Схема подключения светодиодов в светильнике

Обновлено: 30.04.2024

Подключение светодиода к 220В

Светодиоды в качестве источников света получили широкое распространение. Но они рассчитаны на низкое напряжение питания, а зачастую возникает необходимость включить светодиод в бытовую сеть 220 вольт. При небольших познаниях в электротехнике и умении выполнять несложные расчеты это возможно.

Способы подключения

Стандартные условия работы большинства светодиодов – напряжение 1,5-3,5 В и ток 10-30 мА. При пряом включении прибора в бытовую электросеть время его жизни составит десятые доли секунды. Все проблемы подключения светодиодов в сеть повышенного, по сравнению со штатным рабочим, напряжения, сводятся к тому, чтобы погасить излишек напряжения и ограничить ток, протекающий через светоизлучающий элемент. С этой задачей справляются драйверы – электронные схемы, но они достаточно сложны и состоят из большого числа компонентов. Их применение имеет смысл при питании светодиодной матрицы со множеством светодиодов. Для подключения одного элемента есть более простые пути.

Подключение с помощью резистора

Самый очевидный способ – подключить последовательно со светодиодом резистор. На нем упадет лишнее напряжение, и он ограничит ток.

Схема включения светодиода с балластным резистором.

Расчет этого резистора ведется в такой последовательности:

Пусть имеется светодиод с номинальным током 20 мА и падением напряжения 3 В (фактические параметры надо посмотреть в справочнике). За рабочий ток лучше принять 80% от номинала – LED в облегченных условиях проживет дольше. Iраб=0,8 Iном=16 мА.
На добавочном сопротивлении упадет напряжение питающей сети за вычетом падения напряжения на светодиоде. Uраб=310-3=307 В. Очевидно, что практически все напряжение будет на резисторе.

Важно! При расчетах надо применять не действующее значение напряжения сети (220 В), а амплитудное (пиковое) – 310 В.

Значение добавочного сопротивления находится по закону Ома: R=Uраб/ Iраб. Так как ток выбран в миллиамперах, то сопротивление будет в килоомах: R=307/16= 19,1875. Ближайшее значение из стандартного ряда – 20 кОм.
Чтобы найти мощность резистора по формуле P=UI, надо рабочий ток умножить на падение напряжения на гасящем сопротивлении. При номинале в 20 кОм средний ток будет составлять 220 В/20 кОм=11 мА (здесь можно учитывать действующее напряжение!), и мощность составит 220В*11мА=2420 мВт или 2,42 Вт. Из стандартного ряда можно выбрать резистор мощностью 3 Вт.

Важно! Этот расчет упрощенный, в нем не везде учтено падение напряжения на светодиоде и его сопротивление в открытом состоянии, но для практических целей точность достаточная.

Резистор мощностью 3 Вт.

Так можно подключать цепочку из последовательно соединенных светодиодов. При расчетах надо умножить падение напряжения на одном элементе на их общее количество.

Последовательное подключение диода с высоким обратным напряжением (400 В и более)

У описанного способа есть существенный недостаток. Светодиод, как любой прибор на основе p-n перехода, пропускает ток (и светится) при прямой полуволне переменного тока. При обратной полуволне он заперт. Его сопротивление велико, намного выше балластного сопротивления. И сетевое напряжение амплитудой 310 В, приложенное к цепочке, упадет большей частью на светодиоде. А он не рассчитан на работу в качестве высоковольтного выпрямителя, и может довольно скоро выйти из строя. Для борьбы с этим явлением часто рекомендуют последовательно включать дополнительный диод, выдерживающий обратное напряжение.

Схема включения с дополнительным диодом.

На самом деле при таком включении приложенное обратное напряжение разделится примерно пополам между диодами, и LED будет чуть легче при падении на нем около 150 В или немного меньше, но судьба его будет все равно печальной.

