Найпростіші схеми підключення світлодіодів в 220 вольт без драйвера (найпростіше харчування світлодіода від мережі напругою 220В)

1. Приклад розрахунку баластного резистора
2. Інші варіанти підключення
3. Як бути з пульсаціями?
4. Які пульсації вважаються допустимими?
5. Як зменшити пульсації?
6. Розрахунок ємності згладжує конденсатора
7. підвищуємо ККД
8. Розрахунок гасить конденсатора для світлодіода
9. Трохи про самих конденсаторах

Наша сеть партнеров Banwar

Тому що потрібно грамотно вирішити відразу два завдання:

1. Обмежити прямий струм через світлодіод, щоб він не згорів.
2. Забезпечити захист світлодіода від пробою зворотним струмом.

Якщо проігнорувати будь-який з цих пунктів, світлодіод моментально накриється мідним тазом.

У самому простому випадку обмежити струм через світлодіод можна резистором і / або конденсатором. А запобігти пробою від зворотного напруги можна за допомогою звичайного діода або ще одного світлодіода.

Тому найпростіша схема підключення світлодіода до 220В складається всього з декількох елементів:

Захисний діод може бути практично будь-яким, тому що його зворотна напруга ніколи не буде перевищувати прямого напруги на світлодіоді, а струм обмежений резистором.

Опір і потужність обмежувального (баластного) резистора залежить від робочого струму світлодіода і розраховується за законом Ома:

R = (Uвх - ULED) / I

А потужність розсіювання резистора розраховується так:

P = (Uвх - ULED) 2 / R

де Uвх = 220 В,
ULED - пряме (робоче) напруга світлодіода. Зазвичай воно лежить в межах 1.5-3.5 В. Для одного-двох світлодіодів їм можна знехтувати і, відповідно, спростити формулу до R = Uвх / I,
I - струм світлодіода. Для звичайних індикаторних світлодіодів ток буде 5-20 мА.

Приклад розрахунку баластного резистора

Припустимо, нам потрібно отримати середній струм через світлодіод = 20 мА, отже, резистор повинен бути:

R = 220 / 0.020А = 11000 Ом (беремо два резистора: 10 + 1 кОм)

P = (220) 2/11000 = 4.4 Вт (беремо з запасом: 5 Вт)

Необхідна опір резистора можна взяти з таблиці нижче.

Таблиця 1. Залежність струму світлодіода від опору баластного резистора.

Опір резистора, кому Амплітудне значення струму через світлодіод, мА Середній струм світлодіода, мА Середній струм резистора, мА Потужність резистора, Вт 43 7.2 2.5 5 1.1 24 13 4.5 9 2 22 14 5 10 2.2 12 26 9 18 4 10 31 11 22 4.8 7.5 41 15 29 6.5 4.3 72 25 51 11.3 2.2 141 50 100 22

Інші варіанти підключення

У попередніх схемах захисний діод був включений зустрічно-паралельно, однак його можна розмістити і так:

Це друга схема включення світлодіодів на 220 вольт без драйвера. У цій схемі струм через резистор буде в 2 рази менше, ніж в першому варіанті. А, отже, на ньому буде виділятися в 4 рази менше потужності. Це безсумнівний плюс.

Але є і мінус: до захисного діода прикладається повне (амплітудне) напруга мережі, тому будь-який діод тут не прокотить. Доведеться підібрати що-небудь зі зворотним напругою 400 В і вище. Але в наші дні це взагалі не проблема. Відмінно підійде, наприклад, всюдисущий діод на 1000 вольт - 1N4007 (КД258).

Не дивлячись на поширену оману, в негативні напівперіоди напруги, світлодіод все-таки буде перебувати в стані електричного пробою. Але завдяки тому, що опір обратносмещенного pn-переходу захисного діода дуже велике, ток пробою буде недостатній для виведення світлодіода з ладу.

Увага! Всі найпростіші схеми підключення світлодіодів в 220 вольт мають безпосередню гальванічний зв'язок з мережею, тому дотик до будь-якій точці схеми - НАДЗВИЧАЙНО НЕБЕЗПЕЧНО!

Для зменшення величини струму дотику потрібно розполовинити резистор на дві частини, щоб вийшло як показано на картинках:

Завдяки такому рішенню, навіть помінявши місцями фазу і нуль, струм через людини на "землю" (при випадковому дотику) ніяк не зможе перевищити 220/12000 = 0.018А. А це вже не так небезпечно.

Як бути з пульсаціями?

В обох схемах світлодіод буде світитися тільки в позитивний напівперіод мережевої напруги. Тобто він буде мерехтіти з частою 50 Гц або 50 раз в секунду, причому розмах пульсацій буде дорівнює 100% (10 мс горить, 10 мс не горить і так далі). Це буде помітно оку.

