Подключение светодиода к 12 вольтам

Где можно применить

Линзы для светодиодов

Светодиоды можно применять где угодно, насколько позволяет фантазия владельца авто. Их можно использовать как противотуманные фары, в качестве дополнительной подсветки, интегрировать в поворотники, а также сделать подсветку салона. О подсветке салона стоит поговорить подробнее, так как это интересует многих автолюбителей. Все что нужно для начала – это приобретение нескольких комплектов светодиодной подсветки, включающей в себя несколько ярчайших светодиодов со встроенными линзами. Не стоит скупиться и экономить, светодиоды плохого качества не оправдают того, что ждет владелец авто от светодиодной подсветки.

Стоит обратить внимание и на длину проводов в комплекте светодиодов, чем больше длина, тем, естественно, лучше. Легкий монтаж светодиодов не требует особых знаний, поэтому после покупки можно приступать к установке. Крепить светодиоды следует при помощи миниатюрных кронштейнов, которые имеют клейкую основу, поэтому и крепятся там, где только можно

Единственное, что может резко ограничить полет фантазии – это длина проводов, которые будут подключаться к прикуривателю

Крепить светодиоды следует при помощи миниатюрных кронштейнов, которые имеют клейкую основу, поэтому и крепятся там, где только можно. Единственное, что может резко ограничить полет фантазии – это длина проводов, которые будут подключаться к прикуривателю

Легкий монтаж светодиодов не требует особых знаний, поэтому после покупки можно приступать к установке. Крепить светодиоды следует при помощи миниатюрных кронштейнов, которые имеют клейкую основу, поэтому и крепятся там, где только можно. Единственное, что может резко ограничить полет фантазии – это длина проводов, которые будут подключаться к прикуривателю.

Крепления

Стоит знать, что каждый предохранитель и электрическая цепь в транспортном средстве рассчитаны на строго определенную нагрузку, для каждого элемента свою.

Подключение через предохранители защитит от скачков напряжения, и как следствие, предохранит оборудование от сбоев в работе и поломки. Причем переживать за то, что светодиоды могут разрядить аккумулятор, не придется, так как они потребляют совсем небольшое количество энергии.

Кроме эстетической составляющей, светодиодная подсветка несет и практическую функцию, поэтому к установке и подключению, а также и к приобретению светодиодов, нужно подойти со всей ответственностью и с соблюдением всех мер безопасности.

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.

Выбор блока питания для светодиодной ленты 12В.

Блоки питания на 12В не трудно найти, они применяются со многими устройствами (системы видеонаблюдения, некоторые ноутбуки и планшеты и т.п.) и часто именуются адаптерами. Кроме того нужный блок питания можно купить на радио-рынке, в отечественных или зарубежных интернет магазинах, например на алиэкспрессе. Но перед покупкой нужно определиться с параметрами блока питания.

Первое с чем нужно определиться – мощность. Выходная мощность блока питания должна быть равна или быть больше мощности подключаемой светодиодной ленты. Мощность ленты обычно указывают на метр длинные [Вт/м] или для всей ленты . Чтобы получить мощность, потребляемую всей лентой, нужно удельную мощность умножить на длину ленты в метрах. Например, для ленты потребляющей 7 Вт/м, длинной 3 м, потребуется блок питания мощностью не меньше 21 Вт (7 Вт/м * 3м).

Вот два блока питания на 12В заказанные в Китае. И тот и другой можно использовать для питания светодиодной ленты, отличия только в мощности ленты которую можно подключить.

Обратите внимание и на входные параметры — входное напряжение, например ‘AC 100V – 240V’ означает что блок питания будет работать от сети переменного тока напряжением от 100 В до 240 В. Это хороший большой диапазон и даже в сельском доме с плохой низкой сетью этот блок питания обеспечит светодиоды стабильным напряжением, чтобы они горели и не мигали

Меньший блок питания способен отдавать в нагрузку ток 2 А, соответственно мощность нагрузки может достигать 24 Вт. Этого будет вполне достаточно, для подсветки одной комнаты. Обошелся он мне примерно в 3 доллара.

Второй блок питания рассчитан на максимальный выходной ток 7 А и мощность 84 Вт, используя светодиодные ленты на такую мощность можно хорошо осветить одну комнату или подсветить несколько. На момент покупки цена была около 10 долларов.

Для освещение целой квартиры можно применить блок питания на большую мощность, например на 350 Вт. Такой блок питаний уже будет стоить около 30 долларов. Правда такой блок, скорее всего, будет содержать вентилятор, который будет шуметь и потребует периодической чистки от пыли.

В случае большой мощности лучше разделить нагрузку на части, а каждую часть подключать к своему блоку питания.

Расчет резистора для светодиода

Надежная работа светодиода зависит от тока, протекающего через него. При заниженных значениях, он просто не будет светить, а при превышении значения тока – характеристики элемента ухудшатся, вплоть до его разрушения. При этом говорят – светодиод сгорел. Для того чтобы исключить возможность выхода из строя этого полупроводника необходимо подобрать в цепь с включенным в нее, резистором. Он будет ограничивать ток в цепи на оптимальных значениях.

Вычисление номинала сопротивления

Для работы радиоэлемента на него нужно подать питание. По закону Ома, чем больше сопротивление отрезка цепи, тем меньший ток по нему протекает. Опасная ситуация возникает, если в схеме течет больший ток, чем положено, так как каждый элемент не выдерживает большей токовой нагрузки.

Сопротивление светодиода является нелинейным. Это значит, что при изменении напряжения, подаваемого на этот элемент, ток, протекающий через него, будет меняться нелинейно. Убедиться в этом можно, если найти вольт — амперную характеристику любого диода, в том числе и светоизлучающего. При подаче питания ниже напряжения открытия p – n перехода, ток через светодиод низкий, и элемент не работает. Как только этот порог превышен, ток через элемент стремительно возрастает, и он начинает светиться.

Если источник питания соединять непосредственно со светодиодом, диод выйдет из строя, так как не рассчитан на такую нагрузку

Чтобы этого не произошло – нужно ограничить ток, протекающий через светодиод балластным сопротивлением, или произвести понижение напряжения на важном для нас полупроводнике

Рассмотрим простейшую схему подключения (рисунок 1). Источник питания постоянного тока подключается последовательно через резистор к нужному светодиоду, характеристики которого нужно обязательно узнать. Сделать это можно в интернете, скачав описание (информационный лист) на конкретную модель, или найдя нужную модель в справочниках. Если найти описание не представляется возможным, можно приблизительно определить падение напряжения на светодиоде по его цвету:

• Инфракрасный — до 1.9 В.
• Красный – от 1.6 до 2.03 В.
• Оранжевый – от 2.03 до 2.1 В.
• Желтый – от 2.1 до 2.2 В.
• Зеленый – от 2.2 до 3.5 В.
• Синий – от 2.5 до 3.7 В.
• Фиолетовый – 2.8 до 4 В.
• Ультрафиолетовый – от 3.1 до 4.4 В.
• Белый – от 3 до 3.7 В.

Рисунок 1 – схема подключения светодиода

Ток в схеме можно сравнить с движением жидкости по трубе. Если есть только один путь протекания, то сила тока (скорость течения) во всей цепи будет одинакова. Именно так происходит в схеме на рисунке 1. Согласно закону Кирхгоффа, сумма падений напряжения на всех элементах, включенных в цепь протекания одного тока, равно ЭДС этой цепи (на рисунке 1 обозначено буквой Е). Отсюда можно сделать вывод, что напряжение, падающее на токоограничивающем резисторе должно быть равным разности напряжения питания и падения его на светодиоде.

Так как ток в цепи должен быть одинаковым, то и через резистор, и через светодиод ток получается одним и тем же. Для стабильной работы полупроводникового элемента, увеличения его показателей надежности и долговечности, ток через него должен быть определенных значений, указанных в его описании. Если описание найти невозможно, можно принять приблизительное значение тока в цепи 10 миллиампер. После определения этих данных уже можно вычислить номинал сопротивления резистора для светодиода. Он определяется по закону Ома. Сопротивление резистора равно отношению падения напряжения на нем к току в цепи. Или в символьной форме:

R = U (R)/ I,

где, U (R) — падение напряжения на резисторе

I – ток в цепи

Расчет U (R) на резисторе:

U (R) = E – U (Led )

где, U (Led) — падение напряжения на светодиодном элементе.

С помощью этих формул получится точное значение сопротивления резистора. Однако, промышленностью выпускаются только стандартные значения сопротивлений так называемые ряды номиналов. Поэтому после расчета придется сделать подбор существующего номинала сопротивления. Подобрать нужно чуть больший резистор, чем получилось в расчете, таким образом, получится защита от случайного превышения напряжения в сети. Если подобрать близкий по значению элемент сложно, можно попробовать соединить два резистора последовательно, или параллельно.

Подбор мощности резистора

Если подобрать сопротивление меньшей мощности, чем нужно в схеме, оно просто выйдет из строя. Расчет мощности резистора довольно прост, нужно падение напряжения на нём умножить на ток, протекающий в этой цепи. После чего нужно выбрать сопротивление с мощностью, не меньшей рассчитанной.

Вольтамперная характеристика светодиода (ВАХ)

Светодиод – нелинейный элемент электрической цепи, его ВАХ по форме практически идентична  обычному кремниевому диоду. На рисунке 1 приведена ВАХ мощного белого светодиода, одного из ведущих мировых производителей.

Рисунок 1

По графику видно, что при увеличении напряжения всего на 0,2 В (например, участок 2,9…3,1 В), сила тока увеличивается более чем в два раза (с 350 мА до 850 мА). Справедливо и обратное: при изменении тока в достаточно широких пределах, падение напряжения изменяется весьма незначительно

Это очень важно

Второй важный момент – падение напряжения от образца к образцу в одной партии может отличаться на несколько десятых долей вольта (технологический разброс). По этой причине источник питания светодиодов должен иметь стабилизацию  по току, а не по напряжению. Световой поток, кстати, нормируется также в зависимости от прямого тока. Теперь посмотрим, как эта информация пригодится при выборе схемы подключения.

Последовательное соединение (рисунок 2).

Рисунок 2

На схеме показано последовательное включение трех светодиодов HL1…HL3 к источнику постоянного тока J. Для простоты возьмем идеальный источник тока, т.е. источник, обеспечивающий  постоянный ток одинаковой величины, независимо от нагрузки. Поскольку сила тока в замкнутом контуре одинакова, через каждый элемент, последовательно включенный в этот контур, протекает ток одинаковой величины I₁=I₂=I₃=J. Соответственно обеспечивается одинаковая яркость свечения. Разница в падениях напряжения на отдельных светодиодах не имеет в этом случае никакого значения и отражается только на величине разности потенциалов между точками 1 и 2.

Рассмотрим конкретный пример расчета подобной схемы. Пусть требуется обеспечить питание трех последовательно включенных светодиодов током 350 мА. Падение напряжения при этом токе по данным производителя может составлять значение от 2,8 В до 3,2 В.

Рассчитаем требуемый диапазон выходного напряжения источника тока:

U_min=2,8×3=8,4 В;

U_max=3,2×3=9,6 В.

Максимальная мощность потребляемая светодиодами составит P=9,6×0,35=3,4 Вт.

Таким образом источник должен иметь следующие параметры:

Выходной стабильный ток – 350 мА;

Выходное напряжение – 9 В ±0,6В (или ±7%);

Выходная мощность – не менее 3,5 Вт.

Все предельно просто.

Серийно выпускающиеся источники питания для светодиодов (драйверы) обычно имеют более широкий диапазон выходного напряжения, чтобы разработчик светотехнического устройства не был привязан к конкретному количеству излучающих диодов, а имел некоторую свободу действий. В таком случае можно к одному и тому же источнику подключать последовательно, например, от 1-го до  8-ми светодиодов.

Тем не менее, последовательная схема включения имеет свои недостатки.

1. Во-первых, при выходе из строя одного из диодов в цепи – по понятным причинам гаснут и все остальные. Исключение – короткое замыкание светодиода – в этом случае цепь не обрывается.
2. Во-вторых, при большом количестве светодиодов, сложнее реализовать низковольтное питание.

Например, в случае если стоит задача запитать 10 светодиодов последовательно (это падение напряжения порядка 30 В) от автомобильного аккумулятора, то без повышающего преобразователя не обойтись. А это уже дополнительные затраты, габариты и снижение КПД.

Параллельное соединение (рисунок 3).

Рисунок 3

Рассмотрим теперь параллельное соединение тех же светоизлучающих диодов.

Согласно первому закону  Кирхгофа:

J=I₁+I₂+I₃,

Чтобы обеспечить каждому светодиоду одноваттный режим (I=350мА), источник тока должен выдавать 1050 мА при выходном напряжении порядка 3 В.

Как уже говорилось выше, светодиоды имеют некоторый технологический разброс параметров, поэтому на самом деле токи поделятся не поровну, а пропорционально своим дифференциальным сопротивлениям.

К примеру, если прямое падение напряжения, измеренное на этих светодиодах при токе 350 мА, составляло 2,9 В, 3 В, 3,1 В для HL1, HL2  и HL3 соответственно. То при включении по представленной схеме токи распределятся следующим образом:

I₁≈360 мА;

I₂≈350 мА;

I₃≈340 мА.

Это значит, что и яркость свечения будет разная. Для выравнивания токов в такие цепи обычно последовательно светодиодам включают резисторы (рисунок 4).

Рисунок 4

Выравнивающие резисторы увеличивают потребляемую мощность общей схемы, а следовательно снижают эффективность.

Такой способ соединения чаще всего применяют с низковольтными источниками питания, например в портативных устройствах с электрохимическими источниками тока (аккумуляторами, батарейками). В других случаях рекомендуется соединить светодиоды последовательно.

Мигающие светодиоды

Мигающие светодиоды выглядят как обычные светодиоды, они могут мигать самостоятельно потому, что содержат встроенную интегральную схему. Светодиод мигает на низких частотах, как правило 2-3 вспышки в секунду. Такие безделушки делают для автомобильных сигнализаций, разнообразных индикаторов или детских игрушек. Светодиодные цифробуквенные индикаторы сейчас применяются очень редко, они сложнее и дороже жидкокристаллических. Раньше, это было практически единственным и самым продвинутым средством индикации, их ставили даже на сотовые телефоны.

При последовательном соединении надо учитывать падение напряжения на каждом диоде, эту сумму сложить и из напряжения питания вычесть вышеозначенную сумму и уже для неё посчитать ток, еа который рассчитан один светодиод. При параллельном несколько сложнее, когда ставишь в параллель второй диод, резистор, необходимый для одного, делишь пополам, а когда три – тогда номинал резистора для двух диодов надо умножить на 0.7, когда четыре диода – номинал для трёх умножаешь на 0.69, для пяти – номинал для четырёх умножаешь на 0.68 и т.д.

При последовательном соединении мощность резистора как для одного диода, независимо от количества, а при параллельном, при каждом добавлении диода, мощность надо пропорционально увеличивать. Только в параллельном и последовательном соединении должны быть диоды одного типа. Но я всегда ставлю на каждый диод свой резистор, потому как диоды имеют довольно большой разброс параметров. И, как показывает практика, обязательно находится слабое звено.

Расчет гасящего резистора для светодиода

Первым делом разберемся как выполнить расчет сопротивления гасящего резистора, от чего оно зависит и какой мощности должен быть резистор для питания светодиода от источника питания. Ток (I) через резистор и светодиод протекает один и от же. Напряжение на резисторе равно разнице напряжений питания и напряжения на светодиоде (VS-VL). Здесь нам нужно рассчитать сопротивление резистора (R), при котором через цепь будет протекать напряжение I, а на светодиоде будет напряжение VL.

Допустим что мы будем питать светодиод от батареи напряжением 5В, как правило такое питающее напряжение используется при питании микроконтроллерных схем и другой цифровой техники. Вычислим значение напряжения на гасящем резисторе, для этого нам нужно знать падение напряжения на светодиоде, это можно выяснить по справочнику для конкретного светодиода.

Примерные значения падения напряжения для светодиодов (АЛ307 и другие маломощные в подобном корпусе):

• красный – 1,8…2В;
• зеленый и желтый – 2…2,4В;
• белые и синие – 3…3,5В.

Допустим что мы будем использовать синий светодиод, падение напряжения на нем – 3В. Производим расчет напряжения на гасящем резисторе – Uгрез = Uпит – Uсвет = 5В – 3В = 2В. Для расчета сопротивления гасящего резистора нам нужно знать ток через светодиод. Номинальный ток конкретного типа светодиода можно узнать по справочнику. У большинства маломощных светодиодов (наподобии АЛ307) номинальный ток находится в пределах 10-25мА.

Допустим что для нашего светодиода номинальный ток для его достаточно яркого свечения составляет 20мА (0,02А). Получается что на резисторе будет гаситься напряжение 2В и проходить ток 20мА. Выполним расчет по формуле закона Ома:

R = U / I = 2В / 0,02А = 100 Ом.

В большинстве случаев подойдет маломощный резистор с мощностью 0,125-0,25Вт (МЛТ-0,125 и МЛТ-0,25). Если же ток и напряжение падения на резисторе будет очень отличаться то не помешает произвести расчет мощности резистора:

P = U * I = 2В * 0,02А = 0,04 Вт.

Таким образом, 0,04 Вт явно меньше номинальной мощности даже для самого маломощного резистора МЛТ-0,125 (0,125 Вт). Произведем расчет для красного светодиода (напряжение 2В, ток 15мА).

• Uгрез = Uпит – Uсвет = 5В – 2В = 3В.
• R = U / I = 3В / 0,015А = 200 Ом.
• P = U * I = 3В * 0,015А = 0,045 Вт.

При подключении светодиодов не нужно забывать что они имеют полярность. Для определения полярности светодиода можно использовать мультиметр в режиме прозвонки или же омметр. Использование гасящих резисторов оправдано для питания маломощных светодиодов, при питании мощных светодиодов нужно использовать специальные LED-драйверы и стабилизаторы.

Расчет гасящего резистора для светодиода.

Срок службы драйверов

Срок эксплуатации лед драйвера для светодиодных светильников зависит от внешних условий и изначального качества устройства. Ориентировочный срок исправной службы драйвера от 20 до 100 тыс. часов.

Повлиять на срок службы могут такие факторы:

• перепады температурного режима;
• высокая влажность;
• скачки напряжения;
• неполная загруженность устройства (если драйвер рассчитан на 100 Вт, а использует 50 Вт, напряжение возвращается обратно, от чего возникает перегрузка).

Известные производители дают гарантию на драйверы, в среднем на 30 тыс. часов. Но если устройство использовалось неправильно, то ответственность несет покупатель. Если LED-источник не включается или перестал работать, возможно, проблема в преобразователе, неправильном соединении, или неисправности самого осветительного прибора.

Как проверить драйвер для светодиодов на работоспособность смотрите в видео ниже:

Watch this video on YouTube

Подключение светодиода через стабилизатор напряжения к 12 вольтам в машине (через микросхему)

 Теперь перейдем к стабилизированной схеме питания светодиодов от 12 вольт. Здесь, как мы уже и говорили, существует схема, которая регулирует собственное внутреннее сопротивление. Таким образом, питание светодиода будет осуществляться устойчиво, независимо от скачков напряжения бортовой сети.  К сожалению минусом применения микросхемы является тот факт, что минимальное стабилизированное напряжение, которое возможно добиться будет 5 вольт. Именно с таким напряжением можно встретить наиболее широко известные микросхемы – стабилизаторы КР142 ЕН 5Б или иностранный аналог L7805 или L7805CV. Здесь разница лишь в производителе и номинальном рабочем токе от 1 до 1,5 А.

 Так вот, оставшееся напряжение с 5 до 3,3 вольт придется гасить все по тому же примеру что и в предыдущих случаях, то есть с помощью применения резистора. Однако снизить напряжение резистором на 1,7 вольта это уже не столь критично как на 8-9 вольт. Стабилизация напряжения в этом случае все же будет наблюдаться! Приводим схему подключения микросхемы стабилизатора.Как видите, она очень простая. Реализовать ее может каждый. Не сложнее чем припаять тот же резистор. Единственное условие это установка радиатора, который будет отводить тепло от микросхемы. Его установить нужно обязательно. На схеме написано что микросхема может питать 10 цепочек со светодиодом, на самом деле этот параметр занижен. По факту, если через светодиод проходит около 0,02 А, то она может обеспечивать питанием до 50 светодиодов. Если вам необходимо обеспечить питание большего количества, то используйте вторую такую же независимую схему. Использование двух микросхем подключенных параллельно не правильно. Так как их характеристики немного, да будут отличаться друг от друга, из-за индивидуальных особенностей. В итоге, у одной из микросхем будет шанс перегореть намного быстрее, так как режимы работы у нее будут иные — завышенные. О применение аналогичных микросхем мы уже рассказывали в статье «Зарядное устройство на 5 вольт в машине». Кстати, если вы все же решитесь выполнить питание для светодиода на ШИМ, хотя это вряд ли того стоит, то эта статья также раскроет вам все секреты реализации такого проекта.

Два основных принципа о том как можно подключить светодиод к 12 вольтам или понизить напряжение на нагрузке

 Прежде, чем перейти к конкретным схемам и их описаниям, хотелось бы сказать о двух принципиально разных, но возможных вариантах подключения светодиода к 12 вольтовой сети.

  Первый, это когда напряжение падает за счет того, что последовательно светодиоду подключается дополнительное сопротивление потребителя, в качестве которого выступает микросхема-стабилизатор напряжения. В этом случае определенная часть напряжения теряется в микросхеме, превращаясь в тепло. А значит вторая, оставшаяся, достается непосредственно нашему потребителю – светодиоду. Из-за этого он и не сгорает, так как не все суммарное напряжение проходит через него, а только часть. Плюсом применения микросхемы является тот факт, что она способна в автоматическом режиме поддерживать заданное напряжение. Однако есть и минусы. У вас не получиться снизить напряжение ниже уровня, на которое она рассчитана. Второе. Так как микросхема обладает определенным КПД, то падение относительно входа и выхода будет отличаться на 1-1,5 вольта в меньшую сторону. Также для применения микросхемы вам необходимо будет применить хороший рассеивающий радиатор, установленный на ней. Ведь по сути тепло выделяемое от микросхемы, это и есть невостребованные нами потери. То есть то, что мы отсекли от большего потенциала, чтобы получить меньший.

 Второй вариант питания светодиода, когда напряжение ограничивается за счет резистора. Это сродни тому, если бы большую водопроводную трубы взяли бы и сузили. При этом поток (расход и давление) снизились бы в разы. В этом случае до светодиода доходит лишь часть напряжения. А значит, он также может работать без опасности быть сожженным. Минусом применения резистора будет то, что он также имеет свой КПД, то есть также тратит невостребованное напряжение в тепло. В этом случае бывает трудно установить резистор на радиатор.  В итоге, он не всегда подойдет для включения в цепь. Также минусом будет являться и то обстоятельство, что резистор не поддерживает автоматического удержания напряжение в заданном пределе. При падении напряжения в общей цепи, он подаст настолько же меньшее напряжение и на светодиод. Соответственно обратная ситуация произойдет при повышении напряжения в общей цепи.

 Конечно, тот и другой вариант не идеальны, так при работе от портативных источников энергии каждый из них будет тратить часть полезной энергии на тепло. А это актуально! Но что сделать, таков уж принцип их работы. В этом случае источник питания будет тратить часть своей энергии не на полезное действие, а на тепло. Здесь панацеей является использование широтно-импульсной модуляции, но это значительно усложняет схему… Поэтому мы все же остановимся на первых двух вариантах, которые и рассмотрим на практике.