Jak připojit LED k 12voltovému zdroji napájení: potřebné výpočty a algoritmus připojení
Historicky byly 12voltové napájecí zdroje nejběžnější a nejžádanější. Oba jsou bezpečné pro lidské zdraví a spolehlivé. Palubní elektrické systémy automobilů mají ve většině případů také dvanáctivoltový výkon. Praxe ukazuje, že připojení LED k 12 voltům, stejně jako ke zdroji energie s jiným napětím, je jednoduché, pokud znáte některá pravidla a zákony elektrotechniky.
Vlastnosti LED
Všechny svítivé diody mají pasové charakteristiky, z nichž pro jejich zapojení je důležitý jmenovitý propustný proud a úbytek napětí na něm. Podle proudově-napěťové charakteristiky, která je nelineární, mírné překročení jmenovitého napětí prudce zvyšuje průtok proudu a to vede k poruše celého prvku.
Typické jsou světelné diody mají nízké zpětné napětí (asi 5 voltů). Před připojením prvku k elektrickému zdroji se doporučuje zkontrolovat správnou polaritu.
Pro ochranu proti přepólování by měla být paralelně s LED instalována konvenční dioda s vysokým zpětným napětím.
Přehled napájecího zdroje
Nejlepší možností je připojit LED na 12 voltů přes stabilizátor proudu. Někteří výrobci ale na tomto prvku šetří a vyrábějí proudové zdroje bez jeho stabilizace.
Nejběžnější beztransformátorový napájecí zdroj, vybavený zhášecím kondenzátorem a výstupem s odporem nastavujícím proud. Tento obvod není chráněn před přepětím v síti, ale díky své nízké ceně a kompaktnímu designu se používá v mnoha zařízeních, včetně světelných zdrojů LED.
Při použití baterie pro napájení LED stačí přidat do obvodu omezovací rezistor se správným výkonem a odporem. Palubní síť vozů má také ve většině případů 12 voltů, ale její napěťové rázy jsou v různých provozních režimech poměrně výrazné. Proto je pro připojení LED k napájení z automobilového elektrického systému vyžadován stabilizátor (ovladač).
Někdy můžete najít zdroj bez stabilizátoru s transformátorem. Mají následující prvky zapojené do série:
- transformátor;
- diodový můstek pro usměrnění proudu;
- kapacitní filtr (běžný kondenzátor).
Jakékoli přepětí v napájecím zdroji s takovým napájecím zdrojem se přenese na LED, což ovlivní jejich výkon. Je opodstatněné používat takové napájecí zdroje v případech, kdy má síť stabilní parametry.
Pro připojení LED nelze použít napájecí zdroje, které vyrábějí střídavou elektřinu. Minimálně je třeba je doplnit o usměrňovač a kondenzátor, v lepším případě o stabilizátor.
Algoritmus akcí při připojení
Celý postup se skládá z pěti kroků prováděných postupně.
Algoritmus akcí je následující:
- Určení typu napájecího zdroje a jeho provozních parametrů.
- Stanovení příkonu, jmenovitého proudu a úbytku napětí LED.
- Výpočet počtu LED, které lze bezpečně připojit ke stávajícímu napájecímu zdroji, a případně výpočet odporu.
- Okruhová instalace, při které se prvky spojují s ohledem na polaritu.
- Kontrola pájení kontaktů a jejich izolace.
Informace o parametrech proudu dodávaného zdrojem naleznete v technickém listu nebo štítku na skříni. Charakteristiky LED potřebných pro výpočet odporu lze nalézt v referenčních knihách nebo technické dokumentaci, pokud je k dispozici.
Vzorce pro výpočet výkonu a odporu rezistoru vycházejí z Ohmova zákona. Výkon je definován následovně: P=(Upit – (Uled1 + Uled2 +. + Uledn)) * Iled.
A požadovaný odpor lze zjistit pomocí podobného vzorce, pouze na konci se napětí nenásobí proudem, ale dělí se jím. V obou vzorcích je Uledn úbytek napětí na každé LED, Upit je napětí napájecího zdroje a Iled je jmenovitý proud LED.
V závislosti na podmínkách lze jas matic SOV upravit změnou síly proudu. K tomu je jejich okruh vybaven driverem. Každá matice SOV má své vlastní parametry provozního proudu a přibližný úbytek napětí, které jsou uvedeny v datovém listu prvku.
Použití 12voltového napájecího zdroje pro napájení matice OWL není zcela správné. I při poklesu napětí asi 12 voltů je pro jeho činnost nutný omezovací rezistor. V důsledku toho je provozní proud pod jmenovitou hodnotou a prvek žhne s menší účinností. Východiskem je použití nízkonapěťového měniče napětí na proud v obvodu.
Nejsprávnější zapojení několika LED je v sérii. Nyní vysvětlím proč.
Faktem je, že určujícím parametrem jakékoli LED je její provozní proud. Je to proud procházející LED, který určuje, jaký bude výkon (a tedy jas) LED. Právě překročení maximálního proudu vede k nadměrnému zvýšení teploty krystalu a selhání LED – rychlému vyhoření nebo postupné nevratné destrukci (degradaci).
Hlavní je proud. Je to uvedeno v technických charakteristikách LED (datasheet). A v závislosti na proudu bude mít LED jedno nebo druhé napětí. Napětí lze nalézt i v referenčních údajích, ale většinou se uvádí ve formě určitého rozsahu, protože je podružné.
Podívejme se například na datový list LED 2835:
Jak vidíte, dopředný proud je jasně a jednoznačně indikován – 180 mA. Ale napájecí napětí LED při tomto proudu má určité rozdíly – od 2.9 do 3.3 voltů.
Ukazuje se, že pro nastavení požadovaného provozního režimu LED je nutné zajistit, aby jí protékal určitý proud. Proto k napájení LED diod musíte použít zdroj proudu, nikoli zdroj napětí.
Zdroj proudu (nebo generátor proudu) je zdroj elektrické energie, který udržuje konstantní proud zátěží změnou napětí na svém výstupu. Pokud se například zvýší odpor zátěže, zdroj proudu automaticky zvýší napětí, takže proud zátěží zůstane nezměněn a naopak. Zdroje proudu, které napájejí LED diody, se také nazývají ovladače.
Samozřejmě můžete k LED připojit stabilizovaný zdroj napětí (například výstup laboratorního zdroje), ale pak musíte přesně vědět, jakou hodnotu má napětí mít, abyste získali daný proud LED.
Například v našem příkladu s LED 2835 bychom na ni mohli aplikovat asi 2.5 V a postupně zvyšovat napětí, dokud se proud nestane optimálním (150-180 mA).
To lze provést, ale v tomto případě budete muset upravit výstupní napětí napájecího zdroje pro každou konkrétní LED, protože všechny mají technologické odchylky v parametrech. Pokud vám připojením k jedné LED 3.1V přicházel max. proud 180 mA, neznamená to, že výměnou LED za úplně stejnou ze stejné šarže ji nespálíte (protože proud přes ní při napětí 3.1V může snadno překročit maximální přípustnou hodnotu).
Kromě toho je nutné velmi přesně udržovat napětí na výstupu napájecího zdroje, což klade určité požadavky na jeho obvody. Překročení specifikovaného napětí o pouhých 10% je téměř zaručeno, že povede k přehřátí a selhání LED, protože proud překročí všechny představitelné hodnoty.
Zde je skvělá ilustrace výše uvedeného:
A nejnepříjemnější věc je, že vodivost jakékoli LED (což je v podstatě pn přechod) je velmi závislá na teplotě. V praxi to vede k tomu, že jak se LED zahřeje, začne proud skrz ni neúprosně narůstat. Chcete-li vrátit proud na požadovanou hodnotu, budete muset snížit napětí. Obecně platí, že bez ohledu na to, jak se na to díváte, se bez současné kontroly neobejdete.
Nejsprávnějším a nejjednodušším řešením by proto bylo použít k připojení LED proudový ovladač (aka zdroj proudu). A pak bude úplně jedno, jakou LEDku vezmeš a jaké na ní bude propustné napětí. Stačí najít ovladač pro požadovaný proud a je hotovo.
Nyní se vraťme k hlavní otázce článku – proč je zde sériové připojení a ne paralelní? Podívejme se, jaký je v tom rozdíl.
Paralelní připojení
Když jsou LED zapojeny paralelně, napětí na nich bude stejné. A protože neexistují dvě diody s naprosto identickými vlastnostmi, bude pozorován následující obrázek: přes nějakou LED poteče proud pod jmenovitou (a světlo bude tak tak), ale sousední LED poteče proud dvakrát vyšší než maximum a vyhoří za půl hodiny (nebo možná rychleji, pokud budete mít štěstí).
Je zřejmé, že takovému nerovnoměrnému rozdělení moci je třeba zabránit.
Aby se výrazně vyrovnalo rozšíření výkonnostních charakteristik LED, je lepší je připojit přes omezovací odpory. V tomto případě může být napájecí napětí výrazně vyšší než stejnosměrné napětí na LED. Jak připojit LED ke zdroji napájení je znázorněno na obrázku:
Problém tohoto zapojení LED je v tom, že čím větší je rozdíl mezi napájecím napětím a napětím na diodách, tím více zbytečné energie se rozptýlí v omezovacích rezistorech a tím pádem se snižuje účinnost celého obvodu.
Omezení proudu probíhá podle jednoduchého schématu: zvýšení proudu LED vede ke zvýšení proudu také rezistorem (protože jsou zapojeny do série). Pokles napětí na rezistoru se zvyšuje a na LED se odpovídajícím způsobem snižuje (protože celkové napětí je konstantní). Snížení napětí na LED automaticky vede k poklesu proudu. Tak to celé funguje.
Obecně se odpor rezistorů počítá pomocí Ohmova zákona. Podívejme se na konkrétní příklad. Řekněme, že máme LED se jmenovitým proudem 70 mA, provozní napětí při tomto proudu je 3.6 V (to vše přebíráme z datasheetu k LED). A musíme to připojit na 12 voltů. To znamená, že musíme vypočítat odpor rezistoru:
Ukazuje se, že pro napájení LED z 12 voltů ji musíte připojit přes 1-wattový odpor 120 ohmů.
Přesně stejným způsobem můžete vypočítat, jaký by měl být odpor rezistoru pro jakékoli napětí. Například pro připojení LED na 5 voltů musí být odpor odporu snížen na 24 ohmů.
Hodnoty rezistorů pro jiné proudy lze převzít z tabulky (výpočet byl proveden pro LED s stejnosměrným napětím 3.3 voltu):
| UPete | ILED | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 5 мА | 10 мА | 20 мА | 30 мА | 50 мА | 70 мА | 100 мА | 200 мА | 300 мА | |
| 5 Volt | 340 Ohm | 170 Ohm | 85 Ohm | 57 Ohm | 34 Ohm | 24 Ohm | 17 Ohm | 8.5 Ohm | 5.7 Ohm |
| 12 Volt | 1.74 kΩ | 870 Ohm | 435 Ohm | 290 Ohm | 174 Ohm | 124 Ohm | 87 Ohm | 43 Ohm | 29 Ohm |
| 24 voltů | 4.14 kΩ | 2.07 kΩ | 1.06 kΩ | 690 Ohm | 414 Ohm | 296 Ohm | 207 Ohm | 103 Ohm | 69 Ohm |
Při připojení LED na střídavé napětí (například do sítě 220 voltů) můžete zvýšit účinnost zařízení použitím nepolárního kondenzátoru (reaktance) namísto předřadného odporu (aktivní odpor). Tento bod jsme podrobně a s konkrétními příklady probrali v článku o připojení LED na 220 V.
Sériové připojení
Když jsou LED zapojeny do série, protéká jimi stejný proud. Na počtu LED nezáleží, může to být jen jedna LED, nebo to může být 20 nebo dokonce 100 kusů.
Například můžeme vzít jednu 2835 LED a připojit ji k 180mA driveru a LED bude fungovat normálně a bude dodávat svůj maximální výkon. Nebo můžeme vzít girlandu z 10 stejných LED a pak bude každá LED fungovat i v normálním pasovém režimu (ale celkový výkon lampy bude samozřejmě 10x větší).
Níže jsou dva spínací obvody LED, věnujte pozornost rozdílu napětí na výstupu ovladače:
Takže na otázku, jak by měly být LED zapojeny, sériově nebo paralelně, může být pouze jedna správná odpověď – samozřejmě sériová!
Počet LED zapojených do série je omezen pouze možnostmi samotného ovladače.
Perfektní řidič může neurčitě zvýšit napětí na jeho výstupu, aby zajistil požadovaný proud zátěží, takže k němu lze připojit nekonečné množství LED. Skutečná zařízení bohužel mají omezení napětí nejen shora, ale i zdola.
Zde je příklad hotového zařízení:
Vidíme, že ovladač je schopen regulovat výstupní napětí pouze v rozsahu 64 voltů. Pokud pro udržení daného proudu (106 mA) potřebujete zvýšit napětí nad 350 voltů, pak je to průšvih. Ovladač vydá své maximum (106V) a na tom již nezávisí, jaký bude proud.
A naopak k takovému ovladači LED nemůžete připojit příliš málo LED. Pokud k němu například připojíte řetězec 10 LED zapojených do série, ovladač nebude schopen snížit své výstupní napětí na požadovaných 32-36V. A všech deset LED s největší pravděpodobností jen shoří.
Přítomnost minimálního napětí se vysvětluje (v závislosti na provedení obvodu) omezením výkonu výstupního regulačního prvku nebo překročením omezujících generačních režimů pulsního měniče.
Samozřejmě, ovladače mohou být pro jakékoli vstupní napětí, ne nutně 220 voltů. Zde je například ovladač, který převede libovolný zdroj trvalý napětí (napájení) od 6 do 20 voltů do zdroje proudu 3 A:
To je vše. Nyní víte, jak zapnout LED (jednu nebo více) – buď přes odpor omezující proud, nebo pomocí ovladače pro nastavení proudu.
Jak vybrat správný ovladač?
Vše je zde velmi jednoduché. Stačí si vybrat podle tří parametrů:
- výstupní proud;
- maximální výstupní napětí;
- minimální výstupní napětí.
Výstupní (provozní) proud ovladače LED – to je nejdůležitější vlastnost. Proud by se měl rovnat optimálnímu proudu pro LED.
Například jsme měli k dispozici 10 kusů plnospektrálních LED pro fytolampu:
Jmenovitý proud těchto diod je 700 mA (převzato z referenční knihy). Proto potřebujeme 700 mA proudový ovladač. No, nebo o něco méně, aby se prodloužila životnost LED diod.
Maximální výstupní napětí ovladače musí být větší než celkové dopředné napětí všech LED. U našich phytoLED je dopředné napětí v rozsahu 3 voltů. Vezmeme to na maximum: 4V x 4 = 10V. Náš ovladač musí mít výstupní napětí alespoň 40 voltů.
Minimální napětí, podle toho se vypočítá na základě minimální hodnoty propustného napětí na LED. To znamená, že by nemělo být větší než 3V x 10 = 30 voltů. Jinými slovy, náš ovladač musí být schopen snížit výstupní napětí na 30 voltů (nebo nižší).
Potřebujeme tedy vybrat budicí obvod navržený pro proud 650 mA (nechť je o něco menší než jmenovitý) a schopný vydávat napětí v rozsahu od 30 do 40 voltů podle potřeby.
Pro naše účely tedy bude fungovat něco takového:
Samozřejmě při výběru driveru lze rozsah napětí vždy rozšířit libovolným směrem. Například místo driveru s výstupem 30-40 V je perfektní ten, který produkuje od 20 do 70 Voltů.
Příklady ovladačů, které jsou ideálně kompatibilní s různými typy LED, jsou uvedeny v tabulce:
| LED diody | Jaký ovladač je potřeba |
|---|---|
| 60 mA, 0.2 W (SMD 5050, 2835) | viz diagram na TL431 |
| 150 mA, 0.5 W (SMD 2835, 5630, 5730) | ovladač 150mA, 9-34V (lze současně připojit 3 až 10 LED) |
| 300 mA, 1 W (smd 3528, 3535, 5730-1, LED 1W) | ovladače 300mA, od 3 do 135V (respektive od 1 do 36 LED zapojených v sérii) |
| 700 mA, 3 W (LED 3W, fyto-LED) | ovladač 700mA (pro 6-10 LED) |
| 3000 mA, 10 wattů (XML2 T6) | budič 3A, 21-34V (pro 7-10 LED) nebo viz schéma |
Mimochodem, pro správné zapojení LED není vůbec nutné kupovat hotový ovladač, stačí vzít nějaký vhodný zdroj (například nabíječku na telefon) a na jeden našroubovat jednoduchý stabilizátor proudu tranzistor nebo na LM317.
Z tohoto článku lze převzít hotové obvody stabilizátoru proudu pro LED.