Прочитав этот заголовок, кто-то, возможно, спросит: «А зачем?» Да, если просто воткнуть в розетку, даже включив его по определенной схеме, практического значения это не имеет, никакой полезной информации не принесет. А вот если тот же светодиод подключить параллельно нагревательному элементу, управляемому от терморегулятора, то можно визуально контролировать работу всего прибора. Иногда такая индикация позволяет избавиться от множества мелких проблем и неприятностей.
В свете того, что уже было сказано , задача кажется тривиальной: просто поставил ограничительный резистор нужного номинала, и вопрос решен. Но все это хорошо, если питать светодиод выпрямленным постоянным напряжением: как подключили светодиод в прямом направлении, так он и остался.
При работе на переменном напряжении все не так просто. Дело в том, что на светодиод, кроме прямого напряжения, будет воздействовать еще и напряжение обратной полярности, ведь каждый полупериод синусоида меняет знак на противоположный. Это обратное напряжение не будет засвечивать светодиод, но привести его в негодность может очень быстро. Поэтому приходится принимать меры по защите от этого «вредного» напряжения.
В случае сетевого напряжения расчет гасящего резистора следует вести исходя из величины напряжения 310В. Почему? Здесь все очень просто: 220В это , амплитудное же значение составит 220*1,41=310В. Амплитудное напряжение в корень из двух (1,41) раз больше действующего, и об этом забывать нельзя. Вот такое прямое и обратное напряжение приложится к светодиоду. Именно из величины 310В и следует рассчитывать сопротивление гасящего резистора, и именно от этого напряжения, только обратной полярности, защищать светодиод.
Как защитить светодиод от обратного напряжения
Почти для всех светодиодов обратное напряжение не превышает 20В, ведь никто не собирался делать на них высоковольтный выпрямитель. Как же избавиться от такой напасти, как защитить светодиод от этого обратного напряжения?
Оказывается, все очень просто. Первый способ - последовательно со светодиодом включить обычный с высоким обратным напряжением (не ниже 400В), например, 1N4007 - обратное напряжение 1000В, прямой ток 1А. Именно он не пропустит высокое напряжение отрицательной полярности к светодиоду. Схема такой защиты показана на рис.1а.
Второй способ, не менее эффективный, - просто зашунтировать светодиод другим диодом, включенным встречно - параллельно, рис.1б. При таком способе защитный диод даже не должен быть с высоким обратным напряжением, достаточно любого маломощного диода, например, КД521.
Более того, можно просто включить встречно - параллельно два светодиода: поочередно открываясь, они сами защитят друг друга, да еще и оба будут излучать свет, как показано на рисунке 1в. Это уже получается третий способ защиты. Все три схемы защиты показаны на рисунке 1.
Рисунок 1. Схемы защиты светодиодов от обратного напряжения
Ограничительный резистор на этих схемах имеет сопротивление 24КОм, что при действующем напряжении 220В обеспечивает ток порядка 220/24=9,16мА, можно округлить до 9. Тогда мощность гасящего резистора составит 9*9*24=1944мВт, почти два ватта. Это притом, что ток через светодиод ограничен на уровне 9мА. Но длительное использование резистора на предельной мощности ни к чему хорошему не приведет: сначала он почернеет, а потом совсем сгорит. Чтобы этого не произошло, рекомендуется ставить последовательно два резистора по 12КОм мощностью по 2Вт каждый.
Если задаться уровнем тока в 20мА, то составит еще больше - 20*20*12=4800мВт, без малого 5Вт! Естественно, что печку такой мощности для отопления помещения никто себе позволить не сможет. Это из расчета на один светодиод, а что если будет целая ?
Конденсатор - безваттное сопротивление
Схема, показанная на рисунке 1а, защитным диодом D1 «срезает» отрицательный полупериод переменного напряжения, поэтому и мощность гасящего резистора снижается вдвое. Но, все равно, мощность остается весьма значительной. Поэтому, часто в качестве ограничительного резистора применяют : ток он ограничит ничуть не хуже резистора, а вот тепла выделять не будет. Ведь недаром часто конденсатор называют безваттным сопротивлением. Этот способ включения показан на рисунке 2.
Рисунок 2. Схема включения светодиода через баластный конденсатор
Здесь вроде бы все хорошо, даже есть защитный диод VD1. Но не предусмотрены две детали. Во-первых, конденсатор C1 после выключения схемы может остаться в заряженном состоянии и хранить заряд до тех пор, пока кто-нибудь не разрядит его своей рукой. А это, поверьте, обязательно когда-нибудь произойдет. Удар током получается, конечно, не смертельный, но достаточно чувствительный, неожиданный и неприятный.
Поэтому, во избежание такой неприятности, эти гасящие конденсаторы шунтируются резистором с сопротивлением 200…1000КОм. Такая же защита устанавливается и в бестрансформаторных блоках питания с гасящим конденсатором, в оптронных развязках и некоторых других схемах. На рисунке 3 этот резистор обозначен как R1.
Рисунок 3. Схема подключения светодиода к осветительной сети
Кроме резистора R1, на схеме появляется еще резистор R2. Его назначение ограничить бросок тока через конденсатор при подаче напряжения, что помогает защитить не только диоды, но и сам конденсатор. Из практики известно, что при отсутствии такого резистора конденсатор иногда обрывается, емкость его становится намного меньше номинальной. Излишне говорить, что конденсатор должен быть керамический на рабочее напряжение не менее 400В или специальный для работы в цепях переменного тока на напряжение 250В.
На резистор R2 возлагается еще одна немаловажная роль: в случае пробоя конденсатора он срабатывает как предохранитель. Конечно, светодиоды придется тоже заменить, но, по крайней мере, соединительные провода останутся целыми. По сути дела именно так срабатывает плавкий предохранитель в любом , - транзисторы сгорели, а печатная плата осталась почти нетронутой.
На схеме, показанной на рисунке 3, изображен всего один светодиод, хотя на самом деле их можно включить последовательно несколько штук. Защитный диод вполне справится со своей задачей один, но емкость балластного конденсатора придется, хотя бы приблизительно, но все, же рассчитать.
Для того, чтобы рассчитать сопротивление гасящего резистора, надо из напряжения питания вычесть падение напряжения на светодиоде. Если соединено последовательно несколько светодиодов, то просто сложить их напряжения, и также вычесть из напряжения питания. Зная этот остаток напряжения и требуемый ток, по закону Ома рассчитать сопротивление резистора очень просто: R=(U-Uд)/I*0,75.
Здесь U - напряжение питания, Uд - падение напряжения на светодиодах (если светодиоды включены последовательно, то Uд есть сумма падений напряжения на всех светодиодах), I - ток через светодиоды, R - сопротивление гасящего резистора. Здесь как всегда, - напряжение в Вольтах, ток в Амперах, результат в Омах, 0,75 - коэффициент для повышения надежности. Эта формула уже приводилась в статье .
Величина прямого падения напряжения для светодиодов разных цветов разная. При токе 20мА у красных светодиодов 1,6…2,03В, желтых 2,1…2,2В, зеленых 2,2…3,5В, синих 2,5…3,7В. Самым высоким падением напряжения обладают белые светодиоды, обладающие широким спектром излучения 3,0…3,7В. Нетрудно видеть, что разброс этого параметра достаточно широкий.
Здесь приведены падения напряжения лишь нескольких типов светодиодов, просто по цветам. На самом деле этих цветов намного больше, а точное значение можно узнать лишь в техдокументации на конкретный светодиод. Но зачастую этого и не требуется: чтобы получить приемлемый для практики результат, достаточно подставить в формулу какое-то среднее значение (обычно 2В), конечно, если это не гирлянда из сотни светодиодов.
Для расчета емкости гасящего конденсатора применяется эмпирическая формула C=(4,45*I)/(U-Uд),
где C - емкость конденсатора в микрофарадах, I - ток в миллиамперах, U - амплитудное напряжение сети в вольтах. При использовании цепочки из трех последовательно соединенных белых светодиодов Uд примерно около 12В, U амплитудное напряжение сети 310В, для ограничения тока на уровне 20мА понадобится конденсатор емкостью
C=(4,45*I)/(U-Uд)= C=(4,45*20)/(310-12)= 0,29865мкФ, почти 0,3мкФ.
Ближайшее стандартное значение емкости конденсатора 0,15мкФ, поэтому, для использования в данной схеме придется применить два параллельно соединенных конденсатора. Здесь надо сделать замечание: формула действительна только для частоты переменного напряжения 50Гц. Для других частот результаты будут неверны.
Конденсатор сначала надо проверить
Перед тем, как использовать конденсатор, его необходимо проверить. Для начала просто включить в сеть 220В, лучше через предохранитель 3…5А, и минут через 15 проверить на ощупь, а нет ли заметного нагрева? Если конденсатор холодный, то можно его использовать. В противном случае обязательно взять другой, и тоже предварительно проверить. Ведь все-таки 220В это уже не 12, тут все несколько иначе!
Если эта проверка прошла успешно, конденсатор не нагрелся, то можно проверить, не случилась ли ошибка в расчетах, той ли емкости конденсатор. Для этого надо включить конденсатор как в предыдущем случае в сеть, только через амперметр. Естественно, что амперметр должен быть переменного тока.
Это напоминание о том, что не все современные цифровые мультиметры могут измерять переменный ток: простые дешевые приборы, например, очень популярные у радиолюбителей , способны измерять только постоянный ток, что покажет такой амперметр при измерении переменного тока никому не ведомо. Скорей всего это будет цена на дрова или температура на Луне, но только не переменный ток через конденсатор.
Если измеренный ток будет примерно таким, как получилось при расчете по формуле, то можно смело подключать светодиоды. Если же вместо ожидаемых 20…30мА получилось 2…3А, то тут, либо ошибка в расчетах, либо неправильно прочитана маркировка конденсатора.
Выключатели с подсветкой
Здесь можно заострить внимание еще на одном способе включения светодиода в осветительную сеть, используемого . Если такой выключатель разобрать, то можно обнаружить, что никаких защитных диодов там нет. Так что же, все что написано чуть выше - бред? Совсем нет, просто надо внимательно приглядеться к разобранному выключателю, точнее к номиналу резистора. Как правило, его номинал не менее 200КОм, может даже несколько больше. При этом, очевидно, что ток через светодиод ограничится на уровне около 1мА. Схема выключателя с подсветкой показана на рисунке 4.
Рисунок 4. Схема подключения светодиода в выключателе с подсветкой
Здесь одним резистором убивают сразу несколько «зайцев». Конечно, ток через светодиод будет мал, светиться он будет слабо, но вполне ярко, чтобы разглядеть это свечение темной ночью в комнате. А ведь днем это свечение вовсе не нужно! Так что пусть себе светится незаметно.
При этом слабым будет и обратный ток, настолько слабым, что никоим образом не сможет спалить светодиод. Отсюда экономия ровно на один защитный диод, о котором было рассказано выше. При выпуске миллионов, а может даже миллиардов, выключателей в год экономия получается немалая.
Казалось бы, что после прочтения статей о светодиодах, все вопросы об их применении ясны и понятны. Но существует еще немало тонкостей и нюансов при включении светодиодов в различные схемы. Например, параллельное и последовательное соединение или, по-другому, хорошие и плохие схемы.
Иногда хочется собрать гирлянду из нескольких десятков светодиодов, но как ее рассчитать? Сколько можно включить последовательно светодиодов, если есть блок питания с напряжением 12 или 24В? Эти и другие вопросы будут рассмотрены в следующей статье, которую так и назовем «Хорошие и плохие схемы включения светодиодов».
В статье приводится методика расчета емкости гасящего конденсатора и напряжения но его выводах в цепи активной нагрузки, в частности паяльника, которая позволяет существенно сократить объем вычислений,сведя их до минимума, что упрощает расчеты и сокращает время , необходимое для выбора гасящего конденсатора требуемой емкости и соответствующего номинального напряжения.
В приведенном материале предлагается методика расчета емкости конденсатора и напряжения на нем при его последовательном включении с паяльником, причем рассматриваются два варианта. В первом варианте необходимо уменьшить мощность паяльника на требуемую величину с помощью гасящего конденсатора, а во втором - включить низковольтный паяльник в сеть 220 В, погасив излишек напряжения конденсатором.
Осуществление первого варианта (рис.1) предполагает два вычисления с исходными данными (ток, потребляемый паяльником из сети I и сопротивление паяльника R1), затем два промежуточных вычисления (ток, потребляемый паяльником при меньшей его мощности на требуемую величину II и емкостное сопротивление конденсатора Rc) и, наконец, два последних вычисления, которые дают искомые
рис.1
величины емкость конденсатора С на частоте 50 Гц и напряжение на выводах конденсатора Uc). Таким образом, для решения задачи по первому варианту необходимо осуществить 6 вычислений.
По второму варианту (рис.2), чтобы решить задачу, необходимо произвести с исходными данными два вычисления, как и в первом варианте, а именно: найти ток
I, потребляемый паяльником из сети, и сопротивление паяльника R, затем следует одно промежуточное вычисление, из которого, как и в первом варианте, находится емкостное сопротивление конденсатора Rc и, наконец, два последних вычисления, из которых определяют емкость конденсатора С при частоте 50 Гц и на-
рис.2
пряжение на выводах конденсатора Uc. Таким образом, для решения задачи по второму варианту необходимо осуществить пять вычислений.
Решение задач по обоим вариантам требует определенных затрат во времени. Методика не позволяет сразу в одно действие, минуя исходные и промежуточные расчеты, определить емкость гасящего конденсатора и соответственно напряжение на его выводах.
Удалось найти выражения, которые позволяют сразу в одно действие вычислить емкость гасящего конденсатора, а затем напряжение на его выводах для первого варианта. Подобным образом получено выражение для определения емкости гасящего конденсатора для второго варианта.
Вариант 1. Располагаем паяльником 100 Вт 220 В и желаем эксплуатировать его при мощности 60 Вт, используя при этом последовательно включенный с ним гасящий конденсатор. Исходные данные: номинальная мощность паяльника Р = 100 Вт; номинальное напряжение сети U = 220 В; требуемая мощность паяльника Р1 = 60 Вт. Требуется вычислить емкость конденсатора и напряжение на его выводах согласно рис.1. Формула для расчета емкости гасящего конденсатора имеет вид:
С = Р∙10 6 /2πf 1 U 2 (P/P 1 - 1) 0,5 (мкФ).
При частоте питающей сети = 50 Гц формула принимает вид:
С =3184,71 Р/U 2 (Р/Р 1 - 1) 0,5 =
3184,71-100 /220 2 (100/60-1)=8,06 мкФ.
В контрольном примере емкость конденсатора равняется 8,1 мкФ, т.е. имеем полное совпадение результата. Напряжение на выводах конденсатора равно
Uс = (РР 1) 0,5 ∙10 6 /2πf 1 СU (В).
При частоте сети f 1 = 50 Гц формула упрощается:
Uc = 3184,71 (PP 1) 0,5 /CU =
3184,71(60∙100) 0,5 /8,06 220 =
139,1 В.
В контрольном примере Uc = 138 В, т.е. практическое совпадение результата. Таким образом, для решения задачи по первому варианту вместо шести вычислений нужно сделать всего два (без промежуточных расчетов). При необходимости емкостное сопротивление конденсатора можно сразу вычислить по формуле:
Rc = U 2 (P/P, - 1) 0,5 /Р =
220 2 (100/60 - 1) 0,5 /100 = 395,2 Ом.
В контрольном примере Rc = 394 Ом, т.е. практическое совпадение.
Вариант 2. Располагаем паяльником мощностью 25 Вт, напряжением 42 В и хотим включить его в сеть 220 В. Необходимо рассчитать емкость гасящего конденсатора, последовательно включенного в цепь паяльника, и напряжение на его выводах согласно рис.2. Исходные данные: номинальная емкость паяльника Р = 25 Вт; номинальное напряжение Ur = 42 В; напряжение сети U = 220 В. Формула для расчета емкости конденсатора имеет вид:
С = Р∙10 6 /2πf 1 Ur(U 2 - Ur 2) 0,5 мкФ.
При частоте сети f 1 = 50 Гц формула принимает вид:
С = 3184,71 P/Ur(U 2 - Ur 2) 0,5 =
3184,71 -25/42(220 2 - 42 2) =
8,77 мкФ.
Напряжение на выводах конденсатора легко определить, пользуясь исходными данными, по теореме Пифагора:
Uc = (U 2 - Ur 2) 0,5 = (220 2 - 42 2) =
216 В.
Таким образом, для решения задачи по второму варианту вместо пяти вычислений необходимо осуществить только два. При необходимости величину емкостного сопротивления конденсатора, для данного варианта, можно определить по формуле:
Rc = Ur(U 2 - Ur 2) 0,5 /P =
42(220 2 - 42 2)/25 = 362,88 Ом.
По контрольному примеру Rc = 363 Ом. Гасящий конденсатор С на приведенных рисунках желательно зашунтировать разрядным резистором МЛТ-0,5 номиналом 300...500 кОм.
Выводы. Предлагаемая методика расчета емкости гасящего конденсатора и напряжения на его выводах позволяет существенно сократить объем вычислений, сведя их до минимума.
К. В. Коломойцев.
Питать низковольтную электро- и радиоаппаратуру выгоднее и проще от сети. Для этого наиболее приемлемы трансформаторные блоки питания, поскольку они безопасны в эксплуатации. Однако интерес к бестрансформаторным блокам питания (БТБП) со стабилизированным выходным напряжением не ослабевает. Одна из причин - сложность изготовления трансформатора. А вот для БТБП он не нужен - необходим лишь правильный расчет, но как раз это и пугает малоопытных начинающих электриков. Эта статья поможет сделать расчет и облегчит конструирование бестрансформаторного блока питания.
Упрощенная схема БПТП приведена на рис. 1. Диодный мост VD1 подключен к сети через гасящий конденсатор С гас, включенный последовательно с одной из диагоналей моста. Другая диагональ моста работает на нагрузку блока - резистор R н. Параллельно нагрузке подключены фильтрующий конденсатор С ф и стабилитрон VD2.
Расчет блока питания начинают с задания напряжения U н на нагрузке и силы тока I н. потребляемого нагрузкой. Чем больше будет емкость конденсатора С гас, тем выше энергетические возможности БПТП.
Расчет емкостного сопротивления
В таблице приведены данные по емкостному сопротивлению Х с конденсатора С гас на частоте 50 Гц и среднему значению тока I ср, пропускаемого конденсатором С гас, вычисленные для случая, когда R н =0, то есть при коротком замыкании нагрузки. (Ведь к этому аномальному режиму работы БТБП не чувствителен, и в этом еще одно огромное преимущество перед трансформаторными блоками питания.)Иные значения емкостного сопротивления Х с (в килоомах) и среднего значения тока I ср (в миллиамперах) можно вычислить по формулам:
С гас - емкость гасящего конденсатора в микрофарадах.
Если исключить стабилитрон VD2, то напряжение U н на нагрузке и ток I н через нее будет зависеть от нагрузки R н. Подсчитать эти параметры легко по формулам:
U н - в вольтах, R н и Х н - в килоомах, I н - в миллиамперах, С гас - в микрофарадах. (Далее в формулах используются те же единицы измерения.)
С уменьшением сопротивления нагрузки напряжение на ней тоже уменьшается, причем по нелинейной зависимости. А вот ток, проходящий через нагрузку возрастает, правда, весьма незначительно. Так, например, уменьшение R н с 1 до 0,1 кОм (ровно в 10 раз) ведет к тому, что U н снижается в 9,53 раза, а ток через нагрузку увеличивается всего лишь в 1,05 раза. Эта "автоматическая" стабилизация тока выгодно отличает БТБП.от трансформаторных источников питания.
Мощность Р н на нагрузке, вычисляемая по формуле:
с уменьшением R н снижается почти столь же интенсивно, как и U н. Для того же примера потребляемая нагрузкой мощность уменьшается в 9,1 раза.
Поскольку ток I н нагрузки при сравнительно небольших значениях сопротивления R н и напряжения U н на ней меняется крайне мало, на практике вполне допустимо пользоваться приближенными формулами:
Восстановив стабилитрон VD2, получим стабилизацию напряжения U н на уровне U ст - значения практически постоянного для каждого конкретного стабилитрона. И при небольшой нагрузке (большом сопротивлении R н) станет выполняться равенство U н =U ст.
Расчет сопротивления нагрузки
До каких же пределов можно уменьшать R н, чтобы равенство U н =U ст было справедливо? До тех, пока выполняется неравенство:
Следовательно, если сопротивление нагрузки окажется меньше рассчитанного R н, напряжение на нагрузке уже не будет равно напряжению стабилизации, а окажется несколько меньше, поскольку ток через стабилитрон VD2 прекратится.
Расчет допустимого тока через стабилитрон
А теперь определим, какой ток I н будет течь через нагрузку R н и какой ток - через стабилитрон VD2. Понятно, что
По мере уменьшения сопротивления нагрузки потребляемая ею мощность P н =I н U н =U 2 ст /R н возрастает. А вот средняя потребляемая БПТП мощность, равная
остается неизменной. Объясняется это тем, что ток I ср разветвляется на два - I н и I ст - и, в зависимости от сопротивления нагрузки, перераспределяется между R н и стабилитроном VD2, причем так, что чем меньше сопротивление нагрузки R н, тем меньший ток идет через стабилитрон, и наоборот. Значит, если нагрузка мала (или вовсе отсутствует), стабилитрон VD2 будет находиться в наиболее тяжелых условиях. Вот почему снимать нагрузку с БПТП не рекомендуется, иначе весь ток пойдет через стабилитрон, что может привести к выходу его из строя.
Амплитудное значение напряжения сети равно 220·√2=311(B). Импульсное значение тока в цепи, если условно пренебречь конденсатором С ф, может достигать
Соответственно, стабилитрон VD2 должен надежно выдерживать этот импульсный ток при случайном отключении нагрузки. Не следует забывать и о возможных перегрузках по напряжению в осветительной сети, составляющих 20...25% от номинала, и рассчитывать ток, проходящий через стабилитрон при отключенной нагрузке с учетом поправочного коэффициента 1,2...1,25.
Если нет мощного стабилитрона
Когда стабилитрона подходящей мощности нет, его полноценно удается заменить диодно-транзисторным аналогом. Но тогда БТБП следует строить по схеме, показанной на рис. 2. Здесь ток, протекающий через стабилитрон VD2, уменьшается пропорционально статическому коэффициенту передачи тока базы мощного n-p-n транзистора VT1. Напряжение UCT аналога будет примерно на 0,7В превышать U ст самого маломощного стабилитрона VD2, если транзистор VT1 кремниевый, или на 0,3В - если он германиевый.Здесь применим и транзистор структуры p-n-p. Однако тогда используют схему, показанную на рис. 3.
Расчет однополупериодного блока
Наряду с двухполупериодным выпрямителем в БТБП иногда применяют и простейший однополупериодный (рис. 4). В таком случае его нагрузка R н питается лишь положительными полупериодами переменного тока, а отрицательные проходят через диод VD3, минуя нагрузку. Поэтому средний ток I ср через диод VD1 будет вдвое меньше. Значит при расчете блока вместо Х с следует брать в 2 раза большее сопротивление, равное
а средний ток при замкнутой накоротко нагрузке будет равен 9,9·πС гас =31,1 С гас. Дальнейший расчет такого варианта БПТП ведут совершенно аналогично предыдущим случаям.
Расчет напряжения на гасящем конденсаторе
Принято считать, что при напряжении сети 220В номинальное напряжение гасящего конденсатора С гас должно быть не менее 400В, то есть примерно с 30-процентным запасом по отношению к амплитудному сетевому, поскольку 1,3·311=404(В). Однако в некоторых наиболее ответственных случаях его номинальное напряжение должно быть 500 и даже 600В.И еще. Подбирая подходящий конденсатор С гас, следует учитывать, что применять в БТБП конденсаторы типа МБМ, МБПО, МБГП, МБГЦ-1, МБГЦ-2 нельзя, так как они не рассчитаны на работу в цепях переменного тока с амплитудным значением напряжения, превышающим 150В.
Наиболее надежно в БТБП работают конденсаторы МБГЧ-1, МБГЧ-2 на номинальное напряжение 500В (от старых стиральных машин, люминесцентных светильников и т.п.) или КБГ-МН, КБГ-МП, но на номинальное напряжение 1000В.
Фильтрующий конденсатор
Емкость Фильтрующего конденсатора С ф аналитическим путем рассчитать затруднительно. Поэтому ее подбирают экспериментально. Ориентировочно следует считать, что на каждый миллиампер среднего потребляемого тока требуется брать как минимум 3...10 мкФ этой емкости, если выпрямитель БТБП двухполупериодный, или 10...30 мкФ, если он однополупериодный.Номинальное напряжение используемого оксидного конденсатора С ф должно быть не менее U ст ·А если стабилитрона в БТБП нет, а нагрузка включена постоянно, номинальное напряжение фильтрующего конденсатора должно превышать значение:
Если нагрузка не может быть включена постоянно, а стабилитрон отсутствует, номинальное напряжение фильтрующего конденсатора должно составлять более 450В, что вряд ли приемлемо из-за больших размеров конденсатора С ф. Кстати, в этом случае снова подключать нагрузку следовало бы лишь после отключения БТБП от сети.
И это еще не все
Любой из возможных вариантов БТБП желательно дополнить еще двумя вспомогательными резисторами. Один из них, сопротивление которого может быть в пределах 300кОм...1МОм, включают параллельно конденсатору С гас. Этот резистор нужен для ускорения разрядки конденсатора С гас после отключения устройства от сети. Другой - балластный - сопротивлением 10...51 Ом включают в разрыв одного из сетевых проводов, например, последовательно с конденсатором С гас. Этот резистор будет ограничивать ток через диоды моста VD1 в момент подключения БТБП к сети. Мощность рассеяния обоих резисторов должна быть не менее 0,5 Вт, что нужно для гарантии от возможных поверхностных пробоев этих резисторов высоким напряжением. За счет балластного резистора стабилитрон будет нагружен несколько меньше, но вот средняя потребляемая БТБП мощность заметно увеличится.Какие взять диоды
Функцию двухполупериодного выпрямителя БТБП по схемам на рис. 1...3 могут выполнять диодные сборки серии КЦ405 или КЦ402 с буквенными индексами Ж или И, если средний ток не превышает 600 мА, либо с индексами А, Б, если значение тока достигает 1 А. Пригодны также четыре отдельных диода, включенных по схеме моста, например серий КД105 с индексами Б, В или Г, Д226 Б или В - до 300 мА, КД209 А, Б или В - до 500...700 мА, КД226 В, Г или Д - до 1,7 А.Диоды VD1 и VD3 в БТБП по схеме на рис. 4 могут быть любыми из перечисленных выше. Допустимо также использовать две диодные сборки КД205К В,Г или Д в расчете на ток до 300 мА либо КД205 А,В,Ж или И - до 500 мА.
И последнее. Бестрансформаторный блок питания, а также аппаратура, подключенная к нему, подключены в сеть переменного тока непосредственно! Поэтому они должны быть надежно за-изолированы снаружи, скажем, размещены в пластмассовом корпусе. Кроме того, категорически запрещается "заземлять" какой-либо из их выводов, а также вскрывать корпус при включенном устройстве.
Предлагаемая методика расчета БПТП опробована автором на практике в течение ряда лет. Весь расчет ведется, исходя из того, что БПТП - это по существу параметрический стабилизатор напряжения, в котором роль ограничителя тока выполняет гасящий конденсатор.
Журнал «САМ» №5, 1998 год
Светоиндикация – это неотъемлемая часть электроники, с помощью которой человек легко понимает текущее состояние прибора. В бытовых электронных устройствах роль индикации, выполняет светодиод, установленный во вторичной цепи питания, на выходе трансформатора или стабилизатора. Однако в быту используется и множество простых электронных конструкций, неимеющих преобразователя, индикатор в которых был бы нелишним дополнением. Например, вмонтированный в клавишу настенного выключателя светодиод, стал бы отличным ориентиром расположения выключателя ночью. А светодиод в корпусе удлинителя с розетками будет сигнализировать о наличии его включения в электросеть 220 В.
Ниже представлено несколько простых схем, с помощью которых даже человек с минимальным запасом знаний электротехники сможет подключить светодиод к сети переменного тока.
Схемы подключения
Светодиод – это разновидность полупроводниковых диодов с напряжением и током питания намного меньшим, чем в бытовой электросети. При прямом подключении в сеть 220 вольт, он мгновенно выйдет из строя. Поэтому светоизлучающий диод обязательно подключается только через токоограничивающий элемент. Наиболее дешевыми и простыми в сборке является схемы с понижающим элементом в виде резистора или конденсатора.
Важный момент, на который нужно обратить внимание при подключении светодиода в сеть переменного тока – это ограничение обратного напряжения. С этой задачей легко справляется любой кремниевый диод, рассчитанный на ток не менее того, что течет в цепи. Подключается диод последовательно после резистора или обратной полярностью параллельно светодиоду.
Существует мнение, что можно обойтись без ограничения обратного напряжения, так как электрический пробой не вызывает повреждения светоизлучающего диода. Однако обратный ток может вызвать перегрев p-n перехода, в результате чего произойдет тепловой пробой и разрушение кристалла светодиода.
Вместо кремниевого диода можно использовать второй светоизлучающий диод с аналогичным прямым током, который подключается обратной полярностью параллельно первому светодиоду.
Отрицательной стороной схем с токоограничивающим резистором является необходимость в рассеивании большой мощности. Эта проблема становится особо актуальной, в случае подключения нагрузки с большим потребляемым током. Решается данная проблема путем замены резистора на неполярный конденсатор, который в подобных схемах называют балластным или гасящим.
Включенный в сеть переменного тока неполярный конденсатор, ведет себя как сопротивление, но не рассеивает потребляемую мощность в виде тепла.
В данных схемах, при выключении питания, конденсатор остается не разряженным, что создает угрозу поражения электрическим током.
Данная проблема легко решается путем подключения к конденсатору шунтирующего резистора мощностью 0,5 ватт с сопротивлением не менее 240 кОм.
Расчет резистора для светодиода
Во всех выше представленных схемах с токоограничивающим резистором расчет сопротивления производится согласно закону Ома: R = U/I, где U – это напряжение питания, I – рабочий ток светодиода. Рассеиваемая резистором мощность равна P = U * I. Эти данные можно рассчитать при помощи .
Важно. Если планируется использовать схему в корпусе с низкой конвекцией, рекомендуется увеличить максимальное значение рассеиваемой резистором мощности на 30%.
Расчет гасящего конденсатора для светодиода
Расчёт ёмкости гасящего конденсатора (в мкФ) производится по следующей формуле: C = 3200*I/U, где I – это ток нагрузки, U – напряжение питания. Данная формула является упрощенной, но ее точности достаточно для последовательного подключения 1-5 слаботочных светодиодов.
Важно. Для защиты схемы от перепадов напряжения и импульсных помех, гасящий конденсатор нужно выбирать с рабочим напряжением не менее 400 В.
Конденсатор лучше использовать керамический типа К73–17 с рабочим напряжением более 400 В или его импортный аналог. Нельзя использовать электролитические (полярные) конденсаторы.
Это нужно знать
Главное – это помнить о технике безопасности. Представленные схемы питаются от 220 В сети переменного тока, поэтому требуют во время сборки особого внимания.
Подключение светодиода в сеть должно осуществляться в четком соответствии с принципиальной схемой. Отклонение от схемы или небрежность может привести к короткому замыканию или выходу из строя отдельных деталей.
Собирать бестрансформаторные источники питания следует внимательно и помнить, что они не имеют гальванической развязки с сетью. Готовая схема должна быть надёжно изолирована от соседних металлических деталей и защищена от случайного прикосновения. Демонтировать её можно только с отключенным напряжением питания.
Небольшой эксперимент
Чтобы немного разбавить скучные схемы, предлагаем ознакомится с небольшим экспериментом, который будет интересен как начинающим радиолюбителям, так и опытным мастерам.
Читайте так же
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 = (U вх - U LED) / I
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):
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 (К п).
Коэфф. пульсаций в общем рассчитывается по сложной формуле с применением интегральной функции, но для гармонических колебаний формула упрощается до следующей:
К п = (Е max - E min) / (E max + E min) ⋅ 100%,
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.
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:
К п = (U max - U min) / (U max + U min) ⋅ 100%
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.
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 , 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√(U 2 вх - U 2 LED)) [Ф],
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:
C ≈ 3183 ⋅ I LED / U вх [мкФ]
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 , которые называются драйверами.
