Блок питания для светодиодного светильника

Так что же лучше?

В большинстве случаев применяются именно стабилизаторы напряжения. Ведь в основном светодиодное освещение применяется там, где диапазон изменения температур не очень высок. Это жилые и рабочие помещения, квартиры, частные дома и так далее. Еще одним доводом в пользу стабилизаторов является то, что осветительные приборы  всегда соединяются параллельно. Даже светодиодные ленты, хоть и имеющие в составе группы из последовательно соединенных светодиодов. Эти группы при наращивании длины ленты соединяются также параллельно. А, как известно, падение напряжения при параллельном соединении остается неизменным. Растет потребляемый ток.

Как подключать 12-вольтовые галогенные лампы?

Галогенная лампа, по своему устройству почти аналогична лампе накаливания, это значит, что для неё не имеет особого значения источник питания. Их можно подключать к сетевым трансформаторам, но чаще используют так называемые электронные трансформаторы.

Электронный трансформатор (ЭТ) — это импульсный блок питания, в основе которого обычно лежит, автогенераторная схема. Его основная особенность — это то, что на выходе переменное высокочастотное пульсирующее напряжение, примерную форму которого вы видите на следующей осциллограмме.

Широкое применение обусловлено рядом преимуществ перед сетевыми 50 Гц трансформаторами, такие как:

— при одинаковой мощности размеры ЭТ в разы меньше и легче;

— нет низкочастотного гула, как у 50 Гц собратьев;

— низкая стоимость.

Типичный электронный трансформатор вы видите ниже. Красным цветом выделена надпись INPUT и стрелкой показаны черные провода, которые выходят из корпуса напротив неё — их подключают к сети 220В, а зелёным OUTPUT и два белых провода — это выход пониженного напряжения, к этим проводам подключаются лампочки или светильники на 12В

Обратите внимание на слова «ВЫХОД AC 12V 60W MAX» — это значит, что на выходе переменный ток

При подключении галогенных ламп мы видим, что они работают в штатном режиме.

Если их просто заменить на светодиодные лампочки, они вроде бы тоже будут светиться, но не всё так просто.

Можно наблюдать едва-заметное мерцание, на каких-то лампочках оно сильнее выражено, а на каких-то слабее, что связано в первую очередь с пульсирующим выходным напряжением и со схемотехники самой лампы. Фотоаппарат не передаёт этих мерцаний, а пульсометра под рукой не оказалось, но есть простой способ грубо оценить пульсации светового потока — камера мобильного телефона. Если в кадре есть выраженные горизонтальные полосы — то с освещением не всё в порядке, при этом чем ближе подносишь камеру, тем более заметны эти полосы.

Вы могли обратить внимание, что лампочки использованы разные, это не просто так. Давайте разберемся как они устроены

Условно светодиодные лампы на 12В можно разделить на 2 группы:

— «дешёвые и простые», в которых установлен диодный мост, резисторы и светодиоды. Диодный мост позволяет работать от переменного напряжения, а при подключении к источнику постоянного напряжения полярность не имеет значения. Резисторы нужны для ограничения тока. Такую лампу вы видите на рисунке справа. На крупном плане через силиконовый корпус-оболочку видны два резистора и диодный мост, они расположены по обе стороны печатной платы. Оболочка упругая, но достаточно твердая, отдалённо напоминает мячи-попрыгунчики.

— «дорогие и сложные», в которых ток ограничивается не резисторами, а стабилизируется с помощью импульсного преобразователя. В конкретно этом экземпляре используется не набор дискретных SMD-светодиодов, а отдельный кристалл, залитый желтым люминофором.

Про светодиодные модули

Модули используются для реализации подсветки в автомобильной технике, применяются в декоративной подсветке мебели, в рекламных вывесках. Их легко закреплять благодаря предусмотренным в корпусе отверстиям, и легко соединять между собой в цепи, благодаря наличию выводов.

Водонепроницаемый светодиодный модуль.

Такие модули подойдут для подсветки небольшого пространства, или декоративного украшения например автомобилей. Для полноценного освещения используются мощные светодиоды и светодиодные модули(светодиод или группа светодиодов как со встроенным драйвером, так и без него).

Выбор источника питания для светодиодной ленты

Для того чтобы наслаждаться приятным и необычным освещением, следует правильно подобрать источник питания. Этот шаг очень важный, так как при неправильном выборе светодиоды могут сгореть, а изделие выйдет из строя.

Факторы, влияющие на выбор источника питания для светодиодных лент

При выборе источника (блока) питания для светодиодных лент следует ориентироваться на следующие параметры:

1. Напряжение питания ленты.
2. Её потребляемая мощность.
3. Необходимая степень защищенности оборудования от воздействия влаги.

В качестве примера возьмём светодиодную ленту SMD 3528 длиной 6 м (60 диодов/м).

Напряжение питания светодиодной ленты

Как уже говорилось выше, все светодиодные ленты делятся на изделия, которые питаются от 12 В и 24 В соответственно. Естественно, что и выходное напряжение источника должно быть равным одному либо другому значению. Итак, для того чтобы узнать напряжение питание светодиодной ленты:

1. Открываем её технические характеристики и ищем интересующий параметр.
2. Видим, что лента питается от напряжения в 12 В.

В соответствии с найденным значением напряжения и осуществляем подбор блока питания.

Мощность, потребляемая светодиодной лентой

Для расчёта мощности источника питания следует снова обратиться к техническим характеристикам светодиодной ленты. На этот раз нас интересует значение мощности, потребляемой на метр изделия (P_ленты=4,8 Вт/м).

1. По условию нужно обеспечить питанием светодиодную ленту длиной в 6 метров, а значит для того чтобы найти полную мощность, которую потребляет лента (P_потр), воспользуемся следующей формулой: P_потр= P_ленты × L= 4,8 Вт/м × 6 м = 28,8 Вт.
2. Стоит отметить, что блок питания по данному параметру следует выбирать с запасом (порядка 30–33%). Поэтому нам понадобится источник постоянного тока на 12 В мощностью 28,8 х 1,33 = 38,3 ≈ 40 Вт.

Защита от воздействия влаги

Это ещё один важный фактор, который следует учитывать при выборе источника питания. При выборе по этому критерию сначала надо определиться с местом его установки. Если планируется организация светодиодного освещения в ванной комнате, то необходимо выбрать блок питания, обладающий влагозащитными свойствами (IP 65 или IP 68). В обычном жилом помещении сухого типа — спальня или гостиная — можно использовать простой интерьерный источник.

Однако для того чтобы выбор источника был на 100% правильным, кроме описанных выше факторов, следует подобрать подходящий тип, основываясь на его преимуществах и недостатках.

Типы источников питания

В настоящее время выпускают четыре типа источников питания для светодиодных лент.

Таблица: преимущества и недостатки различных типов источников питания

Производители блоков питания для светодиодных лент

Наиболее популярными и востребованными производителями блоков питания для светодиодных лент являются:

1. Cool Neon. Выпускает обширную линейку светодиодных трансформаторов, которые могут использоваться для решения различных целей и задач. Продукция компании оснащена встроенными защитными устройствами и может использоваться при температуре от -25 до +45 °С. Средний срок службы — более 25 тыс. часов.

• Lightech. Производит блоки питания, которые обеспечивают высокую стабильность работы светодиодной продукции в том числе и лент, использующихся при температуре от -30 до +50 °C. Продукция компании в основном рассчитана на эксплуатацию в течение 50 тыс. часов и более. Особенностями этих моделей являются:
  1. Широкий диапазон входных напряжений.
  2. Устойчивость к механическим ударам и вибрациям.
  3. Защита от перегрева корпуса.
  4. Стойкость к импульсным помехам в сети.
  5. Встроенная защита от короткого замыкания.

• UnionElecom. Компания изготавливает источники, которые отличаются высоким качеством исполнения и надёжностью. Они предназначены для работы в диапазоне от -40° до +50 °С, что позволяет устанавливать их не только в помещении, но и на улице. Для уличных источников питания срок эксплуатации составляет свыше 40 тыс. часов, а также действует индивидуальная гарантия сроком на 36 месяцев. Особенности оборудования UnionElecom:
  1. Компактные размеры.
  2. Защита IP 68.
  3. Высокое качество сборки, которая производится исключительно на территории завода-производителя в Южной Корее.
  4. Оптимальное соотношение цена — качество.

Назначение и принцип работы

Драйвер для светодиода – это электронное устройство, стабилизированный импульсный преобразователь. Функциональное назначение заключается в стабилизации тока, поступающего к led-лампе. Именно тока, в отличие от блока питания, стабилизирующего напряжение. На сегодняшний день блоки питания также называют драйверами для светодиодов, основное условие – устойчивые параметры питания постоянным током.

Блок питания трансформирует переменное напряжение 220 В в постоянное заданной величины. Подходит для запитки светодиодных лент, Led планок и отдельных светодиодов, собранных по одному параллельно, когда напряжение на всех элементах неизменное. В этом случае выходное напряжение, указанное на корпусе блока питания, должно соответствовать значению, указанному на светодиодной ленте. А ток, заявленный на БП, должен быть выше тока нагрузки всех светодиодов сборки.

Пример расчета: 1 метр светодиодной ленты напряжения 12 В с плотностью диодов 60 штук на метр потребляет 0,4 А, 5 метров потребляет 2 А, блок питания должен быть с выходным напряжением 12 В и с током выше 2 А (5 Ампер подойдет). Но в данной статье речь пойдет именно о лед-драйверах, стабилизирующих ток.

Драйвер обеспечивает равномерное свечение более разветвленных светодиодных конструкций, в которых наблюдается различное падение напряжений на светодиодах. Стабилизатор предоставляет одинаковое значение тока во всех точках, а выходное напряжение меняется в заданном диапазоне. Мощность сложной светодиодной схемы увеличивается, но как обеспечить полноценное электропитание?

При переменном токе значительная доля мощности теряется на сглаживающих резисторах сборки, и КПД падает. Но с драйвером, стабилизирующим ток, сглаживающие сопротивления не требуются, а КПД остается очень высоким.

Применяются для запитки светодиодного освещения от электрической сети 220 В в помещениях. Для питания лед-диодов в автомобилях, велосипедных фарах, ручных фонариках.

Как правильно подключать светодиоды

Подключение светодиода возможно только к постоянному электротоку. У каждого источника света этого типа есть инструкция по подключению. Если она затерялась, по производителю можно найти данные в сети интернет и узнать, как правильно подключить конкретные лампочки.

Последовательность сборки:

• определение технических характеристик;
• составление схемы;
• вычисление вольтажа всей цепочки;
• подбор блока питания (драйвера);
• расчет резистора (если питание от напряжения);
• определение полярности диодов;
• пайка схемы;
• подключение блока (драйвера);
• подключение к электросети.

Если схема работает, нужно измерить электроток и потребление энергии. При слишком большом значении тока требуется коррекция.

Чтобы не подключать систему охлаждения, лучше покупать лампочки с мощностью 1-3 В на подложке.

Параллельное подключение

Если подключить LED-лампочки параллельно, напряжение на всех равное, общая сила тока – сумма токов лед-ламп. Их характеристики отличаются даже если они принадлежат к одной партии.

Если подключить к схеме одно сопротивление, на каждый чип будет подаваться ток с различным номиналом, один будет светиться слишком ярко, другой на 60-70% от номинального значения. Это значит, что при параллельном подключении каждому диоду требуется отдельное сопротивление.

Подобные схемы используются редко из-за двух недостатков: большого количества элементов и роста нагрузки при выгорании одной лампочки.

Последовательное подключение

Несколько диодов возможно подключить и последовательно (катод одного припаять к аноду другого). Они должны быть одинаковые, блок питания выбирается с мощностью, соответствующей сумме мощности лампочек.

Ток на все лампочки подается одинаковый, напряжение состоит из суммы падения на каждом диоде. То есть, количество лампочек, которые возможно подключить, ограничено показателями падения напряжения (падение – напряжение, которое использовано для свечения).

У последовательного подключения 2 недостатка:

• если диодов много, у блока питания должен быть большой вольтаж;
• при перегорании одной лампочки перестают светиться все.

От недостатков можно избавиться, если применять смешанное подключение. Диоды делятся на последовательно соединенные группы, которые соединяются параллельно.

При помощи комбинированного подключения производятся светодиодные ленты.

Как включить светодиод в сеть переменного тока

Многих интересует, как подключить светодиод сети 220 В. Подобное возможно, если ток источника света до 20 мА, напряжение не падает более, чем на 2-3 вольта. Если применить формулу расчета драйвера, получается, что сопротивление должно быть 30 кОм.

Резистор будет греться при снижении вольтажа, поэтому важно знать его мощность. Для расчетов используется формула: Р=I2R=U2/R, где:

Для расчетов используется формула: Р=I2R=U2/R, где:

U – разность между напряжением сети и падением напряжения на источнике света.

В результате вычислений получается 2 Вт.

В схему включения светодиода обязательно включение дополнительного диода, защищающего от пробоев в ситуациях, когда на выходах светильника возникнет амплитудное напряжение. Недостаток подобной схемы – большие потери энергии из-за выделения тепла.

Более эффективно другое соединение, в которое кроме диода включается конденсатор. Он обеспечивает падение напряжение до требуемого уровня.

Обе схемы упрощенные. Чаще всего они не нужны, так как в большинство светодиодов встроен драйвер, преобразующий 220 В в постоянный вольтаж в пределах 5-24 В.

Без драйвера к электросети возможно подключить светодиодные ленты 220 В, состоящие из 60-и элементов, укомплектованных выпрямителем. То же самое относится к большим СОВ-диодам, в которых 60 лед-кристаллов соединены последовательно. Китайцы начали выпускать модули, укомплектованные стабилизатором (устанавливается на подложку).

Немного теории

Большинство светодиодов требует для работы напряжение порядка 2-3 В. Конструкция осветительных ламп и светодиодных лент такова, что для их питания используются более распространенные источники напряжения на 12 В. В частности, светодиодные ленты выполнены на группах из трех последовательно соединенных одиночных светодиодов с ограничительным резистором. Откуда тогда два различных типа источников питания?

Примечание

Дело в том, что светодиод для питания требует не напряжение, а ток. Странновато звучит?

Все правильно. Те 2-3 В, которые требуются для работы, это не питание, а падение напряжения на отдельном светодиоде, а оно уже образуется в результате протекания тока через элемент. Ток должен быть стабилизирован, так как светодиоды очень критичны к его величине. Во-первых, из-за большой зависимости яркости излучения, а, во-вторых, превышение тока катастрофически сокращает срок службы.

При нормальных условиях работы достаточно стабилизировать напряжение питания, ток также будет стабильным. Не зря сказано – при нормальных условиях. Дело в том, что, как и все полупроводниковые элементы, светодиоды имеют ярко выраженную температурную зависимость (которая, кстати, является основой всех электронных измерителей температуры). При изменении температуры окружающей среды, будет меняться и ток, протекающий через прибор при неизменном входном напряжении. Со всеми вытекающими последствиями.

Изготовление драйвера светодиодов на 220В своими руками

Для изготовления
самодельного драйвера своими руками потребуются радиодетали для создания трех
взаимодействующих сегментов:

1. Делитель
   напряжения, основанный на емкостном сопротивлении.
2. Мост из диодов.
3. Стабилизатор.

Кроме того, понадобятся
следующие инструменты, приборы и расходники:

1. Паяльная станция мощностью около 30 Вт.
2. Нейтральный флюс.
3. Припой оловянно-свинцового состава.
4. Пассатижи для загиба выводов.
5. Кусачки для отреза проводки.
6. Многожильные медные проводники в изоляции сечением от 0,35 до 1 мм2.
7. Прибор для контрольного измерения (мультиметр).
8. Изолента/трубка термоусадочная.
9. Монтажная макетная плата на базе текстолита.

Инструкция по сборке драйвера своими
руками

Инструкция по
изготовлению своими руками драйвера светодиода с питанием от 220 В включает
следующие действия:

1. Подготавливается макетная плата необходимого размера.
2. Сначала припаиваются крупные компоненты цепи.
3. Затем поочередно в соответствии со схемой монтируются мелкие элементы – резисторы, диоды, конденсаторы.
4. В последнюю очередь устанавливаются транзисторы и переменный резистор.
5. Распределение компонентов должно быть таким, чтобы расстояние между ними было как можно меньше.
6. Соединение диодов происходит с учетом полярности (для транзисторов – по распиновке).
7. По завершении сборки схему нужно подключить и провести замеры мультиметром.

Создание драйвера для
светильника из светодиодов для подключения их к питанию на 220 В доступно
своими руками любому желающему, имеющему опыт работы с радиокомпонентами. В
ходе сборки не потребуется особых оборудования и материалов – все инструменты и
детали можно приобрести в специализированных магазинах. К тому же, при
правильном подходе и качественных составляющих собранная схема обеспечит
стабильность и долговечность прибору освещения не хуже покупного аналога.

Схема

Предложенная ниже схема
драйвера представляет собой совокупность трех последовательно взаимодействующих
между собой каскадов:

1. Первая область
   отвечает за понижение амплитуды напряжения. В основе лежит емкостный керамический
   конденсатор (500 вольт) с резистором для самозарядки первого. Его номинал может
   варьироваться в широких пределах – от 100 до 1000 кОм и от 500 до 1000 мВт.
   Принцип действия его основан на том, что он пропускает ток до полной зарядки
   обкладок. При емкости в 0,3 мкФ это время составит всего десятую часть период
   полуволны 220 В – то есть всего 1/10 поступающего напряжения.
2. Второй сегмент
   выполняет роль выпрямления тока из переменного в постоянный. Это цепь диодных
   полярно соединенных элементов. В данной цепи на выходе его номинал составит
   порядка 24 В (с учетом деления в предыдущем блоке).
3. Заключительный
   элемент сглаживает и стабилизирует электроток. Для цели сглаживания применяется
   параллельно подключенный конденсатор электролитической модификации (емкость
   определяется мощностью нагрузки). Стабилизатором напряжения в предложенной
   схеме выступает модуль L7812.

Конденсатор в сочетании с диодным мостиком выполняет задачу делителя напряжения, поэтому если входное напряжение будет меняться, соответственно иное значение его получится и на выходе.

Компоненты

Для сборки своими
руками предложенной выше схемы драйвера для светодиодов, питание которых
осуществляется от 220В, потребуется следующий набор радиокомпонентов:

1. Светодиоды 12 штук с параметрами – 3,3 вольта 1 ватт (для сборки своими руками лэд-лампы питанием от 220 В).
2. Конденсатор керамического типа – 0,3 мкФ, 500 вольт – 1 штука.
3. Резисторный модуль – от 0,5 до 1 Ом и 0,5-1 Вт – 1 экземпляр.
4. Четыре диода по 100 В каждый.
5. Пара конденсаторов электролитического типа на 16 вольт 100 и 330 мкФ.
6. 12-вольтовый стабилизатор напряжения модели L7812, либо его аналог.

Вариант драйвера без стабилизатора тока

Рассмотрим схему
подключения драйвера без блока стабилизатора. Как известно, отсутствие
трансформатора в подобном приборе приводит к пульсации напряжения и,
соответственно, яркости свечения светодиодов. Лишь частично эту проблему
устраняет идущий после диодного мостика конденсатор. Однако пульсировать
амплитуда все же будет – в рамках 2-3 вольт.

Вариант со
стабилизатором на 12 вольт решают эту задачу полностью, поэтому и
смонтированный своими руками такой драйвер по степени пульсации амплитуды
напряжения не будет уступать покупным дорогим аналогам.

Разновидности блоков питания

На данном этапе развития блоки питания для разнообразных светодиодных светильников классифицируются на три категории:

1. Открытый тип. Данный вариант является бюджетным, но громоздким, причем максимальная мощность питания светодиодов ограничивается отметкой в 100 Вт. Даже в силу своего низкого бюджета данное устройство редко используется в бытовом освещении, ведь его трудно сделать незаметным без привлечения посторонних предметов. Часто его прячут в шкафы, ниши или же распределительные щитки.
2. Пластиковый каркас закрытого типа. Каркас самого блока питания герметичен и компактен, что позволяет его уложить между подвеской и базой потолка. Максимальна отметка мощности данного блока питания достигает отметки в 75 Вт. Для того, чтобы обеспечить количество ленты, рассчитанное ранее, придется покупать три блока, что является отрицательной чертой данного устройства.
3. Алюминиевый каркас закрытого типа. Принцип работы данного устройства такой же, как и у предыдущего, но отличается большим весом и габаритами. Компенсируется это повышенной мощностью — 100 Вт. Чаще всего данный прибор применяется в уличном освещении. Корпус обладает хорошей герметичностью и защищен от физических воздействий окружающей среды.

Параллельное соединение

Необходимость в параллельном включении возникает в случае, когда напряжения источника питания недостаточно для запитки нескольких последовательно соединённых светодиодов. Теоретически, в самом простом варианте можно было бы отдельно объединить все аноды и все катоды излучающих диодов. После чего подключить их к источнику напряжения с соблюдением полярности. Но такая схема не работоспособна, так как дифференциальное сопротивление открытого светодиода чрезмерно мало, что провоцирует режим короткого замыкания. В результате все светодиоды в цепи единожды вспыхнут и навсегда погаснут.

Но как говорят: «Правило без исключений не бывает». В китайских игрушках и зажигалках с подсветкой можно увидеть, что светодиоды запитаны прямо от батареек без каких-либо промежуточных элементов. Почему они не перегорают? Дело в том, что ток в цепи ограничен внутренним сопротивлением круглых батареек типа AG1. Их мощности недостаточно, чтобы нанести вред светодиоду.

Ограничить резкое нарастание тока в нагрузке можно с помощью резистора. О том, как это грамотно сделать с одним светодиодом, подробно написано в данной статье. Для цепи из нескольких параллельно подключенных LED с одним резистором схема примет следующий вид. Но и этот вариант не пригоден для конструирования осветительных устройств с высокой надёжностью. Почему? Ответ на этот вопрос кроется в особенностях строения полупроводников. В процессе производства полупроводниковых элементов невозможно получить два абсолютно одинаковых прибора. Даже у светодиодов из одной партии будет разное дифференциальное (внутреннее) сопротивление, от которого зависит величина прямого напряжения. Это касается не только светодиодов, но и других полупроводников. Среди  диодов, транзисторов и тиристоров тоже не найти двух приборов с равными электрическими параметрами.

Из второй схемы видно, что резистор R1 ограничивает только суммарный ток цепи, который затем распределяется по ветвям со светодиодами в зависимости от их сопротивления. По закону Ома светодиод с наименьшим сопротивлением p-n-перехода получит наибольшую порцию тока. И скорее всего он будет больше номинального значения, что ускорит деградацию кристалла. Работа светодиода в режиме перегрузки по току рано или поздно приведёт к выходу из строя на обрыв. Оставшиеся в работе светодиоды распределят между собой ток сгоревшего элемента, что также приведёт к резкой потере яркости.

Ниже приведен единственно верный вариант параллельного включения светодиодов. Здесь последовательно с каждым светодиодом подключен ограничительный резистор. Такое схемотехническое решение позволяет выровнять токи в каждой отдельной ветви, не позволяя им превышать рабочее значение.

Пример расчета

Для закрепления теоретических знаний параллельное соединение светодиодов рассмотрим на конкретном примере. В схеме включены два светодиода: слаботочный красный и мощный одноваттный белый, которые для удобства можно запитать от разных выключателей.

Дано:

• источник напряжения U = +5 В;
• LED1 – красного свечения с U_LED1 = 1,8 В и I_LED1 = 0,02 А;
• LED2 – белого свечения с U_LED2 = 3,2 В и I_LED2 = 0,35 А.

Требуется рассчитать параметры и выбрать резисторы R1 и R2.

При параллельном включении к обеим ветвям (R1-LED1 и R2- LED2) прикладывается одинаковое напряжение, равное 5 В. Сопротивление каждого резистора определим по формуле: Округляем полученное значение R2 до ближайшего большего значения из стандартного ряда E24 – 5,1 Ом. Подставив его обратно в формулу, находим реальный ток во второй ветви: С учетом возможного отклонения сопротивления выбранного резистора, которое для ряда Е24 может достигать 5%, ток 0,33 А является оптимальным. Снижение рабочего тока примерно на 4% сильно не повлияет на яркость, но позволит светодиоду работать без перегрузок.

Мощность, которую должны рассеивать резисторы, определим с учетом пересчёта тока LED2 по формуле: Резистор R1 подойдёт любой как планарный, так и с выводами сопротивлением 160 Ом и мощностью 0,125 Вт. Корпус резистора R2 должен эффективно отводить тепло в течение длительной работы светильника. Поэтому его выбираем с двойным запасом по мощности, а именно: 5,1 Ом – 1 Вт.