Шунтирование светодиода обычным диодом

Намного более эффективна такая схема включения:

Схема с дополнительным диодом.

Здесь светоизлучающий элемент включен встречно и параллельно дополнительному диоду. При отрицательной полуволне дополнительный диод откроется, и все напряжение окажется приложенным к резистору. Если расчет, проведенный ранее, был верным, то сопротивление не будет перегреваться.

Встречно-параллельное подключение двух светодиодов

При изучении предыдущей схемы не может не прийти мысль – зачем использовать бесполезный диод, когда его можно заменить таким же светоизлучателем? Это верное рассуждение. И логически схема перерождается в следующий вариант:

Схема с дополнительным светодиодом.

Здесь в качестве защитного элемента использован такой же светодиод. Он защищает первый элемент при обратной полуволне и при этом излучает. При прямой полуволне синусоиды светодиоды меняются ролями. Плюсом схемы является полное использование возможностей источника питания. Вместо одиночных элементов можно включать цепочки светодиодов в прямом и обратном направлениях. Для расчета можно использовать тот же принцип, но падение напряжения на светодиодах умножается на их количество, установленное в одном направлении.

С помощью конденсатора

Вместо резистора можно применить конденсатор. В цепи переменного тока он ведет себя в определенной мере как резистор. Его сопротивление зависит от частоты, но в бытовой сети этот параметр неизменен. Для расчета можно взять формулу Х=1/(2*3,14*f*C), где:

X – реактивное сопротивление конденсатора;
f – частота в герцах, в рассматриваемом случае равна 50;
С – емкость конденсатора в фарадах, для пересчета в мкФ использовать коэффициент 10 -6 .

На практике используют формулу:

С – необходимая емкость в мкФ;
Iраб - рабочий ток светодиода;
U-Uд - разница между напряжением питания и падением напряжения на светоизлучающем элементе – имеет практическое значение при применении цепочки светодиодов. При использовании одного светодиода можно с достаточной точностью принять значение U равным 310 В.

Применять конденсаторы можно с рабочим напряжением не менее 400 В. Расчетные значения для токов, характерных для подобных схем, приведены в таблице:

Рабочий ток, мА	10	15	20	25
Емкость балластного конденсатора, мкФ	0,144	0,215	0,287	0,359

Получившиеся значения достаточно далеки от стандартного ряда емкостей. Так, для тока 20 мА отклонение от номинала 0,25 мкФ составит 13%, а от 0,33 мкФ – 14%. Резистор можно подобрать гораздо точнее. Это является первым недостатком схемы. Второй уже упоминался – конденсаторы на 400 и выше В имеют довольно крупные размеры. И это еще не все. При использовании балластной емкости схема обрастает дополнительными элементами:

Схема включения с балластным конденсатором.

Сопротивление R1 устанавливается в целях безопасности. Если схему запитать от 220 В, а потом отключить от сети, то конденсатор не разрядится – без этого резистора цепь разрядного тока будет отсутствовать. При случайном касании выводов емкости легко получить поражение электрическим током. Сопротивление этого резистора можно выбрать в несколько сотен килоом, в рабочем состоянии он зашунтирован емкостью и на работу схемы не влияет.

Резистор R2 нужен для ограничения броска зарядного тока конденсатора. Пока емкость не заряжена, она не будет служить ограничителем тока, и за это время светодиод может успеть выйти из строя. Здесь надо выбрать номинал в несколько десятков Ом, на работу схемы он также не будет иметь влияния, хотя его можно учесть при расчете.

Пример включения светодиода в выключатель света

Один из распространенных примеров практического использования светодиода в цепи 220 В – индикация выключенного состояния бытового выключателя и облегчения поиска его местоположения в темноте. Светодиод здесь работает при токе около 1 мА – свечение будет неярким, но заметным в темноте.

Схема индикации состояния выключателя.

Здесь лампа служит дополнительным ограничителем тока при разомкнутом положении выключателя, и возьмет на себя небольшую долю обратного напряжения. Но основная часть обратного напряжения приложена к резистору, поэтому светодиод здесь относительно защищен.

Видео: ПОЧЕМУ НЕ НАДО СТАВИТЬ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ С ПОДСВЕТКОЙ

Техника безопасности

Технику безопасности при работе в действующих установках регламентируют Правила охраны труда при эксплуатации электроустановок. На домашнюю мастерскую они не распространяются, но их основные принципы при подключении светодиода к сети 220 В надо учесть. Главное правило безопасности при работе с любой электроустановкой – все работы надо выполнять при снятом напряжении, исключив ошибочное или непроизвольное, несанкционированное включение. После отключения выключателя отсутствие напряжения надо проверить тестером. Все остальное – применение диэлектрических перчаток, ковриков, наложение временных заземлений и т.п. трудновыполнимо в домашних условиях, но надо помнить, что мер безопасности мало не бывает.

Почему так сложно сделать питание светодиодов от 220В своими руками?

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:

А мощность рассеивания резистора рассчитывается так:

P = (U_вх - U_LED) 2 / R

где U_вх = 220 В,
U_LED - 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=U_вх/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.

Внимание! Все простейшие схемы подключения светодиодов в 220 вольт имеют непосредственную гальваническую связь с сетью, поэтому прикосновение к ЛЮБОЙ точке схемы - ЧРЕЗВЫЧАЙНО ОПАСНО!

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):

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 (К_п).

Коэфф. пульсаций в общем рассчитывается по сложной формуле с применением интегральной функции, но для гармонических колебаний формула упрощается до следующей:

где Е_мах - максимальное значение освещенности (амплитудное), а Е_мин - 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:

Подставляем исходные данные и вычисляем U_min:

2.5% = (2В - U_min) / (2В + U_min) ⋅ 100% => U_min = 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):

t_зар = arccos(U_min/U_max) / 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:

t_разр = Т - t_зар = 0.02/2 - 0.0010108 = 0.008989 с

Осталось вычислить емкость:

C = I_LED ⋅ 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:

R_c = 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.

Вот здесь можно посмотреть, как еще сильнее усовершенствовать данную схему, добавив в нее стабилизатор тока на одном транзисторе и стабилитроне. Это существенно понизит пульсации и продлит срок службы светодиодов.

Расчет гасящего конденсатора для светодиода

Не буду приводить утомляющие математические выкладки, дам сразу готовую формулу емкости (в Фарадах):

где I - ток через светодиод, f - частота тока (50 Гц), U_вх - действующее значение напряжения сети (220В), U_LED - напряжение на светодиоде.

Если расчет ведется для небольшого числа последовательно включенных светодиодов, то выражение √(U 2 _вх - U 2 _LED) приблизительно равно U_вх, следовательно формулу можно упростить:

а, раз уж мы делаем расчеты под U_вх = 220 вольт, то:

C ≈ 15 ⋅ I_LED [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
I_LED	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.

Внимание! Полярные конденсаторы ни в коем случае нельзя использовать в качестве балластных!

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.

Распространенные способы подключения светодиодов к сетевому напряжению 220 В, варианты схем, пояснение их работы, какие лучше

В этой статье хотелось рассмотреть несколько принципиальных схем подключения обычных индикаторных светодиодов к сетевому напряжению 220 В. Также постараемся с вами разобраться с принципом их действия, выявить имеющиеся достоинства и недостатки.

Распространенные способы подключения светодиодов к сетевому напряжению 220 В Распространенные способы подключения светодиодов к сетевому напряжению 220 В

Для начала стоит уточнить, как именно работает обычный светодиод.

Как работает обычный светодиод Как работает обычный светодиод

Светодиод подобен обычному диоду. В одну сторону он проводит ток, в другую сторону не проводит. У светодиода имеются два вывода, это катод и анод. Если на анод подать плюс источника питания, а на катод минус, необходимого для работы напряжения, то светодиод будет светиться. И это называется прямым включением. Если плюс и минус поменять местами, то светодиод гореть не будет. Это будет уже обратное включение светодиода к источнику питания.

