Светодиоды в цепях переменного тока

Светодиод — это, во-первых, диод. И точно так же как у обычного диода, у светодиода есть два вывода (контакта питания): анод ( плюс ) и катод ( минус ). Это связано с тем, что светодиод является полупроводником, то есть, проводит электрический ток только в одну сторону (от анода к катоду), и не проводит в обратную (от катода к аноду).

Итак, для того, чтобы светодиод засветился, надо пропускать через него электрический ток в направлении от анода к катоду. Для этого следует подать на его анод положительное , а на катод — отрицательное напряжение.

Тут и начинается самое неприятное. Оказывается, что светодиод нельзя подключать к источнику питания напрямую, поскольку это приводит к немедленному сгоранию светодиода. Причина сего поведения кроется в следующем. Выражаясь простым бытовым языком, светодиод является очень жадной и неразумной личностью: получив неограниченное питание он начинает потреблять такую мощность, которую физически не способен выдержать.

Как мы все уже догадались, для нормальной работы светодиоду нужен строгий ограничитель. Именно с этой целью последовательно со светодиодом устанавливают резистор, который служит надежным ограничителем тока и мощности. Этот резистор называют ограничительным.

Принцип понижения напряжения питания для светодиода

Для питания низковольтной нагрузки может быть выбрана два пути питания. Первый, это так скажем классический вариант, когда питание снижается за счет резистора. Второй, вариант, который часто используется для зарядных устройств, это гасящий конденсатор. В этом случае напряжение и ток идут словно импульсами, и эти самые импульсы и должны быть точно подобраны, дабы светодиод, нагрузка не сгорела. Здесь необходимо более детальный расчет чем с резистором. Третий вариант, это комбинированное питание, когда применяется и тот и другой способ понижения напряжения. Что же, теперь обо всех этих вариантах по порядку.

Методы подключения

Простейшим методом подключения светильника к сети на 220 В является использование гасящего сопротивления, расположенного последовательно светодиоду. Напряжение постоянно изменяется, амплитудное значение может достигать 310 В. Данная величина должна обязательно учитываться при расчетах сопротивления.

Также следует обеспечить защиту диода от обратного напряжения, равного прямому. Рассмотрим основные способы.

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

В данном случае правильно подключить к схеме выпрямительный диод 1N4007, обратное напряжение которого составляет 1000 В. Если будет изменена полярность и напряжение пойдет в обратном направлении, то оно будет сглажено выпрямительным диодом, защищающим светодиод от пробоя.

Шунтирование светодиода обычным диодом

Этот способ подразумевает использование простого маломощного полупроводника, подключаемого по встречно-параллельному курсу со светодиодом. Обратное напряжение будет воздействовать на гасящее сопротивление, поскольку диод включен в прямом направлении.

Встречно-параллельное подключение двух светодиодов

Способ схож с предыдущим методом, за исключением того, что светодиоды будут гореть только на своем отрезке синусоиды, обеспечивая друг для друга защиту от пробоя.

Существенным недостатком подключения светодиодов к сети 220 В через гасящий резистор является то, что на сопротивлении выделяется огромная мощность.

Рассмотрим пример. Предположим, что используется гасящий резистор сопротивлением 24 кОм при подключении светодиодов к сети 220 В с выходящим током 9 мА. Рассчитаем мощность на гасящем сопротивлении: 9*9*24=1944 мВт (около 2 Вт). Таким образом, чтобы обеспечить оптимальную эксплуатацию, нужно взять резистор мощностью не ниже 3 Вт.

Когда используется несколько led-диодов, потребляющих ток большего значения, то мощность будет расти пропорционально квадрату выходного тока, из-за чего использовать гасящий резистор будет просто нецелесообразно. В случае применения сопротивления меньшей мощности, чем требуется по регламенту, резистор быстро выйдет из строя и произойдет короткое замыкание.

Поэтому роль токоограничивающего элемента должен играть конденсатор, на котором не рассеивается мощность, поскольку сопротивление является реактивным.

В простейшей схеме подключения светодиодного осветительного прибора через конденсатор наблюдается следующая картина: после прекращения питания в конденсаторе сохраняется остаточный заряд – источник угрозы для безопасности человека, который должен разряжаться с помощью сопротивления. Второй резистор требуется при включении питания для защиты схемы от тока, идущего через конденсатор. Выпрямительный диод служит для защиты led-диода от обратного напряжения. Выбирайте конденсатор неполярного типа, рассчитанный для эксплуатации в сети с напряжением не ниже 400 В.

