Простейшие в 220 вольт без драйвера (самое простое питание светодиода от сети напряжением 220В)

Немного теории

Для нормальной работы светодиода требуется постоянное напряжение или ток. Они должны быть:

1. Постоянными по направлению. Т. е. ток в цепи светодиода при приложении напряжения должен течь от «+» источника напряжения к его «–».
2. Стабильными, т. е. постоянными по величине, в течение времени работы диода.
   
3. Не пульсирующими – после выпрямления и стабилизации величины постоянных напряжения или тока не должны периодически изменяться.
   
   Схема формы напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя при фильтрации электролитическим конденсатором (на схеме черный и белый прямоугольники с маркировкой «+»). Пунктир – напряжение на выходе выпрямителя. Конденсатор заряжается до амплитуды полуволны и постепенно разряжается на сопротивлении нагрузки. «Ступеньки» – это пульсации. Отношение амплитуд ступеньки и полуволны в процентах – это коэффициент пульсации.

Для светодиодов вначале использовали имевшиеся источники напряжения – 5, 9, 12 В. А рабочее напряжение p-n перехода от 1,9-2,4 до 3,7-4,4 В. Поэтому включение диода напрямую – это почти всегда его физическое сгорание от перегрева большим током. Ток нужно ограничивать токоограничивающим резистором, тратя энергию на его нагрев.

Светодиоды можно включать последовательно по несколько штук. Тогда, собрав из них цепочку, можно по сумме их прямых напряжений дойти почти до напряжения источника питания. А оставшуюся разницу «погасить», рассеяв ее в виде тепла на резисторе.

Когда диодов десятки, их соединяют в последовательные цепи, которые включают параллельно.

Устройство светодиода

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

Как работает светодиод?

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

Виды и основные параметры светодиодов

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

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

Индикаторные:

• светодиоды SMD;
• сверхъяркие Super Flux “Piranha”;
• DIP светодиоды (Direct In-line Package);
• Straw Hat («соломенная шляпа»).

Осветительные:

• COB (Chip On Board) светодиоды;
• SMD LED;
• филаментные (Filament LED).

Индикаторные

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

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

Осветительные

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

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

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

Распиновка светодиода

Полярность светодиода – анод или плюс и катод – минус определить легко по картинкам:

У цилиндрических корпусов катод обозначен срезом на боковой части, у анода вывод длиннее, а у катода – короче.

Катод у SMD светодиодов обозначен срезом на корпусе.

В матрицах мощных COB светодиодов «+» и «-» выдавлены на контактных площадках для пайки.

Обозначение на схеме

Для обозначения на схеме используется две вышеуказанные пиктограммы. Две параллельные стрелочки указывают, что светит очень сильно, количество зайчиков в глазах не сосчитать.

Схема подключения светодиода

В классической схеме рекомендуют производить подключение через токоограничительный резистор. Действительно, правильно подобрав резисторное или индуктивное сопротивление, можно подключить диод, рассчитанный на напряжение питания 3В, даже к сети переменного тока.

Главное требование к параметрам питания – ограничение тока цепи.

Поскольку сила тока – параметр, отображающий плотность потока электронов по проводнику, при превышении этого параметра диод просто взорвется из-за мгновенного и значительного выделения тепла на полупроводниковом кристалле.

Основные принципы подключения

Как было сказано ранее, конструкция светоизлучающего диода подразумевает их подключение исключительно к источнику постоянного тока. Однако, поскольку рабочая часть светодиода – это полупроводниковый кристалл кремния, то очень важно соблюдать полярность, в противном случае светодиод не будет излучать световой поток.

Каждый светодиод имеет техническую документацию, в которой содержатся инструкции и указания по правильному подключению. Если документации нет, можно посмотреть маркировку светодиода. Маркировка поможет узнать производителя, а зная производителя, Вы сможете найти нужный даташит, в котором и содержится информация по подключению. Вот, такой не хитрый совет.

Как определить полярность?

Для решения вопроса существует всего 3 способа:

1. Конструктивно. Согласно нормам, принятым во всем мире, на обычном светодиоде (не SMD типа), длинная ножка всегда является «+» или же анодом. Для работы светодиода на него должна подаваться положительная полуволна. А короткая – катодом. 
2. С помощью мультиметра. Для проверки необходимо переключатель прибора поставить в режим «Прозвонка» и установить красный щуп мультиметра на анод, а черный – на катод. В результате светодиод должен засветиться. Если этого не произошло, необходимо поменять полярность (черный на анод, а красный на катод). Если результат не меняется, тогда led вышел из строя (для установления более точного диагноза, читайте как проверить светодиод). 
3. Визуально. Если присмотреться к светодиоду, то можно увидеть 2 кончика возле кристалла. Тот, который больше – катод, тот, что меньше – анод. 

С полярностью разобрались, теперь нам нужно определиться с тем, как подключить LED к сети. Для тех, кто не понял, читайте подробную и интересную статью определения полярности у светодиода. В ней мы собрали все возможные способы проверки, и даже при помощи батарейки.

Подключение светоизлучающего диода к сети 220 В

Если запитать светодиод прямо от 220 В с ограничением его тока, то светить он будет при положительной полуволне и гаснуть при отрицательной. Но это только в том случае, когда обратное напряжение p-n перехода будет много больше 220 В. Обычно это в районе 380-400 В.

Второй способ включения– через гасящий конденсатор.

Сетевое напряжение подают на «мост» на диодах VD1-VD4. Конденсатор С1 «погасит» около 215-217 В. Остаток выпрямится. После фильтрации конденсатором С2 постоянное напряжение подают на светодиод. Не забудьте об ограничении тока через диод резистором

Еще одна схема подключения – с однополупериодным выпрямителем на диоде и с ограничивающим резистором, величиной 30 кОм.

ВНИМАНИЕ! Большинство схем с прямым подключением в сеть 220 В имеют серьезный недостаток – они опасны поражением человека высоким напряжением – 220 В. Поэтому их следует использовать аккуратно, с тщательной изоляцией всех токоведущих частей.

Подключение светодиодов к напряжению 220В

Первое, что нужно знать при подключении к сети 220В, — для номинального свечения через светодиод должен проходить ток в 20мА, а падение напряжения на нем не должно превышать 2,2-3В. Исходя из этого, необходимо рассчитать номинал токоограничивающего резистора по следующей формуле:

в которой 0,75 – коэффициент надежности led, U пит – это напряжения источника питания, U пад – напряжение, которое падает на светоизлучающем диоде и создает световой поток, I – номинальный ток, проходящий через него, и R – номинал сопротивления для регулирования проходящего тока. После соответствующих вычислений, номинал сопротивления должен соответствовать 30 кОм.

Однако не стоит забывать, что на сопротивлении будет выделятся большое количество тепла за счет падения напряжения. По этой причине дополнительно необходимо рассчитать мощность этого резистора по формуле:

Для нашего случая U – это будет разность напряжения питающей сети и напряжения падения на светодиоде. После соответствующих вычислений, для подключения одного led мощность сопротивления должна равняться 2Вт.

После определения номинала и мощности сопротивления можно собрать схему для подключения одного светодиода к 220В. Для ее надежной работы необходимо ставить дополнительный диод, который будет защищать светоизлучающий диод от пробоя, при возникновении амплитудного напряжения на выводах светодиода в 315В (220*√2).

Схема практически не применяется, поскольку в ней возникают очень большие потери из-за выделения тепла в сопротивлении. Рассмотрим более эффективную схему подключения к 220 В:

На схеме, как видим, установлен обратный диод VD1, пропускающий обе полуволны на конденсатор C1 емкостью 220 нФ, на котором происходит падение напряжение до необходимого номинала.

Сопротивление R1 номиналом 240 кОм, разряжает конденсатор при выключенной сети, а во время работы схемы не играет никакой роли.

Но это упрощенная модель для подключения LED, в большинстве светодиодных ламп уже встроенный драйвер (схема), который преобразует переменное напряжение 220В в постоянное с величиной 5-24В для их надежной работы. Схему драйвера Вы можете видеть на следующем фото:

Параллельное соединение светодиодов не правильное

Параллельное соединение светодиодов используют, когда напряжение блока питания (источника) не хватает, для того, чтобы запитать ряд последовательных светодиодов. Если «конкретно теоретически», то параллельно светодиоды можно подключать и «тупо» — соединить все аноды и катоды LEDs. После чего подключить их к батарее и вуаля… Светодиоды горят! Причем единожды и на краткое время при подключении. Далее — конец им.

