Светодиод это полупроводниковый прибор достаточно нежный: при выходе за пределы номинальных значений практически любого из его параметров сокращается его жизнь или он выходит из строя. Основной и самый важный параметр светодиода это его номинальной рабочий ток. Если он ниже, то светодиод просто теряет в яркости до порога запирания, а вот если он больше номинального — то светодиод может выйти из строя.
В самом простом варианте для ограничения тока используют токоограничительные сопротивления — резисторы, но при работе от нестабильной по напряжению бортовой сети автомобиля добиться номинального тока через светодиод сложно. Если используется один или несколько светодиодов, то проблема решается просто подбором сопротивления под самое большое напряжение бортовой сети, а вот если их много… Для стабилизации в таких случаях многие применяют линейные стабилизаторы напряжения. Это один из вариантов стабилизации, помимо применение стабилизатора тока. И многие здесь делают ошибки.
У трехножечного стабилизатора есть основные условия нормальной работы: это падение напряжение между входом и выходом и ток. Если подключить 12-ти вольтовый стабилизатор, то нормально он работать не будет, ибо минимальное входное напряжение у него 14.5 Вольта. Получится только ограничитель напряжения при скачках напряжения на входе. Если например гена не заряжает аккум, то напряжение на выходе будет далеко не 12 Вольт.
Оптимальный здесь будет применения стабилизатора на 8 Вольт. У него минимальное напряжение на входе 10.5 Вольта, что перекрывает весь рабочий диапазон напряжений борт. сети.
Если применять стабилизаторы на меньшее напряжение, то пропорционально уменьшению напряжения стабилизации на выходе увеличивается количество выделяемого тепла стабилизатором, что накладывает ограничение по току нагрузки. Короче говоря чем больше разница между входом и выходом стабилизатора, тем он больше греется при одном и том же токе нагрузки.
Лучше всего подходят для стабилизации напряжения ШИМ — DC-DC преобразователи напряжения, которые имеют высокий КПД и выделяют очень мало тепла, соответсвенно позволяют подключать намного большие токи нагрузки, чем простые стабилизаторы. Примеры таких стабилизаторов есть у krasher а
Ещё лучше использовать не стабилизатор напряжения а стабилизатор тока. Хотя я считаю, что стабилизатор тока актуален только при подключении единичных мощных светодиодов — без него никуда, а для стабилизации гирлянд мелких светодиодов стабилизатор напряжения ни чем не уступает стабилизатору тока.
Ни для кого не секрет, что светодиодные лампы периодически перегорают, несмотря на продолжительные гарантийные сроки, установленные производителями. Очень многие просто не знают настоящих причин, по которым они выходят из строя. Тем не менее, никаких особых сложностей здесь нет, просто у таких ламп имеются определенные параметры, требующие обязательной стабилизации. Это сила тока в самой лампе и падение напряжения в питающей сети.
Для решения этой проблемы используется стабилизатор тока для светодиодов. Однако не все стабилизаторы могут эффективно решать поставленную задачу. Поэтому в некоторых случаях рекомендуется изготавливать стабилизатор своими руками. Прежде чем приступать к этому процессу следует тщательно разобраться в назначении, устройстве и принципе работы стабилизатора, чтобы не допустить ошибок при сборке схемы.
Назначение стабилизатора
Основной функцией стабилизатора является выравнивание тока, независимо от перепадов напряжения в электрической сети. Всего существует два типа стабилизирующих устройств – линейные и импульсные. В первом случае осуществляется регулировка всех выходных параметров путем распределения мощности между нагрузкой и собственным сопротивлением. Второй вариант значительно эффективнее, поскольку в этом случае на светодиоды поступает лишь необходимое количество мощности. Действие таких стабилизаторов основано на принципе широтно-импульсной модуляции.
