Меню

Питание светодиодов от сетевого напряжения

Схемы питания светодиодов

Содержание

  1. Что такое светодиод и как он работает
  2. Какие бывают светодиоды
  3. Параметры светодиодов
  4. Подключаем светодиод к компьютеру
  5. Подключение светодиодов к блоку питания
  6. Подключение светодиодов к LPT порту
  7. Подключение светодиода к сети 220 вольт (к розетке)
  8. Универсальная методика расчета схемы питания светодиодов

Использование светодиодов для освещения и индикации — это надежное и экономичное решение. Светодиоды имеют очень высокий КПД, надежны, экономичны, безопасны, долговечны в сравнении с лампами накаливания и люминесцентными лампами. В данной статье рассматриваются способы включения светодиодов.

Описываются способы питания светодиода от компьютера, блока питания или прямо от бытовой сети переменного тока (розетки).

Что такое светодиод и как он работает

Светодиод — это, во-первых, диод. И точно так же как у обычного диода, у светодиода есть два вывода (контакта питания): анод ( плюс) и катод (минус). Это связано с тем, что светодиод является полупроводником, то есть, проводит электрический ток только в одну сторону (от анода к катоду), и не проводит в обратную (от катода к аноду).

Итак, для того, чтобы светодиод засветился, надо пропускать через него электрический ток в направлении от анода к катоду. Для этого следует подать на его анод положительное, а на катод — отрицательное напряжение.

Тут и начинается самое неприятное. Оказывается, что светодиод нельзя подключать к источнику питания напрямую, поскольку это приводит к немедленному сгоранию светодиода. Причина сего поведения кроется в следующем. Выражаясь простым языком, светодиод является очень жадной и неразумной личностью: получив неограниченное питание он начинает потреблять значительную мощность, которую физически не способен выдержать.

Как мы все уже догадались, для нормальной работы светодиоду нужен строгий ограничитель. Именно с этой целью последовательно со светодиодом устанавливают резистор, который служит надежным ограничителем тока и мощности. Этот резистор называют ограничительным.

Какие бывают светодиоды

Во-первых, светодиоды можно разделить по цветам: красный, желтый , зеленый, голубой, фиолетовый, белый . Большинство современных светодиодов выполнено из бесцветного прозрачного пластика, поэтому невозможно определить цвет светодиода не включив его.

Во-вторых, светодиоды можно разделить по номинальному току потребления. Широко распространены модели с током потребления 10 миллиампер (мА) и 20 мА. Следует помнить, что светодиод не в состоянии контролировать потребляемый ток. Именно поэтому мы вынуждены использовать ограничительные резисторы.

В-третьих, светодиоды можно разделить по такому параметру, как падение напряжения в открытом состоянии при номинальном токе. Несмотря на то, что про этот параметр часто забывают — его влияние весьма и весьма значительно. Благодаря этому параметру иногда можно избавиться от ограничивающего резистора.

Параметры светодиодов

Номинальный прямой ток — это электрический ток, который мы должны пропускать через светодиод. Слово прямой уточняет, что речь идет о токе, текущем от анода к катоду. Слово номинальный говорит о том, что при таком токе светодиод будет исправно работать отведенный для него срок жизни и больше. Для перестраховки при расчете схемы можно принять номинальный ток на 5…10 % ниже, чем рекомендуемый производителем. Это незначительно снизит яркость свечения светодиода, зато в разы повысит его надежность и долговечность.

Падение напряжения при номинальном прямом токе — это напряжение между катодом и анодом, действующее при пропускании через светодиод номинального тока.
Этот параметр может значительно повлиять на схему подключения светодиода. Например, невозможно запитать светодиод с падением напряжения 3,2 вольт от двух аккумуляторов с напряжением по 1,2 вольт или от одного с напряжением 2,5 вольт.
Итак, для питания светодиода необходим источник питания, выдающий напряжение не меньше, чем падение напряжения при номинальном токе.

Подключаем светодиод к компьютеру

Светодиод(ы) можно подключить к компьютеру разными способами.

Для подключения светодиодов в качестве простого освещения удобно использовать разъемы блока питания, выдающие 5 и 12 вольт. Для подключения светодиодов в качестве светомузыки удобно использовать LPT порт компьютера.

Подключение светодиодов к блоку питания

Блок питания компьютера — это замечательный источник питания для светодиода или линейки из светодиодов, поскольку он вырабатывает стабилизированное напряжение +5 вольт (В) и +12 В.

Итак, разъем имеет четыре контакта, к которым подходят четыре же провода: два из них черные — это «ноль», один красный выдает напряжение +5 вольт, и один желтый выдает +12 вольт.

Рассмотрим схему подключения одного светодиода.

При питании от 5 В последовательно со светодиодом необходимо включить ограничительный резистор номиналом от 100 до 200 Ом.

При питании от 12 В последовательно со светодиодом требуется включить ограничительный резистор номиналом от 400 до 900 Ом.

Рассмотрим схему подключения двух светодиодов.

При питании двух светодиодов от 5 вольт, в схему надо включить резистор до 100 Ом. Некоторые светодиоды в такой схеме будут светиться слишком тускло.

При питании двух светодиодов от 12 В, в схему надо включить резистор от 250 до 600 Ом.

Рассмотрим схему подключения трех и четырех светодиодов.

При питании трех светодиодов от 12 В, следует использовать резистор номиналом от 100 до 250 Ом.

Некоторые светодиоды в такой схеме включения будут светиться слишком тускло.

Выше приведены схемы последовательного включения светодиодов. Существуют также способы параллельного включения светодиодов, однако они не экономичны и небезопасны, как для блока питания, так и для светодиодов. Кроме того, схемы параллельного включения сложны в расчетах, излишне требовательны к источнику питания, наконец, просто глупы, поэтому такие схемы здесь не приведены.

Подключение светодиодов к LPT порту

При питании светодиода от порта LPT последовательно со светодиодом можно включить резистор номиналом до 100 Ом. В большинстве случаев, при питании светодиода от LPT порта резистор бывает не нужен. LPT порт предварительно должен быть переведен в режим EPP.

Читайте также:  Знак безопасности стой напряжение пластик

Подключение светодиода к сети 220 вольт (к розетке)

Внимание! При подключении светодиодов к сети питания 220 вольт следует строго соблюдать меры по обеспечению электробезопасности.

При подключении светодиода к бытовой электросети переменного тока следует использовать ограничительный резистор номиналом 15 кОм для тока 10 мА или 30 кОм для тока 20 мА. Для дополнительной защиты светодиода в цепь можно дополнительно включить обычный диод. В этой схеме светодиод будет светиться лишь в полсилы.

В этой схеме светодиоды будут светиться в полную силу.

Обе схемы позволяют последовательно включить огромное количество светодиодов (до 70 штук).

Следует осознавать, что подключение светодиодов к розетке 220 В создает повышенную опасность поражения электрическим током.

Универсальная методика расчета схемы питания светодиодов

Как выбрать токоограничивающий резистор?

Для того чтобы ограничить ток, текущий через светодиод, применяют ограничительные резисторы. Как правило, номинал ограничительного резистора можно выбрать ориентировочно из рекомендуемого диапазона. Ниже приведен точный способ расчета номинального сопротивления резистора.

Расчет схемы для одного светодиода

За основу берется следующая схема:

Резистор выбирается по формуле:

Здесь R — сопротивление резистора, U — напряжение питания, dU — падение напряжения, I — номинальный ток светодиода. Например, при напряжении питания 5 вольт, падении напряжения 3,15 вольт и номинальном токе 0,020 ампера (или 20 миллиампер) последовательно со светодиодом необходимо установить сопротивление номиналом 100 Ом:

Расчет схемы для нескольких светодиодов

При последовательном включении нескольких светодиодов формула расчета не меняется. Однако вместо падения напряжения на одном светодиоде dU, в формулу следует подставить сумму падений напряжения каждого светодиода.

Отсюда вытекает следующее свойство последовательного включения светодиодов. При последовательном включении светодиодов все светодиоды должны быть рассчитаны наодинаковый номинальный ток (10 мА, 15 мА, 20 мА), однако номинальное падение напряжения этих светодиодов может быть разным.

Подключаем последовательно 2 светодиода к источнику питания 12 вольт. Оба светодиода имеют номинальный ток 20 мА. Падение напряжения на первом — 2,5 В, на втором — 3,2 В.

Источник



Ликбез о питании светодиодов

Очень часто при покупке светодиода задаётся вопрос: «На сколько он вольт?» Разумеется, если речь идёт о LED-лампе, модуле, ленте, панели – законченном устройстве, уже содержащем схему управления или хотя бы просто резистор – то да, они выпускаются на стандартные напряжения. В подавляющем большинстве это 12В постоянного тока или 220 переменного. В промышленной аппаратуре встречаются и другие значения питающего напряжения, но в данной статье мы не будем касаться таких устройств, а рассмотрим, как правильно запитать дискретные светодиоды простейшими средствами – без готовых (и недешёвых) промышленных драйверов.

Прежде всего, следует помнить, что практически для всех электрических процессов в основном важно не напряжение, а ток. Физика описывает механическое действие тока, химическое действие тока, тепловое действие тока. Не напряжения, а именно тока. А какое напряжение необходимо приложить, зависит от требуемого тока и сопротивления нагрузки: U=IR (производное закона Ома).

И вот это самое R (сопротивление) зачастую непостоянно, и зависимость тока от напряжения нелинейная. Даже в обычной лампочке накаливания сопротивление нити возрастает (как и у всех металлов) с повышением температуры. Но такая нелинейность нам на руку: как бы сам собой стабилизируется ток – его увеличение ведёт к разогреву волоска, это повышает сопротивление и, следовательно, противодействует дальнейшему увеличению тока. Именно поэтому лампы накаливания можно питать фиксированным напряжением: необходимый ток установится автоматически.

Вольт-амперная характеристика светодиода

Со светодиодами – сложнее. Их вольтамперная характеристика (ВАХ), как и у всех полупроводниковых диодов, при достижении некоторого напряжения становится очень крутой, почти вертикальной, и малейшее его отклонение может вызвать значительное изменение тока. И даже при очень точном и стабильном напряжении к тем же результатам может привести тепловое смещение характеристики. Наконец, светодиоды имеют разброс параметров, и при одном и том же напряжении ток может сильно отличаться даже у приборов из одной партии.

Рабочий участок характеристики лежит в очень узком диапазоне напряжений и зависит от длины волны излучаемого света и материала светодиода: 1,5. 2,1 В для арсенида галлия (красных, оранжевых, желтых), но более 2,4 В для красных же из AlInGaP. Таблица по всем цветам и материалам обширна, а для расчетов, в общем, не нужна. С достаточной точностью можно считать напряжение светодиодов

  • красных – 2 В,
  • желтых – 2,5 В,
  • зелёных – 3 В,
  • синих и белых – 3,5 В.

В принципе так можно было бы и отвечать на вопрос из первого предложения статьи, но с оговоркой, что любое отклонение напряжения приведет либо к перегоранию светодиода, либо к тому, что он будет излучать лишь несколько процентов своего номинального светового потока.

Таким образом, светодиоды следует питать только фиксированным током (не напряжением!), а уж просто его ограничить или стабилизировать с высокой точностью – зависит от того, какое качество освещения, эффективность и долговечность излучателя необходимы.

Простейший драйвер светодиода

При использовании светодиодов для индикации или подсветки небольшой мощности, вполне допустимо погасить ток до уровня 60-70% максимально допустимого просто последовательно включенным резистором с сопротивлением:

R=(U-UVD)/I, где U – напряжение питания, UVD – рабочее напряжение светодиода (или суммарное нескольких, включенных последовательно), I – необходимый ток.

Читайте также:  При параллельном соединении резисторов напряжение постоянно

Мощность, выделяющаяся на резисторе P=I2R при питании маломощных светодиодов от низковольтных источников, обычно не превышает 100 мВт и позволяет использовать маленькие детали.

Максимально допустимый ток практически всех маломощных диодов (полностью пластиковых, не имеющих площадки для радиатора) составляет 20 мА, а мощность – не более 50 мВт. Исключение – квадратные «Пираньи», которые могут содержать несколько кристаллов, включенных параллельно, или кристаллы большой площади, и рассеивать, соответственно, до 200 мВт. Это немного, но в случае близкого расположения нескольких светодиодов может вызвать ощутимый нагрев, что необходимо учитывать в конструкции – обеспечивать конвекцию воздуха, не заливать теплоизолирующими полимерами и т.д.

Из формулы видно, что тот же самый ток можно получить при различном сопротивлении – в зависимости от напряжения и количества светодиодов. Например, около 14 мА будет протекать через диод с рабочим напряжением 3 В при его питании от 12-вольтового источника через резистор 643 Ом. И такой же ток, но через 3 аналогичных диода, обеспечит резистор в 214 Ом. В первом случае существенно меньше будет изменение тока при отклонениях напряжения питания и температурном дрейфе ВАХ, зато во втором – в 9 раз меньше потери энергии на резисторе (относительно потребляемой излучателями). Палка о двух концах: экономичность против стабильности и долговечности. Практически для нормальной работы светодиодов достаточно, чтобы на резисторе падала где-то треть-четверть напряжения питания.

Параллельное включение светодиодов

Если количество светодиодов не укладывается в это условие (их суммарное напряжение превосходит или незначительно меньше напряжения источника), применяют групповое включение нескольких параллельно соединённых последовательных цепочек с резистором в каждой. Просто параллельное соединение светодиодов используется только в дешёвых китайских фонарях и не может гарантировать равномерного распределения тока между излучателями даже одной партии, не говоря уже о раздельно приобретенных компонентах.

Например, необходимо запитать 10 белых маломощных светодиодов от источника в 9 В (достаточно стабильного, не «гуляющего», как бортовая сеть автомобиля на 30-40%). В таком случае можно выбрать ток достаточно близкий к максимально допустимому. Скажем, 17 мА.

Последовательное соединение 3х3,5 В уже неприемлемо: недостаточно напряжения питания. Значит, останавливаемся на схеме из пяти цепочек по 2 диода – как раз треть питания на резисторах, сопротивлением R = (9 В-2*3,5 В)/17 мА=117 Ом. Конечно, не обязательно искать соответствующие прецизионные, вполне подойдёт ближайшее значение из стандартного ряда – 120 Ом.

Ток, потребляемый от источника, составит 5*17=85 мА, а мощность P=U*I=9 В*85 мА=765 мВт. То есть подойдёт блок питания мощностью всего 1 Вт (щелочная батарейка «Крона» прослужит около сотни часов).

Именно так (параллельные группы только не из двух, а из трёх последовательно соединённых диодов и резистора) устроены 12-вольтовые светодиодные ленты. Поэтому резать их можно только по специально отмеченным границам – на целое количество групп.

Стабилизатор тока на транзисторе

Стабилизировать ток в маломощной цепочке проще всего полевым транзистором VT с начальным током стока, слегка превышающим рабочий ток светодиодов (КП302, КП307 и т.п.), подобрав его точное значение изменением сопротивления R в пределах нескольких десятков Ом.

Более серьёзные схемы для стабилизации тока, а также для питания светодиодов от сети 220 В рассмотрены в статье про самодельные LED-лампы. В случае же еще больших мощностей или совсем низковольтного питания (менее 3В), или для максимальной эффективности использования самых дорогих излучателей рекомендуется уже применять промышленные драйверы: себестоимость самодельного устройства такой сложности будет выше, чем у серийно выпускаемого.

Источник

Светодиоды: виды и схема подключения

Светодиодами называют полупроводниковые приборы, которые при подаче напряжения создают оптическое излучение. Их международное буквенное обозначение – LED (LightEmittingDiode).

Содержание статьи

  • Устройство светодиода
  • Как работает светодиод?
  • Виды и основные параметры светодиодов
  • Применение светодиодов
  • Основные правила подключения светодиодов
  • Основные характеристики светодиодов
  • Способы подключения
  • Как подключить светодиоды к сети переменного тока 220 В через блок питания
  • Способы создания схем из нескольких светодиодов – последовательное и параллельное соединение

Устройство светодиода

Хотя и существует множество светодиодов, самая распространённая форма состоит из 5-миллиметрового полимерного корпуса с линзой, медного или алюминиевого основания, катода, параболического рефлектора (отражателя) и кристалла, который соединяется с анодом при помощи тонкой золотой проволоки.

Как работает светодиод?

Принцип работы изделия основывается на взаимодействии двух полупроводников, положительного и отрицательного типа (p-n-переход). Когда электрический ток проходит через полупроводники, в месте соприкосновения выделяется энергия, излучающая свет. Это обусловлено переходом от одного типа проводимости к другому, когда ионы положительно заряженных дырок соединяются с отрицательными зарядами электронов.

Виды и основные параметры светодиодов

На схеме светодиод обозначается как обычный диод с двумя параллельными стрелками, направленными наружу и указывающими на его излучающий характер. В продаже имеется большое количество типов светодиодов, которые различаются между собой функциональным назначением, конструкцией, мощностью, цветом свечения и другими свойствами.

По назначению светодиоды разделяют на два вида – индикаторные и осветительные.

  • светодиоды SMD;
  • сверхъяркие Super Flux “Piranha”;
  • DIP светодиоды (Direct In-line Package);
  • Straw Hat («соломенная шляпа»).
  • COB (Chip On Board) светодиоды;
  • SMD LED;
  • филаментные (Filament LED).

Индикаторные светодиоды отличаются малой мощностью и умеренной яркостью свечения. Используются для цветовой индикации режимов работы различных приборов и оборудования, а также для подсветки дисплеев и приборных щитов. Разновидности индикаторных светодиодов:

  • DIP-светодиоды. Кристалл-излучатель находится в выводном корпусе, который чаще всего представляет собой выпуклую линзу. Минус – малый угол рассеивания излучения.
  • «Пиранья» – излучатель сверхвысокой яркости с четырьмя выводами, обеспечивающими его удобное крепление на плате. Востребован для подсветки приборов в автомобилях и в рекламных вывесках.
  • «Соломенная шляпа». Цилиндрический двухвыводный прибор со значительным углом рассеивания излучения и увеличенным диаметром линзы. Применяется в декоративных конструкциях и светосигналах тревоги.
  • SMD-светодиоды. Приборы сверхвысокой яркости располагаются в корпусах, рассчитанных на SMT-монтаж. В их маркировке указываются размеры в дюймах (их сотых долях) или в мм. На базе SMD-светодиодов изготавливаются светодиодные ленты.
Читайте также:  Защита от повторной подачи напряжения

Осветительные светодиоды встречаются в конструкции фонарей, фар, лент. Отличаются мощностью и яркостью свечения. Большинство осветительных приборов размещают в корпусах для SMT-монтажа. Изготавливаются в двух разновидностях белого цвета:

  • cool white – холодный;
  • warm white – теплый.

Осветительный SMD-светодиод представляет собой теплоотводящую подложку, на которой смонтирован излучающий кристалл, обработанный люминофорным составом.

Применение светодиодов

Такая продукция активно применяется в разных областях: световая реклама, домашние и промышленные осветительные приборы, автомобильная светотехника, светофоры и дорожные знаки, дизайн помещений, ландшафтная и архитектурная подсветка, а также многое другое.

  • значительная длительность эксплуатации;
  • экологическая безопасность;
  • высокая надежность и безотказность;
  • экономия электроэнергии;
  • высокое качество освещения;
  • низкие эксплуатационные расходы.

Основные правила подключения светодиодов

Конструкция светодиодов рассчитана на их подключение только к источникам постоянного тока с соблюдением полярности. Существует три варианта определения полярности:

  • По длине ножки (кроме SMD). Более длинная ножка является катодом, а короткая – анодом. В SMD-светодиодах имеется срез (ключ), который всегда располагается ближе к катоду.
  • С помощью мультиметра. Прибор устанавливают в режим «Прозвонка». Красный и черный щупы устанавливают на выводы. Если прибор засветился, то, значит, что красный щуп был подключен к аноду, а черный – к катоду. Если свечение не возникло, значит, надо поменять положение щупов. Если результат не изменился (свечение отсутствует), значит, прибор вышел из строя.

