Защита светодиода от обратного напряжения

Защита от обратной полярности: как защитить ваши схемы, используя только диод

Подключение питание с неправильной полярностью – эту ошибку совершить легко. К счастью, защита вашего устройства от обратной полярности также довольно проста.

Защита от обратной полярности: как защитить ваши схемы, используя только диод

Когда вы меняете полярность питания вашего устройства, могут произойти плохие вещи. Обмен местами положительного и отрицательного выводов питания, вероятно, является основным способом «пускания дыма» от новой блестящей печатной платы, и это на самом деле лучший сценарий, чем нанесение какого-то незначительного урона, который приводит к недоумению и непредсказуемым сбоям. Обратная полярность также может возникать после фазы тестирования и разработки. Устройство, как правило, разработано так, чтобы предотвращать неправильное подключение кабеля конечным пользователем, но даже самые лучшие из нас могут иногда вставлять аккумулятор, не глядя на полярность.

Я предпочитаю использовать все доступные средства, чтобы сделать обратную полярность физически невозможной, но суть в том, что устройство никогда не является действительно безопасным, если сама схема не сможет выдержать напряжение питания обратной полярности. В данной статье мы рассмотрим два простых, но очень эффективных способа сделать вашу схему надежной против ошибок изменения полярности питания.

Что такое диодная защита от обратной полярности?

На самом деле вы можете получить защиту от обратной полярности с помощью одного лишь диода. Да, всё, что вам нужно, это один диод. Это действительно работает, но, конечно, более сложное решение может обеспечить лучшую эффективность.

Идея здесь состоит в том, чтобы поставить в линию питания последовательно диод.

Защита от обратной полярности с помощью диода

Если вы не знакомы с этим методом, он может показаться немного странным. Может ли диод изменить полярность приложенного напряжения? Может ли он действительно «изолировать» схему, расположенную ниже, от приложенного напряжения?

Он, конечно, не сможет «отменить» обратную полярность, но он может изолировать остальную часть схемы от этого условия просто потому, что он не будет проводить ток, когда напряжение катода выше напряжения анода. Таким образом, в случае обратной полярности наносящие повреждения обратные токи не смогут протекать, и напряжение на нагрузке не будет таким же, как обратное напряжение источника питания, потому что диод работает подобно разрыву в цепи.

Схема LTspice, показанная выше, позволяет нам исследовать переходное и установившееся поведение схемы защиты на основе диода. Первоначально напряжение составляет 0В, затем оно резко изменяется до –3В. Моя идея здесь заключается в том, чтобы имитировать эффект неправильной установки двух аккумуляторов 1,5В (или одной батареи 3В). Моделирование включает в себя сопротивление нагрузке (соответствующее схеме, которая потребляет около 3 мА) и емкость нагрузки (соответствующая блокировочным конденсаторам у нескольких микросхем).

Результаты моделирования схемы защиты от обратной полярности с помощью диода

Вы можете видеть, что через диод протекает некоторый обратный ток (т.е. от катода к аноду). Переходной ток очень мал, а ток в установившемся состоянии незначителен. Однако ток течет, и, следовательно, диод со стороны катода не совсем «оторван» от цепи питания; вместо этого в цепи нагрузки имеется очень малое обратное напряжение. Однако это не является установившимся состоянием. Если мы продолжим моделирование до 300 мс, мы увидим следующее:

Результаты моделирования схемы защиты от обратной полярности с помощью диода (продолжительность 300 мс)

Так как емкость нагрузки заряжается и становится разрывом в цепи, ток падает до нуля (точнее, до 0,001 фемтоампера, в соответствии с LTspice), и, следовательно, на нагрузке нет никакого обратного напряжения. Вывод здесь заключается в том, что диод не идеален, но, насколько мне известно, его достаточно, потому что я не могу себе представить, что на какую-то реальную схему могут негативно повлиять

100 мс напряжения обратной полярности в несколько микровольт.

Достоинства и недостатки

К текущему моменту достоинства этой схемы должны быть очевидны: она дешева, чрезвычайно проста и эффективна. Однако есть определенные недостатки, которые необходимо учитывать:

Во время нормальной работы на диоде падает

0,6В. Это может быть значительной частью напряжения питания, а при уменьшении напряжения батареи устройство может перестать работать раньше срока.

Любой компонент, который вызывает на себе падение напряжения и ток, протекающий через него, потребляет энергию. Если эта рассеиваемая энергия исходит от батареи, диод сокращает время автономной работы. Это не может быть приемлемым компромиссом в устройствах, которые имеют очень низкий риск возникновения обратной полярности.

Защита от обратной полярности с помощью диода Шоттки

Простым способом смягчения обоих указанных недостатков является использование диода Шоттки вместо обычного диода. Этот подход уменьшает потери напряжения и рассеивание мощности. Я не уверен, как могут вести себя маломощные диоды Шоттки, но в некоторых случаях прямое напряжение может быть ниже 300 мВ.

Вот новая схема моделирования:

Защита от обратной полярности с помощью диода Шоттки

Следующие спецификации дают нам пример характеристик диода BAT54 при прямом напряжении:

Характеристики диода BAT54 при прямом напряжении

Ниже показан график переходного и установившегося отклика схемы защиты от обратной полярности на основе диода Шоттки.

Результаты моделирования схемы защиты от обратной полярности с помощью диода Шоттки

Вы можете видеть, что обратный ток и обратное напряжение на нагрузке намного больше, чем те, что мы наблюдали с обычным диодом. Этот более высокий обратный ток утечки является известным недостатком диодов Шоттки, хотя в этом конкретном применении обратный ток по-прежнему намного ниже, чем что-либо, что может вызывать серьезную озабоченность. Поэтому, когда дело доходит до защиты от обратной полярности, диоды Шоттки определенно предпочтительны.

Заключение

Мы видели, что один диод представляет собой удивительно эффективный способ включения в схему электропитания устройства защиты от обратной полярности. Диоды Шоттки имеют более низкое прямое напряжение и, следовательно, обычно лучше подходят, чем обычные диоды. Те, кто имел опыт с этими схемами, рекомендуют 1N4001 (если вы по какой-либо причине хотите использовать обычный диод) или MBRA130 (это диод Шоттки).

Несколько вариантов схем как подключить светодиод к 220 вольтам (для световой индикации)

Порой возникает необходимость в подключении обычного, маломощного светодиода к переменному, сетевому напряжению 220 вольт в роли светового индикатора. Казалось бы нет ничего проще, чем взять и поставить последовательно светодиоду обычный резистор, который бы ограничивал силу тока в данной цепи. Но не все так просто. В этой статье давайте с вами рассмотрим наиболее распространенные варианты такого подключения, после чего можно будет выбрать наиболее лучшую схему с учетом имеющихся достоинств и недостатков.

Вариант №1 » последовательное включение светодиода и резистора.

Итак, первым вариантом все же будет схема, где последовательно к светодиоду подключается обычный резистор с нужным сопротивлением. Величину сопротивления можно вычислить по закону ома. Допустим у нас светодиод, рассчитанный на напряжение 3 вольта и потребляющий 9 миллиампер. Напряжение питания (220 В) разделится между резистором и светодиодом. Если на светодиоде осядет 3 вольта, то на резисторе осядет около 217 вольт. Ток в последовательных цепях во всех точках одинаковый (в нашем случае он будет равен 9 мА). И чтобы узнать сопротивление резистора мы 217 вольт делим на 9 миллиампер и получаем 24 ком (24000 ом).

Теоретически эта схема подключения светодиода к сети 220 вольт рабочая, но практически она скорее всего сгорит сразу при включении. Почему это так. Дело в том, что большинство обычных светодиодов рассчитаны на напряжение питания (при прямом своем включении, то есть плюс светодиода к плюсу источника питания и минус светодиода к минусу источника питания), где-то в пределах от 2,5 до 4,5 вольта. При прямом включении на светодиоде будет его рабочее напряжение (пусть 3 вольта), а излишек (217 вольт) осядет на резисторе. Обратное напряжение у светодиодов не такое уж и высокое (где-то около 30 вольт). И когда обратная полуволна переменного напряжения подается на светодиод, то светодиод просто выйдет из строя из-за слишком большого обратного напряжения, поданного на него. Напомню, что полупроводники при обратном включении имеют очень большое внутреннее сопротивление (гораздо большее чем стоящий в цепи резистор). Следовательно все сетевое напряжение осядет именно на светодиоде.

Вариант №2 » подключение светодиода с защитой от обратного напряжения.

В этом варианте схемы подключения индикаторного светодиода к сетевому напряжению 220 вольт имеется защита от чрезмерного высокого напряжения обратной полуволны, что подается на светодиод. То есть, в цепь добавлен обычный диод, который включен той же полярностью, что и светодиод. В итоге все излишнее высокое напряжение оседает на полупроводниках (при обратном включении питания, обратной полуволне переменного тока). Тот ток, что возникает в цепи при обратной полуволне настолько настолько мал, что его не хватает для пробиться светодиода при обратном его включении. Таким образом данная схема уже будет нормально работать. Хотя в этом варианте все же имеются свои недостатки, а именно будет достаточно сильно греться резистор. Его мощность должна быть не менее 2 Вт. Этот нагрев приводит к тому, что схема весьма не экономна, у нее низкий КПД. Помимо этого поскольку светодиод будет светить только при одной полуволне, то рабочая частота светодиода будет равна 25 Гц. Свечение светодиода при такой частоте будет восприниматься глазом с эффектом мерцания.

Вариант №3 » альтернативная схема подключения светодиода к 220 с защитой от обратного напряжения.

Эта схема похожа не предыдущую. Она также имеет защиту от чрезмерного напряжения обратной полуволны переменного напряжения. Если в первой схеме защитный диод стоял последовательно со светодиодом, то в данной схеме диод подключен параллельно, и имеет уже обратное включение относительно светодиоду. При одной полуволне переменного напряжения будет гореть индикаторный светодиод (на котором будет падение напряжения до рабочей величины светодиода), а при обратной полуволне диод будет находится в открытом состоянии и на нем также будет падение напряжения до величины (порядка 1 вольта) недостаточной для пробоя светодиода. Как и в предыдущей схеме недостатками будет значительный нагрев резистора и видимое мерцание светодиода, вдобавок эта схема будет больше потреблять электроэнергии из-за прямого включения диода.

Хотя вместо обычного диода можно поставить еще один светодиод.

Тогда в одну полуволну будет гореть один светодиод, ну а в обратную второй. Хотя в этом случае и будут светодиоды защищены от высокого обратного напряжения, но гореть каждый из них будет все равно с частотой 25 герц (будут оба мерцать).

Вариант №4 » лучшая схема с токоограничительным конденсатором, резистором и выпрямительным мостом.

Данный вариант схемы подключения индикаторного светодиода к сети 220 вольт считаю наиболее лучшим. Единственным недостатком (если можно так сказать) этой схемы является то, что в ней больше всего деталей. К достоинствам же можно отнести то, что в ней нет элементов, которые чрезмерно нагревались, поскольку стоит диодный мост, то светодиод работает с двумя полупериодами переменного напряжения, следовательно нет заметных для глаза мерцаний. Потребляет эта схема меньше всего электроэнергии (экономная).

Работает данная схема следующим образом. Вместо токоограничительного резистора (который был в предыдущих схемах на 24 кОм) стоит конденсатор, что исключает нагрев данного элемента. Этот конденсатор обязательно должен быть пленочного типа (не электролит) и рассчитан на напряжение не менее 250 вольт (лучше ставить на 400 вольт). Именно подбором его емкости можно регулировать величину силы тока в схеме. В таблице на рисунке приведены емкости конденсатора и соответствующие им токи. Параллельно конденсатору стоит резистор, задача которого сводится всего лишь к разряду конденсатора после отключения схемы от сети 220 вольт. Активной роли в самой схеме запитки индикаторного светодиода от 220 В он не принимает.

Далее стоит обычный выпрямительный диодный мост, который из переменного тока делает постоянный. Подойдут любые диоды (готовый диодный мост), у которых максимальная сила тока будет больше тока, потребляемого самим индикаторным светодиодом. Ну и обратное напряжение этих диодов должно быть не менее 400 вольт. Можно поставить наиболее популярные диоды серии 1N4007. Они дешево стоят, малы по размерам, рассчитаны на ток до 1 ампера и обратное напряжение 1000 вольт.

В схеме есть еще один резистор, токоограничительный, но он нужен для ограничения тока, который возникает от случайных всплесков напряжения, идущие от самой сети 220 вольт. Допусти если кто-то по соседству использует мощные устройства, содержащие катушки (индуктивный элемент, способствующий кратковременным всплескам напряжения), то в сети образуется кратковременное увеличение сетевого напряжения. Конденсатор данный всплеск напряжения пропускает беспрепятственно. А поскольку величина тока этого всплеска достаточна для того, чтобы вывести из строя индикаторный светодиод в схеме предусмотрен токоограничительный резистор, защищающий схему от подобный перепадов напряжения в электрической сети. Этот резистор нагревается незначительно, в сравнении с резисторами в предыдущих схемах. Ну и сам индикаторный светодиод. Его вы выбираете уже сами, его яркость, цвет, размеры. После выбора светодиода подбирайте соответствующий конденсатор нужной емкости руководствуясь таблицей на рисунке.

Видео по этой теме:

P.S. Альтернативным вариантом электрической светодиодной подсветки может быть классическая схема подключения неоновой лампочки (параллельно которой ставится резистор где-то на 500кОм-2мОм). Если сравнивать по яркости, то все таки она больше у светодиодной подсветки, ну а если особая яркость не требуется, то вполне можно обойтись данным вариантом схемы на неоновой лампе.

Подключение светодиода к сети 220в

Обычно светодиоды подключаются к 220В при помощи драйвера, рассчитанного под их характеристики. Но если требуется подключить только один маломощный светодиод, например, в качестве индикатора, то применение драйвера становится нецелесообразным. В таких случаях возникает вопрос — как подключить светодиод к 220 В без дополнительного блока питания.

1. Основы подключения к 220 В
2. Способы подключения светодиода к сети 220 В
3. Последовательное подключение диода с высоким напряжением обратного пробоя (400 В и более).
4. Шунтирование светодиода обычным диодом.
5. Встречно-параллельное подключение двух светодиодов:
6. Нюансы подключения к сети 220 В
7. Безопасность при подключении
8. Заключение

Основы подключения к 220 В

В отличие от драйвера, который питает светодиод постоянным током и сравнительно небольшим напряжением (единицы-десятки вольт), сеть выдает переменное синусоподобное напряжение с частотой 50 Гц и средним значением 220 В. Поскольку светодиод пропускает ток только в одну сторону, то светиться он будет только на определенных полуволнах:

То есть led при таком питании светится не постоянно, а мигает с частотой 50 Гц. Но из-за инерционности человеческого зрения это не так заметно.

В то же время напряжение обратной полярности, хотя и не заставляет led светиться, все же прикладывается к нему и может вывести из строя, если не предпринять никаких защитных мер.

