Схема подсоединения светоизлучающего диода к сети 220в
Сегодня к светоизлучающим диодам существенно увеличился интерес, ведь за ними грядущее в освещении. Появляется вопрос как происходит подключение светоизлучающего диода к сети 220 В, на который мы детально дадим ответ в данной заметке. Также рассмотрим напряжение питания, распиновку, цоколевку, схемы подсоединения и разные расчеты.
Светоизлучающим диодом называют полупроводниковый прибор, где переменный ток переходит в свет. Диод пропускает ток только в одном направлении. Светоизлучающие диоды подсоединяются к 220В благодаря драйверу, какой подходит по всем свойствам.
Подключение по схеме может быть параллельным или последовательным. Светоизлучающий диод отличается прочным корпусом, длительной и хорошей работой.
Как устроен светоизлучающий диод
Обыкновенный индикаторный светоизлучающий диод делают в эпоксидном корпусе с диаметром 5 мм и 2-мя контактными выводами для подсоединения к цепям электротока: анодом и катодом. Зрительно они выделяются по длине. У нового прибора без обрезанных контактов катод короче.
-
Усвоить это положение помогает несложное правило: с буквы «К» начинаются оба слова:
Когда же ножки светоизлучающего диода обрезаны, то анод можно определить подачей на контакты напряжения 1,5 вольта от обычной пальчиковой батарейки: свет рождается при совпадении полярностей.
Как устроен светоизлучающий диод? Светоизлучающий энергичный монокристалл полупроводника имеет вид параллелепипеда с прямыми углами. Он размещён около световозвращающего рефлектора параболической формы из сплава алюминия и смонтирован на подложке с нетокопроводящими качествами.
На завершении светового прозрачного корпуса из материалов на основе полимера расположена линза, фокусирующая лучи света. Она одновременно с рефлектором образовывает оптическую систему, формирующую угол потока излучения. Его определяют диаграммой направленности светоизлучающего диода.
Она определяет отклонение света от геометрической оси всей конструкции по сторонам, что приводит к увеличению рассеивания. Подобное явление появляется из-за возникновения при изготовлении маленьких нарушений технологии, а еще старения оптических материалов в результате эксплуатации и остальных факторов.
Данный принцип конструкции широко популярен. На его основе делают и остальные полупроводниковые источники освещения, применяющие другие формы структурных компонентов.
Свечение в полупроводниковом кристалле появляется при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода. Область p-n-перехода, образуется контактом 2-ух полупроводников с различными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют различными примесями: по одну сторону акцепторными, по иную — донорскими.
Светоизлучающие диоды на основе фосфида и арсенида галлия, излучающие в жёлто-зеленой, жёлтой и красной областях спектра были разработаны еще в 60-х — 70-х годах ушедшего века. Их использовали в световых индикаторах, табло, приборных панелях автомобилей и самолетов, маркетинговых экранах, самых разных системах визуализации информации.
Цвет светоизлучающего диода зависит от ширины запрещенной зоны, в которой рекомбинируют электроны и отверстия, другими словами от материала полупроводника и легирующих примесей. Чем «синее» светоизлучающий диод, тем выше энергия квантов, а это означает, тем больше должна быть ширина запрещенной зоны.
Голубые светоизлучающие диоды получилось сделать на основе полупроводников с большой шириной запрещенной зоны — карбида кремния, соединений компонентов II и IV группы или нитридов компонентов III группы. Впрочем, у светоизлучающих диодов на основе SiC оказался чрезмерно мал КПД и низок квантовый выход излучения (другими словами число излученных квантов на одну рекомбинировавшую пару).
Квантовый выход — это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электронно-дырочную пару. Отличают внешний и внутренний квантовый выход. Внутренний — в самом p-n-переходе, внешний — для прибора в общем (ведь свет может теряться «по дороге» — поглощаться, рассеиваться).
Внутренний квантовый выход для хороших кристаллов с прекрасным тепло-отводом может достигать практически 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светоизлучающих диодов составляет 55%, а ддя синих — 35%. Внешний квантовый выход — одна из главных параметров эффективности светоизлучающего диода.
Второй способ состоит в том, что на поверхность светоизлучающего диода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне (есть и подобные), наноситься три неорганического люминесцентного пигмента, излучающих, исходя из этого, голубой, зеленый и красный свет. По принципу лампы дневного света.
3-ий способ — это когда жёлто-зеленый или зелено-красный светонакопительный пигмент светящийся в темноте наносятся на голубой светоизлучающий диод. При этом два или три излучения перемешиваются, организуя белый или близкий к белому свет.
Напряжение питания светоизлучающих диодов
Не обращая внимания на то что электрический параметр №1 для светоизлучающего диода – это минимальный ток, часто для расчётов важно знать напряжение на его выводах. Под понятием «напряжение светоизлучающего диода» знают разницу потенциалов на p-n-переходе в открытом состоянии.
Оно считается справочным параметром и вместе с другими характеристиками должен быть указан в паспорте к полупроводниковому прибору. 3, 9 или 12 вольт… Часто в руки проникают экземпляры, о которых ничего не известно. Так как выяснить падение напряжения на светодиоде?
- Теоретический метод
Великолепной подсказкой в данном случае считается цвет свечения, внешняя размеры и форма полупроводникового прибора. Если корпус светоизлучающего диода сделан из прозрачного компаунда, то цвет его остаётся загадкой, разгадать которую поможет мультиметр.
Для этого переключатель цифрового тестера переводят в положение «проверка на обрыв» и щупами по очерди затрагивают выводов светоизлучающего диода. У исправного элемента в прямом смещении будет наблюдаться маленькое свечение кристалла. Аналогичным образом, делаем вывод не только о цвете свечения, но и о работоспособности полупроводникового прибора.
Потому, что в производстве кристаллов применяют десятки химических соединений, точного напряжения для всех светоизлучающих диодов одного цвета нет. Но имеются определённый диапазон значений, которых очень часто достаточно для проведения ориентировочных расчетов компонентов электронной цепи.
С одной стороны, размер и внешний вид корпуса не оказывают влияние на прямое напряжение светоизлучающего диода. Однако, с другой стороны. через линзу можно заметить кол-во излучающих кристаллов, которые могут быть соединены постепенно. Люминофорный слой в SMD светоизлучающих диодах может прятать целую цепочку из кристаллов.
Естественно удостовериться в исправности LED-кристаллов в такой лампе с помощью мультиметра не получится. Типовая батарейка тестера выдаёт 9 В, а небольшое напряжение срабатывания трёхкристального белого led диода – 9,6 В. Также встречаются двухкристальная модификация с порогом срабатывания от 6 вольт.
- Фактический метод
Самые точные информацию о прямом падении напряжения на светодиоде можно получить путём проведения практичных измерений. Для этого понадобится регулируемый блок питания (БП) постоянного тока с напряжение от 0 до 12 вольт, вольтметр или мультиметр и резистор на 510 Ом (можно больше). Лабораторная схема для тестирования показана на рисунке.
Тут все просто: резистор уменьшает ток, а вольтметр отслеживает прямое напряжение светоизлучающего диода. Медленно делая больше напряжение от источника питания, следят за ростом показаний на вольтметре. В момент достижения порога срабатывания светоизлучающий диод начнёт источать свет.
В определенный момент яркость достигнет номинального значения, а показания вольтметра перестанут резко увеличиваться. Это значит, что p-n-переход открыт, и последующий прирост напряжения с выхода БП будет прикладываться исключительно к резистору. Текущие показания на экране и будут номинальным прямым напряжением светоизлучающего диода.
Если напряжение работы на светодиоде установилось около 1,9 вольт, однако при этом свечение отсутствует, то возможно тестируется инфракрасный диод. Чтобы быть увереным в этом, необходимо направить поток излучения на включенную фотокамеру телефона. На экране должно появиться белое пятно.
В отсутствии регулируемого трансформатора можно запитать светоизлучающий диод «кроной» на 9 В. Также можно применить в измерениях адаптер сети на 3 или 9 вольт, который выдаёт выпрямленное стабилизированное напряжение, и сосчитать номинал сопротивления резистора.
Распиновка светоизлучающего диода
С целью решения вопроса есть всего 3 способа:
- Конструктивно
В соответствии с нормами, принятым во всем мире, на самом обыкновенном светодиоде (не SMD типа), длинная ножка всегда считается «+» либо же анодом. Для работы светоизлучающего диода на него должна подаваться положительная полуволна. А короткая – катодом.
- При помощи мультиметра
Для контроля нужно переключатель прибора поставить в режим «Прозвонка» и установить красный щуп мультиметра на анод, а черный – на катод. В результате светоизлучающий диод должен засветиться. Если этого не случилось, следует заменить полярность (черный на анод, а красный на катод).
Если приглядеться к светоизлучающему диоду, то можно заметить 2 кончика возле кристалла. Тот, который больше – катод, тот, что меньше – анод.
Цоколевка светоизлучающих диодов
Под цоколевкой принято понимать внешний вид (исполнение корпуса) светоизлучающего диода. Любой производитель делает светоизлучающий диод в собственном корпусе, в зависимости от структуры и назначения. Единого стандарта, как в LED-лампах нет, напомню, самые популярные цоколи ламп: е27, е14.
Из всего большинства все – таки можно выделить пару маленьких групп. К примеру, самые популярные обычные светоизлучающие диоды делаются в прозрачном или цветном корпусе из прочного стекла либо пластика, и имеют цилиндрическую форму, край которого очень часто закруглен.
Намного дорогие светоизлучающие диоды состоят из нескольких частей: основания и линзы. На основании размещены токопроводящие дорожки, а линза сделана из хорошего материала, которая работает в качестве рассеивателя света.
Основание делают в виде круга или квадрата. Полярность на квадрате обозначают скошенным уголком. К примеру, светоизлучающие диоды CREE, смотрятся так:
Не всегда можно определить полярность привычными способами, из-за оригинальной цоколевки светоизлучающего диода: самое особое строение корпуса, утолщение одного из светоизлучающих диодов и остальные причины. По этому, в данных случаях, по-любому, понадобится обратиться к электрическому замеру.
Обозначение светоизлучающих диодов на схеме
Светоизлучающий диод на схеме отмечается в виде обыкновенного диода с 2-мя стрелками, направленными в сторону, обозначающее излучение света. Сам диод может изображаться, как в круге, так и без него.
Подписывается изделие из полупроводниковых материалов на отечественных схемах буквами HL (HL1, HL2 и т.д.) – это по ГОСТ. В заграничных стандартах обозначение светоизлучающего диода на схеме подобно российскому. Подписывается он уже иным словом — LED (LED1, LED2, LED3 и т.д.), что если перевести с английского расшифровывается как light — emitting diode – led диод.
Не путайте обозначение светоизлучающего диода на схеме с фотодиодом. На первый взгляд кажеться, что они одинаковые, но, при подробном рассмотрении видна большая разница: стрелки фоторезистора направлены на диод (треугольник с палочкой у острого конца).
Вторым отличием считается буквенное обозначение фоторезистора – VD или VB, что означает фотоэлемент.
В конце нужно упомянуть, что маркировка особенно важна. Знание ее расшифровки, дает возможность определить важные параметры светоизлучающего диода, не открывая даташит. Усвоить маркировку всех изготовителей нереально, да и не к чему, довольно знать расшифровку ключевых брендов.
Методичное подключение светоизлучающих диодов
При последовательном соединении через токоограничивающий резистор в одну цепочку собираются несколько светоизлучающих диодов, причем катод предыдущего припаивается к аноду будущего:
В схеме, по всем светоизлучающим диодам будет проходить один ток (20мА), а уровень напряжения будет состоять из сумм падения напряжения на каждом. Это значит, применяя данную схему включения, нельзя включать в цепь любое кол-во светоизлучающих диодов, т.к. оно ограничено падением напряжения.
К примеру, в схеме падение напряжения на одном светодиоде будет составлять 3 Вольта. Всего в схеме 3 светоизлучающего диода. Источник питания 12В. Считаем, 3 Вольта * 3 led = 9 В — падение напряжения.
После несложных расчетов, мы видим, что не сможем включать в схему последовательного подсоединения более 4 светоизлучающих диодов (3*4=12В), запитывая их от обыкновенного аккумулятора для автомобиля (или иного источника с напряжением 12В).
Эта схема очень часто встречалась в елочных гирляндах, но из-за одного серьёзного недостатка в современных светодиодных гирляндах используют подключение смешанного типа. Что за минус, разберем ниже.
-
Минусы последовательного подсоединения:
Параллельное соединение светоизлучающих диодов
В этой ситуации все происходит наоборот. На каждом светодиоде уровень напряжения аналогичный, а сила тока состоит из суммы токов, идущие через них.
Следуя из сказанного выше делаем вывод, если у нас есть источник в 12В и 10 светоизлучающих диодов, блок питания должен держать нагрузку в 0,2А (10*0,002). Исходя из упомянутых выше расчетов — для параллельного подсоединения потребуется токоограничивающий резистор с номиналом 2,4 Ом (12*0,2).
Это глубокое заблуждение. Почему? Ответ Вы сможете найти ниже.
Характеристики каждого светоизлучающего диода даже одной серии и партии всегда разнообразные. Если проще говоря: чтобы засветился один, нужно пропустить через него ток с номиналом 20 мА, а для иного этот номинал может составлять уже 25 мА.
Аналогичным образом, если в схеме установить лишь одно сопротивление, номинал которого был рассчитывается раньше, через светоизлучающие диоды будет проходить различный ток, что вызовет перегрев и выход из строя светоизлучающих диодов, рассчитанные на номинал в 18мА, а намного мощнее будут освещать всего на 70% от номинала.
Исходя из сказанного выше, необходимо понимать, что при параллельном подсоединении, нужно ставить индивидуальное сопротивление для любого.
-
Минусы параллельного подсоединения:
Подключение смешанного типа
Аналогичный способ подсоединения считается наиболее подходящим. По подобному правилу собраны все LED ленты. Он предполагает комбинацию параллельного и последовательного подсоединения. Как он делается можно заметить на фото:
Схема предполагает включение параллельно не некоторых светоизлучающих диодов, а последовательных цепочек из них. Благодаря этому даже при поломке одной или нескольких цепочек, светодиодная гирлянда или лента также будут одинаково освещать.
Мы посмотрели главные способы подсоединения обычных светоизлучающих диодов. Теперь разберем методы соединения мощных светоизлучающих диодов, и с какими проблемами можно соприкоснуться при неправильном подсоединении.
Как присоединить светоизлучающий диод к сети 220 вольт
Светоизлучающий диод – это разновидность полупроводниковых диодов с напряжением и током питания значительно меньшим, чем в домашней электрической сети. При прямом подсоединении в сеть 220 вольт, он очень быстро поломается.
По этому led диод в первую очередь подсоединяется лишь через токоограничивающий компонент. Самыми недорогими и обычными в сборке считается схемы с понижающим элементом в виде резистора или конденсатора.
Но необходимо всегда помнить, что на сопротивлении будет выделятся очень много тепла за счёт падения напряжения. Из-за этой причины дополнительно нужно высчитать мощность этого резистора по формуле:
Для нашего случая U – это будет разница напряжения питающей сети и напряжения падения на светодиоде. После соответствующих вычислений, для подсоединения одного led мощность сопротивления должна равняться 2Вт.
Решающий момент, на который необходимо обратить собственное внимание при подсоединении светоизлучающего диода в сеть электрического тока – это ограничение обратного напряжения. С такой задачей легко справляется любой кремниевый диод, рассчитан на ток не менее того, что течет в цепи. Подсоединяется диод постепенно после резистора или обратной полярностью параллельно светоизлучающему диоду.
Есть мнение, что можно обойтись без ограничения обратного напряжения, так как электрический пробой не вызывает повреждения led диода. Впрочем обратный ток может вызвать перегрев p-n перехода, благодаря чему случится тепловой пробой и разрушение кристалла светоизлучающего диода.
Взамен кремниевого диода можно применять второй led диод с подобным прямым током, который подсоединяется обратной полярностью параллельно первому светоизлучающему диоду. Негативной стороной схем с токоограничивающим резистором считается необходимость в рассеивании высокой мощности.
Включеный в сеть электрического тока неполярный конденсатор, ведет себя как сопротивление, однако не рассеивает используемую мощность в виде тепла.
В данных схемах, при выключении питания, конденсатор остается не разряженным, что делает опасность удара электричеством. Эта проблема легко решается путем подсоединения к конденсатору шунтирующего резистора мощностью 0,5 ватт с сопротивлением не менее 240 кОм.
Расчет резистора для светоизлучающего диода
Во всех выше представленных схемах с токоограничивающим резистором расчет сопротивления выполняется по закону Ома:
Рассеиваемая резистором мощность равна P = U * I.
Расчет гасящего конденсатора для светоизлучающего диода
Расчёт ёмкости гасящего конденсатора (в мкФ) выполняется по следующей формуле:
Эта формула считается простой, но ее точности достаточно для последовательного подсоединения 1-5 слаботочных светоизлучающих диодов.
Конденсатор лучше применять керамический типа К73–17 с рабочим напряжением более 400 В или его заграничный аналог. Нельзя применять электролитические (полярные) конденсаторы.
Схема лед драйвера на 220 вольт
Схема лед драйвера на 220 вольт собой представляет не что иное, как импульсный блок питания.
В качестве самодельного светодиодного драйвера от сети 220В рассмотрим самый простой импульсный блок питания без гальванической развязки. Важное достоинство подобных схем – простота и прочность.
Но будьте осторожны во время сборки, потому как у подобной схемы нет ограничения по отдаваемому току. Светоизлучающие диоды будут отбирать собственные положенные полтора ампера, однако, если вы коснётесь оголённых проводов рукой, ток достигнет десятка ампер, а такой удар тока очень заметный.
-
Схема самого простого драйвера для светоизлучающих диодов на 220В состоит их трёх ключевых каскадов:
Первый каскад – ёмкостное сопротивление на конденсаторе С1 с резистором. Резистор нужен для саморазрядки конденсатора и на работу самой схемы не оказывает влияние. Его номинал не особо критичен и может быть от 100кОм до 1Мом с мощностью 0,5-1 Вт. Конденсатор в первую очередь не электролитический на 400-500В (эффективное амплитудное напряжение сети).
Говоря проще, через конденсатор пройдёт лишь десятая часть поступающего напряжения.
Второй каскад – диодный мост. Он видоизменяет переменое напряжение в постоянное. После отсечения большей части полуволны напряжения конденсатором, на выходе диодного моста приобретаем около 20-24В постоянного тока.
3-ий каскад – сглаживающий стабилизирующий фильтр. Конденсатор с диодным мостом выполняют функцию делителя напряжения. При изменении вольтажа в сети, на выходе диодного моста амплитуда тоже будет меняться.
Собранная схема LED-лампы на 220 вольт начинает работать сразу, однако перед включением в сеть тщательно отделяйте все оголённые провода и места пайки компонентов схемы.
Вариант драйвера без стабилизатора тока
В сети есть большое количество схем драйверов для светоизлучающих диодов от сети 220В, которые не имеют стабилизаторов тока.
Проблема любого безтрансформаторного драйвера – пульсация анодного напряжения, стало быть, и яркости светоизлучающих диодов. Конденсатор, установленый после диодного моста, частично справится с данной проблемой, но решает её не полностью.
На диодах будет находиться пульсация с амплитудой 2-3В. Когда мы устанавливаем в схему стабилизатор на 12В, даже с учитыванием пульсации амплитуда входящего напряжения будет выше диапазона отсечения.
Диаграмма напряжения в схеме без стабилизатора
Диаграмма в схеме со стабилизатором
По этому драйвер для диодных ламп, даже собранный собственными руками, по уровню пульсации не будет уступать подобным узлам дорогих ламп фабричного изготовления.
Как можно заметить, собрать драйвер собственными руками не представляет особенной трудности. Меняя параметры компонентов схемы, мы можем в широких пределах варьировать значения выходного сигнала.
Для намного мощнее светильников требуется либо расширить кол-во выходных каскадов, либо применять более мощный стабилизатор с выходным током до 5Но и ставить его на отопительный прибор.
Это необходимо знать
Главное – это не забывать о технике безопасности. Предоставленные схемы питаются от 220 В сети электрического тока, по этому просят во время сборочных работ акцентированного внимания. Подключение светоизлучающего диода в сеть должно выполняться в четком согласии с важной схемой.
Для увеличения надёжности устройства лучше всего применять заблаговременно выверенные детали с запасом по предельно возможным значениям напряжения и мощности. Собирать бестрансформаторные источники питания необходимо тщательно и не забывать, что они не имеют гальванической развязки с сетью.
Готовая схема должна быть хорошо изолирована от соседних деталей из металла и защищена от нечаянного прикосновения. Демонтировать её можно лищь с отключенным напряжением питания.
