Схемы светодиодных ламп

Изучаем устройство светодиодных ламп на 220В

Уже на протяжении многих лет мы применяли обычные лампы накаливания для освещения дома, квартиры, офиса или промышленного предприятия. Однако с каждым днем цены на электроэнергию стремительно растут, что заставляет нас отдавать предпочтение более энергоэффективным устройствам, обладающим высоким КПД, длительным сроком службы и способными создавать необходимый световой поток с минимальными затратами. Именно к таким устройствам относятся светодиодные лампы на 220 вольт, преимущества которых мы постараемся раскрыть в полном объеме в данной статье.

Внимание! В этой публикации приводятся примеры схем, с питанием от опасного для жизни напряжения 220В. Собирать и испытывать такие схемы разрешается только лицам, имеющим необходимое образование и допуски!

Принцип действия светодиодных ламп

Светодиодная лампочка представляет собой полупроводниковый элемент, содержащий в своём составе несколько слоёв, ответственных за преобразование текущего через них тока в видимый свет.

Важно! При изменении состава этого слоя в нём генерируется излучение определенного цвета (красного, зелёного, жёлтого или синего).

Поскольку лампы, в состав которых входят светодиоды, должны обеспечивать получение чистого дневного света, их разработчикам пришлось применить небольшую хитрость, заключающуюся в покрытии синего излучателя жёлтым люминофором. В такой конструкции под воздействием фотонов синего диапазона жёлтый люминофор начинает испускать собственное бесцветное излучение.

Принцип работы LED

Наиболее распространённые светодиоды состоят из галлия (Ga), мышьяка (As) и фосфора (P). Светодиод представляет собой диодный PN-переход, который излучает свет вместо тепла, генерируемого обычным диодом. Когда PN- переход находится в прямом смещении, некоторые из дырок объединяются с электронами N-области, а некоторые из электронов N объединяются с дыркой из P-области. Каждая комбинация излучает свет или фотоны.

Как устроена светодиодная лампа на 220 вольт? Светодиоды имеют полярность и, следовательно, не работают, если они подключены в обратном направлении. Самый простой способ проверить полярность общего светодиода — это определить на глаз толщину электродов. Более толстым является катод (-). Свет излучается от катода. Более тонкий электрод представляет собой анод (+). Некоторые производители выпускают светодиоды таким образом, что длина проводов катода и анода различна, анод (+) длиннее катода (-). Это также облегчает определение полярности. Некоторые изготовители изготавливают оба провода электродов одинаковой длины, в этом случае можно определить полярность, воспользовавшись мультиметром.

Преимущества и недостатки светодиодных ламп

Достоинства LED:

• Энергоэффективный источник света;
• небольшой размер, прочность и устойчивость к ударам и вибрации;
• очень быстро включаются без прогрева;
• хорошее разрешение цвета;
• могут интегрироваться в систему управления;
• могут работать от портативной батареи;
• нет вредных веществ, таких как свинец или ртуть;
• производят холодный свет, могут быть идеальными для роста растений;
• не имеют мощных разрядов, которые могут оказать пагубное воздействие на глаза;
• в качестве датчика температуры различают горячую и холодную воду;
• не имеют ультрафиолетового излучения, устраняя возможность повреждения кожи;
• они не обжигают;
• залиты толстой эпоксидной смолой, невероятно прочные;
• не ржавеют;
• не привлекают насекомых;
• работают до 50 000 часов;
• подлежат вторичной переработке;
• не излучают радиочастотные помехи.

Недостатки светодиодов LED:

• Могут быть ненадёжным для наружных применений с большими температурными перепадами.
• Необходимость дополнительно использовать радиаторы для защиты полупроводников от теплового воздействия.

Светодиод используется в самых разных областях применения:

• Уличное освещение и светофоры;
• индикаторные огни на устройствах, игрушках, одежде;
• медицина;
• освещение;
• автомобиль;
• сигнализаторы;
• компьютерная техника;
• телерадиотехника.

Основные правила подключения светодиодов

Конструкция светодиодов рассчитана на их подключение только к источникам постоянного тока с соблюдением полярности. Существует три варианта определения полярности:

• По длине ножки (кроме SMD). Более длинная ножка является катодом, а короткая – анодом. В SMD-светодиодах имеется срез (ключ), который всегда располагается ближе к катоду.
• С помощью мультиметра. Прибор устанавливают в режим «Прозвонка». Красный и черный щупы устанавливают на выводы. Если прибор засветился, то, значит, что красный щуп был подключен к аноду, а черный – к катоду. Если свечение не возникло, значит, надо поменять положение щупов. Если результат не изменился (свечение отсутствует), значит, прибор вышел из строя.