Способы подключения светодиода к сети 220 В

Самый простой способ (читайте про все возможные способы подключения led) – подключение при помощи гасящего резистора, включенного последовательно со светодиодом. При этом нужно учесть, что 220 В – это среднеквадратичное значение U в сети. Амплитудное значение составляет 310 В, и его нужно учитывать при расчете сопротивления резистора.

Кроме того, необходимо обеспечить защиту светоизлучающего диода от обратного напряжения той же величины. Это можно сделать несколькими способами.

Последовательное подключение диода с высоким напряжением обратного пробоя (400 В и более).

Рассмотрим схему подключения более подробно.

В схеме используется выпрямительный диод 1N4007 с обратным напряжением 1000 В. При изменении полярности все напряжение будет приложено именно к нему, и led оказывается защищенным от пробоя.

Такой вариант подключения наглядно показан в этом ролике:

Также здесь описывается, как определить расположение анода и катода у стандартного маломощного светодиода и рассчитать сопротивление гасящего резистора.

Шунтирование светодиода обычным диодом.

Здесь подойдет любой маломощный диод, включенный встречно-параллельно с led. Обратное напряжение при этом будет приложено к гасящему резистору, т.к. диод оказывается включенным в прямом направлении.

Встречно-параллельное подключение двух светодиодов:

Схема подключения выглядит следующим образом:

Принцип аналогичен предыдущему, только здесь светоизлучающие диоды горят каждый на своем участке синусоиды, защищая друг друга от пробоя.

Обратите внимание, что подключение светодиода к питанию 220В без защиты ведет к быстрому выходу его из строя.

Схемы подключения к 220В при помощи гасящего резистора обладают одним серьезным недостатком: на резисторе выделяется большая мощность.

Например, в рассмотренных случаях используется резистор сопротивлением 24 Ком, что при напряжении 220 В обеспечивает ток около 9 мА. Таким образом, мощность, рассеиваемая на резисторе, составляет:

9 * 9 * 24 = 1944 мВт, приблизительно 2 Вт.

То есть для оптимального режима работы потребуется резистор мощностью не менее 3 Вт.

Если же светодиодов будет несколько, и они будут потреблять больший ток, то мощность будет расти пропорционально квадрату тока, что сделает применение резистора нецелесообразным.

Применение резистора недостаточной мощности ведет к его быстрому перегреву и выходу из строя, что может вызвать короткое замыкание в сети.

В таких случаях в качестве токоограничивающего элемента можно использовать конденсатор. Преимущество этого способа в том, что на конденсаторе не рассеивается мощность, поскольку его сопротивление носит реактивный характер.

Здесь показана типовая схема подключения светоизлучающего диода в сеть 220В при помощи конденсатора. Поскольку конденсатор после отключения питания может хранить в себе остаточный заряд, представляющий опасность для человека, его необходимо разряжать при помощи резистора R1. R2 защищает всю схему от бросков тока через конденсатор при включении питания. VD1 защищает светодиод от напряжения обратной полярности.

Конденсатор должен быть неполярным, рассчитанным на напряжение не менее 400 В.

Применение полярных конденсаторов (электролит, тантал) в сети переменного тока недопустимо, т.к. ток, проходящий через них в обратном направлении, разрушает их конструкцию.

Емкость конденсатора рассчитывается по эмпирической формуле:

где U – амплитудное напряжение сети (310 В),

I – ток, проходящий через светодиод (в миллиамперах),

Uд – падение напряжения на led в прямом направлении.

Допустим, нужно подключить светодиод с падением напряжения 2 В при токе 9 мА. Исходя из этого, рассчитаем емкость конденсатора при подключении одного такого led к сети:

Данная формула действительна только для частоты колебаний напряжения в сети 50 Гц. На других частотах потребуется пересчет коэффициента 4,45.

Нюансы подключения к сети 220 В

При подключении led к сети 220В существуют некоторые особенности, связанные с величиной проходящего тока. Например, в распространенных выключателях освещения с подсветкой, светодиод включается по схеме, изображенной ниже:

Как видно, здесь отсутствуют защитные диоды, а сопротивление резистора выбрано таким образом, чтобы ограничить прямой ток led на уровне около 1 мА. Нагрузка в виде лампы также служит ограничителем тока. При такой схеме подключения светодиод будет светиться тускло, но достаточно для того, чтобы разглядеть выключатель в комнате в ночное время. Кроме того, обратное напряжение будет приложено в основном к резистору при разомкнутом ключе, и светоизлучающий диод оказывается защищенным от пробоя.

Если требуется подключить к 220В несколько светодиодов, можно включить их последовательно на основе схемы с гасящим конденсатором:

При этом все led должны быть рассчитаны на одинаковый ток для равномерного свечения.

Можно заменить шунтирующий диод встречно-параллельным подключением светодиодов:

В обоих случаях нужно будет пересчитать величину емкости конденсатора, т.к. возрастет напряжение на светодиодах.

Параллельное (не встречно-параллельное) подключение led в сеть недопустимо, поскольку при выходе одной цепи из строя через другую потечет удвоенный ток, что вызовет перегорание светодиодов и последующее короткое замыкание.

Еще несколько вариантов недопустимого подключения светоизлучающих диодов в сеть 220В описаны в этом видео:

Здесь показано, почему нельзя:

• включать светодиод напрямую;
• последовательно соединять светодиоды, рассчитанные на разный ток;
• включать led без защиты от обратного напряжения.

Безопасность при подключении

При подключении к 220В следует учитывать, что выключатель освещения обычно размыкает фазный провод. Ноль при этом проводится общим по всему помещению. Кроме того, электросеть зачастую не имеет защитного заземления, поэтому даже на нулевом проводе присутствует некоторое напряжение относительно земли. Также следует иметь в виду, что в некоторых случаях провод заземления подключается к батареям отопления или водопроводным трубам. Поэтому при одновременном контакте человека с фазой и батареей, особенно при монтажных работах в ванной комнате, есть риск попасть под напряжение между фазой и землей.

В связи с этим, при подключении в сеть лучше отключать и ноль, и фазу при помощи пакетного автомата во избежание поражения током при прикосновении к токоведущим проводам сети.

Заключение

Описанные здесь способы подключения светодиодов в сеть 220В целесообразно применять только при использовании маломощных светоизлучающих диодов в целях подсветки или индикации. Мощные led так подключать нельзя, поскольку нестабильность сетевого напряжения приводит к их быстрой деградации и выходу из строя. В таких случаях нужно применять специализированные блоки питания светодиодов – драйверы.

Как обеспечить защиту цепи светодиодов

В статье обсуждаются способы защиты светодиодов от воздействия электростатического разряда, переходных напряжений в сетях и других факторов при работе светодиодной системы вне помещений. Рассмотрены особенности применения устройств защиты от обрыва светодиодов, которые позволяют сохранить цепочку светодиодов в рабочем состоянии при отказе одного светодиода. Статья представляет собой перевод [1].

Поскольку светодиоды все шире находят применение в системах, используемых вне помещений, возрастает вероятность их повреждения в результате воздействия электростатического разряда и переходных процессов в электрических цепях. Светодиоды высокой яркости (т.е. те, которые изготавливаются на основе подложки из сапфира или SiC, а в будущем — на подложках из AlN и GaN) — особенно чувствительны к этим факторам, и если выходит из строя один светодиод в цепочке, то все светодиоды в этой цепи отключаются. Не так много специалистов учитывают все факторы при проектировании схемы защиты светодиодов. Недавно появилась категория устройств, которые называют устройствами защиты от обрыва светодиодов, но пока они не слишком широко распространены и специалисты с ними не достаточно хорошо знакомы. В данной статье обсуждается, в каких случаях их следует применять и как получить экономию, используя одно устройство для защиты нескольких цепей светодиодов.

Светодиоды высокой яркости можно обнаружить во многих системах для наружного применения. Все чаще светодиоды применяют в фонарях легковых и грузовых автомобилей, так как они не перегорают и обладают стойкостью к вибрации и ударам. Светодиоды используются в системах уличного освещения, светофорах и сигнальных фонарях взлетно-посадочной полосы, поскольку они позволяют сократить затраты на обслуживание и экономить электроэнергию. Благодаря высокой надежности и малому времени реакции они используются в гигантских рекламных видеоэкранах.
Так как светодиоды высокой яркости — это низковольтные приборы (прямое напряжение, как правило, составляет от около 2,7 В для красных светодиодов до 4,1 В для синих светодиодов), их, обычно, соединяют в последовательную цепочку и обеспечивают их питание от источника постоянного тока. Цепочка может содержать от пяти до двадцати светодиодов. Общий ток последовательно соединенных светодиодов позволяет получить равномерную яркость светодиодов и упрощает управление яркостью группы светодиодов.
Но светодиоды имеют три главных недостатка.
1. Светодиоды можно вывести из строя путем циклического воздействия температуры. Термомеханическое напряжение во внутренних проволочных соединениях светодиодов может привести к их разрушению, в результате чего возникает обрыв. Вибрация может дополнительно способствовать этому.
2. Эти приборы уязвимы для воздействия электричества. Электростатический разряд или выброс напряжения, вызванный молнией, может вывести их из строя — и электростатический разряд, и молния весьма широко встречаются вне помещений. Питание большинства светодиодов в таких приложениях осуществляется от импульсного источника питания, в которых обычно применяется весьма неполная защита от внешних наводок (фактически они сами нуждаются в средствах защиты).
3. Если светодиод в цепи замкнуть накоротко, то он выключится, а остальная цепь будет работать, но на этом закороченном светодиоде будет аккумулироваться тепло, что в результате приведет к обрыву цепи из-за отказа проволочного соединения. Однако, если светодиод обрывается, то он будет вести себя как лампочка в праздничной гирлянде: один открытый светодиод вызывает отключение всей цепи. Это всего лишь некрасиво выглядит на рекламном экране, но может вызвать угрозу безопасности, если светодиод используется в светофоре или сигнальных фонарях взлетно-посадочной полосы. Вдобавок, многие из этих систем труднодоступны, что увеличивает затраты на замену светодиодов.

Светодиоды можно защитить от повреждения из-за воздействия электростатического разряда и индуцированных бросков напряжения с помощью металлооксидных варисторов или ограничителей переходного напряжения (Transient Voltage Supressor — TVS), а от превышения допустимого тока — с помощью предохранителей, но эти устройства не могут обеспечить защиту всей цепи светодиодов от отключения из-за отказа одного светодиода. Для этого нужно устройство защиты от обрыва светодиодов, которое включается параллельно каждому светодиоду (см. рис. 1) или группы до четырех светодиодов в цепи. Когда светодиод переходит в открытое состояние (обрывается) при отказе, напряжение на нем увеличивается до выходного напряжения блока питания. Устройство защиты детектирует рост напряжения, включается при достижении напряжения пробоя VBR (см. рис. 2) и шунтирует ток в обход отказавшего светодиода, сохраняя оставшуюся цепочку светодиодов в рабочем состоянии. Некоторые устройства защиты от обрыва светодиода предохраняют также от электростатического разряда и воздействия напряжения обратной полярности.

Многие микросхемы драйверов светодиодов имеют встроенную защиту от обрыва светодиодов, но она предназначена только для предохранения выходного напряжения от превышения порогового уровня, когда ток нагрузки падает до нуля (как это происходит при обрыве светодиода в цепи); она не сохраняет остальные светодиоды в цепи в рабочем состоянии. Кроме того, защита от электростатического разряда, встроенная в драйвер или светодиод, не достаточна для того, чтобы обеспечить приемлемый уровень зашиты в соответствии с моделью тела человека, при которой электростатический разряд может достигать 15 кВ (стандарт IEC 61000-4-2).
В устройствах защиты от обрыва светодиодов предусмотрены специальные диоды, которые предохраняют цепь в случае смены полярности источника питания. Светодиоды не включатся до тех пор, пока полярность источника питания не станет правильной.
Использование кремниевых управляемых диодов (Silicon-Controlled Rectifier — SCR) или зенеровских диодов вместо устройств защиты от обрыва светодиодов не является лучшим решением. SCR имеют довольно большие размеры; они не обеспечивают защиту от электростатического разряда и смены полярности источника питания. Кроме того, для них обычно требуется цепь резистивных делителей напряжения для установки пускового напряжения, причем, при изменении температуры окружающей среды, отклонения величины пускового напряжения от номинального значения довольно значительны. Зенеровский диод (либо внешний, либо встроенный в светодиод) не обеспечивает защиту от обрыва цепи или смены полярности. Когда светодиод переходит в открытое состояние (обрывается), зенеровский диод будет проводить весь ток цепи, и сгенерированное, в результате, тепло может сократить срок службы зенеровского диода и светодиодов, которые расположены поблизости от него.

Первым шагом в выборе устройства защиты от обрыва светодиодов является определение характеристик светодиода, который необходимо защитить, т.е. Vf (прямое напряжение) и If (прямой ток), а также их схему подключения (защита индивидуального светодиода или группы из двух, трех или четырех светодиодов).
На основе числа светодиодов в цепи следует рассчитать падение прямого напряжения на всей цепи, что позволит определить выходное напряжение блока питания, которое требуется для работы устройств защиты. Падение напряжения на каждом светодиоде не должно превышать предельное напряжение до переключения (stand-off voltage) устройства защиты. Если устройство защиты используется на нескольких светодиодах, то суммарное падение напряжения на всех параллельных светодиодов не должно превышать предельное напряжение до переключения устройства защиты.
Проверьте величину постоянного тока источника питания.
Выберете характеристики устройства защиты, исходя из следующих требований.
– Напряжение включения устройства защиты должно быть меньше выходного напряжения источника питания, чтобы обеспечить запуск устройства при обрыве светодиода.
– Ток переключения устройства защиты должен быть меньше тока источника питания, чтобы обеспечить надежное включение устройства.
– Следует убедитьтся, что величина тока переключения и тока удержания устройства защиты удовлетворяет требованиям во всем диапазоне рабочих температур как для светодиодов, так и для устройства защиты (заметим, что это температура устройства, а не температура окружающей среды); а также учесть такие факторы, как цвет свечения и яркость светодиодов (ток удержания не должен превышать управляющий ток светодиода).
– В целях экономии можно использовать одно устройство защиты для группы из двух или трех светодиодов, включенных последовательно. Выбирать устройство защиты следует исходя из количества светодиодов: устройство, которое имеет напряжение запуска 6 В, обеспечивает защиту одного светодиода; 9-В устройство можно использовать с парой светодиодов (см. рис. 3); 13-В устройство можно использовать с тремя, а 18-В устройство с четырьмя светодиодами. (Заметим, что в данном случае отказ одного светодиода вызовет выход из строя двух, трех или четырех светодиодов, соответственно).
Во многих приложениях важно обеспечить регулировку яркости светодиодов. В некоторых светодиодах может наблюдаться изменение цвета, когда меняется прямой ток, однако ШИМ-регулировка (в импульсном режиме) позволяет предупредить это изменение. Убедитесь, что выбранное устройство защиты от обрыва светодиодов совместимо с используемым типом регулировки яркости.

Далее следует выбрать тип корпуса устройства защиты, который подходит для применения в данной системе освещения.
Следует определить температуру окружающей среды для рабочих условий эксплуатации устройства защиты и, при необходимости, обеспечить отвод тепла. В типовом приложении с 350-мА источником тока и 1,1-В падением напряжения на включенном устройстве защиты, оно будет рассеивать 385 мВт. Несмотря на то, что это меньше потребляемой мощности светодиода или светодиодов во включенном состоянии, к которым подключено устройство защиты, для него может потребоваться радиатор. Так, для данного примера температура устройства защиты при типовом значении теплового сопротивления p-n-переход-воздух в 100°C/Вт (без радиатора), повысится на 38,5°C. Принимая максимальную рабочую температуру устройства равной 85°C, для устройства защиты потребуется радиатор при температуре окружающей среды, превышающей 46,5°C. В целях безопасности эту температуру, скорее всего, следует снизить примерно до 30°C.
Ток устройства защиты в выключенном состоянии обычно составляет менее 150 мкА, поэтому повышение температуры будет чуть более, чем на 5°C.

После всех расчетов следует протестировать устройства защиты, шунтирующие светодиоды, и проверить полученные результаты на их соответствие заданным в проекте показателям.
При установке устройств защиты следует выполнять рекомендации по пайке для используемых корпусов.
И наконец, отметим, что эти устройства можно использовать для защиты индивидуальных светодиодов или нескольких светодиодов, установленных в последовательную цепочку; они могут быть пригодны для параллельных цепей светодиодов с общим катодом (в такой конфигурации устройство защиты предохраняет от избыточного тока в параллельных цепях), но не подходят для матричной конфигурации, в которой имеются соединения между цепочками светодиодов.

Подключение светодиода к сети 220 Вольт

В декоративном освещении и прочих местах, где светодиод используется как источник света, принято подключать его через драйвер. Драйвер уже имеет необходимые параметры для бесперебойной и максимально эффективной работы светодиода. Он актуален в тех случаях, когда в цепи наличествует несколько мощных кристаллов или целый набор светодиодных лент.

Подключение светодиода напрямую к напряжению 220 В используется в том случае, когда LED будет выглядеть как слабенький индикатор – если в подключении участвуют один или несколько элементов. Для них покупка драйвера совершенно нецелесообразна. В данном материале описана разница подключения через драйвер и к сети 220 В напрямую, а также показаны и объяснены схемы подключения различных типов.

1. В чем заключается разница подключения
2. Способы подключения к переменному току
3. Применение в быту
4. Техника безопасности
5. Заключение

В чем заключается разница подключения

Как подключить светодиод к сети 220 В? Проблема изначально кроется в технических характеристиках LED. Его работа основана на пропускании сквозь кристаллы определенного тока, вследствие чего они светят. Драйвер призван контролировать подачу тока на кристалл, ограничивая ее тем количеством, которое необходимо конкретно для этих моделей подключаемых светодиодов.

Пример подключения драйвера
для декоративной подсветки светодиодами

Ключевой особенностью драйвера является подача на светодиод постоянного тока, а не переменного, который протекает в обычной бытовой розетке. Переменный ток 220 В подает на кристаллы синусоподобное напряжение с частотой 50 Гц. Это означает, что его направление меняется 50 раз в секунду. При этом если включить светодиод, он будет светиться только при основной подаче тока и гаснуть при обратной. На схеме это выглядит так.

Зависимость свечения кристалла
от направления переменного тока

Глядя на график, становится понятно, что LED не будет светить постоянно, а будет мигать с такой же частотой, как и сам ток – 50 раз в минуту. Для человеческого глаза такое мерцание не различимо, и он будет видеть обычный равномерный свет. Но это не значит, что подключение светодиода к сети выполнено правильно.

Светодиод способен пропускать ток только в одном направлении, обратные колебания приводят к разрушению его структуры и последующей деградации. Для того чтобы светодиод не вышел из строя, к нему необходимо применять защитные меры.

Способы подключения к переменному току

Номинал резистораПростым и дешевым способом будет использование гасящего резистора, который включается в электрическую цепь, представляющую собой последовательное соединение светодиодов. Номинальной мощностью ограничительного резистора будет значение, которое рассчитывается по следующей формуле:

где: 0,75 – коэффициент надежности LED (теоретическое, конкретное узнавать у производителя);

Uпит – напряжение источника тока;

Uпад – напряжение, падающее на диоде и вызывающее свечение кристалла;

I – номинальный проходной ток.

При этом помните, что за напряжение источника тока следует принимать не 220 В, а амплитудный параметр 310 В. Это обязательно нужно учитывать для правильности выходных параметров при выполнении расчета.

Мощность резистора

После включения резистора в цепь появляется достаточно сильное сопротивление, которое сопровождается ощутимым выделением тепла – ведь падающее напряжение должно куда-то преобразовываться. Поэтому важным параметром при подборе резистора является его мощность, которая рассчитывается по формуле:

где: U – разность сетевого и падающего напряжений.

Подключение резистора, выполненное своими руками, сгладит резкую амплитуду переменного тока и позволит подключать светодиоды к сети 220 вольт. Но даже после его подключения все равно остается обратное напряжение такой же силы, поэтому для обеспечения безопасности кристалла выполняется еще несколько операций.

