Потому что нужно грамотно решить сразу две задачи:
- Ограничить прямой ток через светодиод, чтобы он не сгорел.
- Обеспечить защиту светодиода от пробоя обратным током.
Если проигнорировать любой из этих пунктов, светодиод моментально накроется медным тазом.
В самом простейшем случае ограничить ток через светодиод можно резистором и/или конденсатором. А предотвратить пробой от обратного напряжения можно с помощью обычного диода или еще одного светодиода.
Поэтому самая простая схема подключения светодиода к 220В состоит всего из нескольких элементов:
Защитный диод может быть практически любым, т.к. его обратное напряжение никогда не будет превышать прямого напряжения на светодиоде, а ток ограничен резистором.
Сопротивление и мощность ограничительного (балластного) резистора зависит от рабочего тока светодиода и рассчитывается по закону Ома:
R = (Uвх - ULED) / I
А мощность рассеивания резистора рассчитывается так:
P = (Uвх - ULED)2 / R
где Uвх = 220 В,
ULED - прямое (рабочее) напряжение светодиода. Обычно оно лежит в пределах 1.5-3.5 В. Для одного-двух светодиодов им можно пренебречь и, соответственно, упростить формулу до R=Uвх/I,
I - ток светодиода. Для обычных индикаторных светодиодов ток будет 5-20 мА.
Пример расчета балластного резистора
Допустим, нам нужно получить средний ток через светодиод = 20 мА, следовательно, резистор должен быть:
R = 220В/0.020А = 11000 Ом (берем два резистора: 10 + 1 кОм)
P = (220В)2/11000 = 4.4 Вт (берём с запасом: 5 Вт)
Необходимое сопротивление резистора можно взять из таблицы ниже.
Таблица 1. Зависимость тока светодиода от сопротивления балластного резистора.
| Сопротивление резистора, кОм | Амплитудное значение тока через светодиод, мА | Средний ток светодиода, мА | Средний ток резистора, мА | Мощность 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 |
Другие варианты подключения
В предыдущих схемах защитный диод был включен встречно-параллельно, однако его можно разместить и так:
Это вторая схема включения светодиодов на 220 вольт без драйвера. В этой схеме ток через резистор будет в 2 раза меньше, чем в первом варианте. А, следовательно, на нем будет выделяться в 4 раза меньше мощности. Это несомненный плюс.
Но есть и минус: к защитному диоду прикладывается полное (амплитудное) напряжение сети, поэтому любой диод здесь не прокатит. Придется подобрать что-нибудь с обратным напряжением 400 В и выше. Но в наши дни это вообще не проблема. Отлично подойдет, например, вездесущий диод на 1000 вольт - 1N4007 (КД258).
Не смотря на распространенное заблуждение, в отрицательные полупериоды сетевого напряжения, светодиод все-таки будет находиться в состоянии электрического пробоя. Но благодаря тому, что сопротивление обратносмещенного p-n-перехода защитного диода очень велико, ток пробоя будет недостаточен для вывода светодиода из строя.
Для уменьшения величины тока прикосновения нужно располовинить резистор на две части, чтобы получилось как показано на картинках:
Благодаря такому решению, даже поменяв местами фазу и ноль, ток через человека на "землю" (при случайном прикосновении) никак не сможет превысить 220/12000=0.018А. А это уже не так опасно.
Как быть с пульсациями?
В обеих схемах светодиод будет светиться только в положительный полупериод сетевого напряжения. То есть он будет мерцать с частой 50 Гц или 50 раз в секунду, причём размах пульсаций будет равен 100% (10 мс горит, 10 мс не горит и так далее). Это будет заметно глазу.
К тому же, при подсветке мерцающими светодиодами каких-либо движущихся объектов, например, лопастей вентилятора, колес велосипеда и т.п., неизбежно будет возникать стробоскопический эффект. В некоторых случаях данный эффект может быть неприемлем или даже опасен. Например, при работе за станком может показаться, что фреза неподвижна, а на самом деле она вращается с бешенной скоростью и только и ждет, чтобы вы сунули туда пальцы.
Чтобы сделать пульсации менее заметными, можно удвоить частоту включения светодиода с помощью двухполупериодного выпрямителя (диодного моста):
Обратите внимание, что по сравнению со схемой #2 при том же самом сопротивлении резисторов, мы получили в два раза больший средний ток. И, соответственно, в четыре раза большую мощность рассеивания резисторов.
К диодному мосту при этом не предъявляется каких-либо особых требований, главное, чтобы диоды, из которых он состоит, выдерживали половину рабочего тока светодиода. Обратное напряжение на каждом из диодов будет совсем ничтожным.
Еще, как вариант, можно организовать встречно-параллельное включение двух светодиодов. Тогда один из них будет гореть во время положительной полуволны, а второй - во время отрицательной.
Фишка в том, что при таком включении максимальное обратное напряжение на каждом из светодиодов будет равно прямому напряжению другого светодиода (несколько вольт максимум), поэтому каждый из светодиодов будет надежно защищен от пробоя.
Светодиоды следует разместить как можно ближе друг к другу. В идеале - попытаться найти сдвоенный светодиод, где оба кристалла размещены в одном корпусе и у каждого свои выводы (хотя я таких ни разу не видел).
Вообще говоря, для светодиодов, выполняющих индикаторную функцию, величина пульсаций не очень-то и важна. Для них самое главное - это максимально заметная разница между включенным и выключенным состоянием (индикация вкл/выкл, воспроизведение/запись, заряд/разряд, норма/авария и т.п.)
А вот при создании светильников, всегда нужно стараться свести пульсации к минимуму. И не столько из-за опасностей стробоскопического эффекта, сколько из-за их вредного влияния на организм.
Какие пульсации считаются допустимыми?
Все зависит от частоты: чем она ниже, тем заметнее пульсации. На частотах выше 300 Гц пульсации становятся совершенно невидимыми и вообще никак не нормируются, то есть даже 100%-ные считаются нормой.
Не смотря на то, что пульсации освещенности на частотах 60-80 Гц и выше визуально не воспринимаются, тем не менее, они способны вызывать повышенную усталость глаз, общую утомляемость, тревожность, снижение производительности зрительной работы и даже головные боли.
Для предотвращения вышеперечисленных последствий, международный стандарт IEEE 1789-2015 рекомендует максимальный уровень пульсаций яркости для частоты 100 Гц - 8% (гарантированно безопасный уровень - 3%). Для частоты 50 Гц - это будут 1.25% и 0.5% соответственно. Но это для перфекционистов.
На самом деле, для того, чтобы пульсации яркости светодиода перестали хоть как-то досаждать, достаточно, чтобы они не превышали 15-20%. Именно таков уровень мерцания ламп накаливания средней мощности, а ведь на них никто и никогда не жаловался. Да и наш российский СНиП 23-05-95 допускает мерцание света в 20% (и только для особо кропотливых и ответственных работ требование повышено до 10%).
В соответствии с ГОСТ 33393-2015 "Здания и сооружения. Методы измерения коэффициента пульсации освещенности" для оценки величины пульсаций вводится специальный показатель - коэффициент пульсаций (Кп).
Коэфф. пульсаций в общем рассчитывается по сложной формуле с применением интегральной функции, но для гармонических колебаний формула упрощается до следующей:
Кп = (Еmax - Emin) / (Emax + Emin) ⋅ 100%,
где Емах - максимальное значение освещенности (амплитудное), а Емин - минимальное.
Мы будем использовать эту формулу для расчета емкости сглаживающего конденсатора.
Очень точно определить пульсации любого источника света можно при помощи солнечной панели и осциллографа:
Как уменьшить пульсации?
Посмотрим, как включить светодиод в сеть 220 вольт, чтобы снизить пульсации. Для этого проще всего подпаять параллельно светодиоду накопительный (сглаживающий) конденсатор:
Из-за нелинейного сопротивления светодиодов, расчет емкости этого конденсатора является довольно нетривиальной задачей.
Однако, эту задачу можно упростить, если сделать несколько допущений. Во-первых, представить светодиод в виде эквивалентного постоянного резистора:
А во-вторых, сделать вид, что яркость светодиода (а, следовательно, и освещенность) имеет линейную зависимость от тока.
Давайте попробуем приблизительно рассчитать емкость конденсатора на конкретном примере.
Расчет емкости сглаживающего конденсатора
Допустим, мы хотим получить коэфф. пульсаций 2.5% при токе через светодиод 20 мА. И пусть в нашем распоряжении оказался светодиод, на котором при токе в 20 мА падает 2 В. Частота сети, как обычно, 50 Гц.
Так как мы решили, что яркость линейно зависит от тока через светодиод, а сам светодиод мы представили в виде простого резистора, то освещенность в формуле расчета коэффициента пульсаций можем спокойно заменить на напряжение на конденсаторе:
Кп = (Umax - Umin) / (Umax + Umin) ⋅ 100%
Подставляем исходные данные и вычисляем Umin:
2.5% = (2В - Umin) / (2В + Umin) ⋅ 100% => Umin = 1.9В
Период колебаний напряжения в сети равен 0.02 с (1/50).
Таким образом, осциллограмма напряжения на конденсаторе (а значит и на нашем упрощенном светодиоде) будет выглядеть примерно вот так:
Вспоминаем тригонометрию и считаем время заряда конденсатора (для простоты не будем учитывать сопротивление балластного резистора):
tзар = arccos(Umin/Umax) / 2πf = arccos(1.9/2) / (2⋅3.1415⋅50) = 0.0010108 с
Весь остальной остаток периода кондер будет разряжаться. Причем, период в данном случае нужно сократить в два раза, т.к. у нас используется двухполупериодный выпрямитель:
tразр = Т - tзар = 0.02/2 - 0.0010108 = 0.008989 с
Осталось вычислить емкость:
C = ILED ⋅ dt/dU = 0.02 ⋅ 0.008989/(2-1.9) = 0.0018 Ф (или 1800 мкФ)
На практике вряд ли кто-то будет ставить такой большой кондер ради одного маленького светодиодика. Хотя, если стоит задача получить пульсации в 10%, то нужно всего 440 мкФ.
Повышаем КПД
Обратили внимание, насколько большая мощность выделяется на гасящем резисторе? Мощность, которая тратится впустую. Нельзя ли ее как-нибудь уменьшить?
Оказывается, еще как можно! Достаточно вместо активного сопротивления (резистора) взять реактивное (конденсатор или дроссель).
Дроссель мы, пожалуй, сразу откинем из-за его громоздкости и возможных проблем с ЭДС самоиндукции. А насчет конденсаторов можно подумать.
Как известно, конденсатор любой емкости обладает бесконечным сопротивлением для постоянного тока. А вот сопротивление переменному току рассчитывается по этой формуле:
Rc = 1 / 2πfC
то есть, чем больше емкость C и чем выше частота тока f - тем ниже сопротивление.
Прелесть в том, что на реактивном сопротивлении и мощность тоже реактивная, то есть ненастоящая. Она как бы есть, но ее как бы и нет. На самом деле эта мощность не совершает никакой работы, а просто возвращается назад к источнику питания (в розетку). Бытовые счетчики ее не учитывают, поэтому платить за нее не придется. Да, она создает дополнительную нагрузку на сеть, но вас, как конечного потребителя, это вряд ли сильно обеспокоит =)
Таким образом, наша схема питания светодиодов от 220В своими руками приобретает следующий вид:
Но! Именно в таком виде ее лучше не использовать, так как в этой схеме светодиод уязвим для импульсных помех.
Включение или выключение распложенных на одной с вами линии мощной индуктивной нагрузки (двигатель кондиционера, компрессор холодильника, сварочный аппарат и т.п.) приводит к появлению в сети очень коротких выбросов напряжения. Конденсатор С1 представляет для них практически нулевое сопротивление, следовательно мощный импульс направится прямиком к С2 и VD5.
К сожалению, электролитические конденсаторы, из-за своей большой паразитной индуктивности, плохо справляются с ВЧ-помехами, поэтому большая часть энергии импульса пойдет через p-n-переход светодиода.
Еще один опасный момент возникает в случае включения схемы в момент пучности напряжения в сети (т.е. в тот самый момент, когда напряжение в розетке находится на пике своего значения). Т.к. С1 в этот момент полностью разряжен, то возникает слишком большой бросок тока через светодиод.
Все это со временем это приводит к прогрессирующей деградации кристалла и падению яркости свечения.
Во избежание таких печальных последствий, схему нужно дополнить небольшим гасящим резистором на 47-100 Ом и мощностью 1 Вт. Кроме того, резистор R1 будет выступать в роли предохранителя на случай пробоя конденсатора С1.
Получается, что схема включения светодиода в сеть 220 вольт должна быть такой:
И остается еще один маленький нюанс: если выдернуть эту схему из розетки, то на конденсаторе С1 останется какой-то заряд. Остаточное напряжение будет зависеть от того, в какой момент была разорвана цепь питания и в отдельных случаях может превышать 300 вольт.
А так как конденсатору некуда разряжаться, кроме как через свое внутреннее сопротивление, то заряд может сохраняться очень долго (сутки и более). И все это время кондер будет ждать вас или вашего ребенка, через которого можно будет как следует разрядиться. Причем, для того, чтобы получить удар током, не нужно лезть в недра схемы, достаточно просто прикоснуться к обоим контактам штепсельной вилки.
Чтобы помочь кондеру избавиться от ненужного заряда, подключим параллельно ему любой высокоомный резистор (например, на 1 МОм). Этот резистор не будет оказывать никакого влияния на расчетный режим работы схемы. Он даже греться не будет.
Таким образом, законченная схема подключения светодиода к сети 220В (с учетом всех нюансов и доработок) будет выглядеть так:
Значение емкости конденсатора C1 для получения нужного тока через светодиод можно сразу взять из Таблицы 2, а можно рассчитать самостоятельно.
Расчет гасящего конденсатора для светодиода
Не буду приводить утомляющие математические выкладки, дам сразу готовую формулу емкости (в Фарадах):
C = I / (2πf√(U2вх - U2LED)) [Ф],
где I - ток через светодиод, f - частота тока (50 Гц), Uвх - действующее значение напряжения сети (220В), ULED - напряжение на светодиоде.
Если расчет ведется для небольшого числа последовательно включенных светодиодов, то выражение √(U2вх - U2LED) приблизительно равно Uвх, следовательно формулу можно упростить:
C ≈ 3183 ⋅ ILED / Uвх [мкФ]
а, раз уж мы делаем расчеты под Uвх = 220 вольт, то:
C ≈ 15 ⋅ ILED [мкФ]
Таким образом, при включении светодиода на напряжение 220 В, на каждые 100 мА тока потребуется примерно 1.5 мкФ (1500 нФ) емкости.
Кто не в ладах с математикой, заранее посчитанные значения можно взять из таблицы ниже.
Таблица 2. Зависимость тока через светодиоды от емкости балластного 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 |
Немного о самих конденсаторах
В качестве гасящих рекомендуется применять помехоподавляющие конденсаторы класса Y1, Y2, X1 или X2 на напряжение не менее 250 В. Они имеют прямоугольный корпус с многочисленными обозначениями сертификатов на нем. Выглядят так:
Если вкратце, то:
- X1 – используются в промышленных устройствах, подключаемых к трехфазной сети. Эти конденсаторы гарантированно выдерживают всплеск напряжения в 4 кВ;
- X2 – самые распространенные. Используются в бытовых приборах с номинальным напряжением сети до 250 В, выдерживают скачек до 2.5 кВ;
- Y1 – работают при номинальном сетевом напряжении до 250 В и выдерживают импульсное напряжение до 8 кВ;
- Y2 – довольно-таки распространенный тип, может быть использован при сетевом напряжении до 250 В и выдерживает импульсы в 5 кВ.
