с ГОСТ 33393-2015 «Здания и сооружения. Методы измерения коэффициента пульсации для освещения» для оценки величины пульсаций вводится специальный показатель — коэффициент пульсации (Кп).

Коэффициент пульсации обычно рассчитывается по сложной формуле с использованием интегральной функции, но для гармонических колебаний формула упрощается до следующего:

Кр = (Емакс — Емин) / (Емакс + Емин) ⋅ 100%,

где Emax — максимальное значение освещенности (амплитуда), а Emin — минимальное.

Мы будем использовать эту формулу для расчета емкости сглаживающего конденсатора.

Очень точно определить пульсации любого источника света можно с помощью солнечной батареи и осциллографа:

Как уменьшить пульсации?

Давайте посмотрим, как включить светодиод в сеть 220 вольт, чтобы уменьшить пульсации. Для этого проще всего впаять накопительный конденсатор (сглаживающий) параллельно светодиоду:

Из-за нелинейного сопротивления светодиодов расчет емкости этого конденсатора — довольно нетривиальная задача.

Однако эту задачу можно упростить, сделав несколько предположений. Во-первых, подумайте о светодиоде как об эквивалентном постоянном резисторе:

А во-вторых, сделать вид, что яркость светодиода (а следовательно и освещенность) имеет линейную зависимость от тока.

Попробуем приблизительно рассчитать емкость конденсатора на конкретном примере.

Расчет емкости сглаживающего конденсатора

Допустим, мы хотим получить коэффициент пульсаций 2,5% при токе через светодиод 20 мА. И пусть в нашем распоряжении будет светодиод, на который падает 2 В при токе 20 мА. Частота сети, как обычно, 50 Гц.

Так как мы решили, что яркость линейно зависит от тока через светодиод, а сам светодиод мы представили в виде простого резистора, то можно смело заменить освещенность в формуле расчета коэффициента пульсаций напряжением на конденсаторе:

Кп = (Umax — Umin) / (Umax + Umin) ⋅ 100%

Заменяем первые данные и вычисляем Umin:

2,5% = (2В — Uмин) / (2В + Uмин) ⋅ 100% => Uмин = 1,9В

Период колебаний напряжения в сети составляет 0,02 с (1/50).

Таким образом, осциллограмма напряжения на конденсаторе (и, следовательно, на нашем упрощенном светодиоде) будет выглядеть примерно так:

Вспоминаем тригонометрию и вычисляем время заряда конденсатора (для простоты не будем учитывать сопротивление балластного резистора):

заряд = arccos(Umin/Umax) / 2πf = arccos(1,9/2) / (2⋅3,1415⋅50) = 0,0010108 с

Остаток расчетного периода будет списан. Кроме того, в этом случае период должен быть уменьшен вдвое, потому что мы используем двухполупериодный выпрямитель:

tdis = T — нагрузка = 0,02/2 — 0,0010108 = 0,008989 с

Осталось рассчитать емкость:

C = ILED⋅ dt/dU = 0,02 ⋅ 0,008989/(2-1,9) = 0,0018 Ф (или 1800 мкФ)

На практике вряд ли кто-то будет ставить такой большой кондер ради маленького светодиода. Даже если стоит задача получить пульсации 10%, нужно всего 440 мкФ.

Повышаем КПД

Вы заметили, сколько мощности теряется в гасящем резисторе? Потерянная мощность. Есть ли способ уменьшить его?

Оказывается, это еще возможно! Достаточно вместо активного сопротивления (резистора) взять реактивное сопротивление (конденсатор или катушку индуктивности).

Мы могли бы захотеть немедленно отказаться от индуктора из-за его большого размера и возможных проблем с ЭДС собственной индуктивности. А как же конденсаторы, подумаете вы.

Как известно, конденсатор любой емкости имеет бесконечное сопротивление постоянному току. А вот сопротивление переменному току рассчитывается по такой формуле:

Rc = 1/2πfC

то есть чем больше емкость С и выше частота тока f, тем меньше сопротивление.

Приятно то, что на реактивном сопротивлении мощность тоже реактивная, т.е не реальная. Вроде есть, а вроде и нет. На самом деле этот ток не работает, а просто возвращается к источнику питания (к розетке). Бытовые счетчики это не учитывают, поэтому платить за это не нужно. Да, это создает дополнительную нагрузку на сеть, но вас, как конечного пользователя, это вряд ли сильно волнует =)

Таким образом, наша схема блока питания светодиодов от 220В своими руками имеет следующий вид:

Но! Именно в таком виде его лучше не использовать, так как светодиод в этой схеме уязвим к импульсным помехам.

включение или отключение большой индуктивной нагрузки, находящейся с вами на одной линии (двигатель кондиционера, компрессор холодильника, сварочный аппарат и т д.), вызывает очень кратковременные скачки напряжения в сети. Конденсатор С1 представляет для них практически нулевое сопротивление, поэтому мощный импульс пойдет сразу на С2 и VD5.

К сожалению, электролитические конденсаторы из-за большой паразитной индуктивности плохо справляются с ВЧ помехами, поэтому большая часть энергии импульса будет проходить через p-n переход светодиода.

Еще один опасный момент возникает, если цепь включается в момент пучности напряжения в сети (то есть в момент, когда напряжение в розетке достигает пикового значения). Поскольку C1 в этот момент полностью разряжен, через светодиод протекает слишком большой ток.

Все это приводит со временем к прогрессирующему разрушению кристалла и снижению яркости свечения.

Чтобы избежать таких печальных последствий, схему необходимо дополнить небольшим гасящим резистором на 47-100 Ом и мощностью 1 Вт. Кроме того, резистор R1 будет выполнять роль предохранителя в случае пробоя конденсатора С1.

Получается, что схема подключения светодиода к сети 220 вольт должна быть такой:

И остается еще один небольшой нюанс: если выдернуть эту схему из розетки, то на конденсаторе С1 останется некоторый заряд. Остаточное напряжение будет зависеть от момента разрыва цепи и может в некоторых случаях превышать 300 вольт.

А так как конденсатору некуда разряжаться, кроме как через его внутреннее сопротивление, заряд может храниться очень долго (день и более). И все это время вас или вашего ребенка будет ждать кондор, которого можно будет правильно выпустить. Также, чтобы получить удар током, не нужно лезть в внутренности схемы, достаточно прикоснуться к обоим контактам вилки.

Чтобы помочь кондеру избавиться от лишнего заряда, параллельно ему подключим любой высокоомный резистор (например 1 МОм). Этот резистор не повлияет на расчетный режим схемы. Он даже не нагреется.

Таким образом, готовая схема подключения светодиода к сети 220В (с учетом всех нюансов и доработок) будет выглядеть так:

Значение емкости конденсатора С1 для достижения нужного тока через светодиод можно сразу получить из таблицы 2, а можно рассчитать самостоятельно.

Здесь видно, как можно еще улучшить эту схему, добавив стабилизатор тока на одном транзисторе и стабилитрон. Это значительно уменьшит пульсации и продлит срок службы светодиодов.

Расчет гасящего конденсатора для светодиода

Не буду приводить скучные математические выкладки, сразу приведу готовую формулу емкости (в Фарадах):

C = I / (2πf√(U2in — U2LED)) Ф,

где I — ток через светодиод, f — частота тока (50 Гц), Uвх — действующее значение напряжения сети (220В), ULED — напряжение на светодиоде.

Если расчет производить для небольшого количества последовательно соединенных светодиодов, выражение √(U2вх – U2светодиод) примерно равно Uвх, поэтому формулу можно упростить:

C ≈ 3183 ⋅ ILED/Vin мкФ

а так как расчеты делаем под Uвх=220 вольт, то:

C ≈15 ⋅ ILED мкФ

При включении светодиода при напряжении 220 В ок. Емкость 1,5 мкФ (1500 нФ) на каждые 100 мА тока.

Немного о самих конденсаторах

В качестве гасящих конденсаторов рекомендуется использовать помехоподавляющие конденсаторы класса Y1, Y2, X1 или X2 на напряжение не менее 250 В. У них есть прямоугольная коробка с множеством обозначений сертификатов. Они выглядят так:

Короче тогда:

• Х1 – используется в промышленных установках, подключенных к трехфазной сети. Эти конденсаторы гарантированно выдерживают скачок напряжения 4 кВ;
• Х2 самые распространенные. Применяются в бытовых приборах с номинальным напряжением сети до 250 В, выдерживают перенапряжения до 2,5 кВ;
• Y1 — работают при номинальном напряжении сети до 250 В и выдерживают импульсное напряжение до 8 кВ;
• Y2 — довольно распространенный тип, может применяться при напряжении сети до 250 В и выдерживает импульсы 5 кВ.

Допускается применение бытовых пленочных конденсаторов К73-17 на 400 В (а лучше — на 630 В).

Сегодня широко используются китайские «шоколадки» (CL21), но в свете их крайне низкой надежности они очень. Вот мы и рассмотрели, как подключить светодиод к сети 220В (схемы и их расчет).

Все примеры в этой статье хорошо подходят для одного или нескольких маломощных светодиодов, но совершенно не подходят для мощных светильников, таких как лампы или прожекторы — для них лучше использовать полноценные схемы, называемые драйверами.

Основные выводы

Подключение светодиода (несколько диодов) своими руками с помощью резисторов и аккумуляторов заряда целесообразно, если они имеют малую мощность. Такие источники света предназначены для индикации или освещения. Для мощных ламп эти схемы не подходят.

Если вам все же необходимо подключить маленькую лампочку к сети 220 В, важно правильно подобрать параметры всех элементов. Высокое переменное напряжение быстро выводит из строя те, которые не могут пропускать обратный ток. Залог успеха – ограничение амплитуды и грамотное определение амортизационного резерва. Также важно качество диодов и других деталей.

.