До того ж, при підсвічуванні мерехтливими світлодіодами будь-яких рухомих об'єктів, наприклад, лопатей вентилятора, коліс велосипеда і т.п., неминуче буде виникати стробоскопічний ефект. У деяких випадках цей ефект може бути неприйнятний або навіть небезпечний. Наприклад, при роботі за верстатом може здатися, що фреза нерухома, а насправді вона обертається з шаленою швидкістю і тільки й чекає, щоб ви сунули туди пальці.

Щоб зробити пульсації менш помітними, можна подвоїти частоту включення світлодіода за допомогою двухполуперіодного випрямляча (діодного моста):

Зверніть увагу, що в порівнянні зі схемою # 2 при тому ж самому опорі резисторів, ми отримали в два рази більший середній струм. І, відповідно, в чотири рази більшу потужність розсіювання резисторів.

До діодному мосту при цьому не пред'являється будь-яких особливих вимог, головне, щоб діоди, з яких він складається, витримували половину робочого струму світлодіода. Зворотна напруга на кожному з діодів буде зовсім незначним.

Ще, як варіант, можна організувати зустрічно-паралельне включення двох світлодіодів. Тоді один з них буде горіти під час позитивної напівхвилі, а другий - під час негативною.

Фішка в тому, що при такому включенні максимальну зворотню напругу на кожному з світлодіодів дорівнюватиме прямому напрузі іншого світлодіода (кілька вольт максимум), тому кожен з світлодіодів буде надійно захищена від пробою.

Світлодіоди слід розмістити якомога ближче один до одного. В ідеалі - спробувати знайти здвоєний світлодіод, де обидва кристала розміщені в одному корпусі і у кожного свої висновки (хоча я таких ні разу не бачив).

Взагалі кажучи, для світлодіодів, що виконують індикаторну функцію, величина пульсацій не дуже-то і важлива. Для них найголовніше - це максимально помітна різниця між включеним і вимкненим станом (індикація вкл / викл, відтворення / запис, заряд / розряд, норма / аварія і т.п.)

А ось при створенні світильників, завжди потрібно намагатися звести пульсації до мінімуму. І не стільки через небезпек стробоскопічного ефекту, скільки через їх шкідливого впливу на організм.

Які пульсації вважаються допустимими?

Все залежить від частоти: чим вона нижча, тим помітніше пульсації. На частотах вище 300 Гц пульсації стають абсолютно невидимими і взагалі ніяк не нормуються, тобто навіть 100% -ві вважаються нормою.

Не дивлячись на те, що пульсації освітленості на частотах 60-80 Гц і вище візуально не сприймаються, проте, вони здатні викликати підвищену втому очей, загальну стомлюваність, тривожність, зниження продуктивності зорової роботи і навіть головні болі.

Для запобігання вищеперелічених наслідків, міжнародний стандарт IEEE 1789-2015 рекомендує максимальний рівень пульсацій яскравості для частоти 100 Гц - 8% (гарантовано безпечний рівень - 3%). Для частоти 50 Гц - це будуть 1.25% і 0.5% відповідно. Але це для перфекціоністів.

Насправді, для того, щоб пульсації яскравості світлодіода перестали хоч якось докучати, досить, щоб вони не перевищували 15-20%. Саме такий рівень мерехтіння ламп розжарювання середньої потужності, але ж на них ніхто і ніколи не скаржився. Та й наш російський СНиП 23-05-95 допускає мерехтіння світла в 20% (і тільки для особливо ретельних та відповідальних робіт вимога підвищено до 10%).

Відповідно до ГОСТ 33393-2015 "Будинки і споруди. Методи вимірювання коефіцієнта пульсації освітленості" для оцінки величини пульсацій вводиться спеціальний показник - коефіцієнт пульсацій (Кп).

Переходи. пульсацій в загальному розраховується за складною формулою із застосуванням інтегральної функції, але для гармонійних коливань формула спрощується до наступної:

Кп = (Еmax - Emin) / (Emax + Emin) ⋅ 100%,

де Емах - максимальне значення освітленості (амплітудне), а Емін - мінімальне.

Ми будемо використовувати цю формулу для розрахунку ємності згладжує конденсатора.

Дуже точно визначити пульсації будь-якого джерела світла можна за допомогою сонячної панелі і осцилографа:

Як зменшити пульсації?

Подивимося, як включити світлодіод в мережу 220 вольт, щоб знизити пульсації. Для цього найпростіше підпаяти паралельно світлодіоду накопичувальний (згладжує) конденсатор:

Через нелінійного опору світлодіодів, розрахунок ємності цього конденсатора є досить нетривіальним завданням.