При прямом включении (когда светодиод светится) между катодом и анодом имеется определенное падение напряжения. И в зависимости от цвета светодиода это напряжение может быть в пределах от 1,8 вольт (красный цвет) до 4,5 вольт (синий цвет).

Нормальным током для индикаторных светодиодов считается 20 мА (миллиампер). Допустимо немного превышать это значение, ну пусть до 30 мА. Но вот при большем долговременном токе светодиоды такого типа просто сгорят от перегрева своего кристалла. Хотя кратковременно такие светодиоды могу выдержать и ток до 100 мА (но так лучше не делать).

При обратном включении светодиод через себя ток не пропускает, он закрыт. Ток конечно течет (ток утечки), но его величина очень и очень мала (какие-то микроамперы). При этом напряжение на светодиоде будет равно приложенному к нему напряжению. При этом стоит учесть, что у обычных индикаторных светодиодов максимальный обратный ток не так уж и велик (где-то до 40 вольт). То есть, если при обратном включении на светодиод подать более 40 вольт, то большая вероятность, что он просто выйдет из строя из-за электрического пробоя.

А теперь давайте рассмотрим с вами сами схемы включения светодиодов к сетевому, переменному напряжению 220 вольт. И опять же, для новичков стоит уточнить, что переменное напряжение отличается от постоянного тем, что оно периодически меняет свою полярность на противоположную. И так за секунду аж 100 раз (при частоте 50 Гц).

Простая, но не совсем рабочая, схема подключения светодиода к напряжению 220 вольт через токоограничительный резистор Простая, но не совсем рабочая, схема подключения светодиода к напряжению 220 вольт через токоограничительный резистор

Данная схема является наиболее простой и обычно именно так индикаторный светодиод пытаются подключить к сетевому напряжению 220 вольт. Что в этой схеме не так. Вроде бы мы ток ограничили дополнительным сопротивлением на 24 ком. И величина тока в этой цепи не должна превышать величины в 10 мА (если быть точнее то 9,1 мА, то есть, мы 220 разделили на 24000 Ом и получили силу тока). Светодиод сгореть не должен от чрезмерного тока. Но он может выйти из строя из-за электрического пробоя при обратном подключении, во время работы противоположной волны переменного напряжения. Поскольку к светодиоду прикладывается все 220 вольт, а если быть точнее и говорить об амплитудном значении напряжения, то все 310 вольт. А как я уже ранее написал, что у обычных светодиодов максимальное обратное напряжение где-то всего до 40 вольт. Вот и велика вероятность электрического пробоя полупроводника при таком вот его подключении к 220 вольт. Поэтому данный вариант схемы является потенциально не рабочим, хотя некоторое время работать возможно и будет.

Схема подключения светодиода к 220 вольт с диодной защитой этого светодиода Схема подключения светодиода к 220 вольт с диодной защитой этого светодиода

В этой схеме мы и ток ограничили резистором R1 до безопасного значения при прямом включении светоизлучающего полупроводника и защитили светодиод от электрического пробоя высоким напряжением при обратном его включении. Для тех, кто не понял как работает в этой схеме защитный диод, поясняю. Дело в том, что когда идет противоположная волна переменного тока, то напряжение, величиной 220 вольт, делится между имеющимися тремя элементами – резистор R1, обычный диод VD1 и светодиод VD2. При обратном подключении внутренняя проводимость как у диода, так и у светодиода очень и очень мала. То есть, это подобно тому, что эти элементы при таком подключении имеют бесконечно большое сопротивление. И поэтому благодаря защитному диоду ток утечки полупроводника настолько мал, что его не хватает для полноценного электрического пробоя светодиода. Следовательно, наш светодиод защищен от перенапряжения.

Но в данной схеме все же есть свой недостаток. Это мерцания светодиода с частотой 25 Гц. То есть, при работе только с одной полу волной переменного тока мы из 50 Гц получаем половину (25 Гц). К сожалению, эта частота заметна глазу и она вызывает некий дискомфорт для восприятия. И еще один недостаток, которым обладают все эти схемы, где используется токоограничительный резистор на 24 кОм. Это его относительно большой нагрев. Это если мы 220 В перемножим на 10 мА, то получим мощность, оседающую на резисторе порядка 2,2 Вт. Поэтому в такие схемы ставятся резисторы мощностью не менее 2 Вт, а то и все 5 Вт.

Схема с защитным диодом, подключенным параллельно светодиоду Схема с защитным диодом, подключенным параллельно светодиоду

Данная схема также защищена от перенапряжения при обратном включении светодиода, но тут, как видно, защитный диод стоит параллельно светодиоду. Работа это схемы проста. Как известно, при прямом включении обычного диода на между его катодом и анодом появляется падение напряжения где-то от 0,6 вольт (при малых токах, проходящих через этот диод) до 1,2 вольта (при больших токах). Следовательно, при прямой волне переменного тока у нас будет светится светодиод и на нем будет падение напряжения около 3 вольт. А при противоположной волне переменного тока у нас прямое подключение будет иметь защитный диод VD1. На котором будет около 0,6 вольт. При этом величина тока в этот полупериод также будет около 10 мА. Если сравнивать эту схему и предыдущую, то вариант №2 пожалуй будет лучше, поскольку не тратится лишняя энергия на защитный диод.

Схема, в которой предусмотрена электробезопасность при случайном прикосновении человека к токоведущей части данной схемы Схема, в которой предусмотрена электробезопасность при случайном прикосновении человека к токоведущей части данной схемы

По своей работе и по характеристикам эта схема полностью идентична схеме №2. Но тут учтена безопасность самого человека, который случайно может прикоснутся к токовещущей части этой схемы. А именно, если в схеме №2 фазовый провод будет подключен к месту, что ближе к светодиоду и диоду, то при случайном прикосновении человека к этим местам цепи он может получить значительные повреждения от удара током. Величина тока будет максимальной, и она будет зависеть только от сопротивления тела самого человека. Следовательно, есть большая вероятность получить очень сильный удар током. В схеме №4 мы один общий резистор на 24 кОм разделили на два резистора по 12 кОм. Общее сопротивление осталось также 24 кОм, но вот при случайном прикосновении человека к электрической цепи около светодиода удара будет уже ограничен нашим дополнительным сопротивлением. В итоге поражение током будет гораздо меньше, чем в первом случае.

Схема подключения двух светодиодов к сети 220 вольт, которые имеют противоположную полярность своего включения Схема подключения двух светодиодов к сети 220 вольт, которые имеют противоположную полярность своего включения

Данная схема защищена от перенапряжения при обратном включении дополнительным светодиодом. То есть, при одной полу волне будет работать и светиться один светодиод. На котором будет падение напряжения около 3 вольт. А при противоположной волне переменного тока будет работать второй светодиод, на котором также будет падение напряжения около 3 вольт. Хотя мерцание все же будет заметно глазу, также как и будет происходить нагрев самого резистора.

Схема, где используется ионная лампа в роли светового индикатора Схема, где используется ионная лампа в роли светового индикатора

Хотя мы и рассматриваем тему подключения именно индикаторных светодиодов к сети 220 вольт, но не стоит сбрасывать со счетов обычную ионную лампу. Ее работа принципиально отличается от работы светодиода. Если для свечения светодиода нужен именно ток, то для ионной лампы нужно определенная величина именно напряжения. Обычные ионные лампы зажигаются от приложенного напряжения величиной более 70 вольт. Причем сила тока очень маленькая. Свечение происходит за счет ионизации газа внутри лампы. Сила свечения не такая уж и большая, но для индикации вполне хватает. Ну, а схему подключения вы можете увидеть на рисунке выше.

