Jak dobrać sterownik lampy LED: rodzaje, przeznaczenie + cechy podłączenia

Oprawy LED zyskały masową popularność, w związku z czym rozpoczęto aktywną produkcję wtórnych źródeł zasilania. Sterownik lampy LED jest w stanie stabilnie utrzymywać zadane wartości prądu na wyjściu urządzenia, stabilizując napięcie przepływające przez łańcuch diod.

Opowiemy o wszystkich rodzajach i zasadach działania urządzenia do konwersji prądu dla pracy żarówki LED. W proponowanym przez nas artykule przedstawiono wskazówki dotyczące wyboru sterownika, podano przydatne zalecenia. Samodzielni domowi elektrycy znajdą u nas sprawdzone w praktyce schematy podłączenia.

Przeznaczenie i zakres zastosowania

Kryształy diod składają się z dwóch półprzewodników – anody (plus) i katody (minus), które odpowiadają za transformację sygnałów elektrycznych. Jeden obszar ma przewodność typu P, drugi – N. Po podłączeniu źródła zasilania przez te elementy popłynie prąd.

Dzięki takiej polaryzacji elektrony ze strefy typu P przemieszczają się do strefy typu N, i odwrotnie, ładunki z punktu N przemieszczają się do P. Jednak każdy obszar ma swoje granice, zwane złączami P-N. Na tych odcinkach cząstki spotykają się i wzajemnie pochłaniają lub rekombinują.

Dioda należy do elementów półprzewodnikowych i posiada tylko jedno złącze p-n. Z tego powodu główną cechą określającą stopień jasności ich świecenia jest nie napięcie, a prąd.

Podczas przejść P-N napięcie spada o określoną liczbę woltów, zawsze taką samą dla każdego elementu obwodu. Uwzględniając te wartości, sterownik stabilizuje parametry prądu wejściowego i tworzy na wyjściu stałą wartość.

Jaka moc jest wymagana i jakie wartości strat przy przejściu P-N są podane w karcie katalogowej urządzenia LED. Dlatego przy wyborze żarówki LED należy uwzględnić parametry zasilacza, których zakres musi być wystarczający do skompensowania utraconej energii.

Aby mocne diody LED przepracowały czas podany w parametrach, wymagane jest urządzenie stabilizujące – sterownik. Na obudowie mechanizmu elektronicznego zawsze podane jest jego napięcie wyjściowe.

Zasilacze o napięciu od 10 do 36 V są stosowane do wyposażania urządzeń oświetleniowych.

Urządzenia mogą być najróżniejszych rodzajów:

• reflektory samochodów, rowerów, motocykli itd.;
• małe przenośne lub uliczne lampy;
• listwy LED, taśmy, lampy sufitowe i moduły.

Jednak dla diod LED małej mocy, a także w przypadku stosowania stałego napięcia, sterowników nie trzeba stosować. Zamiast nich do obwodu wprowadza się rezystor, również zasilany z sieci 220 V.

Zasada działania zasilacza

Przyjrzyjmy się, na czym polegają różnice między źródłem napięcia a zasilaczem. Jako przykład rozważmy schemat przedstawiony poniżej.

Podłączając do źródła zasilania 12 V rezystor 40 Ω, przez niego będzie płynął prąd 300 mA (rysunek A). Przy równoległym włączeniu do obwodu drugiego rezystora wartość prądu wyniesie 600 mA (B). Jednak napięcie będzie niezmienione.

Pomimo podłączenia dwóch rezystorów do źródła zasilania, napięcie na wyjściu będzie niezmienne, ponieważ w idealnych warunkach nie podlega obciążeniu.

Teraz rozważmy, jak zmienią się wartości, jeśli w obwodzie zostaną podłączone rezystory do zasilacza. Analogicznie wprowadzamy reostat 40 Ω ze sterownikiem 300 mA. Ten ostatni wytwarza na nim napięcie 12 V (schemat C).

Jeśli natomiast obwód składa się z dwóch rezystorów, to wartość prądu jest niezmienna, a napięcie wyniesie 6 V (D).

Sterownik w przeciwieństwie do źródła napięcia utrzymuje na wyjściu zadane parametry prądu, jednak moc napięcia może się zmieniać.

Podsumowując, można stwierdzić, że wysokiej jakości przetwornica dostarcza do obciążenia prąd znamionowy nawet przy spadku napięcia. W związku z tym kryształy diod na 2 V lub 3 V i prądzie 300 mA będą świecić równie jasno przy obniżonym napięciu.

Charakterystyki odróżniające przetwornika

Jednym z najważniejszych wskaźników jest moc przenoszona pod obciążeniem. Urządzenia nie można przeciążać i próbować uzyskać maksymalne możliwe rezultaty.

Nieprawidłowe użycie prowadzi do szybkiego uszkodzenia nie tylko urządzenia, ale także układów LED.

Do głównych czynników wpływających na działanie należą:

• elementy składowe używane w procesie montażu;
• stopień ochrony (IP);
• minimalne i maksymalne wartości na wejściu i wyjściu;
• producent.

Nowoczesne modele przetwornic są produkowane w oparciu o układy scalone i wykorzystują technologię modulacji szerokości impulsów (PWM).

W trakcie pracy zasilacza, do regulacji wielkości napięcia wyjściowego zastosowano metodę modulacji szerokości impulsów, przy czym na wyjściu zachowany jest ten sam rodzaj prądu co na wejściu.

Takie urządzenia charakteryzują się wysokim stopniem ochrony przed zwarciami, przeciążeniami sieci, a także mają podwyższoną sprawność.

Zasady doboru przetwornika prądu

Aby nabyć przetwornicę do lamp LED, należy zapoznać się z kluczowymi cechami urządzenia. Należy opierać się na napięciu wyjściowym, prądzie znamionowym i mocy wyjściowej.

Moc diod LED

Przeanalizujmy najpierw napięcie wyjściowe, które zależy od kilku czynników:

• wartość strat napięcia na złączach P-N kryształów;
• liczba diod LED w łańcuchu;
• schemat połączenia.

Parametry prądu znamionowego można określić na podstawie charakterystycznych cech odbiornika, a mianowicie mocy elementów LED i stopnia ich jasności.

Ten wskaźnik będzie wpływał na prąd pobierany przez kryształy, którego zakres zmienia się w zależności od wymaganej jasności. Zadaniem przetwornicy jest dostarczenie tym elementom odpowiedniej ilości energii.

Wartość napięcia wyjściowego powinna być większa lub równa całkowitej sumie zużytej energii w każdym bloku układu elektrycznego

Moc urządzenia zależy od mocy każdego elementu LED, ich koloru i liczby.

Do obliczenia pobieranej energii stosuje się następujący wzór:

P_H = P_LED * N,

Gdzie

• P_LED – obciążenie elektryczne wytwarzane przez jedną diodę,
• N – liczba kryształów w obwodzie.

Uzyskane wartości nie powinny być mniejsze od mocy sterownika. Teraz należy określić wymaganą wartość znamionową.

Maksymalna moc urządzenia

Należy również wziąć pod uwagę fakt, że w celu zapewnienia stabilnej pracy przetwornicy jej parametry znamionowe powinny przekraczać o 20-30% uzyskaną wartość P_H.

Zatem wzór przyjmuje postać:

P_max ≥ (1,2..1,3) * P_H,

gdzie P_max – moc znamionowa zasilacza.

Oprócz mocy i liczby odbiorników na płytce, obciążenie zależy również od czynników kolorystycznych odbiornika. Przy tym samym prądzie, w zależności od odcienia, mają one różne wartości spadku napięcia.

Sterownik do lampy LED powinien dostarczać taką ilość prądu, jaka jest potrzebna do zapewnienia maksymalnej jasności. Przy doborze urządzenia kupujący powinien pamiętać, że moc musi być większa niż moc pobierana przez wszystkie diody LED

Weźmy dla przykładu diody LED amerykańskiej firmy Cree z serii XP-E w kolorze czerwonym.

Ich charakterystyki wyglądają następująco:

• spadek napięcia 1,9-2,4 V;
• prąd 350 mA;
• średnia moc poboru 750 mW.

Analog koloru zielonego przy tym samym prądzie będzie miał zupełnie inne parametry: straty na złączach P-N wynoszą 3,3-3,9 V, a moc 1,25 W.

Odpowiednio można wyciągnąć wnioski: sterownik zaprojektowany na 10 W jest używany do zasilania dwunastu czerwonych kryształów lub ośmiu zielonych.

Schemat podłączenia diod LED

Wybór sterownika powinien być dokonywany po ustaleniu schematu podłączenia odbiorników LED. Jeśli najpierw zakupić diody świetlne, a następnie dopasować do nich przetwornik, proces ten będzie obarczony wieloma trudnościami.

Aby znaleźć urządzenie zapewniające pracę dokładnie takiej liczby odbiorników przy określonym schemacie podłączenia, trzeba będzie poświęcić sporo czasu.

Podajemy przykład z sześcioma odbiornikami. Straty napięcia u nich wynoszą 3 V, pobór prądu 300 mA. Do ich podłączenia można zastosować jedną z metod, przy czym w każdym indywidualnym przypadku wymagane parametry zasilacza będą się różnić.

Wadą szeregowego ułożenia diod jest konieczność stosowania zasilacza o wysokim napięciu, jeśli w obwodzie będzie wiele kryształów

W naszym przypadku przy połączeniu szeregowym potrzebny jest zasilacz o napięciu 18 V i prądzie 300 mA. Główną zaletą tej metody jest to, że przez całą linię płynie ten sam prąd, więc wszystkie diody świecą z identyczną jasnością.

Minusem równoległego rozmieszczenia odbiorników jest różnica jasności świecenia każdego łańcucha. Takie negatywne zjawisko występuje z powodu rozrzutu parametrów diod wskutek różnic między prądem płynącym przez każdą linię.

Jeśli zastosowano rozmieszczenie równoległe – wystarczy użyć przetwornika o napięciu 9 V, jednak wartość pobieranego prądu będzie podwojona w porównaniu z poprzednią metodą.

Metoda szeregowego ułożenia po dwie diody nie może być zastosowana z zamianą liczby kryształów wchodzących w grupę – 3 i więcej. Takie ograniczenia wynikają z faktu, że przez jeden element może przepłynąć zbyt duży prąd, a to stwarza ryzyko uszkodzenia całego obwodu.

Jeśli stosowana jest metoda szeregowa z tworzeniem par po dwie diody LED, używa się sterownika o podobnych parametrach jak w poprzednim przypadku. Przy tym jasność oświetlenia będzie już równomierna.

Jednak i tutaj nie obyło się bez negatywnych niuansów: przy podaniu zasilania do grupy, z powodu rozrzutu charakterystyk jedna z diod LED może otwierać się szybciej niż druga, w związku z czym przez nią popłynie prąd dwukrotnie przekraczający wartość nominalną.

Wiele rodzajów diod LED do oświetlenia domowego jest przystosowanych do takich krótkotrwałych skoków, ale ta metoda należy do mniej popularnych.

Rodzaje sterowników według typu urządzenia

Urządzenia przetwarzające zasilanie 220 V na wymagane parametry dla diod LED są umownie podzielone na trzy kategorie: elektroniczne, na bazie kondensatorów, ściemniane.

Rynek akcesoriów oświetleniowych oferuje szeroką gamę modeli sterowników, głównie chińskiego producenta. I pomimo niskiego zakresu cenowego, z tych urządzeń można wybrać całkiem przyzwoitą opcję. Należy jednak zwracać uwagę na kartę gwarancyjną, ponieważ nie wszystkie prezentowane produkty mają akceptowalną jakość.

Elektroniczny typ urządzenia

W idealnym przypadku przetwornik elektroniczny powinien być wyposażony w tranzystor. Jego rolą jest odciążenie układu regulującego. Aby wyeliminować lub maksymalnie wygładzić tętnienie, na wyjściu montuje się kondensator.

Takie urządzenie należy do drogiej kategorii, jednak jest w stanie stabilizować prąd do 750 mA, do czego mechanizmy balastowe nie są zdolne.

Najnowsze sterowniki montuje się głównie w żarówkach z trzonkiem E27. Wyjątkiem od reguły są produkty Gauss GU5,3. Są one wyposażone w beztransformatorowy przetwornik. Jednak stopień tętnienia w nich sięga kilkuset Hz.

Tętnienie to nie jedyna wada przetworników. Drugą można nazwać zakłócenia elektromagnetyczne z zakresu wysokich częstotliwości (W.cz.). Jeśli więc do gniazdka powiązanego z oprawą oświetleniową będą podłączane inne urządzenia elektryczne, na przykład radio, można spodziewać się zakłóceń podczas odbioru cyfrowych częstotliwości FM, telewizji, routera itd.

W opcjonalnym urządzeniu wysokiej jakości powinny znajdować się dwa kondensatory: jeden – elektrolityczny do wygładzania tętnienia, drugi – ceramiczny, do obniżenia W.cz. Jednak takie połączenie można spotkać rzadko, szczególnie w przypadku chińskich produktów.

Ci, którzy mają ogólną wiedzę na temat takich schematów elektrycznych, mogą samodzielnie dobierać parametry wyjściowe przetwornika elektronicznego, zmieniając wartość rezystorów.

Ze względu na wysoką sprawność (do 95%) takie mechanizmy nadają się do urządzeń o dużej mocy, używanych w różnych dziedzinach, na przykład do tuningu samochodów, w zewnętrznych oprawach oświetleniowych, a także w domowych źródłach LED.

Zasilacz oparty na kondensatorach

Teraz przechodzimy do mniej popularnych urządzeń – na bazie kondensatorów. Praktycznie wszystkie schematy tanich lamp LED, w których zastosowano tego typu sterowniki, mają podobne cechy.

Jednakże w wyniku modyfikacji dokonanych przez producenta ulegają one zmianom, na przykład usunięciu pewnego elementu obwodu. Szczególnie często tym elementem jest jeden z kondensatorów – wygładzający.

Wskutek niekontrolowanego zapełnienia rynku tanimi i niskiej jakości towarami użytkownicy mogą „odczuwać” w lampach stuprocentową pulsację. Nawet nie zagłębiając się w ich konstrukcję, można stwierdzić usunięcie z układu elementu wygładzającego.

Zalet takich mechanizmów są tylko dwie: są dostępne do samodzielnego montażu, a ich sprawność jest bliska stu procentom, ponieważ straty występują tylko na złączach p-n i rezystancjach.

Podobna liczba stron negatywnych: niskie bezpieczeństwo elektryczne i wysoki stopień pulsacji. Druga wada wynosi około 100 Hz i powstaje w wyniku prostowania napięcia zmiennego. W normie GOST określono dopuszczalną pulsację na poziomie 10-20% w zależności od przeznaczenia pomieszczenia, w którym zainstalowane jest urządzenie oświetleniowe.

Jedynym sposobem na złagodzenie tej wady jest dobór kondensatora o odpowiedniej wartości nominalnej. Niemniej jednak nie należy liczyć na całkowite wyeliminowanie problemu – takie rozwiązanie może jedynie złagodzić intensywność skoków.

Przetworniki prądu z funkcją ściemniania

Sterowniki-ściemniacze dla ściemnialnych żarówek LED pozwalają zmieniać parametry prądu wejściowego i wyjściowego, przy czym zmniejsza się lub zwiększa stopień jasności światła emitowanego przez diody.

Istnieją dwa sposoby podłączenia:

• pierwszy zakłada płynny start;
• drugi – impulsowy.

Rozważmy zasadę działania ściemnialnych sterowników opartych na układzie scalonym CPC9909, stosowanym jako regulator dla obwodów LED, w tym także o wysokiej jasności.

Schemat standardowego włączenia CPC9909 z zasilaniem 220 V. Zgodnie ze wskazówkami schematycznymi istnieje możliwość sterowania jednym lub kilkoma mocnymi odbiornikami.

Przy płynnym starcie układ scalony ze sterownikiem zapewnia stopniowe włączanie diod z narastającą jasnością. W tym procesie wykorzystuje się dwa rezystory podłączone do wyprowadzenia LD, przeznaczonego do realizacji płynnego ściemniania. W ten sposób realizowane jest ważne zadanie – wydłużenie żywotności elementów LED.

To samo wyprowadzenie zapewnia również regulację analogową – rezystor 2,2 kΩ zastępuje się mocniejszym rezystorem zmiennym – 5,1 kΩ. W ten sposób uzyskuje się płynną zmianę potencjału na wyjściu.

Zastosowanie drugiego sposobu zakłada podawanie impulsów prostokątnych na niskoczęstotliwościowe wyprowadzenie PWMD. Przy tym wykorzystuje się albo mikrokontroler, albo generator impulsów, które muszą być oddzielone optoizolatorem.

Z obudową czy bez?

Sterowniki są produkowane z obudową lub bez. Pierwszy wariant jest najczęściej spotykany i droższy. Takie urządzenia są chronione przed wilgocią i cząsteczkami pyłu.

Urządzenia drugiego typu stosowane są przy montażu ukrytym, a zatem są tańsze.

Zasilanie wszystkich przedstawionych urządzeń może pochodzić z sieci 12 V lub 220 V. Mimo że modele bez obudowy wygrywają ceną, znacznie odbiegają pod względem bezpieczeństwa i niezawodności mechanizmu.

Każdy z nich różni się dopuszczalną temperaturą podczas eksploatacji – na to również należy zwracać uwagę przy doborze.

Klasyczny schemat sterownika

Do samodzielnego montażu zasilacza LED omówimy najprostsze urządzenie impulsowe bez izolacji galwanicznej. Główną zaletą tego typu układów jest prostota podłączenia i niezawodna praca.

Schemat przetwornicy na 220 V przedstawiono jako impulsowy zasilacz. Podczas montażu należy przestrzegać wszystkich zasad bezpieczeństwa elektrycznego, ponieważ nie ma tu ograniczeń prądowych.

Schemat takiego mechanizmu składa się z trzech głównych stopni kaskadowych:

1. Dzielnik napięcia na rezystancji pojemnościowej.
2. Prostownik.
3. Stabilizatory napięcia.

Pierwszy odcinek – opór stawiany prądowi zmiennemu na kondensatorze C1 z rezystorem. Ten ostatni jest potrzebny wyłącznie do samoczynnego ładowania elementu biernego. Nie ma on wpływu na działanie układu.

Znamionowa wartość rezystora może mieścić się w zakresie 100 kΩ–1 MΩ, o mocy 0,5–1 W. Kondensator powinien być elektrolityczny, a jego skuteczna wartość amplitudy napięcia – 400–500 V.

Gdy uformowana półfala napięcia przechodzi przez kondensator, prąd płynie do momentu pełnego naładowania okładek. Im mniejsza pojemność mechanizmu, tym mniej czasu potrzeba na jego pełne naładowanie.

Na przykład urządzenie o pojemności 0,3–0,4 µF ładuje się w ciągu 1/10 okresu półfali, czyli tylko dziesiąta część przechodzącego napięcia przepłynie przez ten odcinek.

Proces prostowania na tym odcinku realizowany jest według układu Graetza. Mostek diodowy dobiera się na podstawie prądu znamionowego i napięcia wstecznego. Przy czym ta ostatnia wartość nie powinna być mniejsza niż 600 V.

Drugi stopień jest urządzeniem elektrycznym przekształcającym (prostującym) prąd zmienny w pulsujący. Taki proces nazywa się dwupołówkowym. Ponieważ jedna część półfali została wygładzona przez kondensator, na wyjściu tego odcinka prąd stały będzie wynosił 20–25 V.

Ponieważ zasilanie diod LED nie powinno przekraczać 12 V, dla obwodu konieczne jest użycie elementu stabilizującego. W tym celu wprowadza się filtr pojemnościowy. Na przykład można zastosować model L7812

Trzeci stopień działa w oparciu o filtr wygładzająco-stabilizujący – kondensator elektrolityczny. Wybór jego parametrów pojemnościowych zależy od obciążenia.

Ponieważ zmontowany obwód od razu zaczyna działać, nie wolno dotykać odsłoniętych przewodów, ponieważ przepływający prąd osiąga dziesiątki amperów – wcześniej należy przeprowadzić izolację linii.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Wszystkie trudności, z jakimi może się spotkać radioamator dobierający przetwornik do mocnych lamp LED, są szczegółowo opisane w filmie wideo:

Kluczowe cechy samodzielnego podłączania urządzenia przetworniczego do obwodu elektrycznego:

Instruktaż krok po kroku, opisujący proces samodzielnego montażu sterownika LED z dostępnych materiałów:

Pomimo deklarowanych przez producenta dziesiątek tysięcy godzin nieprzerwanej pracy lamp LED, istnieje wiele czynników znacznie obniżających te wskaźniki.

Do wygładzania wszystkich skoków prądu w układzie elektrycznym przeznaczone są sterowniki. Do ich wyboru lub samodzielnego montażu należy podchodzić odpowiedzialnie po obliczeniu wszystkich niezbędnych parametrów.

Proszę opowiedzieć o tym, jak dobierali Państwo sterownik do pracy lampki LED. Proszę podzielić się swoimi argumentami i sposobami stabilizacji dostarczania napięcia do diodowego urządzenia oświetleniowego. Proszę zostawiać komentarze w bloku poniżej, zadawać pytania, umieszczać zdjęcia na temat artykułu.