Как подключить светодиод к 220в: схемы подключения диодов в сеть переменного тока на 220 вольт, как включить в питание через конденсатор и резистор без блока питания, какие диоды подходят

Обновлено: 16.05.2024

Светоиндикация - это неотъемлемая часть электроники, с помощью которой человек легко понимает текущее состояние прибора. В бытовых электронных устройствах роль индикации, выполняет светодиод, установленный во вторичной цепи питания, на выходе трансформатора или стабилизатора. Однако в быту используется и множество простых электронных конструкций, неимеющих преобразователя, индикатор в которых был бы нелишним дополнением. Например, вмонтированный в клавишу настенного выключателя светодиод, стал бы отличным ориентиром расположения выключателя ночью. А светодиод в корпусе удлинителя с розетками будет сигнализировать о наличии его включения в электросеть 220 В.

Ниже представлено несколько простых схем, с помощью которых даже человек с минимальным запасом знаний электротехники сможет подключить светодиод к сети переменного тока.

Схемы подключения

Светодиод - это разновидность полупроводниковых диодов с напряжением и током питания намного меньшим, чем в бытовой электросети. При прямом подключении в сеть 220 вольт, он мгновенно выйдет из строя. Поэтому светоизлучающий диод обязательно подключается только через токоограничивающий элемент. Наиболее дешевыми и простыми в сборке является схемы с понижающим элементом в виде резистора или конденсатора.

Важный момент, на который нужно обратить внимание при подключении светодиода в сеть переменного тока - это ограничение обратного напряжения. С этой задачей легко справляется любой кремниевый диод, рассчитанный на ток не менее того, что течет в цепи. Подключается диод последовательно после резистора или обратной полярностью параллельно светодиоду.

Существует мнение, что можно обойтись без ограничения обратного напряжения, так как электрический пробой не вызывает повреждения светоизлучающего диода. Однако обратный ток может вызвать перегрев p-n перехода, в результате чего произойдет тепловой пробой и разрушение кристалла светодиода.

Вместо кремниевого диода можно использовать второй светоизлучающий диод с аналогичным прямым током, который подключается обратной полярностью параллельно первому светодиоду.

Отрицательной стороной схем с токоограничивающим резистором является необходимость в рассеивании большой мощности. Эта проблема становится особо актуальной, в случае подключения нагрузки с большим потребляемым током. Решается данная проблема путем замены резистора на неполярный конденсатор, который в подобных схемах называют балластным или гасящим.

Включенный в сеть переменного тока неполярный конденсатор, ведет себя как сопротивление, но не рассеивает потребляемую мощность в виде тепла.

В данных схемах, при выключении питания, конденсатор остается не разряженным, что создает угрозу поражения электрическим током. Данная проблема легко решается путем подключения к конденсатору шунтирующего резистора мощностью 0,5 ватт с сопротивлением не менее 240 кОм.

Расчет резистора для светодиода

Во всех выше представленных схемах с токоограничивающим резистором расчет сопротивления производится согласно закону Ома: R = U/I, где U - это напряжение питания, I - рабочий ток светодиода. Рассеиваемая резистором мощность равна P = U * I. Эти данные можно рассчитать при помощи онлайн калькулятора.

Важно. Если планируется использовать схему в корпусе с низкой конвекцией, рекомендуется увеличить максимальное значение рассеиваемой резистором мощности на 30%.

Расчет гасящего конденсатора для светодиода

Расчёт ёмкости гасящего конденсатора (в мкФ) производится по следующей формуле: C = 3200*I/U, где I - это ток нагрузки, U - напряжение питания. Данная формула является упрощенной, но ее точности достаточно для последовательного подключения 1-5 слаботочных светодиодов.

Важно. Для защиты схемы от перепадов напряжения и импульсных помех, гасящий конденсатор нужно выбирать с рабочим напряжением не менее 400 В.

Конденсатор лучше использовать керамический типа К73-17 с рабочим напряжением более 400 В или его импортный аналог. Нельзя использовать электролитические (полярные) конденсаторы.

Это нужно знать

Главное - это помнить о технике безопасности. Представленные схемы питаются от 220 В сети переменного тока, поэтому требуют во время сборки особого внимания.

Подключение светодиода в сеть должно осуществляться в четком соответствии с принципиальной схемой. Отклонение от схемы или небрежность может привести к короткому замыканию или выходу из строя отдельных деталей.

При первом включении, сборки рекомендуется дать поработать некоторое время, чтобы убедиться в ее стабильности и отсутствии сильного нагрева элементов.

Для повышения надёжности устройства рекомендуется использовать заранее проверенные детали с запасом по предельно допустимым значениям напряжения и мощности.

Собирать бестрансформаторные источники питания следует внимательно и помнить, что они не имеют гальванической развязки с сетью. Готовая схема должна быть надёжно изолирована от соседних металлических деталей и защищена от случайного прикосновения. Демонтировать её можно только с отключенным напряжением питания.

Небольшой эксперимент

Чтобы немного разбавить скучные схемы, предлагаем ознакомится с небольшим экспериментом, который будет интересен как начинающим радиолюбителям, так и опытным мастерам.

Обычно светодиоды подключаются к 220В при помощи драйвера, рассчитанного под их характеристики. Но если требуется подключить только один маломощный светодиод, например, в качестве индикатора, то применение драйвера становится нецелесообразным. В таких случаях возникает вопрос — как подключить светодиод к 220 В без дополнительного блока питания.

Основы подключения к 220 В

В отличие от драйвера, который питает светодиод постоянным током и сравнительно небольшим напряжением (единицы-десятки вольт), сеть выдает переменное синусоподобное напряжение с частотой 50 Гц и средним значением 220 В. Поскольку светодиод пропускает ток только в одну сторону, то светиться он будет только на определенных полуволнах:

То есть led при таком питании светится не постоянно, а мигает с частотой 50 Гц. Но из-за инерционности человеческого зрения это не так заметно.

В то же время напряжение обратной полярности, хотя и не заставляет led светиться, все же прикладывается к нему и может вывести из строя, если не предпринять никаких защитных мер.

Способы подключения светодиода к сети 220 В

Самый простой способ (читайте про все возможные способы подключения led) - подключение при помощи гасящего резистора, включенного последовательно со светодиодом. При этом нужно учесть, что 220 В - это среднеквадратичное значение U в сети. Амплитудное значение составляет 310 В, и его нужно учитывать при расчете сопротивления резистора.

Кроме того, необходимо обеспечить защиту светоизлучающего диода от обратного напряжения той же величины. Это можно сделать несколькими способами.

Последовательное подключение диода с высоким напряжением обратного пробоя (400 В и более).

Рассмотрим схему подключения более подробно.

В схеме используется выпрямительный диод 1N4007 с обратным напряжением 1000 В. При изменении полярности все напряжение будет приложено именно к нему, и led оказывается защищенным от пробоя.

Такой вариант подключения наглядно показан в этом ролике:

Также здесь описывается, как определить расположение анода и катода у стандартного маломощного светодиода и рассчитать сопротивление гасящего резистора.

Шунтирование светодиода обычным диодом.

Здесь подойдет любой маломощный диод, включенный встречно-параллельно с led. Обратное напряжение при этом будет приложено к гасящему резистору, т.к. диод оказывается включенным в прямом направлении.

Встречно-параллельное подключение двух светодиодов:

Схема подключения выглядит следующим образом:

Принцип аналогичен предыдущему, только здесь светоизлучающие диоды горят каждый на своем участке синусоиды, защищая друг друга от пробоя.

Обратите внимание, что подключение светодиода к питанию 220В без защиты ведет к быстрому выходу его из строя.

Схемы подключения к 220В при помощи гасящего резистора обладают одним серьезным недостатком: на резисторе выделяется большая мощность.

Например, в рассмотренных случаях используется резистор сопротивлением 24 Ком, что при напряжении 220 В обеспечивает ток около 9 мА. Таким образом, мощность, рассеиваемая на резисторе, составляет:

9 * 9 * 24 = 1944 мВт, приблизительно 2 Вт.

То есть для оптимального режима работы потребуется резистор мощностью не менее 3 Вт.

Если же светодиодов будет несколько, и они будут потреблять больший ток, то мощность будет расти пропорционально квадрату тока, что сделает применение резистора нецелесообразным.

Применение резистора недостаточной мощности ведет к его быстрому перегреву и выходу из строя, что может вызвать короткое замыкание в сети.

В таких случаях в качестве токоограничивающего элемента можно использовать конденсатор. Преимущество этого способа в том, что на конденсаторе не рассеивается мощность, поскольку его сопротивление носит реактивный характер.

Здесь показана типовая схема подключения светоизлучающего диода в сеть 220В при помощи конденсатора. Поскольку конденсатор после отключения питания может хранить в себе остаточный заряд, представляющий опасность для человека, его необходимо разряжать при помощи резистора R1. R2 защищает всю схему от бросков тока через конденсатор при включении питания. VD1 защищает светодиод от напряжения обратной полярности.

Конденсатор должен быть неполярным, рассчитанным на напряжение не менее 400 В.

Применение полярных конденсаторов (электролит, тантал) в сети переменного тока недопустимо, т.к. ток, проходящий через них в обратном направлении, разрушает их конструкцию.

Емкость конденсатора рассчитывается по эмпирической формуле:

где U - амплитудное напряжение сети (310 В),

I - ток, проходящий через светодиод (в миллиамперах),

Uд - падение напряжения на led в прямом направлении.

Допустим, нужно подключить светодиод с падением напряжения 2 В при токе 9 мА. Исходя из этого, рассчитаем емкость конденсатора при подключении одного такого led к сети:

Данная формула действительна только для частоты колебаний напряжения в сети 50 Гц. На других частотах потребуется пересчет коэффициента 4,45.

Нюансы подключения к сети 220 В

При подключении led к сети 220В существуют некоторые особенности, связанные с величиной проходящего тока. Например, в распространенных выключателях освещения с подсветкой, светодиод включается по схеме, изображенной ниже:

Как видно, здесь отсутствуют защитные диоды, а сопротивление резистора выбрано таким образом, чтобы ограничить прямой ток led на уровне около 1 мА. Нагрузка в виде лампы также служит ограничителем тока. При такой схеме подключения светодиод будет светиться тускло, но достаточно для того, чтобы разглядеть выключатель в комнате в ночное время. Кроме того, обратное напряжение будет приложено в основном к резистору при разомкнутом ключе, и светоизлучающий диод оказывается защищенным от пробоя.

Если требуется подключить к 220В несколько светодиодов, можно включить их последовательно на основе схемы с гасящим конденсатором:

При этом все led должны быть рассчитаны на одинаковый ток для равномерного свечения.

Можно заменить шунтирующий диод встречно-параллельным подключением светодиодов:

В обоих случаях нужно будет пересчитать величину емкости конденсатора, т.к. возрастет напряжение на светодиодах.

Параллельное (не встречно-параллельное) подключение led в сеть недопустимо, поскольку при выходе одной цепи из строя через другую потечет удвоенный ток, что вызовет перегорание светодиодов и последующее короткое замыкание.

Еще несколько вариантов недопустимого подключения светоизлучающих диодов в сеть 220В описаны в этом видео:

Здесь показано, почему нельзя:

включать светодиод напрямую;
последовательно соединять светодиоды, рассчитанные на разный ток;
включать led без защиты от обратного напряжения.

Безопасность при подключении

При подключении к 220В следует учитывать, что выключатель освещения обычно размыкает фазный провод. Ноль при этом проводится общим по всему помещению. Кроме того, электросеть зачастую не имеет защитного заземления, поэтому даже на нулевом проводе присутствует некоторое напряжение относительно земли. Также следует иметь в виду, что в некоторых случаях провод заземления подключается к батареям отопления или водопроводным трубам. Поэтому при одновременном контакте человека с фазой и батареей, особенно при монтажных работах в ванной комнате, есть риск попасть под напряжение между фазой и землей.

В связи с этим, при подключении в сеть лучше отключать и ноль, и фазу при помощи пакетного автомата во избежание поражения током при прикосновении к токоведущим проводам сети.

Описанные здесь способы подключения светодиодов в сеть 220В целесообразно применять только при использовании маломощных светоизлучающих диодов в целях подсветки или индикации. Мощные led так подключать нельзя, поскольку нестабильность сетевого напряжения приводит к их быстрой деградации и выходу из строя. В таких случаях нужно применять специализированные блоки питания светодиодов - драйверы.

В этой статье хотелось рассмотреть несколько принципиальных схем подключения обычных индикаторных светодиодов к сетевому напряжению 220 В. Также постараемся с вами разобраться с принципом их действия, выявить имеющиеся достоинства и недостатки.

Для начала стоит уточнить, как именно работает обычный светодиод.

Светодиод подобен обычному диоду. В одну сторону он проводит ток, в другую сторону не проводит. У светодиода имеются два вывода, это катод и анод. Если на анод подать плюс источника питания, а на катод минус, необходимого для работы напряжения, то светодиод будет светиться. И это называется прямым включением. Если плюс и минус поменять местами, то светодиод гореть не будет. Это будет уже обратное включение светодиода к источнику питания.

При прямом включении (когда светодиод светится) между катодом и анодом имеется определенное падение напряжения. И в зависимости от цвета светодиода это напряжение может быть в пределах от 1,8 вольт (красный цвет) до 4,5 вольт (синий цвет).

Нормальным током для индикаторных светодиодов считается 20 мА (миллиампер). Допустимо немного превышать это значение, ну пусть до 30 мА. Но вот при большем долговременном токе светодиоды такого типа просто сгорят от перегрева своего кристалла. Хотя кратковременно такие светодиоды могу выдержать и ток до 100 мА (но так лучше не делать).

При обратном включении светодиод через себя ток не пропускает, он закрыт. Ток конечно течет (ток утечки), но его величина очень и очень мала (какие-то микроамперы). При этом напряжение на светодиоде будет равно приложенному к нему напряжению. При этом стоит учесть, что у обычных индикаторных светодиодов максимальное обратное напряжение не так уж и велико (в большинстве случаев где-то до 5 вольт). То есть, если при обратном включении на светодиод подать более 5 вольт, то большая вероятность, что он просто выйдет из строя из-за электрического пробоя.

А теперь давайте рассмотрим с вами сами схемы включения светодиодов к сетевому, переменному напряжению 220 вольт. И опять же, для новичков стоит уточнить, что переменное напряжение отличается от постоянного тем, что оно периодически меняет свою полярность на противоположную. И так за секунду аж 100 раз (при частоте 50 Гц).

Схема №1 - схема подключения светодиода к сети 220V через резистор, ограничивающий ток

Данная схема является наиболее простой и обычно именно так индикаторный светодиод пытаются подключить к сетевому напряжению 220 вольт. Что в этой схеме не так. Вроде бы мы ток ограничили дополнительным сопротивлением на 24 ком. И величина тока в этой цепи не должна превышать величины в 10 мА (если быть точнее то 9,1 мА, то есть, мы 220 разделили на 24000 Ом и получили силу тока). Светодиод сгореть не должен от чрезмерного тока. Но он может выйти из строя из-за электрического пробоя при обратном подключении, во время работы противоположной волны переменного напряжения. Поскольку к светодиоду прикладывается все 220 вольт, а если быть точнее и говорить об амплитудном значении напряжения, то все 310 вольт. А как я уже ранее написал, что у обычных светодиодов максимальное обратное напряжение где-то всего до 40 вольт. Вот и велика вероятность электрического пробоя полупроводника при таком вот его подключении к 220 вольт. Поэтому данный вариант схемы является потенциально не рабочим, хотя некоторое время работать возможно и будет.

Схема №2 - схема подключения светодиода к 220 вольт с диодной защитой этого светодиода

В этой схеме мы и ток ограничили резистором R1 до безопасного значения при прямом включении светоизлучающего полупроводника и защитили светодиод от электрического пробоя высоким напряжением при обратном его включении. Для тех, кто не понял как работает в этой схеме защитный диод, поясняю. Дело в том, что когда идет противоположная волна переменного тока, то напряжение, величиной 220 вольт, делится между имеющимися тремя элементами - резистор R1, светодиод VD1 и обычный диод VD2. При обратном подключении внутренняя проводимость как у диода, так и у светодиода очень и очень мала. То есть, это подобно тому, что эти элементы при таком подключении имеют бесконечно большое сопротивление. И поэтому благодаря защитному диоду ток утечки полупроводника настолько мал, что его не хватает для полноценного электрического пробоя светодиода. Следовательно, наш светодиод защищен от перенапряжения.

Но в данной схеме все же есть свой недостаток. Это мерцания светодиода с частотой 25 Гц. То есть, при работе только с одной полу волной переменного тока мы из 50 Гц получаем половину (25 Гц). К сожалению, эта частота заметна глазу и она вызывает некий дискомфорт для восприятия. И еще один недостаток, которым обладают все эти схемы, где используется токоограничительный резистор на 24 кОм. Это его относительно большой нагрев. Это если мы 220 В перемножим на 10 мА, то получим мощность, оседающую на резисторе порядка 2,2 Вт. Поэтому в такие схемы ставятся резисторы мощностью не менее 2 Вт, а то и все 5 Вт.

Схема №3 - схема с защитным диодом, подключенным параллельно светодиоду

Данная схема также защищена от перенапряжения при обратном включении светодиода, но тут, как видно, защитный диод стоит параллельно светодиоду. Работа это схемы проста. Как известно, при прямом включении обычного диода на между его катодом и анодом появляется падение напряжения где-то от 0,6 вольт (при малых токах, проходящих через этот диод) до 1,2 вольта (при больших токах). Следовательно, при прямой волне переменного тока у нас будет светится светодиод и на нем будет падение напряжения около 3 вольт. А при противоположной волне переменного тока у нас прямое подключение будет иметь защитный диод VD2. На котором будет около 0,6 вольт. При этом величина тока в этот полупериод также будет около 10 мА. Если сравнивать эту схему и предыдущую, то вариант №2 пожалуй будет лучше, поскольку не тратится лишняя энергия на защитный диод.

Схема №4 - схема питания светодиода от сети 220V с учетом электробезопасности

По своей работе и по характеристикам эта схема полностью идентична схеме №2. Но тут учтена безопасность самого человека, который случайно может прикоснутся к токовещущей части этой схемы. А именно, если в схеме №2 фазовый провод будет подключен к месту, что ближе к светодиоду и диоду, то при случайном прикосновении человека к этим местам цепи он может получить значительные повреждения от удара током. Величина тока будет максимальной, и она будет зависеть только от сопротивления тела самого человека. Следовательно, есть большая вероятность получить очень сильный удар током. В схеме №4 мы один общий резистор на 24 кОм разделили на два резистора по 12 кОм. Общее сопротивление осталось также 24 кОм, но вот при случайном прикосновении человека к электрической цепи около светодиода удара будет уже ограничен нашим дополнительным сопротивлением. В итоге поражение током будет гораздо меньше, чем в первом случае.

Схема №5 - схема с двумя светодиодами, питающиеся от сетевого напряжения 220V

Данная схема защищена от перенапряжения при обратном включении дополнительным светодиодом. То есть, при одной полу волне будет работать и светиться один светодиод. На котором будет падение напряжения около 3 вольт. А при противоположной волне переменного тока будет работать второй светодиод, на котором также будет падение напряжения около 3 вольт. Хотя мерцание все же будет заметно глазу, также как и будет происходить нагрев самого резистора.

Схема №6 - схема, где используется ионная лампа в роли светового индикатора

Хотя мы и рассматриваем тему подключения именно индикаторных светодиодов к сети 220 вольт, но не стоит сбрасывать со счетов обычную ионную лампу. Ее работа принципиально отличается от работы светодиода. Если для свечения светодиода нужен именно ток, то для ионной лампы нужно определенная величина именно напряжения. Обычные ионные лампы зажигаются от приложенного напряжения величиной более 70 вольт. Причем сила тока очень маленькая. Свечение происходит за счет ионизации газа внутри лампы. Сила свечения не такая уж и большая, но для индикации вполне хватает. Ну, а схему подключения вы можете увидеть на рисунке выше.

Схема №7 - схема подключения светодиода к сети 220 вольт с использованием простого бестрансформаторного блока питания с гасящим конденсатором

Данная схема является лучшей, среди ранее рассмотренных. Хотя она и содержит больше всего электронных компонентов. Дело в том, что в ней отсутствуют все те недостатки, которые были присущи всем предыдущим схемам. Поскольку в место токоограничительного резистора в этой схеме стоит гасящий конденсатор C1, то нет нагрева этого компонента и не тратится лишняя электроэнергия. Также в данной схеме практически не заметны мерцания поскольку частота полу волн тут уже равна 100 Гц. Увеличение частоты произошло за счет переворачивания полу волн диодным мостом VD2, собранном на диодах. И также отсутствует проблема, связанная с опасностью пробоя светодиода от высокого обратного напряжения. Обратного напряжения просто нет, опять же за счет использования диодного моста.

И несколько слов о самой работе данной схемы питания индикаторного светодиода от напряжения 220 вольт. Итак, сила тока ограничивается гасящим конденсатором (обязательно должен быть пленочным, не полярным). Величина ограниченного тока зависит от емкости этого конденсатора. Ниже будет таблица зависимости тока от емкости. Емкость в 330 нФ будет соответствовать максимальному току в 22 мА, что для индикаторных светодиодов является номинальным значением.

Параллельно гасящему конденсатору C1 стоит резистор R1, который нужен только для того, чтобы разряжать конденсатор после выключения схемы от сети. Этот резистор не нагревается, поскольку имеет достаточно большое сопротивление. Далее стоит обычный выпрямительный диодный мост. Он из переменного тока делает постоянный, хотя и пульсирующий. Но эти пульсации особо не заметны для глаза. Поскольку ток потребления светодиодом всего до 20 мА, то тут диоды подойдут любые выпрямительные. Я в схеме поставил наиболее распространенные типа 1n4007 (максимальный прямой ток до 1А, максимальное обратное напряжение до 1000 вольт). Еще в схеме стоит дополнительный резистор R2. Он нужен для того, чтобы обезопасить схему в случае возникновения непредвиденных скачков напряжения. Тем самым ограничив ток для безопасного уровня для питания индикаторного светодиода.

Ниже приведена таблица зависимости тока от емкости гасящего конденсатора.

P.S. Альтернативным вариантом электрической светодиодной подсветки может быть классическая схема подключения неоновой лампочки (параллельно которой ставится резистор где-то на 500кОм-2мОм). Если сравнивать по яркости, то все таки она больше у светодиодной подсветки, ну а если особая яркость не требуется, то вполне можно обойтись данным вариантом схемы на неоновой лампе.

НИЖЕ ВИДЕО ПО ЭТОЙ ТЕМЕ

Какими способами можно подключить простой светодиод к сетевому напряжению 220 вольт, варианты схем, описание их работы, + пример

Читайте также: