Схема подключения светодиода к сети 220 вольт

Чтобы включить светодиод в 220В – схема подключения может содержать только один ограничительный резистор, подключенный в цепи последовательно. Однако получить максимальное свечение от led-источника в простейшей топологии не получится. Причём есть высокая вероятность повреждения кристалла светодиода из-за частых электрических пробоев. Особенно при скачках и перепадах напряжения, которые часто бывают в сетях переменного напряжения.

В этой публикации рассмотрено, как правильно подключить светодиод к 220В через тот же резистор наиболее безопасно. Представлены разные варианты включения led-источников к сеть своими руками.

Устройство светодиода

Прежде, чем делать подключение светодиода к сети 220В, необходимо ознакомиться с его классификацией и устройством. Это позволит выбрать оптимальную схему включения с получением требуемых результатов.

Индикаторные светодиоды

Светодиоды, предназначенные для индикации, имеют ток потребления в диапазоне от 2мА до 60мА, а то и выше. Это, в основном маломощные полупроводниковые приборы. Они бывают одно-, двух- и трёхкристальные, выполненные на полупроводниках из разных материалов с легированием определённым веществом. Выводные индикаторные светодиоды состоят из:

• Корпуса из прозрачного материала или светофильтра, объединённого с линзой или без неё;
• Кристалла, размещённого внутри корпуса;
• Выводов, один из которых имеет подложку;
• Перемычки, соединяющей вывод с электродом кристалла.

Светодиоды smd-типа, предназначенные для поверхностного монтажа, имеют короткие выводы в виде пластинок, одна из них – подложка. Эти приборы обладают особыми температурными условиями пайки, впрочем, как и все светодиоды. Для каждого цвета излучения применяется разный материал, от которого зависит цвет свечения и падение напряжения при прямом включении (см. таблицу).

Следует иметь ввиду, что в этом списке представлены только основные материалы, из которых изготавливают кристалл светодиода для излучения света определённой длины волны. Инфракрасный и ультрафиолетовый спектр невидимы, но их кристаллы могут используются в сочетании с полупроводниками, излучающими видимый свет, для создания определённого цветового оттенка. Они могу входить в состав двух- или трёхкристальных светодиодов.

Белый светодиод может содержать ультрафиолетовый элемент и состоять более чем из 3 кристаллов. Многоцветные светодиоды, имеющие 3 вывода, один из которых общий (катод или анод), состоят из 2-х кристаллов.

Существуют RGB-светодиоды, они могут излучать любой цветовой спектр. Название их взято из первых букв английских слов красный, зелёный, синий. Они имеют 4 вывода, один из которых общий, а 3 – выводы от кристаллов для каждого цветового спектра. Комбинируя напряжения на этих выводах, можно добиться практически любого цвета видимого излучения.

Кстати, белый светодиод состоит из 3 кристаллов (красного, зелёного и синего), которые включены вместе с определённым ограничением тока на каждый полупроводник. Поэтому белые светодиоды, обычно имеют 2 вывода. Для индикаторных светодиодов белый цвет применяется, в основном, для подсветки. Он используется в механических указателях и жидко-кристаллических индикаторах.

Осветительные светодиоды

Основным отличием светодиодов, предназначенных для освещения – это повышенная интенсивность светоизлучения. Поэтому они, обычно, имеют больший ток потребления, от 50 мА до ампера и более. Также и конструкция мощных светодиодов предполагает наличие подложки для теплоотвода. Все smd-светодиоды содержат подложку, которая является выводом, их ещё называют COB-светодиоды (означает «чип, размещённый на плате»).

Осветительные светодиоды – это преимущественно белые полупроводниковые компоненты, состоящие из 3 кристаллов. В зависимости от внутренней схемы их подключения они излучают определённый спектр белого света, называемый цветовой температурой. Она может быть в диапазоне о 2000К до 6500К. Только резистор для светодиода 220 вольт применять неэффективно, световые компоненты питают с помощью драйверов. Это могут быть несложные устройства, схемы которых можно повторить самому (картинка 6, схема е).

Лазерные светодиоды

Лед излучатели лазерного пучка света представляют собой ультратонкую полупроводниковую пластинку. Её грани полируют для возможности создания оптического резонанса. Чтобы включить лазерный диод от сети – необходим драйвер, который обеспечивает не только стабилизацию тока, но и питание системы охлаждения (если такая имеется). Работа с мощными лазерами крайне опасна, надо обязательно использовать защитные светофильтры. Особенно для инфракрасных лазерных генераторов с невидимым, но крайне опасным для глаз излучением.

Как работает светодиод?

Светодиод состоит из полупроводников p- и n- типа и нелинейную вольтамперную характеристику. В прямом его включении, при определённом значении напряжения (1,8В – 3,4В), электроны из n-области переходят в p-область. При этом основная часть энергии, вызванная ЭДС, выделяется в виде излучения определённой длины волны, т.е. цвета. А спектр, в свою очередь, зависит от материала полупроводника.

На практике светодиоды имеют многослойную структуру и относительно большое напряжение включения. Для светодиодов определённого спектра оно находится в диапазоне 1,8В – 3,4В.

При определённом обратном напряжении происходит электрический пробой светодиода, при котором его сопротивление резко падает. Поэтому, если не ограничить ток через прибор, то чрезмерное падение мощности на кристалле вызовет тепловой его пробой. Для предотвращения короткого замыкания внутри устройства минусовой электрод соединён с катодом кристалла тоненькой перемычкой. В некоторых типах диодов – наоборот, перемычка на катоде.

Способы подключения светодиода к 220В

В зависимости от типа и мощности светодиода, которая обусловлена его номинальным током, выбирается схема подключения светодиода к сети переменного напряжения 220 вольт.

С помощью резистора

Вольтамперная характеристика светодиода изображена на картинке, далее она изменяется, когда в цепь включается резистор.

Теперь прямое максимальное напряжение не вызывает разрушительный для светодиода ток, так как он ограничен резистором. Однако он может возникнуть при увеличении напряжения, так как прямая имеет далее линейную характеристику. Это может произойти при скачках сетевого напряжения.

Что же происходит при обратной волне синусоиды на кристалле полупроводника, ограниченного резистором? При определённом значении обратного напряжения происходит электрический пробой p-n-перехода, но ток ограничивается резистором, а избыточная мощность выделяется на кристалле. Выходит, светодиод в противоположном включении тоже проводит через себя ток, значение которого примерно равно, но немного выше, чем при прямом включении (схема а, картинки 6).

Исходя из всего этого, ограничивающий резистор должен гасить ток вдвое, а то и больше номинального значения светодиода. Например, для светодиода с током 20 мА, при напряжении сети 220В резистор был бы примерно 11кОм. А для расчёта на ток, вдвое меньше R=220/0,01=22000, округляем примерно до 24кОм. При этом следует учесть, что кристалл его будет греться чуть больше, чем бы он был включенным от постоянного напряжения на токе 20мА. А вот светить будет немного слабее, чем на постоянном токе в 10мА.

Согласитесь, что это малоэффективно, зато очень просто. Повысить эффективность помогут остальные схемы картинки 6. Ограничительный резистор, в омах рассчитывается по примерной формуле R=480/I, где I – ток в амперах.

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

Чтобы светодиод не пробивался обратным напряжением сети переменного тока, можно в цепь включить диод с большим максимально допустимым обратным напряжением (схемы г и д, картинки 6). Это могут быть диоды серии 1N4005 – 1N007, с обратным напряжением 500В – 1000В соответственно. Если светодиод предполагается подключать через вилку, то лучше выбрать схему г, картинки 6. Тогда на led-приборе будет всегда вдвое меньший потенциал, чем в сети, при любом положении включения вилки в розетку 220В.

Шунтирование диодом

Можно шунтировать лед прибор выпрямительным диодом (схема в). Теперь, открываясь при прямом напряжении, один светодиод «замыкает» потенциал на другом. Поэтому p-n-переходы led-кристаллов уже не пробиваются электрическим пробоем обратного напряжения.

Но, ток всё-ровно придётся ослабить до половинного значения, используя такой же номинал резистора, как и в схеме а, картинки 6. Связано это с тем, что сеть имеет амплитудное значение напряжения не 220В, а более чем 310В, также с учётом помех – ещё выше.

Встречно-параллельное подключение двух светодиодов

Схема б, картинки 6 позволяет включить 2 светодиода разнополярно. Принцип работы схож со схемой в, той же картинки. В таком включении мощность распределяется на 2 прибора равномерно, при положительном полупериоде светится первый светодиод, при отрицательном – второй. Достоинством является то, что ни один из led-источников не пробивается электрически, а значит защищён от перегрева. Эффективность повышается вдвое.

С помощью конденсатора

Подключить светодиод к сети 220В можно с помощью ограничительного конденсатора по схеме, изображённой на картинке 8.

Однако лучшими характеристиками обладает схема е, изображённая на картинке 6. С её помощью можно включать осветительные светодиоды. По сути, это драйвер для питания светодиода от сети переменного напряжения 220В. Резистор R2, в схеме с диодным мостом, выполняет функцию предохранителя, его номинал может быть до 1 кОма, а то и выше. Но если питать мощные светодиоды, то лучше сопротивление его выбрать в десятки ом, тогда он не будет греться, да и мощность может быть 0,5Вт, а то и меньше.

R1 нужен для разрядки конденсатора при обслуживании после выключения напряжения. Конденсатор С1 схем, изображённых на картинке 8 и 6 е, выбирают, исходя из максимального тока led-прибора, уменьшив его на половину. Малотоковые светодиоды L-53LSRD, L-7104LSRD, L-7113LSRD, L-934LSRD, рассчитанные на ток 2мА, хорошо подходят в качестве сетевых индикаторов 220В. Конденсатор для их включения должен иметь ёмкость около 15нФ, это 15000пФ или значение 153 цифровой маркировки.

Для других значений тока (тока светодиода) ёмкость (цифровой номинал) должны быть:

• 4,5 мА (10мА) — 68нФ (683);
• 6,8мА (15мА) — 0,1мкФ (104);
• 10мА (20-25мА) — 0,15мкФ (154);
• 22мА (40-50мА) — 0,33мкФ (334);
• 45мА (80-100мА) — 0,68мкФ (684);
• 68мА (120–150мА) — 1мкФ (105);
• 140мА (200-300мА) — 2,2мкФ (225) и т.д.

Максимальное напряжение, на которое рассчитан конденсатор, должно быть не менее 400В, можно больше. Конденсаторы можно собирать из нескольких элементов, соединяя их последовательно. При этом их ёмкость складывается. Однако макс. напряжение у каждого экземпляра – не менее 400В.

Виды и основные параметры светодиодов

Кроме максимально допустимого тока и напряжения включения (таблица 1) светодиоды характеризуются:

• Мощностью светоотдачи;
• Длиной волны, которая соответствует свету излучения (для белых светодиодов цветовая температура);
• Конструкцией и типом монтажа (выводные или SMD).

Пример включения светодиода в подсветку выключателя света

Для светодиодной подсветки выключателя не требуется яркого её свечения, так как днём смысла в подсветке немного. А в темноте даже незначительное свечение будет хорошо заметным и не слишком вызывающим. Подойдёт схема, представленная на картинке 10.

Безопасность при подключении

Все представленные схемы, не имеют гальванической развязки. Поэтому прикосновение к токоведущим частям во время включения может вызвать удар током. При монтаже все оголённые участки схемы необходимо изолировать и лишь потом подавать напряжение на схему. Для наибольшей безопасности, схемы из картинки 6 должны подключаться к соответствующим полюсам (L – фазный проводник, N – нулевой).

Заключение

Применение светодиодных индикаторов сетевого напряжения позволяет визуализировать его наличие. Несложные схемы питания экономичных приборов могут быть применены для различных систем не только индикации, но и подсветки. Следует отметить, что основная часть энергии выделяется на резисторе или конденсаторе. Поэтому, если делать подключение мощного светодиода, то надо использовать преобразователь напряжения. Тогда мощность полупроводника можно использовать по максимуму.