Основные характеристики светодиодов

Две главные характеристики, указываемы в паспорте светоизлучающего прибора:

  • Падение напряжения на приборе. Типичное значение – 3,2 В. Также для каждого светодиода существуют максимально допустимые напряжения Umax и Umaxобр – для прямого и обратного включений.
  • Номинальный ток. Обычно эти приборы рассчитаны на силу тока в 20 мА.

Способы подключения

Простейший вариант – подключение к низковольтному источнику постоянного тока.

Самый удобный и безопасный вариант – подключить светодиод к батарейке или аккумулятору с помощью включения в схему маломощного резистора. Его функция – ограничение тока, протекающего через p-n-переход, определенным значением. Без этого элемента LED быстро утратит рабочие свойства.

Резистор выбирают по сопротивлению и мощности. Расчет сопротивления по формуле:

R = (Uпитания – Uпаспорт.)/Iном., Ом, в которой:

  • Uпитания – напряжение электропитания, В;
  • Uпаспорт. – падение напряжения, паспортное значение, В;
  • Iном. – номинальный ток.

Полученное значение округляют в большую сторону до ближайшей номинальной величины из ряда Е24. После этого рассчитывают мощность, которую должен рассеивать резистор.

P = Iном. 2 х R, где R – выбранное по таблице значение сопротивления.

Провести все эти действия можно быстро и просто с использованием онлайн-калькулятора.

Как подключить светодиоды к сети переменного тока 220 В через блок питания

Существует несколько типов блоков питания:

  • Стабилизированные источники постоянного напряжения для светодиодов на 5 Вольт и 12 Вольт. При колебаниях параметров сети напряжение на выходе такого источника питания остается постоянным и равным заявленной в паспорте величине. LED-светильники подсоединяют через резисторы.
  • Драйвер – импульсный блок питания со стабилизированным током. Характеристики, которые учитывают при его выборе: максимальное и минимальное выходное напряжение, выходной (рабочий) ток. В драйвере присутствует схема, стабилизирующая ток при скачках входного напряжения 220 В. При подключении светодиодного излучателя к драйверу резистор не требуется.

Способы создания схем из нескольких светодиодов – последовательное и параллельное соединение

При подключении нескольких светоизлучающих приборов к источнику питания может использоваться два варианта соединения – последовательное и параллельное.

Последовательное соединение представляет цепь полупроводниковых приборов, в которой катод первого излучателя спаян с анодом следующего – и так далее. Через все элементы последовательной цепи протекает ток одного значения, а падение напряжения суммируется. Мощность БП выбирается равной или превышающей сумму мощностей каждого элемента.

Минусы последовательного соединения:

  • При значительном количестве элементов цепи необходимо выбирать БП большого вольтажа.
  • При выходе из строя одного LED-диода перестает работать вся цепь.

В длинных лентах на 60-70 диодов на каждом элементе происходит падение напряжения примерно на 3 В, то есть такие ленты можно присоединять к сети 220 В через выпрямитель.

При параллельном подсоединении напряжение на всех элементах цепи будет равным, а суммируются токи каждого LED. Основная проблема в данном случае состоит в том, что LED-светильники, даже из одной партии, часто имеют различные характеристики. Поэтому, если поставить один общий резистор, на лампочки может подаваться ток разного значения, вследствие чего некоторые элементы будут светить слишком ярко, а некоторые – тускло. Решение проблемы – установка отдельных резисторов для каждого диода.

Минусы параллельного подключения:

  • большое количество элементов цепи из-за необходимости использования индивидуальных резисторов для каждого диода;
  • существенный рост нагрузки при перегорании одного LED-диода (если используется один мощный резистор на всю цепь).

Это самый подходящий вариант соединения светодиодов, поскольку он позволяет хотя бы частично скомпенсировать недостатки последовательного и параллельного подключений. В этом случае параллельно соединяются цепочки последовательно расположенных элементов. Этот способ применяется в современных елочных гирляндах или лентах. Преимущество такого решения: если даже выйдут из строя одна или несколько параллельных цепочек, остальные будут исправно светить.

Источник