У импульсных стабилизаторов более высокий коэффициент полезного действия, составляющий не менее 90%. Однако у них довольно сложная схема и соответственно высокая стоимость по сравнению с приборами линейного типа. Следует отметить, что использование стабилизаторов LM317 допустимо только для линейных схем. Они не могут включаться в цепи с большими значениями токов. Именно поэтому данные устройства наилучшим образом подходят для совместного использования со светодиодами.
Необходимость использования стабилизаторов объясняется особенностями параметров светодиодов. Они отличаются нелинейной вольтамперной характеристикой, когда изменение напряжения на светодиоде приводит к непропорциональному изменению тока. С увеличением напряжения, возрастание тока в самом начале происходит очень медленно, поэтому свечения не наблюдается. Далее, когда напряжение достигает порогового значения, начинается излучение света с одновременным быстрым возрастанием тока. Если напряжение продолжает увеличиваться, в этом случае происходит еще большее возрастание тока, что приводит к сгоранию светодиода.
Характеристики светодиодов отражают значение порогового напряжения в виде прямого напряжения при номинальном токе. Показатель номинального тока для большинства светодиодов малой мощности составляет 20 мА. Мощные светодиоды требуют более высокого номинального тока, достигающего 350 мА и выше. Они выделяют большое количество тепла и устанавливаются на специальные теплоотводы.
Для того чтобы обеспечить нормальную работу светодиодов, питание к ним должно подключаться через стабилизатор тока. Это связано с разбросом порогового напряжения. То есть, различные типы светодиодов отличаются разным прямым напряжением. Даже у однотипных ламп может быть не одинаковое прямое напряжение, причем не только его минимальное, но и максимальное значение.
Таким образом, если подключить параллельно два светодиода к одному и тому же источнику, то они будут пропускать через себя совершенно разный ток. Различие токов приводит к преждевременному выходу их из строя или мгновенному перегоранию. Чтобы избежать подобных ситуаций, светодиоды рекомендуется включать совместно со стабилизирующими устройствами, предназначенные для выравнивания тока и доведения его до определенной, заданной величины.
Стабилизирующие устройства линейного типа
С помощью стабилизатора выполняется установка тока, проходящего через светодиод, с заданным значением, не зависящим от напряжения, приложенного к схеме. Если напряжение превысит пороговый уровень, ток все равно останется прежним и не будет изменяться. В дальнейшем, когда общее напряжение увеличится, его рост произойдет лишь на стабилизаторе тока, а на светодиоде оно останется неизменным.
Таким образом, при неизменных параметрах светодиода, стабилизатор тока может называться стабилизатором его мощности. Распределение активной мощности, выделяемой устройством в виде тепла, происходит между стабилизатором и светодиодом пропорционально напряжению на каждом из них. Данный тип стабилизатора получил название линейного.
Нагрев линейного стабилизатора тока возрастает вместе с ростом приложенного к нему напряжения. Это является его основным недостатком. Тем не менее, это устройство обладает рядом преимуществ. Во время работы отсутствуют электромагнитные помехи. Конструкция очень простая, что делает изделие достаточно дешевым в большинстве схем.
Существуют такие области применения, в которых линейный стабилизатор тока для светодиодов на 12 В становится более эффективным, по сравнению с импульсным преобразователем, особенно когда напряжение на входе лишь незначительно выше напряжения на светодиоде. Если питание осуществляется от сети, в схеме может использоваться трансформатор, к выходу которого подключается линейный стабилизатор.
Таким образом, вначале напряжение снижается до такого же уровня, как и в светодиоде, после чего линейный стабилизатор устанавливает необходимое значение тока. Другой вариант предполагает приближение напряжения светодиода к питающему напряжению. С этой целью выполняется последовательное соединение светодиодов в общую цепочку. В результате, общее напряжение в цепи составит сумму напряжений каждого светодиода.