Схема подключения светодиода к сети 220 вольт с использованием простого бестрансформаторного блока питания с гасящим конденсатором Схема подключения светодиода к сети 220 вольт с использованием простого бестрансформаторного блока питания с гасящим конденсатором

Данная схема является лучшей, среди ранее рассмотренных. Хотя она и содержит больше всего электронных компонентов. Дело в том, что в ней отсутствуют все те недостатки, которые были присущи всем предыдущим схемам. Поскольку в место токоограничительного резистора в этой схеме стоит гасящий конденсатор C1, то нет нагрева этого компонента и не тратится лишняя электроэнергия. Также в данной схеме практически не заметны мерцания поскольку частота полу волн тут уже равна 100 Гц. Увеличение частоты произошло за счет переворачивания полу волн диодным мостом, собранном на диодах VD2-VD5. И также отсутствует проблема, связанная с опасностью пробоя светодиода от высокого обратного напряжения. Обратного напряжения просто нет, опять же за счет использования диодного моста.

И несколько слов о самой работе данной схемы питания индикаторного светодиода от напряжения 220 вольт. Итак, сила тока ограничивается гасящим конденсатором (обязательно должен быть пленочным, не полярным). Величина ограниченного тока зависит от емкости этого конденсатора. Ниже будет таблица зависимости тока от емкости. Емкость в 330 нФ будет соответствовать максимальному току в 22 мА, что для индикаторных светодиодов является номинальным значением.

Параллельно гасящему конденсатору C1 стоит резистор R1, который нужен только для того, чтобы разряжать конденсатор после выключения схемы от сети. Этот резистор не нагревается, поскольку имеет достаточно большое сопротивление. Далее стоит обычный выпрямительный диодный мост. Он из переменного тока делает постоянный, хотя и пульсирующий. Но эти пульсации особо не заметны для глаза. Поскольку ток потребления светодиодом всего до 20 мА, то тут диоды подойдут любые выпрямительные. Я в схеме поставил наиболее распространенные типа 1n4007 (максимальный прямой ток до 1А, максимальное обратное напряжение до 1000 вольт). Еще в схеме стоит дополнительный резистор R2. Он нужен для того, чтобы обезопасить схему в случае возникновения непредвиденных скачков напряжения. Тем самым ограничив ток для безопасного уровня для питания индикаторного светодиода.

Ниже приведена таблица зависимости тока от емкости гасящего конденсатора.

Правила подключения led светильников к выключателю

Любые ремонтные работы в жилом, офисном, торговом помещении сопровождаются электромонтажом, в том числе подключением led светильников и выключателей. Последовательность соответствующих действий в разных ситуациях может отличаться. Обычно во внимание берется класс подключаемого устройства, тип коммутатора.

Одноклавишный выключатель при создании системы освещения?

Перед началом работ желательно изучить схему подключения и специфику выбранного изделия. В некоторых ситуациях целесообразно использовать одноклавишный, двух и трех клавишный выключатель. Соответствующие механизмы требуют соблюдения определенных правил электромонтажа. Если говорить о первом варианте – он самый простой. Например, чтобы подключить светодиодный светильник от одного выключателя, необходимо:

Выполнить подвод фазного и нулевого провода (питание 220 вольт), в идеале от отдельного «автомата»;
Отключить напряжение перед началом электромонтажных работ (удостовериться в этом посредством мультиметра или индикаторной отвертки);
Зачистить провода (оголить жилу не более 5-7 мм);
Снять с выключателя клавишу (обычно достаточно поддеть его отверткой);
Корпус устройства зафиксировать в монтажной коробке на стене;
Внутри основания найти и подключить два контакта.