Подключение диода с высоким порогом обратного пробоя. Это самый простой и эффективный способ защитить LED от тока обратного направления. Смысл в том, что этот диод имеет колоссальное сопротивление на обратное направление, пропуская ток в одну сторону и не давая ему пройти в другую. На схеме это выглядит так:

Защита светодиодов от обратного напряжения диодом

Здесь не нужно выполнять расчет – обратное напряжение такого диода должно превышать указанные выше 310 В. При изменении направления тока все напряжение будет приложено только к нему. Практика показывает, что чем больше будет его сопротивление, тем надежнее он защитит LED. Оптимальный параметр приближается к 1 000 В.

Встречно-параллельное включение светодиода и обычного диода. В отличие от обратного диода, резистор гасит напряжение в обоих направлениях. Смысл данного способа заключается в том, чтобы обратную амплитуду направить сразу на установленный ранее резистор, который и заглушит его. Учтите, что для такой схемы ранее рассчитанные параметры резистора нужно как минимум удвоить и добавить маленький хвостик в 5–10% для амортизации перепадов напряжения.

Встречно-параллельное подключение светодиода и диода

Встречно-параллельное подключение светодиода и диодаВстречно-параллельное подключение двух одинаковых светодиодов к напряжению 220 В. Как подключить светодиоды к сети 220 В? Если подразумевается подключение их в количестве двух штук (иди любого другого четного количества), то можно сразу расположить светодиоды так, чтобы заменить и диод обратного напряжения, и обычный. Аналогично предыдущей схеме вместо маленького диода на обратное направление ставится второй светодиод. Таким образом, первый импульс придется на первый светодиод, а возвратная амплитуда вернется на гасящий резистор через второй. Для реализации такой схемы не забудьте подключить светодиод к сети, соблюдая обратное направление (это касается второго элемента). Разделение будет такое – половина в одну сторону, половина в другую.

Встречно-параллельное подключение двух светодиодов

Два последних способа очень экономичны в плане покупки и установки радиодеталей, однако имеют общий существенный минус – при двойном сопротивлении на резисторе образуется и двойное выделение тепла. Поэтому необходимо правильно рассчитать его мощность. Представим наиболее простые способы выполнить расчет. Предположим, что в наших схемах использовались резисторы с сопротивлением в 30 кОм, при переменном напряжении 220 В они выдают ток около 10 мА. Рассчитываем, сколько тепла образуется на элементе:

10×10×30 = 3 000 мВт или 3 Вт.

Из этого следует, что для нормальной работы резистора в цепи с двумя светодиодами его мощность должна приближаться к 4 Вт – этого запаса вполне достаточно для безопасной работы.

Возникает следующая проблема – увеличение количества запитанных светодиодов от сети в цепи даже до 3 штук ведет к колоссальным требованиям к резистору – его мощность уже должна приближаться к 40 Вт, что экономически и логически совсем не выгодно. Этим нюансом пренебрегать не надо – если мощности окажется недостаточно для выделения тепла такой силы, резистор очень быстро перегреется и сгорит, вызвав в сети опасное короткое замыкание и доставив много проблем.

Включение конденсатора в электрическую цепь. Такой вид нагрузки имеет большое преимущество перед резистором – его сопротивление реактивное, то есть на нем мощность не рассеивается. Ниже представлена наиболее частая схема подключения светодиодов от сети 220 В с конденсатором. Следует помнить, что при всех своих преимуществах конденсатор имеет одну существенную опасность для пользователя – после отключения подачи тока в сеть 220 В он продолжает хранить внутри остаточные заряды. Для их нейтрализации в цепь подключается резистор R1. Резистор R2 устанавливается для защиты цепи от резкого скачка напряжения через конденсатор. Также не забываем и об установке диода обратного напряжения VD1, который защищает LED от возвратной полярности.

Схема подключения светодиодов через конденсатор

Упомянем и о материале нагрузки. Он бывает двух видов – полярный и неполярный. Для нашей цепи в обязательном порядке устанавливаются только вольтовые неполярные варианты. Электролитные и танталовые устанавливать запрещено – обратное напряжение очень быстро разрушит их структуру, что приведет к выгоранию цепи и короткому замыканию. Его мощность аналогична резистору для этих целей – не менее 400 В.

Расчет емкости конденсатора

У конденсатора есть параметр, который перед подключением светодиодов к сети 220 вольт нужно рассчитывать – емкость. Эмпирическая формула приведена ниже:

где: U – все то же амплитудное напряжение переменного тока, 310 В;

I – ток, который проходит через установленный светодиод, мА;

Uд – падающее напряжение тока для образования свечения на кристалле.

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.

Заключение

В создании такой цепи главный нюанс – правильный подбор параметров резистора и конденсатора. Переменный ток, который протекает в розетке, оказывает сильное разрушающее действие на элементы, неприспособленные к пропусканию через себя обратного тока. Грамотное ограничение амплитуды переменного тока с заданным амортизационным запасом и правильный расчет обезопасит цепь от выгорания и короткого замыкания, позволив ей работать долго и надежно.