В пределах этой статьи мы постараемся достаточно подробно рассмотреть светодиодные лампы и их устройство. В частности будут представлены различные по сложности схемы по изготовлению источников света на основе светодиодных элементах в домашних условиях, а также будут даны полезные рекомендации.
Мировой кризис как никогда явно шествует по миру, и люди все чаще задумываются о том, как экономить один из самых важных ресурсов в современном мире – электроэнергию. Примечательно, что с первого сентября две тысячи девятого года на территории Европейского союза, а именно в двадцати семи государствах, была запрещена продажа традиционных ламп накаливания, обладающих мощностью свыше ста ватт. А в самое ближайшее время планируется ввести запрет и на шестидесяти ваттные их аналоги. Все идет к тому, что цивилизованные страны отказываются от использования устаревших ламп накаливания.
По другую сторону Атлантического океана происходит схожие явления – конгресс соединенных штатов Америки принял решения отказаться от производства и эксплуатации традиционных лампочек к две тысячи тринадцатому году.
Какими преимуществами обладают новые лампы, помимо энергосбережения?
Основными преимуществами энергосберегающих источников света являются крайне низкое, в сравнении с традиционными, потребление электрической энергии, а также их высокая надежность при эксплуатации. Широкое распространение на сегодняшний день получили люминесцентные лампы, потребляющие в пять раз меньше энергии, чем их традиционные аналоги такой же мощности. Цифра впечатляет, не правда ли?
Одними из самых перспективных источников света считаются лампы на основе светодиодных элементов, ведь по характеристикам экономии энергии и долговечности они значительно превосходят даже люминесцентные лампы. Кроме того, они потребляют в десять раз меньше энергии, чем лампы накаливания, при этом способны функционировать на протяжении пятидесяти тысяч часов.
Новейшие светодиоды, обладающие столь высокими характеристиками, обладают и более высокой стоимостью, в сравнении с аналогами, однако крайне низкое потребление энергии и высочайшая надежность способны компенсировать эту разницу.
Схемы применения на практике
В качестве примера под номером один мы рассмотрим лампу на основе светодиодов фирмы «СЭА Электроникс», в которой применяются специализированные микросхемы. Электрическую схему лампы вы можете увидеть на рисунке 1.
Всего десять лет назад использование светодиодов ограничивалось применением в роли индикаторов, поскольку сила света была очень малой – порядка 2 микрокандел. Современные же светодиоды способны выдавать свет излучением в несколько десятков кандел.
Благодаря использования таких светодиодов вместе с преобразователями на основе полупроводников, светодиодные лампы смогли конкурировать с традиционными лампами. На рисунке 1 показан один из подобных преобразователей. Как видно схема отличается простотой и содержит малое число деталей. Это достигается благодаря использованию специализированных микросхем.
Первая микросхема IC1 BP5041 – AC/DC преобразователь. Структурная ее схема изображена на рисунке под номером 2.
Выполнена микросхема в корпусе типа SIP, который показан на рисунке 3.
Преобразователь подключается к электрической сети 220 Вольт и выдает конечное напряжение 5 Вольт, ток которого приблизительно сто миллиампер. Подключение к сети необходимо осуществлять через выпрямитель, выполненный в виде мостовой схемы или на конденсаторе С3 и диоде D1. Для устранения возможных импульсных помех применяются конденсатор С2 и резистор R1,
Предохранитель под обозначением F1 обеспечивают защиту всего устройства и значение его номинала ни в коем случае не должно превышать указанное в схеме. Для нейтрализации пульсаций напряжения на выходе преобразователя служит конденсатор C3. Следует заострить внимание на том факте, что выходное напряжение в нашем случае не имеет гальванической развязки от общей электрической сети, поскольку в рассматриваемой схемы необходимости в этом нет, однако следует уделять особое внимание соблюдению норм техники безопасности при конструировании прибора, а также его наладке.
Конденсаторы под индексами C1 и C2 должны быть рассчитаны на рабочее напряжение от четырехсот пятидесяти Вольт. В свою очередь C2 конденсатор может быть как керамическим, так и пленочным. Рекомендуемое сопротивление R1 резистора находится между десятью и двадцатью Ом, его будет более чем достаточно для эффективной работы нашего преобразователя.
Благодаря использованию этого вида преобразователя, можно исключить применения трансформатора с понижающими катушками, что благотворно скажется на уменьшении прибора в целом. Рассматриваемая схема имеет одну немаловажную особенность – она содержит встроенную катушку индуктивности, которую можно увидеть на рисунке под номером два, что уменьшает число навесных деталей, как и размер самой платы.
Диод под индексом D1 должен иметь обратное напряжение более 800В и ток выпрямления более 500 мА. Рекомендуется использовать в этих целях диод импортного производства 1N4007, приобретение которого не составляет сложности ввиду его широкого распространения. Кроме того потребуется установка варистора VAR1 FNR-10K391 на выходе выпрямителя, который будет защищать все устройства от статического электричества и возникновения импульсных помех.
Вторая схема IС2 НV9910 является ничем иным, как ШИМ стабилизатором тока, предназначенным для суперярких световых диодов. При помощи транзистора MOSFET величина тока может быть установлена в диапазоне от миллиампер до одного ампера. Данный ток задается R3 резистором в обратной цепи. Эта микросхема производится в различных корпусах: SО-8(LG) и SО-16(NG). Ее внешний вид вы можете увидеть на рисунке под номером четыре, а структурную схему на рисунке под номером пять.
Используя R2 резистора можно изменять частоту внутреннего генератора в пределах двадцати...ста двадцати килогерц. С учетом R2 резистора, указанного на схеме, она будет составлять порядка 50 килогерц.
Дроссель под индексом L1 служит для накопления энергии в тот промежуток времени, когда VТ1 транзистор находится в открытом положении. При закрытии транзистора, накопленная энергия переходит к светодиодам DЗ…D6 через высокоскоростной диод D2.
На этом этапе отнюдь не лишним будет вспомнить о правиле Ленца и самоиндукции. Смысл заключается в том, что индукционный ток имеет направление, благодаря которому магнитный потом тока производит компенсации изменения показателя внешнего магнитного потока, которое, собственно, и явилось причиной возникновения тока. Исходя из этого, можно отметить, что направленность ЭДС самоиндукции будет обратной по отношению к питающему напряжению. Благодаря этому световые диоды способны производить световое излучения за счет ЭДС самоиндукции L1 катушки.
В представленной конструкции применяются четыре светодиода типа ТWW9600, обладающих сверхъяркостью, тем не менее, допустимо использование других светодиодов различных типов и фирм производителей.
Управление яркостью светодиодов в схеме осуществляется через вход РWМ_D, ШИМ – посредством модуляции внешнего генератора. В нашей схеме данная функция не используется.
Если вы самостоятельно изготавливается подобную лампу, рекомендуется воспользоваться корпусом, цоколь которого E27 будет винтовым. Он применяется в энергосберегающих лампах мощностью от двадцати Ватт. Внешний вид конструкции вы можете наблюдать на рисунке под номером шесть.
Несмотря на относительную простоту представленной схемы, ее практическая реализация в домашних условиях не всегда представляется возможной, поскольку могут возникнуть сложности с поиском указанных в схеме деталей. Кроме того, данная схема требует наличия определенной квалификации у сборщика. Поэтому далее будут рассмотрены более простые варианты самодельных светодиодных источников света как по сборке, так и по поиску деталей.
Простая светодиодная лампа своими руками
Схему одной из самых простых ламп на основе светодиодов вы можете увидеть на рисунке под номером семь.
Как видно, в этой схеме для питания световых диодов применяется выпрямитель мостовой конструкции с емкостным балластом, ограничивающим ток на выходе. Подобные источники питания обладают простотой и экономичностью, и при этом совершенно не подвержены коротким замыканиям, а их выходной ток ограничен сопротивлением конденсатора. Их часто называют стабилизаторами тока.
В роли емкостного балласта в схеме выступает конденсатор С1. Следует также отметить, что его рабочее напряжение должно быть как минимум 630В при емкости 0.47 мкФ. Емкость балласта рассчитывается таким образом, чтобы сила тока, через светодиоды составляла около 20 мА, поскольку данное значение является оптимальным них.
Для сглаживания пульсации выпрямленного напряжения предназначен электролитический С2 конденсатор. Резистор R1 служит в качестве ограничителя зарядного тока непосредственно в момент включение, и, вместе с тем, выполняет функцию предохранителя в системе при аварийных ситуациях. Для того, чтобы конденсаторы под индексами C1 и С2 разряжались после отключения прибора от сети в цепь включены два резистора R2 и R3
Для того, чтобы уменьшить габариты, был выбран С2 конденсатор с рабочим напряжением в сто вольт. В случае выхода из строя одного из световых диодов, конденсатор под индексом C2 получит заряд до трехсот десяти вольт, что спровоцирует его взрыв. Для того, чтобы избежать подобных проблем он был зашунтирован VD2 и VD3 стабилитронами. Напряжение возможной стабилизации определяется следующим образом.
При номинальном значении тока в 20 мА на нем происходит падение напряжения, которое колеблется между 3.2 и 3.8 В. После несложных арифметических расчетов становится ясно, что при инсталляции 20 светодиодов в цепи общее падение напряжение составит от шестидесяти пяти до семидесяти пяти Вольт. Именно на этой отметке должно быть ограничено напряжение C2 конденсатора.
Стабилитроны же необходимо подбирать таким образом, чтобы общее стабилизационное напряжение несколько превышала падение напряжения на источниках света. При таком расклада в штатном режиме работы стабилитроны будут находиться в закрытом положении и не будут оказывать влияние на работу всей схемы. Указанные в схеме стабилитроны маркированы 1N4754A и имеют стабилизационное напряжение 39 Вольт, а при последовательном включении 78 Вольт.
Если происходит обрыв одного из светодиодов, или же нескольких, происходит открытие стабилитронов и напряжение будет стабилизировано на уровне семидесяти восьми Вольт, что меньше рабочего напряжение С2 конденсатора, поэтому взрыва не будет.
На рисунке под номером 8 вы можете наблюдать конструкцию самодельной лампы с использованием светодиодных источников света. Как можно догадаться, ее корпус был позаимствован от вышедшей из строя люминесцентной лампы с цоколем е-27.
Печатная плана, на которой размещены все детали изготовлена из фольгированного стеклотекстолита, которую с легкостью можно изготовить в кустарных условиях. Для непосредственного монтажа светодиодов на плату необходимо высверлить отверстия диаметром в восемь десятых миллиметра, для других же деталей диаметр составляет один миллиметр. Чертеж самой печатной платы проиллюстрирован на рисунке под номером 9.
Более подробно рассмотреть схему и порядок расположения деталей на печатной плате вы можете на рисунке 9б. Установку всех деталей, за исключением светодиодов, необходимо производить с той стороны платы, где нет дорожек. На это же стороне необходимо установить перемычку, которая изображена на рисунке.
Когда монтаж всех деталей осуществлен, необходимо приступать к установке светодиодов. Установку производить следует, начиная от середины платы и двигаясь к ее периферии. Запайку светодиодов необходимо выполнить последовательно, другими словами плюс одного соединяется с минусом другого.
Диаметр используемого светодиода может варьироваться в пределах трех-десяти миллиметров. При установке светодиодов на плату необходимо оставлять выводы не менее пяти миллиметров от платы, чтобы не произошло их перегрева при осуществлении пайки. Также следует отметить, что длительность этой операции не должна превышать трех секунд.
После того, как сборка и наладка платы была осуществлена, необходимо припаять ее выводы к цоколю и вставить плату в корпус. Можно использовать корпуса меньшего размера, однако для этого потребуется уменьшение размеров всей печатной платы.
Одна из самых простых схем лампы на основе светодиодных источников света
Главное достоинство данной схемы – заметная сразу простота: она начитывает всего два светодиода и резистор гашения. На схеме вы видите, что подключение светодиодов осуществлено встречно – параллельно. Этот способ подключении примечателен тем, что позволяет светодиодам защищать друг друга от обратного напряжение. Помимо прочего включение светодиодов в цепь таким образом позволит увеличить частоту мерцания до величины в 100 Гц, что сделает ее незаметной для человеческого глаза, следовательно не будет создавать дополнительную нагрузку на глаза.
Если у вас нет двух светодиодов, то вместо одного из них вы можете использовать выпрямительный диод, который будет служить в качестве защиты от обратного напряжения электрической сети. Следует учесть, что направление включения выпрямительного диода должно совпадать с оным светодиода. Однако в этом случае мерцание лампы составить всего двадцать пять герц и будет утомлять глаза.
Для того, чтобы ограничить ток, проходящий через светодиоды, на двадцати микроамперах, сопротивление резистора под индексом R1 должно составлять порядка 10 КОм, а его мощность – 5 Ватт. Для уменьшения выделения тепла можно использовать несколько резисторов, вместо одного.
Конструктивно, данная лампа мало чем отличается от представленных ранее, и ее тоже можно сделать в корпусе от энергосберегающей лампы. Простота конструкции позволяет обойтись без печатной платы, что позволяет заключить ее в миниатюрный корпус. Удачи в сборке!{odnaknopka}