Некоторые стабилизаторы тока могут быть выполнены на полевом транзисторе, с использованием р-п-перехода. Ток стока устанавливается с помощью напряжения затвор-исток. Ток, проходящий через транзистор, такой же, как и начальный ток стока, указанный в технической документации. Значение минимального рабочего напряжения такого устройства зависит от транзистора и составляет порядка 3 В.
Импульсные стабилизаторы тока
К более экономичным устройствам относятся стабилизаторы тока, основой которых является импульсный преобразователь. Данный элемент известен еще, как ключевой преобразователь или конвертер. Внутри преобразователя мощность прокачивается определенными порциями в виде импульсов, что и определило его название. В нормально работающем устройстве потребление мощности происходит непрерывно. Она непрерывно передается между входной и выходной цепями и также непрерывно поступает в нагрузку.
В электрических схемах стабилизатор тока и напряжения на основе импульсных преобразователей имеет практически одинаковый принцип действия. Единственным отличием является контроль над током через нагрузку, вместо напряжения на нагрузке. Если ток в нагрузке снижается, стабилизатор осуществляет подкачку мощности. В случае увеличения – выполняется снижение мощности. Это позволяет создавать стабилизаторы тока для мощных светодиодов.
В наиболее распространенных схемах дополнительно имеется реактивный элемент, называемый дросселем. От входной цепи на него определенными порциями поступает энергия, которая в дальнейшем передается на нагрузку. Такая передача происходит через коммутатор или ключ, находящийся в двух основных состояниях – выключенном и включенном. В первом случае ток не проходит, а мощность не выделяется. Во втором случае ключ проводит ток, обладая при этом очень малым сопротивлением. Поэтому выделяемая мощность также близка нулю. Таким образом, передача энергии происходит практически без потерь мощности. Однако импульсный ток считается нестабильным и для его стабилизации используются специальные фильтры.
Наряду с явными преимуществами, импульсный преобразователь обладает серьезными недостатками, устранение которых требует специфических конструктивных и технических решений. Эти устройства отличаются сложностью конструкции, они создают электромагнитные и электрические помехи. Они затрачивают определенное количество энергии для собственной работы и в результате нагреваются. Их стоимость существенно выше, чем у линейных стабилизаторов и трансформаторных устройств. Тем не менее, большинство недостатков успешно преодолеваются, поэтому импульсные стабилизаторы пользуются широкой популярностью у потребителей.
Драйвер питания светодиодов
На рынке светодиодных ламп и светильников представлен широкий спектр продукции в разных ценовых диапазонах. Основное отличие приборов низкого и среднего ценовых сегментов заключается в большей степени не в используемых светодиодах, а в источниках питания для них.
Светодиоды работают от постоянного тока, а не от переменного, который протекает в бытовой электрической сети, а от качества преобразователя в большей степени зависит надежность ламп и режим работы светодиодов. В этой статье мы рассмотрим, как защитить светодиодные лампы и продлить жизнь дешевым моделям.
Всё описанное ниже справедливо и для светильников и для ламп.
Два основных вида источников питания для светодиодов: гасящий конденсатор и импульсный драйвер
В самой дешевой светодиодной продукции используется гасящий конденсатор в качестве источника питания. Принцип его работы основан на реактивном сопротивлении конденсатора. Отметим простыми словами, что в цепях переменного тока конденсатор представляет собой аналог резистора. Отсюда следуют такие же недостатки, что и при использовании резистора:
1. Отсутствие стабилизации по напряжению или току.
2. Соответственно при росте входного напряжения увеличивается и напряжение на светодиодах, соответственно растёт и ток.
Эти недостатки связаны между собой. В отечественных электросетях, особенно в отдаленных районах, дачных поселках, деревнях и частном секторе часто наблюдаются скачки напряжения. Если напряжение проседает ниже 220В это не так страшно для ламп собранных по этой схеме, ток через светодиоды будет ниже, соответственно они прослужат дольше.
Схема светодиодной лампы с гасящим конденсатором:
А вот если напряжение будет выше номинального, например 240В, то светодиодная лампы быстро сгорит, по причине того, что и ток через светодиоды возрастет. Также очень опасны и импульсные скачки напряжения в сети, они возникают вследствие коммутации мощных электроприборов: вы наверняка замечали, что при включении холодильника или пылесоса, например, свет «моргает» – это и есть проявление этих импульсных скачков. Также они возникают во время грозы или аварийных ситуациях на ЛЭП или электростанции. Выглядит импульс следующим образом:
Импульсные драйвера для светодиодов
В светодиодных лампочках среднего и высокого ценового сегмента используются драйвера импульсного типа со стабилизацией тока.
Светодиоды работают от стабильного тока, напряжение для них не является основополагающей величиной. Поэтому драйвером называют источник тока. Его основными характеристиками является сила выходного тока и мощность.
Стабилизация тока реализуется с помощью цепей обратной связи, если не вдаваться в подробности существует два основных типа драйверов, которые используются в светодиодных лампочках и светильниках:
1. Бестрансформаторный, соответственно без гальванической развязки.
2. Трансформаторный – с гальванической развязкой.
Гальваническая развязка – это система, которая обеспечивает отсутствие прямого электрического контакта между первичной цепью питания и вторичной цепью питания. Она реализуется с помощью явлений электромагнитной индукции, иначе говоря, трансформаторами, а также с помощью оптоэлектронных устройств. В блоках питания для гальванической развязки используется именно трансформатор.
Типовая схема бестрансформаторного 220В драйвера для светодиодов изображена на рисунке ниже.
Обычно они построены на интегральной микросхеме со встроенными силовым транзистором. Она может быть в разных корпусах, например TO92, он используется также и в качестве корпуса для маломощных транзисторов и других ИМС, например линейных интегральных стабилизаторов, типа L7805. Встречаютcя и экземпляры в «восьминогих» корпусах для поверхностного монтажа, типа SOIC8 и другие.
Для таких драйверов повышения или понижения напряжения в питающей сети не страшны. Но крайне нежелательны импульсные перенапряжения – они могут вывести из строя диодный мост, если драйвер бестрансформаторный, то 220В попадут на выход микросхемы, или же мост пробьёт на КЗ по переменному току.
В первом случае высокое напряжение «убьёт светодиоды», вернее один из них, как это обычно происходит. Дело в том, что светодиоды в лампах, прожекторах и светильников обычно соединены последовательно, в результате сгорания одного светодиода цепь разрывается, остальные остаются целыми и невредимыми.
Во втором – выгорит предохранитель или дорожка печатной платы.
Типовая схема драйвера для светодиодов с трансформатором изображена ниже. Они устанавливаются в дорогую и качественную продукцию.
Защита светодиодных ламп: схемы и способы
Есть разные способы защиты электроприборов, все они справедливы для защиты светодиодных светильников, среди них:
1. Использование стабилизатора напряжения – это самый дорогой способ и для защиты люстры его использовать крайне неудобно. Однако можно запитать весь дом от сетевого стабилизатора напряжения, они бывают различных типов – релейные, электромеханические (сервоприводные), релейные, электронные. Обзор их преимуществ и недостатков может стать темой для отдельной статьи, пишите в комментарии, если вам интересна эта тема.
2. Использование варисторов – это прибор ограничивающие всплески напряжения, может использоваться как для защиты конкретного светильника или другого прибора, так и на вводе в дом.
3. Использование дополнительного гасящего конденсатора последовательном включении. Таким образом, ограничивается ток лампы, конденсатор рассчитывают исходя из мощности лампы. Это скорее не защита, а понижение мощности лампы, в результате при повышенных значениях напряжения в электросети срок её службы не сократится.
Варистор для защиты ламп и другой бытовой техники
Варистор – это прибор ограничивающий напряжение, его действие подобно газовому разряднику. Это полупроводниковый прибор с переменным сопротивлением. Когда на его выводах напряжение достигает уровня напряжения срабатывания варистора, его сопротивление снижается с тысяч мегаом до десятков Ом и через него начинает протекать ток. Его подключают в цепь параллельно. Таким образом, происходит защита электрооборудования.
Внешний вид варисторов
Un — классификационное напряжение. Это такое напряжение, при котором через варистор начинает протекать ток силой в 1 мА;
Um – максимально допустимое действующее переменное напряжение (среднеквадратичное);
Um= — максимально допустимое постоянное напряжение;
Р — номинальная средняя рассеиваемая мощность, это та, которую варистор может рассеивать в течение всего срока службы при сохранении параметров в установленных пределах;
W — максимальная допустимая поглощаемая энергия в джоулях (Дж), при воздействии одиночного импульса.
Ipp — максимальный импульсный ток, для которого время нарастания/длительность импульса: 8/20 мкс;
Со — емкость, измеренная в закрытом состоянии, при работе ее значение зависит от приложенного напряжения, и когда варистор пропускает через себя большой ток, она падает до нуля.
Для увеличения рассеваемой мощности производители увеличивают размер самого варистора, а также делают его выводы более массивными. Они выступают в качестве радиатора для отвода выделенной тепловой энергии.
Для защиты электроприборов в отечественных электросетях переменным напряжением в 220В подбирают варистор больший, чем амплитудное значение напряжения, а примерно равно 310В. То есть можно устанавливать варистор с классификационным напряжением около 380-430В.
Например, подойдет TVR 20 431. Если вы установите варистор с меньшим напряжением, то возможны его «ложные» срабатывания при незначительных превышениях напряжения питающей сети, а если установите с большим – защита не будет эффективной.
Как уже было сказано, варисторы могут устанавливаться непосредственно на вводе в дом, таким образом, вы защитите все электроприборы в доме. Для этого промышленностью выпускаются модульные варисторы, так называемые УЗИП.
Вот схема его подключения для трёхфазной сети, для однофазной – аналогично.
Для защиты одного светильника или лампочки используют такую схему включения, она приведена на примере самодельного светодиодного светильника, но при использовании готового светильника или лампы варистор устанавливается также – параллельно по цепи 220В.
Вы его можете установить как в корпусе самого осветительного прибора, так и на питающих проводах снаружи. Если он подключается к розетке – варистор можно расположить в розетке. Варистор можно заменить супрессором.
В этом видео ролике автор интересно рассказывает о таком способе защиты.
Готовые решения
Устройство защиты от импульсных перенапряжений для светодиодных светильников – от производителя LittleFuse. Обеспечивают защиту от перенапряжений величиной до 20 кВ. В зависимости от конструкции устанавливается в параллель или последовательно.
На рынке имеются устройства с разными характеристиками – напряжением срабатывания и пиковый ток.
Устройство защиты светодиодов сохраняет лампы при импульсах напряжения. Подключается параллельно цепи освещения после выключателя. Также предотвращает самопроизвольное мигание светодиодных лампочек при использовании выключателей с подсветкой.
Суть работы такого устройства заключается в том, что внутри установлен конденсатор. Ток подсветки выключателей течет через него, также он сглаживает всплески напряжений.
Подобное или аналогичное устройство от фирмы Гранит, модель БЗ-300-Л. Индекс «Л» в конце говорит о том, что это блок защиты для светодиодных и энергосберегающих ламп (клл).
Внутри расположено три детали, одну из которых мы рассмотрели выше:
Вот принципиальная схема. Вы можете её повторить.
Заключение
Полностью исключить вероятность перегорания светодиодных ламп и светильников невозможно. Однако вы можете продлить лампочкам жизнь, минимизировав влияние скачков напряжение. Сделать это можно либо своими руками, либо купив блок защиты светодиодных ламп заводского исполнения.
Поделитесь этой статьей с друзьями:
Вступайте в наши группы в социальных сетях: