Zasilanie diod LED wprost z sieci energetycznej

Zasilanie diod LED wprost z sieci energetycznej 230VAC
Zasilanie diod LED wprost z sieci energetycznej
230VAC
~
kondensator
AC
faza
~
obciążenie
1k
0.22µ
Prostowanie dwupołówkowe
z pojemnościowym ograniczeniem prądu
240V AC
rys. B
~
AC
białe
diody
LED
kondensator
obciążenie
~
Prostowanie jednopołówkowe
z szeregowym kondensatorem rys. C
Wszelkie układy elektroniczne podpięte
wprost do sieci 230VAC należy uznać, za co
najmniej „nieprzyjemne”. Przyzwyczailiśmy się,
że szanujący się zasilacz, przetwarza energię
czerpaną z sieci, ale dostarcza napięcia, galwanicznie od sieci izolowanego. Co więcej,
„szanujący się zasilacz”, dba także o to, aby
czerpać z sieci energię, w sposób najbardziej
optymalny, czyli symuluje sobą obciążenie czysto rezystancyjne.
Inaczej mówiąc, czerpie energię „w całym
przebiegu” sinusoidy sieci i w fazie z nią. Na drugim biegunie są układy proste/tanie/prymitywne,
gdzie trudno zastosować „z prawdziwego zdarzenia”, „szanujący się” zasilacz. Do tej kategorii
niewątpliwie należą, i latarki LED-owe, a także
proste oświetlenie LED-owe zasilane wprost
z sieci energetycznej. Dioda LED, szczególnie
high brightness white LED, jest kuszącą alternatywą, aby zastąpić nią tradycyjną żarówkę,
bądź „żaróweczkę”.
Jednak charakterystyka diody jest bardzo
niewygodna, i aby ją należycie wykorzystać, to
faktycznie należałoby stosować specjalizowane
„szanujące się” zasilacze, ze stabilizacją prądu
(nie napięcia). Podłączenie diody elektroluminescencyjnej wprost do baterii jest rozwiązaniem,
co najmniej „nieoptymalnym”, a wprost do sieci
rys. A
(nawet, jeśli jest to „łańcuch diod”), niemożliwym. Mimo to, często spotykamy rozwiązania,
które należy uznać za „półśrodki”.
Zadania izolacji napięcia od sieci, są obecnie
rygorystyczne. Ale, przecież przez wiele lat,
np. telewizory czarno-białe (a także kultowy
Neptun 501), nie posiadały żadnego zasilacza,
nawet prostownika Graetza, i w zależności od
(przypadkowego) kierunku wetknięcia wtyczki
do gniazdka sieciowego, na chassis mieliśmy
„neutral”, bądź „fazę” sieci.
Także przez dziesiątki lat, lampki na choince
łączyło się w szereg, i wprost do sieci. Mimo,
że charakterystyka żarówki (żaróweczek), jest
w tym przypadku korzystniejsza, żadnej izolacji
nie było, i o problemach „się nie słyszało”. Może,
więc „półśrodki” są do zaakceptowania. Poniższe przykłady pokazują rozwiązania mniej lub
bardziej akceptowalne w przypadku, gdy, „ekonomia” nie pozwala na sięgnięcie po „porządny
zasilacz”, lub po zasilacz w ogóle.
Stosowanie szeregowej rezystancji ograniczającej prąd, jest zazwyczaj rozwiązaniem
„nie do przyjęcia”, ze względu na moc, jaka
zwykle, na tym oporze się wydziela. Zastąpienie
rezystora kondensatorem, nie jest pomysłem
nowym. Już w czasach „radzieckich”, w wielu
urządzeniach „sdiełano w CCCP”, taki wybieg
SERWIS ELEKTRONIKI
Zasilanie diod LED wprost z sieci energetycznej 230VAC
był stosowany. Na kondensatorze moc czynna się nie wydziela. Podłączenie pojemności
wprost do sieci energetycznej, jest obciążeniem
liniowym. Skutkuje jednak przesunięciem fazy
prądu względem napięcia, tzw. cosϕ (cosinus
ϕ) jest bliski zera, a cosinusϕ w przypadku obciążenia liniowego, to PF (Power Factor). Mimo
to, w przypadku zasilania diod LED o niewielkiej
mocy wprost z sieci, tego typu zabieg można
„rozgrzeszyć”. Jest jednak problem dodatkowy.
O ile żarówka zaświeci niezależnie od kierunku płynącego przez nią prądu, dioda ma
charakterystykę nie tylko nieliniową, ale i niesymetryczną. Wpięcie szeregowego kondensatora
spowoduje, iż kondensator ten naładuje się
w wyniku „prostującego prąd” charakteru obciążenia, poczym, prąd w obwodzie przestanie
płynąć.
Na załączonym na początku rysunku pokazano trzy rozwiązania, które w wielu przypadkach
można zaakceptować.
Jeśli chcemy zasilać wprost z sieci łańcuch
diod, z ograniczeniem prądowym w postaci
kondensatora, należy wpiąć dwa „string-i diod”,
połączone w przeciwnych kierunkach. Oprócz
kondensatora, szeregowy rezystor, też „jest
mile widziany”. Bez niego, w niekorzystnym
przypadku, „podłączenie się” do sieci w momencie szczytu jej amplitudy, udar prądowy, może
diody LED uszkodzić. Z jednej strony, czym
więcej diod tym lepiej, lecz ta zasada stosuje
się w przypadku (kilku), niewielkiej liczby diod.
Jeśli byłoby ich np. 90 szt., to prąd już w ogóle
nie popłynie. 3.3V x 90 = ok.300V, a to już blisko
szczytu sinusoidy sieci. W tym przypadku „string
diod”, o liczbie ok. 50-ciu byłby optymalny,
pamiętając także o tym, że powyżej tej liczby,
zawęża się szybko kąt, fazy sinusoidy, w jakim
energia jest czerpana. Niemniej problem niesymetrii charakterystyki został tu zniwelowany,
lecz problem nieliniowości pozostał. Lecz, i „problem niesymetrii”, nie został całkiem zażegnany.
Diody zasilane są prądem tętniącym z częstotliwością 50Hz, i „nadążą mrugać”. Niemniej,
jeśli diody obu stringów (łańcuchów diod) będą
blisko siebie, dla oka będzie to 100Hz, i może
nie być dokuczliwe.
W charakterze „prostowania”, można także
wykorzystać tradycyjny mostek Graetza, co
pokazuje rysunek-schemat powyżej. Przez ob-
ciążenie popłynie prąd, niekoniecznie stały, ale
wyprostowany, a przez kondensator zmienny.
Na trzecim schemat-ciku widzimy „rozwiązanie oszczędne”, oszczędzające dwie diody.
Mimo to, przez obciążenie (którym może być
łańcuch kilku/kilkunastu diod LED) popłynie
prąd w jednym kierunku, a przez kondensator
- w obu. Jednak tu, połowę prądu „jest zmarnowane”. W stosunku do aplikacji z mostkiem Graetza, obciążenie „zobaczy” tylko połowę prądu.
We wszystkich, wyżej pokazanych przykładach, decydującym elementem ograniczającym
prąd, jest kondensator. A jakiej powinien być on
wartości?
Rachunek jest prosty. Reaktancja pojemnościowa to 1/jωC. Dla f=50Hz i C=100nF, wyjdzie
ok. 32kΩ. Co na napięciu 230VAC daje 7mA.
7 miliamper wartości skutecznej, prądu płynącego przez kondensator. Ale taka sama będzie
wartość skuteczna, dwupołówkowo wyprostowanego prądu płynącego przez obciążenie.
Odstępstwo (od tego wzoru) będzie w przypadku, dużej ilości diod łączonych w szereg,
oraz w przypadku zastosowania „rozwiązania oszczędnego” z dwoma diodami prostowniczymi. Tu, „owo odstępstwo”, objawia się
czynnikiem 1/2, czyli 3.5mA prądu, na 100nF
pojemności kondensatora. W obu przypadkach,
szczytowa wartość prądu płynącego przez diody
LED, wyniesie tyle samo, ok. 10mA.
W przypadku (także) szeregowego rezystora,
co pokazano na schemacie z dwoma stringami
diod, wiele nie tracimy. Spadek napięcia na rezystorze 1kΩ, to raptem 7Vrms, a więc zaledwie
50 miliwat mocy. Regułę, 7mA prądu na 100nF
pojemności, można w tego typu rozwiązaniach
traktować, jako punkt wyjścia.
Należy jednak skorygować 7mA wartości
skutecznej, na średnią (średnią-kwadratową
na „zwykłą średnią”), co wnosi czynnik ok. 90%
(czyli 6.3mA). W aplikacji z rysunku A, otrzymamy 7mA rms-prądu, stosując kondensator
o pojemności 220nF. To korekta w przypadku
50-ciu diod, wynikająca z zawężenia kąta (fazy)
poboru energii z sieci.
A co na to elektrownia? Jaki Power Factor?
Kiepski. Ale, elektrownia prawdopodobnie „się
nie zorientuje”. Jedynie, dla „zaspokojenia ciekawości”, zalecamy przeliczenie dociekliwemu
K. Ś.
Czytelnikowi. SERWIS ELEKTRONIKI