PRZYŁĄCZENIE LED BEZPOŚREDNIO DO SIECI

20 r
OD I DO CZYTELNIKÓW
PRZY£¥CZENIE LED BEZPOŒREDNIO
DO SIECI ENERGETYCZNEJ 230 V/50 Hz
P
rzy³¹czaj¹c LED do napiêcia przemiennego 230 V/50 Hz jedynie
przez po³¹czony szeregowo z ni¹
rezystor (jak to ma miejsce w niskonapiêciowych uk³adach zasilanych napiêciem sta³ym) napotyka siê na dwa zasadnicze problemy: moc wydzielana na rezystorze i przebicie wsteczne LED.
1. Problem mocy wydzielanej na rezystorze
polega na tym, ¿e je¿eli przez diodê ma przep³ywaæ œredni pr¹d (RMS) 10÷5 mA, to pr¹d
ten pop³ynie równie¿ przez rezystor, wydzielaj¹c na nim moc 230 V . 15 mA ≈ 3,5 W. Projektuj¹c uk³ad z szeregowym rezystorem nale¿a³oby wiêc liczyæ siê z konsekwencjami takiego rozwi¹zania: wzrost ceny urz¹dzenia
(na ka¿d¹ LED w uk³adzie nale¿y u¿yæ jeden,
co najmniej 10-watowy rezystor), niepotrzebnym wzrostem poboru mocy z sieci oœwietleniowej (LED pobieraj¹ca oko³o 30 mW mocy wymaga wydzielenia na rezystorze mocy
stukrotnie wiêkszej) i koniecznoœci¹ odprowadzenia tych 3,3 W mocy na ka¿d¹ LED
z wnêtrza przyrz¹du.
2. Problem przebicia wstecznego LED polega na tym, ¿e dioda œwieci tylko wtedy, gdy
pr¹d przep³ywa przez ni¹ w kierunku przewodzenia, w kierunku wstecznym zaœ LED maj¹ doœæ niskie napiêcie przebicia, przeciêtnie
rzêdu kilku woltów. Dlatego w czasie trwania
pó³fali napiêcia sieciowego polaryzuj¹cej diodê w kierunku zaporowym dioda ulega typowemu wstecznemu przebiciu. Dziêki obecnoœci w uk³adzie rezystora dioda nie przepala siê natychmiast, tylko stopniowo (pr¹d
wsteczny przebitej diody nie mo¿e wzrosn¹æ
do takiej wartoœci, która spowodowa³aby jej natychmiastowe zniszczenie). Objawia siê to
stopniowym spadkiem jasnoœci diody a¿ do
zupe³nego uszkodzenia (brak œwiecenia).
Analizuj¹c powy¿sze zagadnienia nasuwa
siê na myœl prosty sposób przy³¹czenia LED
do sieci oœwietleniowej. Uk³ad taki przedstawiony zosta³ na rysunku.
230 V/50 Hz
D1
Schemat przy³¹czenia diody LED
do sieci energetycznej
Dioda prostownicza D1 zabezpiecza LED
przed przebiciem wstecznym. Dzieje siê tak
dlatego, ¿e po wyst¹pieniu na LED w kierunku zaporowym napiêcia ok. 0,7 V dioda prostownicza zaczyna przewodziæ, nie pozwalaj¹c na dalszy wzrost napiêcia na LED w kierunku zaporowym.
Nale¿y tu zauwa¿yæ, ¿e zastosowana w uk³adzie dioda prostownicza nie musi wcale mieæ
wysokiego napiêcia przebicia (dla diody
1N4007 napiêcie to wynosi 1 kV), poniewa¿
LED bêdzie zabezpieczaæ przed przebiciem
diodê prostownicz¹. Wydawaæ by siê mog³o,
¿e nie ma tu równie¿ zdecydowanych przeciwwskazañ co do stosowania w przedstawionym uk³adzie zamiast diody prostowniczej drugiej diody LED. Stosuj¹c takie rozwi¹zanie
nale¿y jednak byæ ostro¿nym, albowiem szpilkowe impulsy napiêcia pojawiaj¹ce siê w sieciach energetycznych mog¹ powodowaæ krótkotrwa³e impulsy du¿ego pr¹du. S¹ one zazwyczaj nieszkodliwe dla diody spolaryzowanej
w kierunku przewodzenia (podczerwone diody LED w pilotach zdalnego sterowania sprzêtu RTV wysterowywane s¹ krótkimi impulsami
pr¹du rzêdu nawet kilku amperów _ kto nie
wierzy, mo¿e ³atwo zobaczyæ jak jasno œwiec¹ LED w pilotach obserwuj¹c je przy pomocy kamery wideo), jednak spadek napiêcia na
LED przewodz¹cej du¿y pr¹d mo¿e przekroczyæ napiêcie przebicia diody spolaryzowanej wstecznie.
Impedancja kondensatora o pojemnoœci
470 nF dla czêstotliwoœci 50 Hz wynosi:
o tej samej pulsacji w (i oczywiœcie amplitudzie wzrastaj¹cej wraz ze wzrostem ω, co jak
siê za chwilê oka¿e jest w naszych rozwa¿aniach nieistotne):
i = ωC U0 cos(ωt) = Io cos(ωt)
Widaæ wiêc, ¿e napiêcie i pr¹d s¹ przesuniête wzglêdem siebie w fazie o 90 stopni. Kondensator nie mo¿e wiêc rozpraszaæ mocy, pomimo, ¿e wystêpuje na nim napiêcie i p³ynie
przez niego pr¹d. £atwo to sprawdziæ obliczaj¹c moc wydzielan¹ na kondensatorze w czasie trwania jednego okresu napiêcia (wszystkie okresy s¹ takie same, wiêc wystarczy
znaleŸæ moc dla jednego okresu):
Wynik ten po odrobinie zastanowienia przesta-
a wiêc modu³ impedancji |Z| = 6,8 kΩ.
St¹d œredni pr¹d p³yn¹cy przez kondensator
wyniesie 230 V/ 6,8 kΩ = 33,82 mA. Nale¿y jednak zwróciæ uwagê, ¿e LED œwieci tylko w po³owie okresu przemiennego napiêcia
sieci, a wiêc efektywny pr¹d diody bêdzie
o po³owê mniejszy i wyniesie ok. 16 mA.
Wartoœæ ta mieœci siê poni¿ej maksymalnego pr¹du przewodzenia typowych LED (ok.
20÷40 mA).
W przypadku stosowania uk³adu dla diod
o mniejszym dopuszczalnym pr¹dzie przewodzenia (np. diody Hewlett-Packard
HLMP17xx) nale¿y odpowiednio zmniejszyæ
pojemnoϾ kondensatora, zdecydowanie
sensowniejsze jednak wydaje siê po prostu
zastosowanie w przedstawionym uk³adzie
innych LED, jako ¿e maj¹ one pe³niæ rolê
wy³¹cznie sygnalizacyjn¹.
Poprzez zastosowanie kondensatora zamiast
rezystora ominiêty zosta³ równie¿ problem niepotrzebnego rozpraszania mocy w uk³adzie.
Wynika to st¹d, ¿e napiêcie i pr¹d w kondensatorze opisane s¹ równaniem:
du
i = C . dt
je byæ zaskakuj¹cy _ podczas czêœci okresu
sinusoidalnie zmiennego napiêcia i kosinusoidalnie zmiennego pr¹du iloczyn u .i jest dodatni, a podczas pozosta³ych ujemny _ mo¿na to zobaczyæ analizuj¹c wykresy tych dwóch
funkcji. Oznacza to, ¿e kiedy iloczyn ten jest
dodatni _ kondensator energiê pobiera, ale oddaje j¹ wtedy, gdy iloczyn u . i jest ujemny.
Nale¿y pamiêtaæ o tym, ¿e amplituda napiêcia sieciowego wynosi w przybli¿eniu 324,3 V,
dlatego u¿yty w uk³adzie kondensator musi
mieæ odpowiednio wysokie napiêcie przebicia
(ok. 400 V). Z oczywistych wzglêdów (zasilanie uk³adu napiêciem przemiennym) nie
mo¿e byæ to kondensator elektrolityczny.
Rezystor 150 Ω zapobiega uszkodzeniu
diody LED w wyniku zmniejszania siê reaktancji kondensatora dla wspomnianych wczeœniej szpilek, skoków i zak³óceñ obecnych
w sieci oœwietleniowej. Rezystancjê tego rezystora dobrano wg charakterystyki zastosowanej diody, tzn. 1N4007 oraz standardowej
LED o Uzmax = 5 V. Bardzo istotne jest to
w przypadku montowania przedstawionego
uk³adu w tyrystorowych regulatorach mocy,
w szczególnoœci wykorzystywanych do regulacji obrotów silników (np. wiertarki, obrabiarki itp.) lub regulacji mocy urz¹dzeñ stanowi¹cych obci¹¿enie indukcyjne. W takich
przypadkach skoki i szpilki w napiêciu sieci
s¹ typowym skutkiem ubocznym pracy takich
urz¹dzeñ. Dla przedstawionej aplikacji na
rezystorze tym wydzielana jest moc:
P = I2 R = (33,8 mA)2150 Ω ≈ 171,37 mW
Rezystor ten powinien wiêc charakteryzowaæ siê dopuszczaln¹ moc¹ strat co najmniej
n
0,5 W.
St¹d dla napiêcia sinusoidalnego o pulsacji ω
u = Uo sin(ωt),
otrzymamy kosinusoidalnie zmienny pr¹d
Adam Piekarz
[email protected]
Radioelektronik Audio-HiFi-Video 11/2003