Как подключить светодиод к 220 В

У многих начинающих радиолюбителей возникает мысль, как подключить светодиод к 220 В без применения трансформатора. Ведь габариты даже самого маломощного трансформатора сравнительно велики. Это в первую очередь вызвано высоким сетевым напряжением, в результате чего первичная обмотка трансформатора имеет большое число витков.

Основной проблемой подключения светодиода к 220 вольтам на прямую, без трансформатора является ограничение ток, протекающего через него вследствие проложенного напряжения. Оценим его величину для понимания сети происходящего.

Светодиод – это светоизлучающий полупроводниковый прибор, как и «обычный» диод пропускает ток лишь в одном направлении. Поскольку переменное напряжение изменяет свое направление дважды за период, то в один полупериод ток протекает, а во второй – нет. Поэтому, чтобы определить средний ток, протекающий через светодиод, следует действующее напряжения 220 В разделить на два. Получим 110 В. Эту величину возьмем за основу при дальнейших расчетах.

Сопротивление любого полупроводника нелинейное, т.е. нелинейно зависит от величины приложенного напряжения. Не вникая в подробности, с приемлемой точностью примем 1,7 Ом. Тогда ток, протекающий через полупроводниковый кристалл равен 110/1,7 = 65 А! Естественно, такой огромный ток сожжёт полупроводниковый прибор. Поэтому обязательно нужно последовательно со светодиодом включать какое-либо сопротивление.

Если в цепи постоянного напряжения в качестве сопротивления можно использовать только резистор, то на переменном напряжении есть возможность применять еще и конденсатор или катушку индуктивности. Их еще называют реактивными элементами. В один полупериод времени они накапливают энергию (в виде электрического или магнитного поля), а в следующий полупериод возвращают ее в направлении источника питания. При этом электрическая энергия практически не потребляется.

Применение катушки индуктивности не рассматривается, по ряду причин, связанных с ее нагревом.

Как подключить светодиод к 220 В с помощью резистора

Для большей наглядности изобразим расчетную схему.

Такая схема очень распространена в цепях индикации работы электротехнических устройств, например, подсветки выключателя или кнопки электрического чайника. Главным достоинством данной схемы является ее простота, а отсюда и надежность.

С целью сравнения полученных результатов возьмем два светодиода. Один индикаторного типа, а второй более мощный.

Определим сопротивление R₁, необходимое для первого светодиода:

Сетевое напряжение делим на два по уже указанной выше причине.

Мощность рассеивания резистор равна:

Принимаем 2 ватта, поскольку такой номинал является ближайшим в сторону увеличения из стандартного ряда мощностей.

Теперь определим сопротивление резистора, соединенного последовательно со вторым светодиодом:

Мощность рассеивания равна:

Резисторы с такой мощностью рассеивания имеют значительные размеры и немалую стоимость, поэтому не рационально их применение в цепи с мощными светодиодами. Более эффективным будет замена его конденсатором.

Для защиты полупроводникового прибора встречно-параллельно подсоединяют диод.

Его назначение состоит в следующем. В проводящий полупериод на светодиоде падает напряжения порядка 2…3 В. В не проводящий полупериод он заперт и к его выводам прикладывается обратное полное действующее напряжение 220 В, амплитуда которого достигает 310 В. Поэтому существует вероятность пробоя полупроводникового прибора. Однако если создать путь для протекания тока в этот непроводящий полупериод времени, то снизится амплитуда опасного обратного напряжения. Именно это достигается за счет применения шунтирующего диода.

Кстати, вместо него можно применять еще один светодиод, желательно со схожими параметрами.

Визуально нам будет казаться, что оба они светят все время, но на самом деле они мерцают с частотой 50 Гц. Причем, когда первый светит, второй гаснет и наоборот, т.е. работают в противофазе.

В этом случае необходимо учесть, что через резистор ток протекает в оба полупериода времени, поэтому его сопротивление нужно снизить вдвое. Далее в последующих расчетах мы будем пользоваться схемой без шунтирующего диода.

Как подключить светодиод к 220 В с помощью конденсатора

Выше уже было сказано, что конденсатор обладает реактивным сопротивлением переменному току, т.е. он не потребляет активную мощность, как резистор, поэтому практически не нагревается. Постоянный ток он не пропускает и является для него огромным сопротивлением, которое можно приравнять к разрыву цепи.

Если же на конденсатор подать переменное напряжение, то через него будет, упрощенно говоря протекать ток. Причем сопротивление этого реактивного элемента обратно пропорционально зависит от частоты f, т.е. с ростом f оно снижается. Таким же образом сопротивление зависит и от емкости:

Из приведенной формулы нам необходимо найти значение емкости:

Сопротивления X_с мы принимаем аналогично ранее найденным для резисторов: X_С1 = R₁ = 11000 Ом; X_С2 = R₂ = 306 Ом.

Подставляем данные значения и находим емкости:

Внимание! Все конденсаторы, подключаемые в сеть 220 В, должны быть рассчитаны на напряжение не менее 400 В!!!

Главным и очень существенным недостатком такой схемы является протекание значительного тока в момент подключения к сети. При этом величина его может превышать в несколько раз номинальный ток светодиода, в результате последний может выйти из строя.

Следует учитывать, что чем больше емкость конденсатора, тем выше значение тока в момент включения. Поэтому для защиты полупроводникового прибора рекомендуется последовательно с конденсатором включать резистор.

Исходя из тех соображений, что резистор с мощностью рассеивания P = 5 Вт имеет небольшие габариты, то рассчитаем величину его сопротивления при данных ограничениях для схемы с более мощным светодиодом:

Из номинального ряда сопротивлений выбираем ближайшее значение 39 Ом.

Конечно, коэффициент полезного действия данной схемы очень снизится, поскольку для питания светодиода мощностью 1 Вт необходимо затратить 6 Вт с источника питания. 5 ватт будут попросту греть резистор.