Отметим, что все электромонтажные работы по подключению трековых led светильников для магазина одежды , люминесцентных, галогенных или ламп накаливания необходимо выполнять с соблюдением ПУЭ. В итоге должно получиться так, чтобы выключатель был установлен в разрыв фазного провода.

Работа с двухклавишным выключателем для спотов

Отличие устройства от первого варианта заключается в наличии двух перекидных контактов в одном корпусе. Принципиально последовательность действий идентична вышеописанной методике. Разница состоит исключительно в числе подсоединяемых к верхней клемме проводов. Устанавливая светодиодный светильник, желательно учитывать такие нюансы:

Подвод фазного провода выполняется к нижней клемме;
Сверху находятся клеммы для проводов, ведущих к отдельной группе источников освещения.

В подключенном состоянии двухклавишный выключатель позволяет активировать по отдельности каждый контур или задействовать сразу два.

Создание бра подсветки через розетку

Если изначально проектом светильник, как и проводка под него в определенном месте, не были предусмотрены, запитать его получится от простой розетки. Соответствующий накладной выключатель допускается фиксировать на стене. Для этого потребуется выполнить подвод фазного и нулевого провода (если последний не подведен к светильникам). Процедуру подключения можно представить в виде нескольких тезисов:

Индикаторной отверткой определяется фазный провод в розетке, который будет использоваться для подключения выключателя
Монтируется сам выключатель
Отключается «автомат», питающий розетку (факт отсутствия напряжения лучше проверить индикаторной отверткой)
Снимается декоративная накладка розетки, к фазному контакту подсоединяется провод от выключателя, нулю – от светильника (с верхней клеммы выключателя провод также идет на светильник).

С целью получения эстетичного вида, электрический кабель можно помещать в соответствующий пластиковый короб или гофру.

Подключение точечного светильника потолочного

Подвесные светильники led допускается питать как от 220, так и 12 вольт. В последнем случае потребуется использование трансформатора. Необходимая схема выбирается исходя из типа применяемого источника освещения, его мощности, технических характеристик. Отметим, что порядок его коммутации мало чем отличается от стандартных методик.

Дизайнерский светильник без блока питания

Многие современные светодиодные устройства рассчитаны на работу от бытовой сети. Это достигается благодаря использованию интегрированного в конструкцию электронного преобразователя, выдающего пониженное напряжение. Схема подключения подобных светильников аналогична вариантам обычного исполнения.

Светодиодный потолочный светильник с блоком питания

В этом случае используется понижающий трансформатор, преобразующий 220 вольт в 12 вольт. Упрощенно устройство называют блоком питания. Сегодня в продаже существуют варианты, рассчитанные на работу с разной мощностью и напряжением. Отметим, что если необходима коммутация 2 и более точек, установка БП выполняется за выключателем. Более детально с принципом можно ознакомиться по схеме. Обычно в блоке питания выполняется защита от КЗ, реализована возможность плавного нарастания напряжения. Устройство выгодно выделяется минимальным уровнем шума.

Светодиодные ленты и светильники

Принцип коммутации идентичен всем вышеописанным способам. Внимание следует обратить разве что на специфику подключения светильника и светодиодной ленты. С этой целью может потребоваться преобразователь напряжения или драйвер. Как и с вариантом точечных устройств, установка блока питания выполняется за выключателем. Каждая лента или прибор подсоединяются к собственному преобразователю. Подобный нюанс позволяет управлять конкретным устройством независимо от других.

Подключение трехклавишного выключателя к led светильнику

Вначале следует разобраться с группами нагрузок. В самом простом случае – это три контура с отдельными лампами. Допускается группировать несколько светильников на одной линии, подсоединенных между собою параллельно. Каждая группа подключается к своей верхней клемме выключателя. Принцип схож, как и с одноклавишным или двухклавишным выключателем. Перед началом работы необходимо внимательно изучить исходные данные, количество потребителей, их характеристики, вид коммутации и управляющего устройства.

Читайте также: