Как подключить светодиод к 220 В
У многих начинающих радиолюбителей возникает мысль, как подключить светодиод к 220 В без применения трансформатора. Ведь габариты даже самого маломощного трансформатора сравнительно велики. Это в первую очередь вызвано высоким сетевым напряжением, в результате чего первичная обмотка трансформатора имеет большое число витков.
Основной проблемой подключения светодиода к 220 вольтам на прямую, без трансформатора является ограничение ток, протекающего через него вследствие проложенного напряжения. Оценим его величину для понимания сети происходящего.
Светодиод – это светоизлучающий полупроводниковый прибор, как и «обычный» диод пропускает ток лишь в одном направлении. Поскольку переменное напряжение изменяет свое направление дважды за период, то в один полупериод ток протекает, а во второй – нет. Поэтому, чтобы определить средний ток, протекающий через светодиод, следует действующее напряжения 220 В разделить на два. Получим 110 В. Эту величину возьмем за основу при дальнейших расчетах.
Сопротивление любого полупроводника нелинейное, т.е. нелинейно зависит от величины приложенного напряжения. Не вникая в подробности, с приемлемой точностью примем 1,7 Ом. Тогда ток, протекающий через полупроводниковый кристалл равен 110/1,7 = 65 А! Естественно, такой огромный ток сожжёт полупроводниковый прибор. Поэтому обязательно нужно последовательно со светодиодом включать какое-либо сопротивление.
Если в цепи постоянного напряжения в качестве сопротивления можно использовать только резистор, то на переменном напряжении есть возможность применять еще и конденсатор или катушку индуктивности. Их еще называют реактивными элементами. В один полупериод времени они накапливают энергию (в виде электрического или магнитного поля), а в следующий полупериод возвращают ее в направлении источника питания. При этом электрическая энергия практически не потребляется.
Применение катушки индуктивности не рассматривается, по ряду причин, связанных с ее нагревом.
Как подключить светодиод к 220 В с помощью резистора
Для большей наглядности изобразим расчетную схему.
Такая схема очень распространена в цепях индикации работы электротехнических устройств, например, подсветки выключателя или кнопки электрического чайника. Главным достоинством данной схемы является ее простота, а отсюда и надежность.
С целью сравнения полученных результатов возьмем два светодиода. Один индикаторного типа, а второй более мощный.
Определим сопротивление R1, необходимое для первого светодиода:
Сетевое напряжение делим на два по уже указанной выше причине.
Мощность рассеивания резистор равна:
Принимаем 2 ватта, поскольку такой номинал является ближайшим в сторону увеличения из стандартного ряда мощностей.
Теперь определим сопротивление резистора, соединенного последовательно со вторым светодиодом:
Мощность рассеивания равна:
Резисторы с такой мощностью рассеивания имеют значительные размеры и немалую стоимость, поэтому не рационально их применение в цепи с мощными светодиодами. Более эффективным будет замена его конденсатором.
Для защиты полупроводникового прибора встречно-параллельно подсоединяют диод.
Его назначение состоит в следующем. В проводящий полупериод на светодиоде падает напряжения порядка 2…3 В. В не проводящий полупериод он заперт и к его выводам прикладывается обратное полное действующее напряжение 220 В, амплитуда которого достигает 310 В. Поэтому существует вероятность пробоя полупроводникового прибора. Однако если создать путь для протекания тока в этот непроводящий полупериод времени, то снизится амплитуда опасного обратного напряжения. Именно это достигается за счет применения шунтирующего диода.
Кстати, вместо него можно применять еще один светодиод, желательно со схожими параметрами.
Визуально нам будет казаться, что оба они светят все время, но на самом деле они мерцают с частотой 50 Гц. Причем, когда первый светит, второй гаснет и наоборот, т.е. работают в противофазе.
В этом случае необходимо учесть, что через резистор ток протекает в оба полупериода времени, поэтому его сопротивление нужно снизить вдвое. Далее в последующих расчетах мы будем пользоваться схемой без шунтирующего диода.
Как подключить светодиод к 220 В с помощью конденсатора
Выше уже было сказано, что конденсатор обладает реактивным сопротивлением переменному току, т.е. он не потребляет активную мощность, как резистор, поэтому практически не нагревается. Постоянный ток он не пропускает и является для него огромным сопротивлением, которое можно приравнять к разрыву цепи.
Если же на конденсатор подать переменное напряжение, то через него будет, упрощенно говоря протекать ток. Причем сопротивление этого реактивного элемента обратно пропорционально зависит от частоты f, т.е. с ростом f оно снижается. Таким же образом сопротивление зависит и от емкости:
Из приведенной формулы нам необходимо найти значение емкости:
Подставляем данные значения и находим емкости:
Внимание! Все конденсаторы, подключаемые в сеть 220 В, должны быть рассчитаны на напряжение не менее 400 В.
Главным и очень существенным недостатком такой схемы является протекание значительного тока в момент подключения к сети. При этом величина его может превышать в несколько раз номинальный ток светодиода, в результате последний может выйти из строя.
Следует учитывать, что чем больше емкость конденсатора, тем выше значение тока в момент включения. Поэтому для защиты полупроводникового прибора рекомендуется последовательно с конденсатором включать резистор.
Исходя из тех соображений, что резистор с мощностью рассеивания P = 5 Вт имеет небольшие габариты, то рассчитаем величину его сопротивления при данных ограничениях для схемы с более мощным светодиодом:
Из номинального ряда сопротивлений выбираем ближайшее значение 39 Ом.
Конечно, коэффициент полезного действия данной схемы очень снизится, поскольку для питания светодиода мощностью 1 Вт необходимо затратить 6 Вт с источника питания. 5 ватт будут попросту греть резистор.
Как правильно подключить светодиод к сети 220 В
Чаще всего для того, чтобы подключить светодиоды к сети 220 В, приобретаются драйверы. Их использование не целесообразно, если источник света обладает малой мощностью (например, индикатор подсветки).
Приходится искать вариант, как подключить светодиод к 220 В с минимальными затратами и максимальным КПД.
Существует несколько схем, основанных на использовании резисторов и конденсаторов в качестве преобразователей вольтажа.
В чем сложность
Проблема подключения светодиода к сети 220 вольт вызвана его техническими характеристиками. Чтобы светиться, LED-лампа пропускает ток в одном направлении.
Из сети поступает напряжение 220 В с частотой 50 Гц, диод может работать только на полуволнах. Это значит, что он мигает с той же частотой, что ток из сети. При прохождении в обратном направлении у напряжения противоположенная полярность, не позволяющая светиться и способствующая разрушению кристаллов.
Важно! Включение светодиода к электросети на 220 вольт требует подсоединения устройства, которое будет подавать столько тока, сколько лампе требуется для свечения.
Схемы подключения
Для снижения вольтажа существуют 3 варианта:
- резистор;
- конденсатор;
- оба элемента.
Первый способ самый простой. Гасящий резистор (сопротивление) нужно включить в сеть 220 В последовательно с диодом с учетом амплитудного значения вольтажа 310 В (220 В*1,41). Для защиты от отрицательного воздействия обратного напряжения следует подключить встречно-параллельно дополнительный диод (напряжение от 400 В). Это позволяет повернуть вольты на сопротивление.
Такое же принцип используется, если нужно подключить встречно-параллельно несколько светодиодных ламп. Каждая из них горит на отдельном участке синусоида частоты, защищая друг друга.
Обе схемы обладают важным недостатком – выделением большой мощности на сопротивлении. Оно превращается в тепло. Кроме того, для обеспечения оптимального уровня функционирования необходимо подключить мощный резистор.
Если ламп несколько и они потребляют много тока, при росте мощности пропорционально квадрату тока подключать резистор не целесообразно с точки зрения затрат на электроэнергию. В подобных ситуациях его заменяют неполярным конденсатором с мощностью от 400 В. Основное преимущество – отсутствие рассеивания мощности, недостаток – хранение после отключения остаточного заряда. Он устраняется присоединением дополнительного разряжающего сопротивления.
Чтобы подключить несколько светодиодных лампочек, используется последовательное соединение через конденсатор. Важно, чтобы все источники света были одинаковые. Емкость накопителя нужно определять в зависимости от количества диодов.
Не допускается параллельное подключение светодиода к сети 220 В.
Пульсация
Пульсация наблюдается у светодиодов, оснащенных драйвером низкого качества. Чаще всего для нормального функционирования не достаточно емкости встроенного конденсатора.
Как уменьшить пульсацию
Для снижения пульсации теоретически можно запитать диод от мощного конденсатора-накопителя (емкость от 100 мкф). Но он дорогой и обладает сравнительно большими размерами. При его замене резистором одновременно с пульсацией снижается уровень освещенности и КПД. Плюс – продление срока службы светодиода.
Расчет емкости сглаживающего конденсатора
Накопитель заряда для сглаживания пульсаций чаще всего электролитический, обладающий большой емкостью.
Внимание! Чтобы его правильно подключить к выпрямителю, важно соблюдать полярность. Если выпрямителя нет, нужно рабочий ноль подключить к лампе, фазу 220 В – к накопителю. Провод заземления тоже подключается к светильнику.
Для расчета емкости используется формула: C=4.45*I/U-UД, где:
- I – ток, проходящий через диод (а миллиамперах);
- U=310 В (амплитудное напряжение электросети);
- UД – снижение напряжения в светодиодной лампе.
Как повысить КПД
КПД схемы зависит от эффективности светодиодной лампочки и выпрямителя. Самый низкий КПД у ламп «кукуруза» и тех, которые оснащены матовым рассеивателем света.
Если диоды располагаются с одной стороны, КПД приближается к 100%.
Самый низкий показатель из-за превращения электроэнергии в тепло будет, если схема подключения светодиода сети 220 вольт предусматривает использование резистора.
Если вместо него подключить конденсатор-накопитель, превращающий электроэнергию в реактивную мощность, КПД повышается.
Расчет гасящего конденсатора для светодиода
Лучше всего подключать к светодиодной лампе специальный гасящий конденсатор Х2 (пленочный) на 220 В (лучше 250).
Для расчета используется формула: C=3200*I/Uвх (если в схеме нет стабилизатора) или C=3200*I/, где:
- I – ток на входе;
- Uвх=220;
- U – напряжение на стабилизаторе.
Важные сведения о конденсаторах
Конденсаторы-накопители используются в сети 220 В:
- в роли блока питания (если прибор маломощный);
- для согласования нагрузок;
- для сглаживания напряжения;
- для сглаживания силы тока.
Любой из них состоит из 2-х токопроводящих пластин и разделяющего диэлектрика. Заряд копится на пластинах, но не перемещается между ними. Форма может быть цилиндрическая, плоская, сферическая. Диэлектриком служит промасленная бумага, пленка, стекло, слюда, оксиды тантала и алюминия, электролиты.
Конденсаторы с классом защиты X2 предназначены для работы при температуре -40-+110оС с напряжением 250-310 В. Емкость 0.001-2.2 мкФ, основное достоинство – способность выдерживать повышенные нагрузки, вызванные коммутативными процессами или молнией.
Расчет резистора для светодиода
Сопротивление резистора для 220 В определяется по формуле: R=(U-Uлед)/I, где:
- U=220;
- Uлед – вольтаж светодиодной лампочки, указанный в паспорте;
- I – ток диода (в миллиамперах).
Полученное значение чаще всего округляется до ближайшего из доступных.
Основные выводы
Подключить своими руками светодиод (несколько диодов) с использованием резисторов и накопителей заряда целесообразно, если у них небольшая мощность. Такие источники света предназначены для индикации или подсветки. Для мощных ламп эти схемы не подходят.
Если все же нужно подключить небольшую лампочку к сети 220 В, важно правильно подобрать параметры всех элементов. Высокое напряжение переменного тока быстро разрушает те из них, которые неспособны пропускать обратный ток. Залог успеха – ограничение амплитуды и грамотное определение амортизационного запаса. Немаловажно так же качество диодов и других деталей.
Подключение светодиода к сети 220 Вольт
В декоративном освещении и прочих местах, где светодиод используется как источник света, принято подключать его через драйвер. Драйвер уже имеет необходимые параметры для бесперебойной и максимально эффективной работы светодиода. Он актуален в тех случаях, когда в цепи наличествует несколько мощных кристаллов или целый набор светодиодных лент.
Подключение светодиода напрямую к напряжению 220 В используется в том случае, когда LED будет выглядеть как слабенький индикатор – если в подключении участвуют один или несколько элементов. Для них покупка драйвера совершенно нецелесообразна. В данном материале описана разница подключения через драйвер и к сети 220 В напрямую, а также показаны и объяснены схемы подключения различных типов.
В чем заключается разница подключения
Как подключить светодиод к сети 220 В? Проблема изначально кроется в технических характеристиках LED. Его работа основана на пропускании сквозь кристаллы определенного тока, вследствие чего они светят. Драйвер призван контролировать подачу тока на кристалл, ограничивая ее тем количеством, которое необходимо конкретно для этих моделей подключаемых светодиодов.
Пример подключения драйвера
для декоративной подсветки светодиодами
Ключевой особенностью драйвера является подача на светодиод постоянного тока, а не переменного, который протекает в обычной бытовой розетке. Переменный ток 220 В подает на кристаллы синусоподобное напряжение с частотой 50 Гц. Это означает, что его направление меняется 50 раз в секунду. При этом если включить светодиод, он будет светиться только при основной подаче тока и гаснуть при обратной. На схеме это выглядит так.
Зависимость свечения кристалла
от направления переменного тока
Глядя на график, становится понятно, что LED не будет светить постоянно, а будет мигать с такой же частотой, как и сам ток – 50 раз в минуту. Для человеческого глаза такое мерцание не различимо, и он будет видеть обычный равномерный свет. Но это не значит, что подключение светодиода к сети выполнено правильно.
Светодиод способен пропускать ток только в одном направлении, обратные колебания приводят к разрушению его структуры и последующей деградации. Для того чтобы светодиод не вышел из строя, к нему необходимо применять защитные меры.
Способы подключения к переменному току
Номинал резистора
Номинал резистораПростым и дешевым способом будет использование гасящего резистора, который включается в электрическую цепь, представляющую собой последовательное соединение светодиодов. Номинальной мощностью ограничительного резистора будет значение, которое рассчитывается по следующей формуле:
где: 0,75 – коэффициент надежности LED (теоретическое, конкретное узнавать у производителя);
Uпит – напряжение источника тока;
Uпад – напряжение, падающее на диоде и вызывающее свечение кристалла;
I – номинальный проходной ток.
При этом помните, что за напряжение источника тока следует принимать не 220 В, а амплитудный параметр 310 В. Это обязательно нужно учитывать для правильности выходных параметров при выполнении расчета.
Мощность резистора
После включения резистора в цепь появляется достаточно сильное сопротивление, которое сопровождается ощутимым выделением тепла – ведь падающее напряжение должно куда-то преобразовываться. Поэтому важным параметром при подборе резистора является его мощность, которая рассчитывается по формуле:
где: U – разность сетевого и падающего напряжений.
Подключение резистора, выполненное своими руками, сгладит резкую амплитуду переменного тока и позволит подключать светодиоды к сети 220 вольт. Но даже после его подключения все равно остается обратное напряжение такой же силы, поэтому для обеспечения безопасности кристалла выполняется еще несколько операций.
Подключение диода с высоким порогом обратного пробоя. Это самый простой и эффективный способ защитить LED от тока обратного направления. Смысл в том, что этот диод имеет колоссальное сопротивление на обратное направление, пропуская ток в одну сторону и не давая ему пройти в другую. На схеме это выглядит так:
Защита светодиодов от обратного напряжения диодом
Здесь не нужно выполнять расчет – обратное напряжение такого диода должно превышать указанные выше 310 В. При изменении направления тока все напряжение будет приложено только к нему. Практика показывает, что чем больше будет его сопротивление, тем надежнее он защитит LED. Оптимальный параметр приближается к 1 000 В.
Встречно-параллельное включение светодиода и обычного диода. В отличие от обратного диода, резистор гасит напряжение в обоих направлениях. Смысл данного способа заключается в том, чтобы обратную амплитуду направить сразу на установленный ранее резистор, который и заглушит его. Учтите, что для такой схемы ранее рассчитанные параметры резистора нужно как минимум удвоить и добавить маленький хвостик в 5–10% для амортизации перепадов напряжения.
Встречно-параллельное подключение светодиода и диода
Встречно-параллельное подключение светодиода и диодаВстречно-параллельное подключение двух одинаковых светодиодов к напряжению 220 В. Как подключить светодиоды к сети 220 В? Если подразумевается подключение их в количестве двух штук (иди любого другого четного количества), то можно сразу расположить светодиоды так, чтобы заменить и диод обратного напряжения, и обычный. Аналогично предыдущей схеме вместо маленького диода на обратное направление ставится второй светодиод. Таким образом, первый импульс придется на первый светодиод, а возвратная амплитуда вернется на гасящий резистор через второй. Для реализации такой схемы не забудьте подключить светодиод к сети, соблюдая обратное направление (это касается второго элемента). Разделение будет такое – половина в одну сторону, половина в другую.
Встречно-параллельное подключение двух светодиодов
Два последних способа очень экономичны в плане покупки и установки радиодеталей, однако имеют общий существенный минус – при двойном сопротивлении на резисторе образуется и двойное выделение тепла. Поэтому необходимо правильно рассчитать его мощность. Представим наиболее простые способы выполнить расчет. Предположим, что в наших схемах использовались резисторы с сопротивлением в 30 кОм, при переменном напряжении 220 В они выдают ток около 10 мА. Рассчитываем, сколько тепла образуется на элементе:
10×10×30 = 3 000 мВт или 3 Вт.
Из этого следует, что для нормальной работы резистора в цепи с двумя светодиодами его мощность должна приближаться к 4 Вт – этого запаса вполне достаточно для безопасной работы.
Возникает следующая проблема – увеличение количества запитанных светодиодов от сети в цепи даже до 3 штук ведет к колоссальным требованиям к резистору – его мощность уже должна приближаться к 40 Вт, что экономически и логически совсем не выгодно. Этим нюансом пренебрегать не надо – если мощности окажется недостаточно для выделения тепла такой силы, резистор очень быстро перегреется и сгорит, вызвав в сети опасное короткое замыкание и доставив много проблем.
Включение конденсатора в электрическую цепь. Такой вид нагрузки имеет большое преимущество перед резистором – его сопротивление реактивное, то есть на нем мощность не рассеивается. Ниже представлена наиболее частая схема подключения светодиодов от сети 220 В с конденсатором. Следует помнить, что при всех своих преимуществах конденсатор имеет одну существенную опасность для пользователя – после отключения подачи тока в сеть 220 В он продолжает хранить внутри остаточные заряды. Для их нейтрализации в цепь подключается резистор R1. Резистор R2 устанавливается для защиты цепи от резкого скачка напряжения через конденсатор. Также не забываем и об установке диода обратного напряжения VD1, который защищает LED от возвратной полярности.
Схема подключения светодиодов через конденсатор
Упомянем и о материале нагрузки. Он бывает двух видов – полярный и неполярный. Для нашей цепи в обязательном порядке устанавливаются только вольтовые неполярные варианты. Электролитные и танталовые устанавливать запрещено – обратное напряжение очень быстро разрушит их структуру, что приведет к выгоранию цепи и короткому замыканию. Его мощность аналогична резистору для этих целей – не менее 400 В.
Расчет емкости конденсатора
У конденсатора есть параметр, который перед подключением светодиодов к сети 220 вольт нужно рассчитывать – емкость. Эмпирическая формула приведена ниже:
где: U – все то же амплитудное напряжение переменного тока, 310 В;
I – ток, который проходит через установленный светодиод, мА;
Uд – падающее напряжение тока для образования свечения на кристалле.
Применение в быту
Чаще всего такие схемы встречаются в выключателях с подсветкой. Типичная схема правильного использования указана ниже:
Подключение светодиода в выключателе
Ввиду маленькой мощности световых устройств в них нет защищающих обратных диодов. Резистор установлен таким образом, чтобы ограничить прямой ток значением 1 мА. Такая схема подключения светодиода к сети 220 вольт не особо эффективна в плане яркости свечения, оно очень тусклое, но свою роль играет хорошо – в темной комнате выключатель видно. Здесь обратное напряжение при размыкании контактов цепи направлено на резистор, в качестве дополнительной нагрузки также выступает наличие светодиодной или любой другой лампочки, а также блока питания. Таким образом, светодиод защищен он обратного пробоя током.
Техника безопасности
Кратко о нюансах подключения, которое выполняется в большинстве домов – для обеспечения безопасности при работе с электрической цепью часто бывает мало выключить один только выключатель. Дело в том, что он, как правило, размыкает фазу, но при этом из-за отсутствия заземления на ноле остается остаточное напряжение. Если заземление неправильное, например, люди подключаются к батарее или водопроводу, есть риск попасть на напряжение между фазой и заземлением. Отключайте питание полностью на рубильнике или счетчике на входе в дом или квартиру, и сделайте уже правильное заземление, если у вас его нет.
Заключение
В создании такой цепи главный нюанс – правильный подбор параметров резистора и конденсатора. Переменный ток, который протекает в розетке, оказывает сильное разрушающее действие на элементы, неприспособленные к пропусканию через себя обратного тока. Грамотное ограничение амплитуды переменного тока с заданным амортизационным запасом и правильный расчет обезопасит цепь от выгорания и короткого замыкания, позволив ей работать долго и надежно.