Категорически запрещено использовать полярные конденсаторы в сети переменного тока, поскольку проходящий в обратном направлении ток приведет к разрушению конструкции.

Для расчета нужной емкости конденсатора используют эмпирическую формулу, где производное 4,45 и тока, проходящего через светодиоды, нужно разделить на разницу между амплитудной величиной тока (указана выше – 310 В) и падением напряжения на светодиоде после прямого прохождения.

Например, если нужно подключить led-диод с падением напряжения 3 В и током 9 мА, то по формуле выше емкость конденсатора будет равна 0,13 мкФ. На данную величину в большей степени влияет сила тока, меньшей – падение напряжения.

Эмпирическая формула может использоваться при расчетах емкости конденсатора для сети частотой 50 Гц, поскольку в остальных случаях коэффициент 4,45 требует перерасчета.

Как рассчитать резистор

Есть формула расчета сопротивления резистора:

Величина сопротивления подразумевается R.

Напряжение питания Uпит.

Падающее напряжение Uпад.

Протекающий ток – I.

Постоянная величина коэффициента надёжности диода – 0.75.

Для примера рассмотрено подключение к 12 вольтному аккумулятору. Тогда будет:

• Uпит – 12 вольта, что подразумевает аккумуляторное напряжение).
• Uпад – 2.2 вольт, которым выступает напряжение для питания светодиода).
• I – 0.01 ампер, показывает ток диода.

По данным цифрам можно произвести подсчёт по формуле, которая покажет, что получилась цифра 1.306. Так как у резисторов имеется определённый шаг, то подойдёт — 1.3 кОм.

Дальнейшей задачей будет вычисление требуемого минимума на мощность резистора. Нужно понимать точную цифру проходящего тока, потому что она может не соответствовать вышеуказанному. Вычисление можно произвести по такой формуле:

I = U / (Rрез.+ Rсвет)

Сопротивление, которым обладает диод:

Rсвет=Uпад.ном. / Iном. = 2.2 / 0,01 = 220 Ом,

что говорит о том, что подсчитанный фактический ток будет:

I = 12 / (1300 + 220) = 0,007 А.

Для понимания фактического падения напряжения нужно посчитать:

Uпад.свет = Rсвет * I = 220 * 0,007 = 1,54 В

Далее, вычисление мощности:

P = (Uпит. — Uпад.)² / R = (12 -1,54)²/ 1300 = 0,0841 Вт.

Мощность лучше брать с небольшим запасом. Сейчас будет в самый раз 0.125 Вт.

При подключении 1 светодиода к аккумулятору 12 вольт потребуется в сети резистор, который обладает сопротивлением 1.3 кОм и мощностью 0.125 Вт.

Как рассчитать ограничительный резистор

Ограничительный резистор нужен при подключении светодиодов к источнику напряжения. Его следует последовательно подключить в цепь. Предназначение – ограничить проходящий через диод электроток.

Формула для вычисления параметров ограничительного резистора: R=(Us – UL)/ I*0,75, где:

• Us – вольтаж на входе;
• UL – расчетное напряжение одного диода (2-4 В);
• I – ток диода (максимально допустимое значение);
• 0,75 – коэффициент надежности led-лампочки.

Если резистор, соответствующий рассчитанному значению, подобрать не получается, нужно взять деталь с большим номиналом.

По закону Ома формула: R=U/I, где:

• U – вольтаж при прохождении тока через резистор;
• I – ток при прохождении через резистор.

Так как U= S- UL, где S – входной ток, в итоге формула для расчета сопротивления все равно: R=(Us – UL)/ I*0,75

Техника безопасности

Технику безопасности при работе в действующих установках регламентируют Правила охраны труда при эксплуатации электроустановок. На домашнюю мастерскую они не распространяются, но их основные принципы при подключении светодиода к сети 220 В надо учесть. Главное правило безопасности при работе с любой электроустановкой – все работы надо выполнять при снятом напряжении, исключив ошибочное или непроизвольное, несанкционированное включение. После отключения выключателя отсутствие напряжения надо проверить тестером. Все остальное – применение диэлектрических перчаток, ковриков, наложение временных заземлений и т.п. трудновыполнимо в домашних условиях, но надо помнить, что мер безопасности мало не бывает.