Допустимо применять отечественные пленочные конденсаторы К73-17 на 400 В (а лучше - на 630 В).
Сегодня широкое распространение получили китайские "шоколадки" (CL21), но в виду их крайне низкой надежности, очень рекомендую удержаться от соблазна применять их в своих схемах. Особенно в качестве балластных конденсаторов.
Итак, мы рассмотрели, как подключать светодиод к 220В (схемы и их расчет). Все приведенные в данной статье примеры хорошо подходят для одного или нескольких маломощных светодиодов, но совершенно нецелесообразны для мощных светильников, например, ламп или прожекторов - для них лучше использовать полноценные схемы, которые называются драйверами.
Вы удивитесь, видимо, но реактивный ток КРУТИТ счетчик. Поэтому конденсатор - балласт - такое же расточительство, как и резистор.
Вся разница между ними - потраченное впустую тепло выделяется на резисторе, а в случае конденсатора - в проводке.
У меня друган электрик и он сказал, что реактивная мощность не учитывается счетчиками. А если учитывается, то это какие-то неправильные счетчики и они подлежат замене. Провода греются, с этим не поспоришь
по нормам не должны
но на деле откройте инструкцию от любого современного счетчика..
активная мощность входящая
активная мощность исходящая
реактивная мощность входящая
реактивная мощность исходящая
это всё сейчас счетчики суммируют и потребитель за это ПЛАТИТ!!
Так подобные схемы применяются для "ремонта" светодиодных ламп со сгоревшими в ноль дросселями, ну или для создания своих светильников малой мощности. Вы на таблицу 2 посмотрите. Если вам допустим надо 1 ампер светодиод запитать через балластный конденсатор, у вас этот самый конденсатор займёт больше места, чем сам светодиод с радиатором. К чему все эти споры. Я вот воткнул эту схему в сгоревшую лампочку, задал мощность 5 ватт и уже больше года без нагрева и каких-либо проблем она у меня работает. Хотя балласт стоял на 7 ватт с завода. На 5 ватт больше/меньше а разница-то какая?
А мене кажется, что вы запутались в проводах.
Если рассматривать две эквивалентных схемы на гасящем резисторе и конденсаторе, при одних и тех же параметрах тока и напряжения, то взяв за рассмотрение параметр тока потому как он будет играть определяющею роль нагрева элементов в своем тракте прохождения то, опять же, к примеру ток 3А при резистивной нагрузке гасящих элементов будут греться и провод и резистор, а при ёмкостной только провода.
Вот как-то так мне кажется (или перикрестится что-ли, чтобы не казалось)
Мне кажется вы несколько запутались в токах на самой первой картинке: при таком включении диодов они работают по очереди и ток через резистор не будет превышать 4ма а будет менять полярность.
Как это не будет превышать 4 мА? Мгновенное значение тока будет достигать 13 мА (и да, он будет менять направление). А действующее (среднеквадратичное, эффективное) значение для тока синусоидальной формы в √2 раз меньше, чем амплитудное: 13/1.41=9.2 мА. Как и обозначено на рисунке.
Направление тока (или, если хотите, полярность) при вычислении эффективного значения вообще никак не учитывается, т.к. эффективное значение тока эквивалентно такому значению постоянного тока, при котором на сопротивлении выделяется точно такое количества тепла. А тепло от направления тока не зависит (нагрев происходит в оба полупериода).
Мне кажется, вы забываете, что действующее значение силы тока (то, что показывает амперметр и то, что обозначено на рисунках) вычисляется не за половину периода, а ЗА ВЕСЬ ПЕРИОД! За первый полупериод - 4.5 мА, плюс за второй полупериод еще 4.5 мА. Итого = 9 мА.
А вот во второй схеме, где диоды включены по-другому и где ток течет только в один полупериод, там действующее значение как раз в два раза меньше (4.5 мА), потому что вторую половину периода ток равен нулю и не участвует в расчете (не суммируется).
Думаю, что вы не правы. Амперметр не суммирует токи от каждого полупериода. Я согласен с предыдущим комментарием, что в первой схеме действующее значение общего тока в цепи будет 4,5 мА. Тут нельзя суммировать 4,5 мА(первый полупериод) + 4,5 мА (второй полупериод) = 9 мА. А вообще мне нравятся ваши статьи. ... )))
>Амперметр не суммирует токи...
Любой амперметр вообще дичь показывает... Вы сначала узнайте, что такое сила постоянного тока и определение измерения эталонного ампера, затем переходите к переменному току, а затем к измерению действующего значения.
Потом нужно вспомнить о законах Кирхгофа.
Подключил по схеме с двумя резисторами и диодом 1n4007. Очень странно, что при токе 10 мА получил такой результат : резисторы нагреваются до 45 гр. и потемнели через полчаса, а диод разогрелся до 80 гр.
И правда странно... Номиналы резисторов верные. Греться они, конечно, должны, но не так, чтобы прям подгорать (45 градусов - это вообще ерунда). А через 1N4007 можно вообще в сто раз больший ток пропускать без каких-либо последствий
Резисторы нужно ставить с запасом! Желательно чтобы суммарная мощность была в 2 раза больше, а лучше всего 2-х ватные, тогда гореть не будут!
в разделе "Расчет емкости сглаживающего конденсатора" расчет ведется для частоты 50 Гц, но на схеме полноценный диодный мост, т.е. полупериоды вдвое чаще.
СНиП 23-05-95 — он про искуственное освещение. Мерцание индикаторных светодиодов вообще по барабану. Стоит ли ради него усложнять схему (диодный мост + кондер).
На какое напряжение должен быть рассчитан сглаживающий конденсатор 1800 мкФ?
Минимум 400 вольт. Ты себе представляешь размеры неполярного конденсатора в 1800мкф 400вольт?
На этом конденсаторе, в конкретной схеме, напряжение не может превысить напряжение пробоя перехода светодиода, т.е. - 2 В
Да, но есди светодиод сгорит, то на конденсаторе будет 310 В. Поэтому низковольтный конденсатор взарвётся.
Я встроил светодиоды в выключатели освещения, чтобы видеть их в темноте. Применил светодиоды с рабочим током что-то около 2 мА. Для темноты достаточно и 1 мА. Использовал схему с последовательным диодом и двумя резисторами, причем два резистора я применил, чтобы уменьшить рассеиваемую мощность на каждом. В итоге обошелся 125мВт. Вся конструкция спаяна напрямую без проводов и умещается в центр выключателя, там где предусмотрена неонка.
Впервые я сделал светодиодную подсветку выключателя лет 30 назад. Тогда еще с большими диодами в металлическом корпусе и 0.5 Вт резисторами. С тех пор элементная база конечно изменилась... Проблем пока не было.
Спасибо!
Я собрал схему с токоограничивающим конденсатором после смд мост диодный на 1а конденсатор сглаживающий и токоограничивающая схема на 2 MJE13003 и2 резисторов.
Ток через проводник(светодиод) идет в силе ампер, которые зависят только от приложенного напряжения и сопротивления сети. Поэтому сколько бы раз не прерывали подачу тока на светодиод - в т.ч. туда и обратно(смена полярности при переменном направлении), сила этого тока в амперах не меняется. Единственное, что уменьшает мощность резистора при переменном напряжении - это отсутствие тока через резистор во втором полупериоде, если нет моста. Т.е. во время второго полупериода резистор охлаждается.
В качестве балласта попробовал керамику 0.1 мф. 1 кв.,проработала около часа и пу...х. Х2 работает!
"скачек" --->
Автор проживает с лошадьми, что-ли? Правильно: "скачОк"!