Прочитавши цей заголовок, хтось, можливо, запитає: «А навіщо?» Так, якщо просто увіткнути світлодіод в розетку, навіть включивши його за певною схемою, практичного значення це не має, ніякої корисної інформації не принесе. А ось якщо той же світлодіод підключити паралельно нагрівального елементу, керованого від терморегулятора, то можна візуально контролювати роботу всього приладу. Іноді така індикація дозволяє позбутися від безлічі дрібних проблем і неприємностей.
При роботі на змінній напрузі все не так просто. Справа в тому, що на світлодіод, крім прямого напруги, буде впливати ще й напруга зворотної полярності, адже кожен напівперіод синусоїда змінює знак на протилежний. Це зворотне напругу не буде засвічувати світлодіод, але привести його в непридатність може дуже швидко. Тому доводиться вживати заходів щодо захисту від цього «шкідливого» напруги.
У разі мережевої напруги розрахунок резистором слід вести виходячи з величини напруги 310В. Чому? Тут все дуже просто: 220В це діюча напруга, амплітудне ж значення складе 220 * 1,41 = 310В. Амплітудне напруга в корінь з двох (1,41) разів більше чинного, і про це забувати не можна. Ось таке пряме і зворотне напруга додасться до світлодіоду. Саме з величини 310В і слід розраховувати опір резистором, і саме від цієї напруги, тільки зворотної полярності, захищати світлодіод.
Як захистити світлодіод від зворотного напруги
Майже для всіх світлодіодів зворотна напруга не перевищує 20В, адже ніхто не збирався робити на них високовольтний випрямляч. Як же позбутися від такої напасті, як захистити світлодіод від цього зворотного напруги?
Виявляється, все дуже просто. Перший спосіб - послідовно з світлодіодом включити звичайний випрямний діод з високим зворотною напругою (не нижче 400В), наприклад, 1N4007 - зворотна напруга 1000В, прямий струм 1А. Саме він не пропустить висока напруга негативної полярності до світлодіоду. Схема такого захисту показана на мал.1а.
Другий спосіб, не менш ефективний, - просто зашунтувати світлодіод іншим діодом, включеним зустрічно - паралельно, рис.1б. При такому способі захисний діод навіть не повинен бути з високим зворотною напругою, досить будь-якого малопотужного діода, наприклад, КД521.
Більш того, можна просто включити зустрічно - паралельно два світлодіода: по черзі відкриваючись, вони самі захистять один одного, та ще й обидва будуть випромінювати світло, як показано на малюнку 1в. Це вже виходить третій спосіб захисту. Всі три схеми захисту показані на малюнку 1.
Малюнок 1. Схеми захисту світлодіодів від зворотного напруги
Обмежувальний резистор на цих схемах має опір 24КОм, що при чинному напрузі 220В забезпечує струм порядку 220/24 = 9,16мА, можна округлити до 9. Тоді потужність резистором складе 9 * 9 * 24 = 1944мВт, майже два вати. Це при тому, що струм через світлодіод обмежений на рівні 9ма. Але тривале використання резистора на граничній потужності ні до чого доброго не приведе: спочатку він почорніє, а потім зовсім згорить. Щоб цього не сталося, рекомендується ставити послідовно два резистора по 12кОм потужністю по 2Вт кожен.
Якщо задатися рівнем струму в 20 мА, то потужність резистора складе ще більше - 20 * 20 * 12 = 4800мВт, без малого 5Вт! Природно, що грубку такої потужності для опалення приміщення ніхто собі дозволити не зможе. Це з розрахунку на один світлодіод, а що якщо буде ціла світлодіодна гірлянда?
Конденсатор - безваттное опір
Схема, показана на малюнку 1а, захисним діодом D1 «зрізає» негативний напівперіод змінної напруги, тому і потужність резистором знижується вдвічі. Але, все одно, потужність залишається досить значною. Тому, часто в якості обмежувального резистора застосовують баластовий конденсатор. ток він обмежить нітрохи не гірше резистора, а ось тепла виділяти не буде. Адже недарма часто конденсатор називають безваттним опором. Цей спосіб включення показаний на малюнку 2.
Малюнок 2. Схема включення світлодіода через балластний конденсатор
Тут начебто все добре, навіть є захисний діод VD1. Але не передбачені дві деталі. По-перше, конденсатор C1 після виключення схеми може залишитися в зарядженому стані і зберігати заряд до тих пір, поки хто-небудь не розрядить його своєю рукою. А це, повірте, обов'язково коли-небудь станеться. Удар струмом виходить, звичайно, не смертельний, але досить чутливий, несподіваний і неприємний.
Тому, щоб уникнути такої неприємності, ці гасять конденсатори шунтуються резистором з опором 200 ... 1000КОм. Такий самий захист встановлюється і в бестрансформаторних блоках харчування з гасить конденсатором, в оптронні розв'язках та деяких інших схемах. На малюнку 3 цей резистор позначений як R1.
Малюнок 3. Схема підключення світлодіода до освітлювальної мережі
Крім резистора R1, на схемі з'являється ще резистор R2. Його призначення обмежити кидок струму через конденсатор при подачі напруги, що допомагає захистити не тільки діоди, але і сам конденсатор. З практики відомо, що при відсутності такого резистора конденсатор іноді обривається, ємність його стає набагато менше номінальної. Зайве говорити, що конденсатор повинен бути керамічний на робочу напругу не менше 400В або спеціальний для роботи в ланцюгах змінного струму на напругу 250В.
На резистор R2 покладається ще одна важлива роль: в разі пробою конденсатора він спрацьовує як запобіжник. Звичайно, світлодіоди доведеться теж замінити, але, по крайней мере, з'єднувальні дроти залишаться цілими. По суті справи саме так спрацьовує плавкий запобіжник в будь-якому імпульсному блоці живлення. - транзистори згоріли, а друкована плата залишилася майже недоторканою.
На схемі, показаної на малюнку 3, зображений всього один світлодіод, хоча насправді їх можна включити послідовно кілька штук. Захисний діод цілком впорається зі своїм завданням один, але ємність баластного конденсатора доведеться, хоча б приблизно, але все, же розрахувати.
Як розрахувати ємність гасить конденсатора
Для того, щоб розрахувати опір резистором, треба з напруги харчування відняти падіння напруги на світлодіоді. Якщо з'єднане послідовно кілька світлодіодів, то просто скласти їх напруги, і також відняти від напруги живлення. Знаючи цей залишок напруги і необхідний струм, згідно із законом Ома розрахувати опір резистора дуже просто: R = (U-Uд) / I * 0,75.
Тут U - напруга живлення, Uд - падіння напруги на світлодіодах (якщо світлодіоди включені послідовно, то Uд є сума падінь напруги на всіх світлодіодах), I - струм через світлодіоди, R - опір резистором. Тут як завжди, - напруга в Вольтах, ток в Амперах, результат в Омах, 0,75 - коефіцієнт для підвищення надійності. Ця формула вже наводилася в статті «Про використання світлодіодів».
Величина прямого падіння напруги для світлодіодів різних кольорів різна. При струмі 20мА у червоних світлодіодів 1,6 ... 2,03В, жовтих 2,1 ... 2,2В, зелених 2,2 ... 3,5 В, синіх 2,5 ... 3,7. Найвищим падінням напруги мають білі світлодіоди, що володіють широким спектром випромінювання 3,0 ... 3,7. Неважко бачити, що розкид цього параметра досить широкий.
Тут наведено падіння напруги лише декількох типів світлодіодів, просто за кольорами. Насправді цих квітів набагато більше, а точне значення можна дізнатися лише в техдокументації на конкретний світлодіод. Але найчастіше цього і не потрібно: щоб отримати прийнятний для практики результат, досить підставити в формулу якесь середнє значення (зазвичай 2В), звичайно, якщо це не гірлянда з сотні світлодіодів.
Для розрахунку ємності гасить конденсатора застосовується емпірична формула C = (4,45 * I) / (U-Uд),
де C - ємність конденсатора в мікрофарадах, I - струм в міліампер, U - амплітудне напруга мережі в вольтах. При використанні ланцюжка з трьох послідовно з'єднаних білих світлодіодів Uд приблизно близько 12В, U амплітудне напруга мережі 310В, для обмеження струму на рівні 20мА знадобиться конденсатор ємністю
C = (4,45 * I) / (U-Uд) = C = (4,45 * 20) / (310-12) = 0,29865мкФ, майже 0,3мкФ.
Найближче стандартне значення ємності конденсатора 0,15мкФ, тому, для використання в даній схемі доведеться застосувати два паралельно з'єднаних конденсатора. Тут треба зробити зауваження: формула дійсна тільки для частоти змінної напруги 50Гц. Для інших частот результати будуть невірні.
Конденсатор спочатку треба перевірити
Перед тим, як використовувати конденсатор, його необхідно перевірити. Для початку просто включити в мережу 220В, краще через запобіжник 3 ... 5А, і хвилин через 15 перевірити на дотик, а чи немає помітного нагрівання? Якщо конденсатор холодний, то можна його використовувати. В іншому випадку обов'язково взяти інший, і теж попередньо перевірити. Адже все-таки 220В це вже не 12, тут все трохи інакше!
Якщо ця перевірка пройшла успішно, конденсатор не нагрівся, то можна перевірити, чи не трапилася помилка в розрахунках, тієї чи ємності конденсатор. Для цього треба включити конденсатор як в попередньому випадку в мережу, тільки через амперметр. Природно, що амперметр повинен бути змінного струму.
Це нагадування про те, що не всі сучасні цифрові мультиметри можуть вимірювати змінний струм: прості дешеві прилади, наприклад, дуже популярні у радіоаматорів серії DT838. здатні вимірювати тільки постійний струм, що покаже такий амперметр при вимірюванні змінного струму ніхто не знає. Швидше за все це буде ціна на дрова або температура на Місяці, але тільки не змінний струм через конденсатор.
Вимикачі з підсвічуванням
Тут можна загострити увагу ще на одному способі включення світлодіода в освітлювальну мережу, що використовується в вимикачах з підсвічуванням. Якщо такий вимикач розібрати, то можна виявити, що ніяких захисних діодів там немає. Так що ж, все що написано трохи вище - маячня? Зовсім ні, просто треба уважно придивитися до розібраному вимикача, точніше до номіналу резистора. Як правило, його номінал не менше 200кОм, може навіть трохи більше. При цьому, очевидно, що струм через світлодіод обмежиться на рівні близько 1 мА. Схема вимикача з підсвічуванням показана на малюнку 4.
Малюнок 4. Схема підключення світлодіода в вимикачі з підсвічуванням
Тут одним резистором вбивають відразу кілька «зайців». Звичайно, струм через світлодіод буде малий, світитися він буде слабо, але цілком яскраво, щоб розгледіти це світіння темної ночі в кімнаті. А адже днем це світіння зовсім не потрібно! Так що нехай собі світиться непомітно.
При цьому слабким буде і зворотний струм, настільки слабким, що жодним чином не зможе спалити світлодіод. Звідси економія рівно на один захисний діод, про який йшлося вище. При випуску мільйонів, а може навіть мільярдів, вимикачів в рік економія виходить чимала.
Здавалося б, що після прочитання статей про світлодіодах, всі питання про їх застосування ясні і зрозумілі. Але існує ще чимало тонкощів і нюансів при включенні світлодіодів в різні схеми. Наприклад, паралельне і послідовне з'єднання або, по-іншому, хороші і погані схеми.
Іноді хочеться зібрати гірлянду з декількох десятків світлодіодів, але як її розрахувати? Скільки можна включити послідовно світлодіодів, якщо є блок живлення з напругою 12 або 24 В? Ці та інші питання будуть розглянуті в наступній статті, яку так і назвемо «Хороші і погані схеми включення світлодіодів».