alexxlab Как рассчитать емкость гасящего конденсатора простого блока питания. . Обзоры товаров из Китая.
Блок питания с гасящим конденсатором представляет собой простейший вариант запитать какое нибудь маломощное устройство.
При всей своей простоте он имеет и два минуса:
1. Он гальванически связан с сетью! потому такие БП используются там, где нет вероятности прикосновения к контактам.
2. Такой Бп имеет не очень большой выходной ток. При увеличении выходного тока надо увеличивать емкость гасящего конденсатора и его габариты становятся существенными.
Внимание, будьте очень аккуратны, не прикасайтесь к контактам этого БП когда он включен.
Простейшая схема данного БП выглядит так:
Как можно увидеть из схемы, последовательно с сетью стоит конденсатор. Он то и является балластом,, на котором гасится часть напряжения.
Конденсатор не пропускает постоянный ток, но так как в сети переменный и конденсатор в итоге постоянно перезаряжется, то и получается, что в таком случае ток на выходе есть.
Собственно потому для расчета емкости конденсатора необходимо знать как минимум выходной ток нашего будущего БП, причем надо учесть и потребление стабилизатора, обычно это несколько мА.
И так. Есть две формулы, сложная и простая.
Сложная — подходит для расчета при произвольном выходном напряжении.
Простая — подходит в ситуациях, когда выходное напряжение не более 10% от входного.
I — выходной ток нашего БП
Uвх — напряжение сети, например 220 Вольт
Uвых — напряжение на выходе БП (или до стабилизаторе если такой есть), например 12 Вольт.
С — собственно искомая емкость.
Например я хочу сделать БП с выходным током до 150мА. Пример схемы приведен выше, вариант применения — радиопульт с питанием 5 Вольт + реле на 12 Вольт.
Подставляем наши 0.15 Ампера и получаем емкость 2.18мкФ, можно взять ближайший номинал из стандартных — 2,2мкФ, ну или «по импортному» — 225.
Все как бы вроде хорошо, схема простая, но есть несколько минусов, которые надо исключить:
1.
Бросок тока при включении может сжечь диодный мост.
2. При выходе из строя конденсатора может быть КЗ
3. Если оставить как есть, то вполне можно получить разряд от входного конденсатора, так как на нем может долго присутствовать напряжение даже после отключения БП от сети.
4. При снятии нагрузки напряжение на конденсаторе до стабилизатора поднимется до довольно большого значения.
Решения:
1. Резистор R1 последовательно с конденсатором
2. Предохранитель 0.5 Ампера.
3. Резистор R2 параллельно конденсатору.
4. Супрессор на 12 Вольт параллельно конденсатору после диодного моста. Я не рекомендую здесь использовать стабилитроны, супрессоры рассчитаны на большую мощность рассеивания и схема будет работать надежнее.
На схеме красным цветом я выделил новые компоненты, синим — небольшое дополнение в виде светодиода.
Но гасящие конденсаторы используют часто и в дешевых светодиодных лампах. Это плохо, так как у таких ламп меньше надежность и часто высокие пульсации света.
Ниже упрощенный вариант схемы такой лампы.
Попробуем рассчитать емкость для такого применения, но так как напряжение на выходе будет явно больше чем 1/10 от входного, то применим первую формулу.
В качестве выходного напряжения я заложил 48 Вольт, 16 светодиодов по 3 Вольта на каждом. Конечно это все условно, но близко к реальности.
Ток — 20мА, типичный максимальный ток для большинства индикаторных светодиодов.
У меня вышло, что необходим конденсатор емкостью 0.298 мкФ. Ближайший из распространенных номиналов — 0.27 или 0.33мкФ. Первый встречается гораздо реже, а второй уже будет давать превышение тока, потому можно составить конденсатор из двух параллельных, например по 0.15мкФ. При параллельном включении емкость складывается.
С емкостью разобрались, осталось еще пара моментов:
1. Напряжение конденсатора
2. Тип конденсатора.
С напряжением все просто, можно применить конденсатор на 400 Вольт, но надежнее на 630, хоть они и имеют больше размер.
С типом чуть сложнее. Для такого применения лучше использовать конденсаторы, которые изначально предназначены для такого использования, например К73-17, CL21, X2
На фото конденсатор CL21
А это более надежный вариант, не смотрите что на нем указано 280 Вольт, у него это значение переменного действующего напряжения и он будет работать надежнее, чем К73-17 или CL21.
Такие конденсаторы могут выглядеть и так
А вот теперь можно еще раз внимательно посмотреть, что надо для того, чтобы собрать такой «простой» блок питания и решить, нужен ли он.
Как пример таких блоков питания я могу дать ссылку на подробный обзор четырех вариантов, с тестами, схемами и осмотров.
Но можно поступить еще лучше.
Сейчас получили распространение монолитные блоки питания. По сути кубик, в котором находится миниатюрный БП
Например HLK-PM01 производства Hi-link, стоимостью около двух долларов за штуку.
Или их китайский аналог TSP-05 производства Tenstar robot. Они немного дешевле, 1.93 доллара за штуку.
Практика показала, что качество у них сопоставимое.
Как я писал выше, они представляют из себя импульсный Бп в модульном исполнении. БП в пластмассовом корпусе залитый эпоксидной смолой.
Внутренности поближе, на фото вариант от Hi-link
На этом вроде все. Надеюсь, что статья была полезна, постараюсь и в будущем находить интересные темы. Также интересны пожелания, что хотелось бы видеть в рубрике — Начинающим.
Эту страницу нашли, когда искали:
какие ставить конденсаторы в бп чтобы увеличить мощность, схема включения x2 конденсатора, как подобрать конденсатор для блока питания 36 вольт, расчет емкости конденсатора qx/Uвых, конденсатор гасящий калькулятор, сколько вольт вы найдете на основном конденсаторе прибора на 220 вольт, как рассчитать выходное напряжение через конденсатор, конденсатор 0.
Простая светодиодная лампа своими руками
Внимание! Данная конструкция не имеет гальванической развязки
от высоковольтной сети переменного тока.
Строго соблюдайте технику безопасности. При повторении конструкции Вы всё делаете на свой страх и риск. Автор не несёт никакой ответственности за Ваши действия.В статье рассмотрена конструкция светодиодной лампы с питанием от сети переменного тока с напряжением до 240 В и частотой 50/60 Гц. Данная лампа мне служит уже более двух лет и я хочу поделится с Вами этой конструкцией. Лампа имеет очень простую схему ограничения тока, что даёт возможность повторения конструкции начинающим радиолюбителям. Она имеет небольшую мощность и может применяться в качестве ночника или для подсветки помещения, где не нужна большая яркость свечения, но важен такой фактор, как низкое энергопотребление и долгий срок службы. Её можно повесить в подъезде или на лестничной площадке и не переживать о выключении или высоком расходе электричества — срок её службы практически ограничен сроком службы применённых светодиодов, так как данная лампа не имеет импульсного преобразователя, которые часто выходят из строя быстрее самих светодиодов, а радиоэлементы здесь подобраны таким образом, что не превышаются номинальные напряжения и рабочие токи как конденсаторов с диодами, так и самих светодиодов даже при максимальном допустимом напряжении и частоты в питающей электросети.
Лампа имеет следующие характеристики:
| Напряжение питания: | до 240 В |
| Частота питающей сети: | 50/60 Гц |
| Потребляемая мощность: | не более 1,8 Вт |
| Количество светодиодов: | 9 штук |
| Общее число кристаллов: | 27 единиц |
| Тип преобразования: | с гасящим конденсатором |
В лампе использованы трёхкристалльные светодиоды тёплого белого свечения типа smd5050:
При протекании номинального тока 20 мА на одном кристалле светодиода падает напряжение порядка 3,3 В. Это основные параметры для расчёта гасящего конденсатора для питания лампы.
Кристаллы всех девяти светодиодов соединены последовательно друг с другом и таким образом через каждый кристалл протекает одинаковый ток. Этим достигается одинаковое свечение и максимальный срок службы светодиодов и следовательно всей лампы.
Схема соединения светодиодов показана на рисунке:
После спаивания получается вот такая светодиодная матрица:
Вот так это выглядит с лицевой стороны:
Представляю Вам принципиальную схему данной светодиодной лампы:
В лампе используется двухполупериодный выпрямитель на диодах D1-D4. Резистор R1 ограничивает бросок тока во время включения лампы. Конденсатор C2 является фильтрующим и сглаживает пульсации тока через светодиодную матрицу. Для данного случая его ёмкость в микрофарадах примерно можно рассчитать по формуле:
где I это ток через светодиодную матрицу в миллиамперах и U — падение напряжения на ней в вольтах. Не стоит гнаться за слишком большой ёмкостью этого конденсатора, так как токогасящий конденсатор играет роль ограничителя тока, а подключённая светодиодная матрица является стабилизатором напряжения.
В данном случае можно использовать конденсатор ёмкостью 2,2-4,7 мкФ. Параллельно ему установленный резистор R3 обеспечивает полную разрядку этого конденсатора после выключения питания.
Резистор R2 играет ту же роль для токогасящего конденсатора C1. Теперь главный вопрос — как рассчитать ёмкость гасящего конденсатора? В интернете есть много формул и онлайн калькуляторов для этого, но все они занижали результат и давали более низкую ёмкость, что подтвердилось на практике. При использовании формул с различных сайтов и после применения онлайн калькуляторов в большинстве случаев получилась ёмкость 0,22 мкФ. При установке же конденсатора с данной ёмкостью и при замере протекающего через светодиодную матрицу тока был получен результат 12 мА при напряжении сети 240 В и частоты 50 Гц:
Тогда я пошёл более длинным путём и сначала рассчитал необходимое гасящее сопротивление, а затем вывел ёмкость гасящего конденсатора. За исходные данные мы имеем:
- Напряжение питающей сети: 220 В. Возьмём максимально возможное — 240 В.
- Частоту сети я взял в 60 Гц. При частоте в 50 Гц через матрицу будет протекать меньший ток и лампа будет светить менее ярче, но, зато будет запас.
- Напряжение, падающее на светодиодной матрице составит 27*3,3=89,1 В, так как у нас 27 последовательно включённых светодиодных кристаллов и на каждом из них будет падать примерно 3,3 В. Округлим это значение до 90.
- При максимальной частоте 60 Гц и напряжении в сети 240 В, протекающий через матрицу ток, не должен превышать 20 мА.
В расчётах используются действующие значения токов и напряжений. По закону Ома гасящее сопротивление должно составлять:
где Uc — напряжение в сети (В)
Um — напряжение на светодиодной матрице (В)
Im — ток через матрицу (A).
Так как в качестве гасящего сопротивления мы используем конденсатор, то Xc = R и по известной формуле для ёмкостного сопротивления:
вычисляем необходимую ёмкость конденсатора:
где f — частота питающей сети (Гц)
Xc — необходимое ёмкостное сопротивление (Ом)
Напоминаю, что полученное в данном случае значение ёмкости конденсатора справедливо для частоты питающей сети 60 Гц.
Для частоты же 50 Гц по расчётам получается значение 0,42 мкФ. Для проверки справедливости я временно поставил два параллельно соединённых конденсатора по 0,22 мкФ с получившейся суммарной ёмкостью в 0,44 мкФ и при замере протекающего через светодиодную матрицу тока было зафиксировано значение в 21 мА:
Но для меня была важна долговечность и универсальность и по расчёту на частоту 60 Гц с результатом необходимой ёмкости в 0,35 мкФ я взял близкий номинал с ёмкостью в 0,33 мкФ. Вам так же советую брать конденсатор немного меньшей ёмкости, чем расчётная, что бы не превышать допустимый ток используемых светодиодов.
Далее подставив формулу для расчёта сопротивления в формулу для определения ёмкости и сократив всё выражение я вывел универсальную формулу в которую, подставив исходные значения, можно вычислить необходимую ёмкость конденсатора для любого числа светодиодов в лампе и любого питающего напряжения:
Окончательная формула принимает следующий вид:
Где C — ёмкость гасящего конденсатора (мкФ)
Id — допустимый номинальный ток применяемого в лампе светодиода (мА)
f — частота питающей сети (Гц)
Uc — напряжение питающей сети (В)
n — количество используемых светодиодов
Ud — падение напряжения на одном светодиоде (В)
Может быть кому то будет лень производить эти расчёты, но по этой формуле можно определить ёмкость для любой светодиодной лампы с любым числом последовательно соединённых светодиодов любого цвета.
Можно например сделать лампу из 16 красных светодиодов подставляя в формулу соответствующее красным светодиодам падение напряжения. Главное придерживаться разумных пределов, не превышать количество светодиодов с общим напряжением на матрице до напряжения питающей сети и не использовать слишком мощные светодиоды. Таким образом можно изготовить лампу с мощностью до 5-7 Вт. В противном случае может понадобиться конденсатор слишком большой ёмкости и могут возникнуть сильные пульсации тока.
Вернёмся к моей лампе и на фотографии ниже показаны радиоэлементы, которые я использовал:
У меня не нашлось конденсатора ёмкостью 0,33 мкФ и я поставил параллельно включённых два конденсатора с ёмкостью 0,22 и 0,1 мкФ. С такой ёмкостью протекающий через матрицу ток, будет немного меньше расчётного. Фильтрующий конденсатор в моём случае на напряжение 250 В, но я настоятельно рекомендую использовать конденсатор на напряжение от 400 В. Хотя падение напряжения на моей светодиодной матрице и не превышает 90 В, но в случае обрыва или перегорания хоты бы одного из светодиодов напряжение на фильтрующем конденсаторе достигнет амплитудного значения, а это более 330 В при действующем напряжении в питающей сети 240 В.
(Ua = 1,4U)
В качестве корпуса я использовал часть компактной энергосберегающей люминесцентной лампы вытащив из неё электронную начинку:
Плату я выполнил навесным монтажом и она с лёгкостью поместилась в указанный корпус:
Светодиодную матрицу я приклеил двойным скотчем к круглому куску гетинакса, который привинтил к корпусу двумя винтами с гайками:
Так же я сделал небольшой рефлектор, вырезав его из жестяной банки:
Я провёл реальные измерения при напряжении в питающей сети 240 В и частоте 50 Гц:
Постоянный ток через светодиодную матрицу принял значение 16 мА, что не превышает номинального тока используемых светодиодов:
Так же я разработал печатную плату под радиоэлементы в программе Sprint-Layout. Все детали поместились на площади 30Х30 мм. Вид данной печатной платы Вы можете видеть на рисунках:
Я предоставил эту печатную плату в форматах PDF, Gerber и Sprint-Layout. Вы свободно можете скачать указанные файлы.
Хотя на схеме и указаны диоды КД105, но так как в настоящее время они являются редкостью, то печатная плата разведена под диоды 1N4007. Так же можно использовать другие выпрямительные диоды средней мощности на напряжение от 600 В и на ток в 1,5-2 раза больший тока потребления светодиодной матрицы. Дам рекомендацию на счёт сборки этой матрицы. Все светодиоды лицевой стороной я временно приклеил к малярному скотчу и спаял все выводы согласно схеме, после чего готовую матрицу со стороны выводов приклеил на двусторонний скотч и снял бумажный малярный скотч с лицевой стороны. Если у Вас будет возможность, я рекомендую расположить светодиоды на большем расстоянии друг от друга, так как они будут выделять тепло и от близкого расположения могут перегреваться и быстро деградировать.
Лично у меня эта лампа светит по семь часов в день уже третий год и пока не было никаких проблем. К статье прилагаю также таблицу Exsel с формулой для расчёта. В ней просто нужно подставить исходные значения и в результате получите необходимою ёмкость гасящего конденсатора.
Всем ярких и долговечных лампочек. Оставляйте отзывы и делитесь статьёй, так как в интернете много неправильных формул и калькуляторов дающих неверный результат. Здесь же всё проверено опытом и подтверждено временем и реальными измерениями.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Конденсаторы | |||||||
| C1 | Конденсатор | 0.33 мкФ 400 В | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | ||
| C2 | Электролитический конденсатор | 3.3 мкФ 400 В | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | ||
| Резисторы | |||||||
| R1 | Резистор | 100 Ом | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | ||
| R2 | Резистор | 820 кОм | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | ||
| R3 | Резистор | 1. | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | ||
| Диоды | |||||||
| D1-D4 | Диод | КД105Г | 4 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | ||
| LED1-LED27 | Светодиод | smd5050 | 9 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | ||
| Добавить все | |||||||
2 МОмСкачать список элементов (PDF)
Теги:
- LED драйвер
- Светодиод
- Sprint-Layout
- Освещение
Как рассчитать и подобрать гасящий конденсатор
В самом начале темы, что касается подбора гасящего конденсатора, рассмотрим схему, состоящую из резистора и конденсатора, соединенных последовательно в сеть.
Полное сопротивление такой цепи будет равно:
Действующее значение тока соответственно находится по закону Ома, напряжение сети деленное на полное сопротивление цепи:
В итоге для нагрузки ток и входное и выходное напряжения, получаем следующее соотношение:
А если выходное напряжение достаточно мало, то мы вправе считать действующее значение тока примерно равным:
Однако рассмотрим с практической точки зрения вопрос выбора гасящего конденсатора для включения в Сеть переменного тока нагрузки рассчитана на напряжение ниже стандартного напряжения сети.
Предположим, у нас есть лампа накаливания мощностью 100 Вт, рассчитанная на напряжение 36 вольт, и по какой-то невероятной причине нам необходимо запитать ее от бытовой сети 220 вольт. Лампе нужен эффективный ток, равный:
Тогда емкость необходимого гасящего конденсатора будет равна:
Имея такой конденсатор, мы обретаем надежду получить нормальное свечение лампы, надеемся, что она хотя бы не перегорит.
Такой подход, если исходить из действующего значения тока, приемлем для активных нагрузок, таких как лампа или обогреватель.
А если нагрузка нелинейная и включена через диодный мост? Предположим, вам нужно зарядить свинцово-кислотный аккумулятор. Что тогда? Тогда зарядный ток для аккумулятора будет пульсирующим, и его значение будет меньше действующего значения:
Иногда радиоисточнику может пригодиться источник питания, в котором гасящий конденсатор включен последовательно с диодным мостом, выходом которого, в свою очередь, является фильтрующий конденсатор значительной емкости, к которому подключена нагрузка постоянного тока. Получается эдакий бестрансформаторный источник питания с конденсатором вместо понижающего трансформатора:
Здесь нагрузка в целом будет нелинейной, а ток станет далеко не синусоидальным, и надо будет проводить расчеты немного по-другому. Дело в том, что сглаживающий конденсатор с диодным мостом и нагрузкой внешне будет проявлять себя как симметричный стабилитрон, т.
к. пульсации при значительной емкости фильтра станут незначительными.
При напряжении на конденсаторе меньше некоторого значения мост закроется, а если выше — ток пойдет, но напряжение на выходе моста не увеличится. Рассмотрим процесс подробнее с графиками:
В момент времени t1 напряжение сети достигло амплитуды, конденсатор С1 в этот момент также заряжается до максимально возможного значения за вычетом падения напряжения на мосту, которое будет примерно равно выходному Напряжение. Ток через конденсатор С1 в этот момент равен нулю. Далее напряжение в сети стало уменьшаться, напряжение на мосту тоже, но на конденсаторе С1 оно еще не изменилось, и ток через конденсатор С1 по-прежнему равен нулю.
Далее напряжение на мосту меняет знак, стремясь упасть до минус Uвх, и в этот момент ток мчится через конденсатор С1 и через диодный мост. Далее напряжение на выходе моста не меняется, а ток в последовательной цепи зависит от скорости изменения напряжения питания, как если бы к сети был подключен только конденсатор С1.
Когда синусоида сети достигает противоположной амплитуды, ток через С1 снова становится равным нулю и процесс идет по кругу, повторяясь каждые полпериода. Очевидно, что ток через диодный мост течет только в промежутке между t2 и t3, и среднее значение тока можно рассчитать, определив площадь закрашенной фигуры под синусоидой, которая будет равна:
Если выходное напряжение схемы достаточно мало, то эта формула приближается к значению, полученному ранее. Если выходной ток установить равным нулю, то получим:
То есть при обрыве нагрузки выходное напряжение станет равным напряжению сети!!! Поэтому в схеме следует использовать такие компоненты, чтобы каждый из них выдерживал амплитуду питающего напряжения.
Кстати, при уменьшении тока нагрузки на 10% выражение в скобках уменьшится на 10%, то есть выходное напряжение увеличится примерно на 30 вольт, если изначально иметь дело, скажем, с 220 вольтами при на входе и 10 вольт на выходе. Таким образом, использование стабилитрона параллельно нагрузке строго необходимо!!!
А если выпрямитель однополупериодный? Тогда ток необходимо рассчитать по следующей формуле:
При малых значениях выходного напряжения ток нагрузки станет вдвое меньше, чем при выпрямлении полным мостом.
А напряжение на выходе без нагрузки будет в два раза больше, так как здесь мы имеем дело с удвоителем напряжения.
Итак, блок питания с гасящим конденсатором рассчитывается в следующем порядке:
Прежде всего, выберите, каким будет выходное напряжение.
Затем определите максимальный и минимальный токи нагрузки.
Далее определите максимальное и минимальное напряжение питания.
Если предполагается, что ток нагрузки нестабилен, необходим стабилитрон параллельно нагрузке!
Наконец, вычисляется емкость гасящего конденсатора.
Для схемы с однополупериодным выпрямлением, для частоты сети 50 Гц емкость находится по следующей формуле:
Полученный по формуле результат округляют в сторону большей номинальной емкости (желательно не более 10%).
Следующим шагом является нахождение тока стабилизации стабилитрона при максимальном напряжении питания и минимальном токе потребления:
Для однополупериодной схемы выпрямления гасящий конденсатор и максимальный ток стабилитрона рассчитываются по следующим формулам:
При выборе гасящего конденсатора лучше ориентироваться на пленочные и бумажные конденсаторы.
Пленочные конденсаторы небольшой емкости — до 2,2 мкФ на рабочее напряжение 250 вольт хорошо работают в этих схемах при питании от сети 220 вольт. Если вам нужна большая емкость (более 10 мкФ) — лучше выбрать конденсатор на рабочее напряжение 500 вольт.
Как подключить светодиод к сети освещения
Прочитав этот заголовок, кто-то может спросить: «Зачем?» Да, если просто воткнуть Светодиод, даже если он воткнут по определенной схеме, практической ценности это не имеет, никакой полезной информации не принесет. А вот если подключить этот же светодиод параллельно ТЭНу, управляемому терморегулятором, можно визуально контролировать работу всего устройства. Иногда это указание позволяет избавиться от многих мелких проблем и неприятностей.
В свете того, что уже было сказано о включении светодиодов в предыдущих статьях, задача кажется тривиальной: достаточно установить ограничительный резистор нужного номинала, и вопрос решен. Но все это хорошо, если питать светодиод выпрямленным постоянным напряжением: как подключили светодиод в прямом направлении, так и осталось.
При работе на переменном напряжении все не так просто. Дело в том, что кроме постоянного напряжения на светодиод будет воздействовать и напряжение обратной полярности, ведь каждый полупериод синусоиды меняет свой знак на противоположный. Это обратное напряжение не зажжет светодиод, но он может очень быстро прийти в негодность. Поэтому необходимо принять меры по защите от этого «вредного» напряжения.
В случае сетевого напряжения расчет гасящего резистора должен основываться на напряжении 310В. Почему? Здесь все очень просто: 220В — текущее напряжение, амплитудное значение 220*1,41=310В. Амплитуда напряжения на корне в два (1,41) раза больше силы тока, и об этом не следует забывать. Вот прямое и обратное напряжение, подаваемое на светодиод. Именно от значения 310В следует рассчитывать сопротивление гасящего резистора, и именно от этого напряжения, только обратной полярности, светодиод защищен.
Как защитить светодиод от обратного напряжения
Практически у всех светодиодов обратное напряжение не превышает 20В, т.
к никто не собирался делать на них высоковольтный выпрямитель. Как избавиться от такой напасти, как защитить светодиод от этого обратного напряжения?
Оказывается, все очень просто. Первый способ — включить штатный с выпрямительным диодом LED с высоким обратным напряжением (не ниже 400В), например, 1N4007 — обратное напряжение 1000В, прямой ток 1А. Именно он не пропустит высокое напряжение отрицательной полярности на светодиод. 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 обязательно должен быть с большим обратным напряжением, достаточно любого маломощного диода, например, КД521.
Причем можно просто включить наоборот — параллельно два светодиода: открываясь по одному, они сами будут защищать друг друга, и даже оба будут излучать свет, как показано на рисунке 1в. Это уже третий способ защиты. Все три схемы защиты показаны на рисунке 1.
Рисунок 1. Схема защиты светодиодов от обратного напряжения
Ограничительный резистор в этих цепях имеет сопротивление 24КОм, что при рабочем напряжении 220В обеспечивает ток порядка 220/24=9,16мА, может быть округляем до 9. Тогда мощность гасящего резистора будет 9*9*24=1944мВт, почти два ватта. И это несмотря на то, что ток через светодиод ограничен 9 мА. Но длительное использование резистора на максимальной мощности ни к чему хорошему не приведет: сначала он почернеет, а потом и вовсе сгорит. Во избежание этого рекомендуется ставить последовательно два резистора по 12кОм мощностью 2Вт каждый.
Если установить уровень тока 20мА, то мощность резистора будет еще больше — 20*20*12=4800мВт, почти 5Вт! Естественно, печь такой мощности для отопления помещений позволить себе не может никто. Это на основе одного светодиода, а что если будет целая светодиодная гирлянда?
Конденсатор — бесплетевое сопротивление
В схеме, представленной на рисунке 1а, защитный диод D1 «срезает» отрицательный полупериод переменного напряжения, поэтому мощность гасящего резистора уменьшается вдвое.
Но, тем не менее, мощность остается весьма значительной. Поэтому часто в качестве ограничительного резистора балластный конденсатор: ток он ограничит не хуже резистора, но тепла отдавать не будет. Ведь не зря конденсатор часто называют свободным сопротивлением. Этот метод переключения показан на рисунке 2.9.0003
Рисунок 2. Схема включения светодиода через балластный конденсатор
Тут вроде все хорошо, даже есть защитный диод VD1. Но две детали не предоставлены. Во-первых, конденсатор С1 после выключения схемы может оставаться в заряженном состоянии и хранить заряд до тех пор, пока кто-нибудь не разрядит его собственноручно. И это, поверьте, обязательно когда-нибудь случится. Удар током, конечно, не смертельный, но довольно чувствительный, неожиданный и неприятный.
Поэтому во избежание такой неприятности эти гасящие конденсаторы зашунтированы резистором сопротивлением 200…1000К. Такая же защита установлена в бестрансформаторных источниках питания с гасящим конденсатором, в оптронах 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 пробивает, его емкость становится намного меньше номинальной. Разумеется, конденсатор должен быть керамическим на рабочее напряжение не ниже 400В или специальным для работы в цепях переменного тока на напряжение 250В.
Еще одна важная роль отведена резистору R2: в случае пробоя конденсатора он работает как предохранитель. Конечно, светодиоды тоже придется заменить, но по крайней мере соединительные провода останутся целыми. Собственно, так работает предохранитель в любом импульсном блоке питания, — транзисторы сгорели, а печатная плата осталась практически нетронутой.
На схеме, представленной на рисунке 3, показан только один светодиод, хотя на самом деле их можно включать последовательно несколько.
Защитный диод вполне справится со своей задачей один, а вот емкость балластного конденсатора придется рассчитать, хотя бы приблизительно, но все же.
Как рассчитать емкость гасящего конденсатора
Чтобы рассчитать сопротивление гасящего резистора, необходимо из напряжения питания вычесть падение напряжения на светодиоде. Если несколько светодиодов соединены последовательно, то просто складываем их напряжения, а также вычитаем из напряжения питания. Зная это остаточное напряжение и требуемый ток, по закону Ома очень просто рассчитать сопротивление резистора: R = (U-Uд)/I*0,75.