Разновидности схем

Драйвер нужен для стабилизации напряжения и собирается с использованием схем на конденсаторах и трансформаторах. Второй вариант является более экономичным, а первый необходим для создания мощного светильника. Кроме этого существует еще одна разновидность схем – инверторные. Они используются на производстве диммируемых ламп и большом количестве чипов.

Импульсные драйвера

Если сравнивать с линейным драйвером, где используется конденсатор, импульсный отличается эффективной защитой от нестабильности в сети. Чтобы в деталях рассмотреть пример импульсной схемы диодной лампы, используем модель CPC9909. Эффективность этого изделия достигает 98%, поэтому её без преувеличения можно считать одной из самых экономичных и энергосберегающих.

Устройство можно подключать к высокому напряжению (550 В) благодаря встроенному драйверу со стабилизатором. Это упростило схему и снизило стоимость устройства.

Подключение с импульсным драйвером используется для активации освещения в случае аварии, и подойдет в качестве примера повышающих преобразователей. Дома на базе модели драйвера CPC9909 можно собрать светильник, который будет запитан от батарей или драйвера, но мощность при этом не превысит 25 В.

Диммируемые драйверы

С помощью диммируемого драйвера яркость светодиодной лампы можно регулировать, что позволит установить в каждой из комнат необходимый уровень освещения, снижать яркость света днем. Устройства используются, чтобы подчеркнуть некоторые предметы интерьера.

Диммер экономит электроэнергию, так как при каждом включении не обязательно включать лампу на полную мощность, что положительно отражается на сроке службы изделия.

На производстве используют две разновидности диммируемых драйверов. У каждого есть плюсы и минусы. Одни работают на широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Диммер устанавливают между диодами и блоком питания. Схема запитывается импульсами разной продолжительности. Наглядный пример ШИМ-регулировки — бегущая строка.

Вторая разновидность диммируемых драйверов влияет на источник питания. Они широко используются для изделий с возможностью стабилизации тока. Регулировка может повлиять на оттенок освещения. Если это белые чипы, при понижении силы тока они начнут светиться желтым светом, при увеличении синим.

Конденсаторные

Конденсаторную схему можно считать одной из самых продаваемых, она часто встречается в бытовых светильниках.

Конденсатор C1 необходим, чтобы защитить устройство от помех в сети. С4 сгладит пульсации. При подаче тока резисторы R3-R2 ограничат его и предохранят схему от короткого замыкания. Элемент VD1 преобразовывает переменное напряжение. Когда подача тока прекратится, конденсатор разрядится через резистор R4. Но элементы R2-R3 используют далеко не все производители LED-светильников.

Чтобы проверить работоспособность конденсатора, используется мультиметр. Схема имеет несколько минусов:

• достичь высокой яркости свечения не получится, понадобятся более ёмкие конденсаторы;
• существует риск перегрева чипов из-за нестабильности подачи тока;
• нет гальванической развязки, возможен удар током. При разборке лампочки нельзя трогать токоведущие элементы голыми руками.

Несмотря на минусы, у схемы много преимуществ, лампы хорошо продаются. Это простота сборки, низкие цены и широта диапазона напряжения на выходе. Даже мастера со скромным опытом могут пробовать изготовить изделие самостоятельно. Для этого часть деталей можно снять со старых телевизоров или приемников.

Рекомендуем к просмотру: Простая схема источника питания светодиодной лампы

Светодиодная лампочка на основе самодельного драйвера

Самодельный драйвер получится только в том случае, если мастер умеет работать с паяльником, читать простые электросхемы и применять химические реактивы. Лампа из светодиодов своими руками изготавливается поэтапно.

Процесс подготовки

Состоит из таких шагов:

1. Подготовка материалов. Понадобятся фольгированный медью стеклотекстолит, LED-элементы, конденсаторы, резистор, маленькая дрель, канифоль и припой, паяльник и пассатижи, лак для покрытия ногтей или канцелярский карандаш-корректор.
2. Подготовка реактивов. Травление платы производится при помощи поваренной соли, медного купороса или раствора хлорида железа.

Берите стеклотекстолит толщиной от 0,5 до 3 мм.

Схема изготовления драйвера

Чтобы делать драйвер, стоит добавить к списку основных материалов резистор R3, стабилитроны VD2 и VD3, конденсаторы С1 и С2. Такого количества элементов хватит для лампы из 20 элементов. Схема устройства работает по принципу прохождения переменных токов на диоды через первый конденсатор. Второй помогает исключить мерцание и обеспечить ровность светового потока.

Напряжение сети будет проходить через резистор и конденсатор токоограничения, которые сглаживают колебания напряжения. Второй резистор понадобится для подачи напряжения на диодный блок и получения свечения. Пульсацию сглаживает конденсатор.

Для монтажа драйверных элементов используйте печатную плату.

Последовательность сборки схемы

Самодельная схема изготавливается следующим образом:

1. В программе Sprint Layout или DipTrace генерируется рисунок под травление платы.
2. Из стеклотекстолитовой пластины вырезается круг под плату 3 см в диаметре.
3. Переносится набросок схемы специальным маркером, лаком для ногтей или распечатывается на бумаге.
4. Готовится смесь для травления из 1 ст. л. медного купороса и 2 ст. л. соли, разведенных в кипятке.
5. Плата опускается в раствор на 30 мин. Вследствие реакции удаляется вся медь, кроме покрытых рисунком элементов.
6. При помощи жидкости для снятия лака удаляется покрытие с материала.
7. Края и точки крепления контактов залуживаются припоем.
8. Проделываются дрелью отверстия, куда будут выходить светодиоды.
9. Элементы пропаиваются на плате, которая потом помещается в корпус.

Результатом работы будет лампочка с эквивалентом лампе накаливания на 100 Вт.

Разновидности схем и их особенности

Чтобы создать оптимальное напряжение для работы устройства на диодах, драйвер собирают на основе схемы с конденсатором или понижающим трансформатором. Первый вариант – более дешевый, второй применяют для оснащения мощных ламп.

Существует и третья разновидность – инверторные схемы, которые реализуют или для сборки диммируемых ламп, или для устройств с большим числом диодов.

Вариант #1 — с конденсаторами для снижения напряжения

Рассмотрим пример с участием конденсатора, так как подобные схемы являются распространенными в бытовых лампах.

Конденсатор C1 защищает от помех электросети, а C4 сглаживает пульсации. В момент подачи тока два резистора – R2 и R3 – ограничивают его и одновременно предохраняют от короткого замыкания, а элемент VD1 преобразует переменное напряжение.

Когда прекращается подача тока, конденсатор разряжается при помощи резистора R4. К слову, R2, R3 и R4 используются далеко не всеми производителями светодиодной продукции.

Для проверки конденсатора довольно часто используют мультиметр.

Минусы схемы с конденсаторами:

1. Возможно перегорание диодов, так как стабильности подачи тока не наблюдается. Напряжение на нагрузке полностью зависит от напряжения питания.
2. Отсутствует гальваническая развязка, поэтому существует риск удара током. Не рекомендуется во время разборки ламп прикасаться к токоведущим элементам, так как они находятся под фазой.
3. Практически невозможно достичь высоких токов свечения, потому что для этого потребуется увеличение емкостей конденсаторов.

Однако преимуществ также немало, именно благодаря им конденсаторы остаются популярными. Плюсами являются простота сборки, широкий диапазон напряжений на выходе и невысокая стоимость.

Можно смело экспериментировать с самостоятельным изготовлением, тем более, часть деталей отыщется в старых приемниках или телевизорах.

Вариант #2 — с импульсным драйвером

В отличие от линейного драйвера с конденсатором, импульсный эффективно защищает светодиоды от перепадов напряжения и помех в сети.

Примером импульсного устройства служит популярная электронная модель CPC9909. Рассмотрим подробнее ее особенности. Эффективность ее использования достигает 98% — показателя, при котором действительно можно говорить об энергосбережении и экономии.

Питание устройства может происходить напрямую от высокого напряжения – до 550 В, так как драйвер оснащен встроенным стабилизатором. Благодаря этому же стабилизатору схема стала проще, а стоимость – ниже.

Микросхему успешно используют для разработки электросетей аварийного и резервного освещения, так как она подходит для схем повышающих преобразователей.

В домашних условиях на базе CPC9909 чаще всего собирают светильники с питанием от батарей или драйверы с мощностью, не превышающей 25 В.

Вариант #3 — с диммируемым драйвером

Регулировка яркости свечения осветительных приборов позволяет установить в помещении нужный уровень освещения. Это удобно при создании отдельных зон, снижении яркости света в дневное время или для подчеркивания предметов интерьера.

С помощью диммера использование электроэнергии становится более рациональным, а ресурс службы электроприбора увеличивается.

Существует два вида диммируемых драйверов, каждый из которых обладает своими преимуществами. Первые работают с ШИМ-управлением.

Их устанавливают между лампой и блоком питания. Энергия подается в виде импульсов разной длительности. Пример использования драйвера с ШИМ-регулировкой – бегущая строка.

Диммируемые драйверы второго вида воздействуют непосредственно на источник питания и применяются для устройств со стабилизированным током.

При регулировании тока может происходить изменение оттенка свечения: диоды белого цвета при уменьшении тока начинают излучать слегка желтый свет, а при увеличении – синий.