Питание светодиодов от 220В своими руками — схема подключения

Без светодиодов трудно обойтись при проектировании электронной аппаратуры, а также при изготовлении экономичных осветительных приборов. Их надежность, простота монтажа и относительная дешевизна привлекают внимание разработчиков бытовых и промышленных светильников. Поэтому многих пользователей интересуют схемные решения по включению светодиода, предполагающие прямую подачу на него фазного напряжения. Неспециалистам в области электроники и электрики полезно будет узнать, как подключить светодиод к 220В.

Технические особенности диода

По определению светодиод, схема которого схожа с обычным диодом, – это тот же полупроводник, пропускающий ток в одном направлении и излучающий свет при его протекании. Его рабочий переход не рассчитан на высокие напряжения, поэтому для загорания светодиодного элемента вполне достаточно всего нескольких вольт. Другой особенностью этого прибора является необходимость подачи на него постоянного напряжения, так как при переменных 220 Вольт светодиод будет мигать с частотой сети (50Герц). Считается, что глаз человека не реагирует на такие мигания и что они не причиняют ему вреда. Но все же согласно действующим стандартам для его работы нужно использовать постоянный потенциал. В противном случае приходится применять особые меры защиты от опасных обратных напряжений.

Большинство образцов осветительной техники, в которых диоды используются в качестве элементов освещения, включаются в сеть через специальные преобразователи – драйверы. Эти устройства необходимы для получения из исходного сетевого напряжения постоянных 12, 24, 36 или 48 Вольт. Несмотря на их широкое распространение в быту нередки ситуации, когда обстоятельства вынуждают обходиться без драйвера. В этом случае важно уметь включать светодиоды в 220 В.

Полюса светодиода

Чтобы ознакомиться со схемами включения и распайкой диодного элемента, нужно узнать, как выглядит распиновка светодиода. В качестве его графического обозначения используется треугольник, к одному из углов которого примыкает короткая вертикальная полоса – на схеме она называется катодом. Он считается выходным для постоянного тока, втекающего с обратной стороны. Туда подается положительный потенциал от источника питания и поэтому входной контакт называется анодом (по аналогии с электронными лампами).

Выпускаемые промышленностью светодиоды имеют всего два вывода (реже – три или даже четыре). Известны три способа определения их полярности:

• визуальный метод, позволяющий определить анод элемента по характерному выступу на одной из ножек;
• с помощью мультиметра в режиме «Проверка диодов»;
• посредством блока питания с постоянным выходным напряжением.

Для определения полярности вторым способом плюсовой конец измерительного шнура тестера в красной изоляции подсоединяется к одному контактному выводу диода, а черный минусовой – к другому. Если прибор показывает прямое напряжение порядка полвольта, со стороны плюсового конца расположен анод. Если на табло индикации появляется знак бесконечности или «0L», с этого конца располагается катод.

При проверке от источника питания на 12 Вольт его плюс следует соединить с одним концом светодиода через ограничивающий резистор 1 кОм. Если диод загорается, его анод находится со стороны плюса блока питания, а если нет – с другого конца.

Способы подключения

Простейший подход к решению проблемы недопустимого для диода обратного напряжения – установка последовательно с ним дополнительного резистора, который способен ограничить 220 Вольт. Этот элемент получил название гасящего, так как он «рассеивает» на себе излишки мощности, оставляя светодиоду необходимые для его работы 12-24 Вольта.

Последовательная установка ограничивающего резистора также решает проблему обратного напряжения на переходе диода, которое снижается до тех же величин. В качестве модификации последовательного включения с ограничением напряжения рассматривается смешанная или комбинированная схема подключения светодиодов в 220 В. В ней на один резистор последовательный резистор приходится несколько параллельно соединенных диодов.

Подключение светодиода можно организовать по схеме, в которой вместо резистора используется обычный диод, имеющий высокое напряжение обратного пробоя (желательно – до 400 Вольт и более). Для этих целей удобнее всего взять типовое изделие марки 1N4007 с заявленным в характеристиках показателем до 1000 Вольт. При его установке в последовательную цепочку (при изготовлении гирлянды, например), обратная часть волны выпрямляется полупроводниковым диодом. Он в этом случае выполняет функцию шунта, защищающего чип светового элемента от пробоя.

Шунтирование светодиода обычным диодом (встречно-параллельное подключение)

Другой распространенный вариант «нейтрализации» обратной полуволны состоит в использовании совместно с гасящим резистором еще одного светодиода, включаемого параллельно и навстречу первому элементу. В этой схеме обратное напряжение «замыкается» через параллельно подключенный диод и ограничивается дополнительным сопротивлением, включенным последовательно.

Такое соединение двух светодиодов напоминает предыдущий вариант, но с одним отличием. Каждый из них работает со «своей» частью синусоиды, обеспечивая другому элементу защиту от пробоя.

Существенный недостаток схемы подключения через гасящий резистор – значительная величина непроизводительно расходуемой мощности, выделяемой на нем вхолостую.

Подтверждением этому является следующий пример. Пусть используется гасящий резистор номиналом 24 кОм и светодиод с рабочим током 9 мА. Рассеиваемая на сопротивлении мощность будет равна 9х9х24=1944 мВт (после округления – порядка 2-х Ватт). Чтобы резистор работал в оптимальном режиме, он выбирается со значением P не менее 3 Вт. На самом светодиоде расходуется совсем ничтожная часть энергии.

С другой стороны, при использовании нескольких последовательно подключенных LED элементов ставить гасящий резистор из соображений оптимального режима их свечения нецелесообразно. Если выбрать очень маленькое по номиналу сопротивление, оно быстро сгорит из-за большого тока и значительной рассеиваемой мощности. Поэтому функцию токоограничивающего элемента в цепи переменного тока естественнее выполнять конденсатору, на котором энергия не теряется.

Ограничение с помощью конденсатора

Простейшая схема подключения светодиодов через ограничительный конденсатор C характеризуется следующими особенностями:

• предусматриваются цепочки заряда и разряда, обеспечивающие режимы работы реактивного элемента;
• потребуется еще один светодиод, необходимый для защиты основного от обратного напряжения;
• для расчета емкости конденсатора используется полученная опытным путем формула, в которую подставляются конкретные цифры.

Для вычисления значения номинала C нужно умножить силу тока в цепи на выведенный эмпирически путем коэффициент 4,45. После этого следует разделить полученное произведение на разницу между предельным напряжением (310 Вольт) и его падением на светодиоде.

В качестве примера рассмотрим подключение конденсатора к RGB или обычному LED-диоду с падением напряжения на его переходе, равным 3 Вольта и током через него в 9 мА. Согласно рассмотренной формуле его емкость составит 0,13 мкФ. Для введения поправки на ее точное значение следует учитывать, что на величину этого параметра в большей мере влияет токовая составляющая.

Выеденная опытным путем эмпирическая формула действительна лишь для расчета емкостей и параметров светодиодов на 220 В., установленных в сетях частотой 50 Гц. В других частотных диапазонах питающих напряжений (в преобразователях, например), коэффициент 4,45 нуждается в перерасчете.

Нюансы подключения к сети 220 Вольт

При использовании различных схем подключения светодиода к сети 220 В возможны некоторые нюансы, учет которых поможет избежать элементарных ошибок в коммутации электрических цепей. Они в основном связаны с величиной тока, протекающего через цепочку при подаче на нее питания. Для их понимания потребуется рассмотреть простейший прибор типа подсветки для декорирования, состоящий из целого набора светодиодных элементов или обычный светильник на их основе.

Значительное внимание обращается на особенности процессов, протекающих в выключателе в момент подачи питания. Для обеспечения «мягкого» режима включения к его контактам потребуется подпаять в параллель гасящий резистор и светодиод-индикатор, обозначающий включенное состояние.

Значение сопротивления подбирается по методикам, описанным ранее.

Только после выключателя с резистором в схеме располагается сама лента с чипами светодиодных элементов. В ней не предусмотрены защитные диоды, так что величина гасящего резистора подбирается из расчета протекающего по цепи тока, он не должен превышать значения порядка 1 мА.

Светодиодный индикатор-лампочка в этой схеме выполняет функцию нагрузки, еще больше ограничивающей ток. Из-за небольшой величины он будет светиться очень тускло, но этого вполне хватает для ночного режима. При действии обратной полуволны напряжение частично гасится на резисторе, что защищает диод от нежелательного пробоя.

Схема лед драйвера на 220 вольт

Более надежный способ, позволяющий запитать светодиоды от сети, – применение специального преобразователя или драйвера, понижающего напряжение до безопасного уровня. Основное назначение драйвера под светодиод 220 вольт – ограничить ток через него в рамках допустимого значения (согласно паспорту). В его состав входят формирователь напряжения, выпрямительный мостик и микросхема токового стабилизатора.

Вариант драйвера без стабилизатора тока

При желании собрать устройство питания светодиодов от 220 В своими руками потребуется знать следующее:

• при использовании выходного стабилизатора амплитуда пульсаций существенно снижается;
• в этом случае на самой микросхеме теряется часть мощности, что сказывается на яркости свечения излучающих приборов;
• при использовании вместо фирменного стабилизатора фильтрующего электролита большой емкости пульсации не полностью сглаживаются, но остаются в допустимых пределах.

При самостоятельном изготовлении драйвера схему можно упростить, поставив на место выходной микросхемы электролит.

Безопасность при подключении

При работе со схемой включения диодов в сеть 220 Вольт основную опасность представляет соединенный последовательно с ними ограничивающий конденсатор. Под воздействием сетевого напряжения он заряжается до опасного для человека потенциала. Чтобы избежать неприятностей в этой ситуации рекомендуется:

• предусмотреть в схеме специальную разрядную резисторную цепочку, управляемую отдельной кнопкой;
• если сделать это невозможно, перед началом настойки после отключения от сети следует разряжать конденсатор с помощью жала отвертки;
• не устанавливать в цепь питания диодов полярные конденсаторы, обратный ток которых достигает значений, способных «выжечь» схему.

Подключить светодиодные элементы на 220 Вольт удается лишь с помощью специальных элементов, вводимых в схему дополнительно. В этом случае можно обойтись без понижающего трансформатора и блока питания, традиционно используемых для подключения низковольтных осветителей. Основная задача добавочных элементов в схеме подключения светодиода в 220В – ограничить и выпрямить ток через него, а также защитить полупроводниковый переход от обратной полуволны.