Однак, це завдання можна спростити, якщо зробити кілька припущень. По-перше, уявити світлодіод у вигляді еквівалентного постійного резистора:

А по-друге, зробити вигляд, що яскравість світлодіода (а, отже, і освітленість) має лінійну залежність від струму.

Давайте спробуємо приблизно розрахувати ємність конденсатора на конкретному прикладі.

Розрахунок ємності згладжує конденсатора

Припустимо, ми хочемо отримати коеф. пульсацій 2.5% при струмі через світлодіод 20 мА. І нехай в нашому розпорядженні опинився світлодіод, на якому при струмі в 20 мА падає 2 В. Частота мережі, як зазвичай, 50 Гц.

Так як ми вирішили, що яскравість лінійно залежить від струму через світлодіод, а сам світлодіод ми представили у вигляді простого резистора, то освітленість у формулі розрахунку коефіцієнта пульсацій можемо спокійно замінити на напругу на конденсаторі:

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

Підставляємо вихідні дані і обчислюємо Umin:

2.5% = (2В - Umin) / (2В + Umin) ⋅ 100% => Umin = 1.9В

Період коливань напруги в мережі дорівнює 0.02 с (1/50).

Таким чином, осцилограма напруги на конденсаторі (а значить і на нашому спрощеному светодиоде) буде виглядати приблизно ось так:

Згадуємо тригонометрію і вважаємо час заряду конденсатора (для простоти Не будемо враховувати опір баластного резистора):

tзар = arccos (Umin / Umax) / 2πf = arccos (1.9 / 2) / (2 ⋅ 3.1415 ⋅ 50) = 0.0010108 з

Весь інший залишок періоду кондер буде розряджатися. Причому, період в даному випадку потрібно скоротити в два рази, тому що у нас використовується двонапівперіодний випрямляч:

Tразр = Т - tзар = 0.02 / 2 - 0.0010108 = 0.008989 з

Залишилося обчислити ємність:

C = ILED ⋅ dt / dU = 0.02 ⋅ 0.008989 / (2-1.9) = 0.0018 Ф (або 1800 мкФ)

На практиці навряд чи хтось буде ставити такий великий кондер заради одного маленького светодіодик. Хоча, якщо стоїть завдання отримати пульсації в 10%, то потрібно всього 440 мкФ.

підвищуємо ККД

Звернули увагу, наскільки велика потужність виділяється на резистором? Потужність, яка витрачається даремно. Чи не можна її якось зменшити?

Виявляється, ще як можна! Досить замість активного опору (резистора) взяти реактивне (конденсатор або дросель).

Дросель ми, мабуть, відразу відкинемо через його громіздкість і можливих проблем з ЕРС самоіндукції. А щодо конденсаторів можна подумати.

Як відомо, конденсатор будь-якої ємності володіє нескінченним опором для постійного струму. А ось опір змінному струму розраховується за цією формулою:

Rc = 1 / 2πfC

тобто, чим більше ємність C і чим вище частота струму f - тим нижче опір.

Привабливість у тому, що на реактивному опорі і потужність теж реактивна, тобто несправжня. Вона як би є, але її як би і ні. Насправді ця потужність не робить ніякої роботи, а просто повертається назад до джерела живлення (в розетку). Побутові лічильники її не враховують, тому платити за неї не доведеться. Так, вона створює додаткове навантаження на мережу, але вас, як кінцевого споживача, це навряд чи сильно схвилює =)

Таким чином, наша схема живлення світлодіодів від 220В своїми руками набуває такого вигляду:

Але! Саме в такому вигляді її краще не використовувати, тому що в цій схемі світлодіод вразливий для імпульсних перешкод.

Включення або виключення распложение на одній з вами лінії потужної індуктивного навантаження (двигун кондиціонера, компресор холодильника, зварювальний апарат тощо) призводить до появи в мережі дуже коротких викидів напруги. Конденсатор С1 являє для них практично нульовий опір, отже потужний імпульс попрямує прямо до С2 і VD5.

На жаль, електролітичні конденсатори, через свою велику паразитного індуктивності, погано справляються з ВЧ-перешкодами, тому більша частина енергії імпульсу піде через pn-перехід світлодіода.

Ще один небезпечний момент виникає в разі включення схеми в момент пучности напруги в мережі (тобто в той самий момент, коли напруга в розетці знаходиться на піку свого значення). Оскільки С1 в цей момент повністю розряджений, то виникає дуже великий кидок струму через світлодіод.

Все це з часом це призводить до прогресуючої деградації кристала і падіння яскравості світіння.

Щоб уникнути таких сумних наслідків, схему потрібно доповнити невеликим резистором на 47-100 Ом і потужністю 1 Вт. Крім того, резистор R1 буде виступати в ролі запобіжника на випадок пробою конденсатора С1.

Виходить, що схема включення світлодіода в мережу 220 вольт повинна бути такою:

І залишається ще один маленький нюанс: якщо висмикнути цю схему з розетки, то на конденсаторі С1 залишиться якийсь заряд. Залишкова напруга буде залежати від того, в який момент була розірвана ланцюг харчування і в окремих випадках може перевищувати 300 вольт.

А так як конденсатору нікуди розряджатися, крім як через свій внутрішній опір, то заряд може зберігатися дуже довго (доба і більше). І весь цей час кондер буде чекати вас або вашої дитини, через якого можна буде як слід розрядитися. Причому, для того, щоб отримати удар струмом, не потрібно лізти в надра схеми, досить просто доторкнутися до обох контактів штепсельної вилки.

Щоб допомогти кондеру позбутися непотрібного заряду, підключимо паралельно йому будь високоомний резистор (наприклад, на 1 МОм). Цей резистор не чинитиме жодного впливу на розрахунковий режим роботи схеми. Він навіть грітися не буде.

Таким чином, закінчена схема підключення світлодіода до мережі 220В (з урахуванням всіх нюансів і доопрацювань) буде виглядати так:

Значення ємності конденсатора C1 для отримання потрібного струму через світлодіод можна відразу взяти з таблиці 2 , А можна розрахувати самостійно.

можна подивитися, як ще сильніше вдосконалити дану схему, додавши в неї стабілізатор струму на одному транзисторі і стабилитроне. Це істотно знизить пульсації і продовжить термін служби світлодіодів.

Розрахунок гасить конденсатора для світлодіода

Не буду приводити утомляющие математичні викладки, дам відразу готову формулу ємності (в Фарадах):

C = I / (2πf√ (U2вх - U2LED)) [Ф],

де I - струм через світлодіод, f - частота струму (50 Гц), Uвх - діюче значення напруги мережі (220В), ULED - напруга на світлодіоді.

Якщо розрахунок ведеться для невеликого числа послідовно включених світлодіодів, то вираз √ (U2вх - U2LED) приблизно дорівнює Uвх, отже формулу можна спростити:

C ≈ 3183 ⋅ ILED / Uвх [мкФ]

а, якщо вже ми робимо розрахунки під Uвх = 220 вольт, то:

C ≈ 15 ⋅ ILED [мкФ]

Таким чином, при включенні світлодіода на напругу 220 В, на кожні 100 мА струму буде потрібно приблизно 1.5 мкФ (1500 нФ) ємності.

Хто не в ладах з математикою, заздалегідь пораховані значення можна взяти з таблиці нижче.

Таблиця 2. Залежність струму через світлодіоди від ємності баластного конденсатора.

C1 15 nF 68 nF 100 nF 150 nF 330 nF 680 nF 1000 nF ILED 1 mA 4.5 mA 6.7 mA 10 mA 22 mA 45 mA 67 mA

Трохи про самих конденсаторах

Як гасять рекомендується застосовувати помехоподавляющие конденсатори класу Y1, Y2, X1 або X2 на напругу не менше 250 В. Вони мають прямокутний корпус з численними позначками сертифікатів на ньому. Виглядають так:

Якщо коротко, то:

• X1 - використовуються в промислових пристроях, що підключаються до трифазної мережі. Ці конденсатори гарантовано витримують сплеск напруги в 4 кВ;
• X2 - найпоширеніші. Використовуються в побутових приладах з номінальною напругою мережі до 250 В, витримують скачок до 2.5 кВ;
• Y1 - працюють при номінальному мережевій напрузі до 250 В і витримують імпульсна напруга до 8 кВ;
• Y2 - досить-таки поширений тип, може бути використаний при мережевій напрузі до 250 В і витримує імпульси в 5 кВ.

Припустимо застосовувати вітчизняні плівкові конденсатори К73-17 на 400 В (а краще - на 630 В).

Сьогодні широкого поширення набули китайські "шоколадки" (CL21), але, оскільки вони мають вкрай низької надійності, дуже рекомендую утриматися від спокуси використовувати їх в своїх схемах. Особливо в якості баластних конденсаторів.

Увага! Полярні конденсатори ні в якому разі не можна використовувати в якості баластних!

Отже, ми розглянули, як підключати світлодіод до 220В (схеми і їх розрахунок). Всі наведені в цій статті приклади добре підходять для одного або декількох малопотужних світлодіодів, але абсолютно недоцільні для потужних світильників, наприклад, ламп або прожекторів - для них краще використовувати повноцінні схеми , Які називаються драйверами.