Podłączenie diody LED do napięcia 220 V
Diody LED jako źródła światła są szeroko rozpowszechnione. Są one jednak przeznaczone do pracy przy niskim napięciu zasilania, a często konieczne jest podłączenie diody LED do sieci domowej o napięciu 220 V. Jest to możliwe przy odrobinie wiedzy z zakresu elektrotechniki i umiejętności wykonywania prostych obliczeń.
Sposoby łączenia się
Standardowe warunki pracy dla większości diod LED to napięcie 1,5-3,5 V i natężenie prądu 10-30 mA. Gdy urządzenie jest bezpośrednio podłączone do domowej sieci elektrycznej, jego czas życia wynosi jedną dziesiątą sekundy. Wszystkie problemy związane z łączeniem diod LED w sieci o podwyższonym w stosunku do normalnego napięciu roboczym sprowadzają się do gaszenia nadmiaru napięcia i ograniczania prądu płynącego przez element emitujący światło. Z tym zadaniem radzą sobie sterowniki - układy elektroniczne - ale są one dość skomplikowane i składają się z dużej liczby elementów. Ich zastosowanie ma sens przy zasilaniu matrycy LED z wieloma diodami. Istnieją prostsze sposoby łączenia pojedynczych elementów.
Połączenie za pomocą rezystora
Najbardziej oczywistym sposobem jest podłączenie rezystora szeregowo z diodą LED. Spowoduje to obniżenie nadmiernego napięcia i ograniczenie prądu.
Obliczenia tego rezystora wykonuje się w następujący sposób:
- Załóżmy, że istnieje dioda LED o prądzie znamionowym 20 mA i spadku napięcia 3 V (rzeczywiste parametry należy sprawdzić w książce referencyjnej). Dla prądu roboczego lepiej jest przyjąć 80% wartości nominalnej - dioda LED będzie dłużej pracować w warunkach oświetleniowych. Irab=0,8 Inom=16 mA.
- Po podłączeniu dodatkowego rezystora napięcie sieciowe będzie spadać o wartość mniejszą niż spadek napięcia na diodzie LED. Urab=310-3=307V. Jest oczywiste, że prawie całe napięcie będzie się znajdować na rezystorze.
Ważne! Nie należy stosować napięcia roboczego sieci (220 V), lecz napięcie szczytowe 310 V.
- Wykorzystaj prawo Ohma do wyznaczenia wartości dodanego opornika: R=Urab/Irab. Ponieważ natężenie prądu jest podane w miliamperach, opór będzie wyrażony w kiloomach: R=307/16= 19,1875. Najbliższą wartością z zakresu standardowego jest 20kΩ.
- Aby znaleźć moc rezystora za pomocą wzoru P=UI, należy pomnożyć prąd roboczy przez spadek napięcia na rezystorze gaszącym. Przy wartości znamionowej 20kOhm, średni prąd będzie wynosił 220V/20kOhm=11mA (można wziąć pod uwagę napięcie skuteczne!), a moc będzie wynosiła 220V*11mA=2420mW lub 2,42W. Można wybrać rezystor o mocy 3 W z oferty standardowej.
Ważne! To obliczenie jest uproszczone i nie uwzględnia spadku napięcia na diodzie LED oraz jej rezystancji w stanie otwartym, ale do celów praktycznych jest wystarczająco dokładne.
Za pomocą tej metody można połączyć łańcuch Diody LED połączone szeregowo. Podczas obliczeń należy pomnożyć spadek napięcia jednego elementu przez całkowitą liczbę elementów.
Połączenie diodowe w szeregu z wysokim napięciem wstecznym (400 V lub więcej)
Opisana metoda ma istotną wadę. Dioda LEDjak każde urządzenie ze złączem p-n, przewodzi prąd (i świeci) w półfali przedniej prądu zmiennego. W odwrotnym półokresie jest on zablokowany. Jego rezystancja jest wysoka, znacznie wyższa niż rezystancja statecznika. Napięcie sieciowe o amplitudzie 310 V przyłożone do obwodu będzie padać głównie na diodę LED. A to nie jest zaprojektowane do pracy jako prostownik wysokiego napięcia i może dość szybko ulec awarii. Aby przeciwdziałać temu zjawisku, często zaleca się dołączenie do szeregu dodatkowej diody, która wytrzyma napięcie wsteczne.
W rzeczywistości, przy takim połączeniu, przyłożone napięcie wsteczne podzieli się mniej więcej po połowie między diody, a dioda LED będzie nieco jaśniejsza, ze spadkiem około 150 V lub nieco mniejszym, ale jej los nadal będzie nieszczęśliwy.
Bocznikowanie diody LED za pomocą zwykłej diody
Ten schemat połączenia jest znacznie bardziej efektywny:
W tym przypadku element emitujący światło jest przełączany przeciwstawnie i równolegle do dodatkowej diody. W przypadku ujemnego półfalowego przebiegu dodatkowa dioda zostanie otwarta i całe napięcie zostanie przyłożone do rezystora. Jeśli przeprowadzone wcześniej obliczenia były poprawne, rezystor nie będzie się przegrzewał.
Połączenie równoległe dwóch diod LED
Po przyjrzeniu się poprzedniemu układowi nasuwa się myśl: po co używać bezużytecznej diody, skoro można ją zastąpić taką samą diodą świecącą? To jest poprawne rozumowanie. I logicznie rzecz biorąc, obwód odradza się jako kolejny wariant:
W tym przypadku ta sama dioda LED jest wykorzystywana jako element ochronny. Chroni on pierwszy element podczas półfalówki odwrotnej i emituje w trakcie tego procesu. W prawej połowie fali sinusoidalnej diody LED zamieniają się rolami. Zaletą tego układu jest to, że w pełni wykorzystuje on możliwości zasilacza. Zamiast pojedynczych elementów można włączać łańcuchy diod LED w kierunku do przodu i do tyłu. Do obliczeń można zastosować tę samą zasadę, ale spadek napięcia na diodach LED należy pomnożyć przez liczbę diod LED zainstalowanych w jednym kierunku.
Użycie kondensatora
Zamiast rezystora można użyć kondensatora. W obwodzie prądu zmiennego zachowuje się on trochę jak rezystor. Jego rezystancja zależy od częstotliwości, ale w obwodzie domowym parametr ten jest stały. Do obliczeń można wykorzystać wzór X=1/(2*3,14*f*C), gdzie:
- X to reaktancja kondensatora;
- f - częstotliwość w hercach, w naszym przypadku jest to 50;
- C - pojemność kondensatora w faradach, do przeliczenia na μF należy użyć współczynnika 10-6.
W praktyce stosuje się wzór:
C=4,45*Irab/(U-Ud), gdzie:
- C - wymagana pojemność w μF;
- Irab - prąd roboczy diody LED;
- U-Ud - różnica między napięciem zasilania a spadkiem napięcia na elemencie świecącym - ma praktyczne znaczenie przy stosowaniu łańcucha diod LED. W przypadku zastosowania pojedynczej diody LED można z wystarczającą dokładnością przyjąć wartość współczynnika U równą 310 V.
Można stosować kondensatory o napięciu roboczym co najmniej 400 V. Wartości obliczeniowe dla prądów typowych dla takich obwodów podano w tabeli:
| Prąd roboczy, mA | 10 | 15 | 20 | 25 |
| Pojemność kondensatora balastowego, uF | 0,144 | 0,215 | 0,287 | 0,359 |
Uzyskane wartości są dość odległe od standardowego szeregu pojemności. Tak więc dla prądu 20 mA pochodna z 0,25 uF wynosi 13%, a z 0,33 uF - 14%. Rezystor można dobrać w następujący sposób znacznie dokładniej. Jest to pierwsza wada tego układu. O drugim już wspomniano - kondensatory na napięcie 400 V i wyższe mają dość duże wymiary. Ale to nie wszystko. Dzięki zastosowaniu kondensatora balastowego obwód jest wzbogacony o dodatkowe elementy:
Opór R1 jest ustawiony ze względów bezpieczeństwa. Jeśli obwód jest zasilany napięciem 220 V, a następnie zostanie odłączony od sieci, kondensator nie rozładuje się - bez tego rezystora nie będzie obwodu prądu rozładowania. Przypadkowe dotknięcie zacisków kondensatora grozi porażeniem prądem. Rezystancja tego rezystora może wynosić kilkaset kiloomów, w stanie roboczym jest on bocznikowany przez pojemność i nie ma wpływu na działanie obwodu.
Rezystor R2 jest potrzebny do ograniczenia prądu rozruchowego ładowania kondensatora. Dopóki pojemność nie zostanie naładowana, nie będzie ona pełnić funkcji ogranicznika prądu, a w tym czasie dioda LED może ulec uszkodzeniu. W tym przypadku należy wybrać wartość kilkudziesięciu omów, nie będzie ona miała żadnego wpływu na działanie obwodu, ale można ją uwzględnić w obliczeniach.
Przykład wbudowania diody LED w wyłącznik światła
Jednym z powszechnych przykładów praktycznego zastosowania diody LED w obwodzie 220 V jest sygnalizowanie stanu wyłączenia wyłącznika domowego i ułatwienie znalezienia jego lokalizacji w ciemności. Dioda LED działa przy prądzie o natężeniu ok. 1 mA - świecenie będzie słabe, ale zauważalne w ciemności.
W tym przypadku lampa służy jako dodatkowy ogranicznik prądu, gdy przełącznik jest otwarty, i pobiera niewielką część napięcia wstecznego. Jednak większa część napięcia wstecznego jest przykładana do rezystora, więc dioda LED jest tu stosunkowo dobrze chroniona.
film: DLACZEGO NIE WOLNO instalować podświetlanego wyłącznika
Instrukcje bezpieczeństwa
Bezpieczeństwo i higiena pracy w istniejącej instalacji jest regulowana przepisami bezpieczeństwa dotyczącymi eksploatacji instalacji elektrycznych. Nie dotyczą one warsztatu domowego, ale ich podstawowe zasady należy wziąć pod uwagę przy podłączaniu diody LED do sieci 220 V. Główną zasadą bezpieczeństwa podczas wykonywania prac przy wszelkich instalacjach elektrycznych jest to, że wszystkie prace należy wykonywać przy odłączonym napięciu, aby zapobiec omyłkowemu lub niezamierzonemu, nieuprawnionemu włączeniu. Po odłączeniu wyłącznika, brak napięcia musi być sprawdź za pomocą testera. Wszystko inne - stosowanie rękawic dielektrycznych, mat, stosowanie uziemienia tymczasowego itp. jest trudne do wykonania w warunkach domowych, ale należy pamiętać, że środki bezpieczeństwa nigdy nie są niewystarczające.