Такая схема подключения параллельно светоизлучающих диодов — не работоспособна, ввиду того, сопротивление диода маленькое и спокойно провоцирует режим КЗ (короткого замыкания).

Сразу откину некоторых злопыхателей. Есть, конечно, исключения… Ими грешат китайские производители дешевизны. Но это исключение из правил. Если кто-то разбирал китайские игрушки или зажигалки, то наверняка видел именно такую схему подключения. Где диоды подключены параллельно, не имея в свей цепи никаких посторонних электронных компонентов. Почему? Да все просто — в таких цепях ток ограничивается внутренним сопротивлением батареек AG1 (таблетка). Мощность в таких таблетках минимальна и не может нанести вред диоду. Т.е. мы опять приходим к выводу, что для нормального функционирования, диодам нужен резистор.

Повторюсь еще раз — параллельное соединение светодиодов используют только тогда, когда источник питания низковольтный.

Не смотря на то, что такой тип соединения не очень приветствуется, его частенько используют. В таких типах соединений есть одно правило — параллельное соединение светодиодов никогда не происходит с использованием ТОЛЬКО ОДНОГО резистора!!!

Ну или для тех, кто понимает только визуальные картинки, то не правильное параллельное соединение будет выглядеть так:

К сожалению, не смотря на то. что такое подключение не правильное, опять же, вездесущие китайцы тоже используют его во всю… Особенно в фонариках. Для этого им завышают номинал резистора, дабы не было перегрузки и товар преспокойненько может проработать год… А может и не проработать… Тут уж как повезет.

Плюсы и минусы параллельного соединения светодиодов

Большим плюсом параллельного соединения стоит отметить, что в случае правильного соединения светодиодов при перегорании одного из них, остальные будут работать. Диоды будут работать если и большее количество LEDs перегорит, здесь основным остается правило — чтобы работала хотя бы одна ветка. При последовательном соединении светодиодов выход из строя одного из них приведет к тому, что строка из последовательно соединенных чипов перестанет светиться.

Параллельное соединение позволяет соединить от двух и более светодиодов. Ограничения могут возникнуть только по мощности батареи (источника питания) и габаритов самого прибора, в который вы захотите поместить свое «детище».

Минусом параллельного соединения светодиодов отметим — удорожание конструкции, за счет того, что в цепи появляются новые элементы. В результате конечный продукт может оказаться достаточно громоздким.

Стоит представить себе елочную гирлянду с таким соединением диодов… Для ее работоспособности придется соединять еще один проводник к паре светодиод-резистор. Поэтому 99,9 % всех гирлянд собраны из последовательно соединенных светодиодов.

Последовательное подключение

При последовательном соединении через токоограничивающий резистор в одну цепочку собираются несколько светодиодов, причем катод предыдущего припаивается к аноду последующего:

В схеме, по всем светодиодам будет проходить один ток (20мА), а уровень напряжения будет состоять из сумм падения напряжения на каждом. Это означает, используя данную схему подключения, нельзя включить в цепь любое количество светодиодов, т.к. оно ограничено падением напряжения.

Падение напряжения – это уровень напряжения, которое светоизлучающий диод преобразует в световую энергию (свечение).

Например, в схеме падение напряжения на одном светодиоде составит 3 Вольта. Всего в схеме 3 светодиода. Источник питания 12В. Считаем, 3 Вольта * 3 led = 9 В — падение напряжения.

После несложных расчетов, мы видим, что не сможем включить в схему параллельного подключения более 4 светодиодов (3*4=12В), запитывая их от обычного автомобильного аккумулятора (или другого источника с напряжением 12В).

Если захотим последовательно подключить большее количество LEd, то понадобится источник питания с большим номиналом.

Данная схема довольно часто встречалась в елочных гирляндах, однако из-за одного существенного недостатка в современных светодиодных гирляндах применяют смешанное подключение. Что за недостаток, разберем ниже.

Недостатки последовательного подключения

1. При выходе из строя хотя бы одного элемента, не рабочей становится вся схема;
2. Для питания большого количества led нужен источник с высоким напряжением.

Распространенные ошибки при подключении

Самые часто встречающиеся ошибки при соединении светодиодов:

1. Выбор резистора не того номинала – если подобрать слишком маленькое сопротивление, светодиод может перегореть. При большом значении светить диод будет не в полную силу.
2. Подключение напрямую к источнику питания без токоограничивающего резистора. Излучающий компонент сразу сгорит.
3. Соединение по параллельной схеме с одним резистором для всех диодов. Компоненты начнут выходить из строя, так как рабочий ток у каждого различный.
4. Соединение по последовательной схеме светодиодов, рассчитанных на разный ток. В таком случае часть диодов перегорит, а часть будет светить тусклее.
5. Подключение напрямую к сети 220 В без защиты.

Важно! Совершение описанных ошибок повлечет за собой негативные последствия в виде поломки диода или нанесения себе травм.

Альтернативный тип подключения

Последовательно-параллельное соединение светодиодов – встречается в прожекторах и других мощных светильниках, работающих как от постоянного, так и от переменного напряжения.

Как видите, матрица поделена на ветки, каждая из которых имеет токоограничивающий резистор. Конкретный экземпляр предназначен для замены штатной лампы плафона в салоне автомобиля. Если один диод выйдет из строя – одна цепь перестанет гореть, а остальные цепочки продолжат свечение.

Если вы не можете определиться, как подключить светодиоды последовательно или параллельно, есть альтернативный вариант — гибридное соединение. С первого взгляда непонятно в чем смысл.

Гибридный вариант принял достоинства от последовательного и параллельного соединения светодиодов. Схема будет работать полностью, даже если один из элементов в цепи перегорит, в тоже время остальные элементы не испытают перегрузки. Напряжение на каждом сегменте будет ограничено светодиодом с наименьшим падением.

Чтобы собрать светильник правильно, а LED работали долго и не перегревались, нужно определиться как подключать светодиоды — последовательно или параллельно. Вы ознакомились с сильными и слабыми сторонами каждого из вариантов. Благодаря полученным знаниям можно выполнить ремонт LED лампы или прожектора.

Применение в быту

Чаще всего такие схемы встречаются в выключателях с подсветкой. Типичная схема правильного использования указана ниже:

Подключение светодиода в выключателе

Ввиду маленькой мощности световых устройств в них нет защищающих обратных диодов. Резистор установлен таким образом, чтобы ограничить прямой ток значением 1 мА. Такая схема подключения светодиода к сети 220 вольт не особо эффективна в плане яркости свечения, оно очень тусклое, но свою роль играет хорошо – в темной комнате выключатель видно. Здесь обратное напряжение при размыкании контактов цепи направлено на резистор, в качестве дополнительной нагрузки также выступает наличие светодиодной или любой другой лампочки, а также блока питания. Таким образом, светодиод защищен он обратного пробоя током.

Техника безопасности

Кратко о нюансах подключения, которое выполняется в большинстве домов – для обеспечения безопасности при работе с электрической цепью часто бывает мало выключить один только выключатель. Дело в том, что он, как правило, размыкает фазу, но при этом из-за отсутствия заземления на ноле остается остаточное напряжение. Если заземление неправильное, например, люди подключаются к батарее или водопроводу, есть риск попасть на напряжение между фазой и заземлением. Отключайте питание полностью на рубильнике или счетчике на входе в дом или квартиру, и сделайте уже правильное заземление, если у вас его нет.

Основные выводы

Подключить своими руками светодиод (несколько диодов) с использованием резисторов и накопителей заряда целесообразно, если у них небольшая мощность. Такие источники света предназначены для индикации или подсветки. Для мощных ламп эти схемы не подходят.

Если все же нужно подключить небольшую лампочку к сети 220 В, важно правильно подобрать параметры всех элементов. Высокое напряжение переменного тока быстро разрушает те из них, которые неспособны пропускать обратный ток. Залог успеха – ограничение амплитуды и грамотное определение амортизационного запаса. Немаловажно так же качество диодов и других деталей.

Как вам статья?