Здесь U — напряжение питания, Ud — падение напряжения на светодиодах (если светодиоды соединены последовательно, то Ud — 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 — это коэффициент повышения надежности. Эта формула уже приводилась в статье.
«Об использовании светодиодов».
Величина прямого падения напряжения для светодиодов разных цветов разная. При токе 20 мА красные светодиоды 1,6…2,03В, желтые 2,1…2,2В, зеленые 2,2…3,5В, синие 2,5…3,7В. Наибольшее падение напряжения имеют белые светодиоды, имеющие широкий спектр излучения 3,0…3,7В. Нетрудно заметить, что разброс этого параметра достаточно широк.
Вот падение напряжения всего нескольких типов светодиодов, только по цвету. На самом деле этих цветов гораздо больше, и точное значение можно узнать только в технической документации на конкретный светодиод. Но часто 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 сотен светодиодов.
Для расчета емкости гасящего конденсатора применяется эмпирическая формула С = (4,45*I)/(U-Uд)
где С — емкость конденсатора в микрофарадах, I — сила тока в миллиамперах, U — амплитуда напряжения сети в вольтах.
При использовании цепочки из трех последовательно соединенных белых светодиодов Uд примерно около 12В, U — амплитуда сетевого напряжения 310В, для ограничения тока нужен конденсатор емкостью 20мА
С = (4,45*I )/(U-Uд)=С=(4,45*20)/(310-12)=0,29865 мкФ, почти 0,3 мкФ.
Ближайший стандартный номинал конденсатора 0,15 мкФ, поэтому для использования в этой схеме придется использовать два параллельно включенных конденсатора. Здесь необходимо сделать замечание: формула справедлива только для частоты переменного напряжения 50 Гц. Для других частот результаты будут неверными.
Сначала необходимо проверить конденсатор
Перед использованием конденсатора его необходимо проверить. Для начала просто подключите 220В, лучше через предохранитель 3…5А, и через 15 минут проверьте на ощупь, но ощутим ли нагрев? Если конденсатор холодный, то его можно использовать. В противном случае обязательно берите другой, и тоже предварительно проверьте. Ведь все таки 220В это уже не 12, здесь все несколько иначе!
Если эта проверка прошла успешно, конденсатор не нагрелся, то можно проверить, не была ли ошибка в расчетах, той ли емкости конденсатор.
Для этого нужно включить конденсатор как и в предыдущем случае в сеть, только через амперметр. Естественно, 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 серии DT838, способны измерять только постоянный ток, чего такой амперметр покажет при измерении переменного тока нет один знает. Скорее всего это будет цена дров или температура на луне, а не переменный ток через конденсатор.
Если измеренный ток примерно такой, как получилось при расчете по формуле, то можно смело подключать светодиоды. Если вместо ожидаемых 20…30 мА получилось 2…3А, то тут либо ошибка в расчетах, либо неправильно прочитана маркировка конденсатора.
Выключатели с подсветкой
Здесь можно остановиться на другом способе включения светодиода в сеть освещения, используемой в выключателях с подсветкой. Если такой выключатель разобрать, то можно обнаружить, что защитных диодов там нет.
Значит, все, что написано чуть выше, ерунда? Вовсе нет, надо просто внимательно посмотреть на разобранный переключатель, точнее номинал резистора. Как правило, его номинал не меньше 200К, может даже чуть больше. При этом очевидно, что ток через светодиод будет ограничен величиной около 1 мА. Принципиальная схема с подсветкой показана на рис. 4.9.0003
Рисунок 4. Схема подключения светодиода в выключателе с подсветкой
Здесь одним резистором убиваются сразу несколько «зайцев одним выстрелом». Конечно, ток через светодиод будет мал, светиться он будет слабо, но достаточно ярко, чтобы увидеть это свечение темной ночью в помещении. А вот днем это свечение совершенно не нужно! Так позволь себе сиять незаметно.
В этом случае обратный ток будет слабым, настолько слабым, что светодиод сгореть никак не сможет. Отсюда и экономия ровно на одном защитном диоде, о которой было сказано выше. При выпуске миллионов, а может и миллиардов автоматических выключателей в год экономия получается немалая.