Постоянный ток в светодиодных модулях

Как решить проблему снижения яркости свечения светодиодных модулей

Все, кто делают светодиодные вывески, когда-либо сталкивались с тем, что их рекламная конструкция светит не так ярко, как должна по расчетам. Например, две абсолютно одинаковые вывески могут иметь разную яркость на одном объекте. Давайте разберемся, в чем может быть заключена проблема и как ее избежать.

В этой статье мы не будем останавливаться на вопросе выбора самих светодиодов и их раскладки, а остановимся на других параметрах, которые в равной степени могут влиять на любые источники света.

Итак, из-за чего же может происходить снижение яркости свечения?

Если коротко, то единственная причина – это снижение напряжения и, как следствие, тока, проходящего через светодиод. Причем, при снижении питающего напряжения всего на 1% (11,9 В вместо 12В), яркость светодиода уменьшается на целых 6%!

Основные причины потери напряжения

1. Слишком большое расстояние от блока питания до источника света.

Потери в проводах — это один из самых значимых факторов. При проектировании вывески важно размещать блок питания максимально близко к светотехнике. Это базовое правило. Однако, бывают ситуации, когда это неудобно, в этом случае надо правильно подобрать увеличенное сечение провода, либо использовать блок питания с регулируемым напряжением на выходе. Это позволяет выдавать не 12 В, а, например, 14 В.

2. Неправильно подобранное сечение проводов

Чем дальше расстояние и выше мощность нагрузки, тем большее сечение нам необходимо использовать. Потери напряжения в проводе рассчитываются по формуле:

где p – (0,017) удельное сопротивление меди, S – фактическое сечение провода, L – длина, I – сила тока.

В вывесках мы имеем дело весьма с большими токами. Так при нагрузке всего 150 Вт, максимальный ток может достигать 12 А. Обратите внимание, что значение расстояния от блока питания до нагрузки удваивается, так как постоянный ток проходит путь туда и обратно. Потери напряжения на каждый метр расстояния в зависимости от диаметра провода можно посмотреть в соответствующих справочных таблицах.

Также на потери напряжения может влиять температура, которая зависит от времени года и разогрева проводов из-за условий их размещения. Формула для расчета потерь напряжения в зависимости от температуры:

где а – (0,004) температурный коэффициент удельного сопротивления для меди, Т2 — температура фактическая, Т1 – температура начальная (20 градусов по Цельсию)

Влияние температуры весьма значительно, например, при прокладке кабелей в гофротрубе, на которую падают прямые лучи солнца, температура провода вполне может достигнуть 60 градусов по Цельсию. В таком случае падение напряжения вырастет дополнительно почти на 20%.

Также не маловажно помнить, что реальное сечение и как следствие сопротивление провода, который вы используете может отличаться от того, что у него написано на этикетке. Эта разница порой достигает 10-20%.

С учетом этих факторов рекомендуется при расчете сечения учитывать дополнительный коэффициент 1,3. Это позволит полностью застраховаться от всех возможных ситуаций в будущем.

3. Слишком большое количество модулей в последовательной цепи

При коммутации важно соблюдать рекомендации по длине цепочки, указанные в паспорте к модулям. Важно понимать, что яркость свечения в цепочке снижается по мере удаления от блока питания. И последний модуль в цепи будет светить на 6-15% менее ярко. Для снижения этих потерь можно закольцовывать модули, что повышает ток в цепи в целом и повышает световой поток у всех модулей.

4. Ваш блок питания изначально не выдает заявленные 12 В

Это очень просто проверить, замерьте напряжение на выходе блока питания после подключения нагрузки. Если вы получили значение 11.7-11.9 В или меньше, то это значит, что рассчитывать на максимальную яркость свечения не приходится. Она будет изначально ниже. Причем снижение напряжения питания всего 0,1В приводит к понижению яркости модулей на 6%, при снижении на 0,2 В – на 12%, а на 0,3 В – на 18%. См. график. Важно проводить данные измерения под нагрузкой. Это позволяет наиболее точно измерить потери, так как под нагрузкой напряжение «проседает». В большинстве блоков питания изначально закладывается «запас», чтобы под нагрузкой стабилизировать напряжение 12 В.

Каждый из этих пунктов сам по себе может снизить яркость на 10-15%. Казалось бы, на это можно закрыть глаза, но есть одно «Но…», зачастую эти факторы совмещаются в одной вывеске. В этом случае из-за таких простых ошибок коммутации вы теряете более 20-40% яркости. Фактически при соблюдении правил можно было бы сразу поставить не такие яркие модули, либо использовать меньше по количеству, чтобы гарантированно сократить затраты на подсветку на 30% изначально.

Приведем общие рекомендации для решения проблемы пониженной яркости в вывеске.

1. Проверить количество модулей в последовательной цепи на соответствие рекомендациям

2. Измеряем напряжение на выходе блока питания, если оно меньше 12 В, то можно заменить блок питания

3. Измеряем напряжение на первом светодиодном модуле в цепи и сравниваем со значением на выходе блока питания. При большой разнице следует заменить провод на большее сечение.

Рекомендации по подключению светодиодных модулей

1. Расчет количества модулей

Расчет приведен на примере модулей

При установке модулей рекомендуется выдерживать следующие размеры:

Расстояния от края модуля до края буквы-3-6 см. Расстояние между модулями по длине-2-3см. (без учета крепежных петель). Максимальная ширина засветки для одного модуля 12,5 см. При необходимости обеспечения большей яркости можно устанавливать модули более плотно.

[endif]

Расстояние между акриловым лицом буквы и модулем.

Как правильно включить в электрическую цепь?

Так как яркость свечения диодов и срок службы чувствительны к значению подаваемого к ним напряжения, советуем соблюдать наши рекомендации.

[endif]

Максимальное количество модулей в одной цепи – НЕ БОЛЕЕ 20 шт. Рекомендуется во все ветви цепи включать примерно равное количество модулей. СВОБОДНЫЕ КОНЦЫ ЦЕПИ НЕ ЗАМЫКАТЬ, а заизолировать.

Допускается включение нескольких цепей модулей в звезду, как в данном примере в букве «У» или «К» При сборке изделия в цеху руководствуйтесь следующими рекомендациями- установите модули в букву, если буква велика и вы установили больше 20 модулей- разделите их на две ветки. Подключите к цепи провод и выведите его через днище буквы. В зависимости от того, какой блок питания Вы используете, примерно поровну разделите количество букв на количество выводов блока питания (Блок 30 ВТ имеет один вывод 12 В. Блок 60ВТ-два, 150 ВТ –четыре) . Подключите к каждому из выводов блока питания рассчитанное количество букв.

2. Подбор необходимого блока питания.

Рекомендуется оставлять 20-ти процентный запас мощности блока питания. То есть мощность трансформатора = Число модулей* мощность одного модуля*1,2

Например, необходимо засветить 400 модулей. 400*0,25*1,2=120 Вт. Таким образом выбираем один блок 150 Вт.

3. Установка модулей.

Установка модулей производиться любым доступным способом — на клей или при помощи саморезов. Второй способ считается более надежным. Возможно комбинирование- приклеивание модулей с последующей фиксацией каждого четвертого-пятого саморезами для надежности.

4. Подключение источников питания.

После установки модулей подключение блока питания производиться проводом с сечением каждой жилы не менее 0,75 мм. Не рекомендуется устанавливать блок питания на расстоянии более 5 метров от первого подключаемого модуля для избегания потерь мощности. В большие буквы блоки питания можно устанавливать прямо внутрь. Обращайте внимание на соблюдение полярности при подключении: красный провод модуля — плюсовой. Поскольку питание диодов низковольтное, рекомендуем соединение проводов производить спайкой или при помощи клеммных колодок. Последние для надежности можно дополнительно залить клеем.

6. Если все работы сделаны правильно- то смело нажимайте кнопку «ВКЛ»

Почему светодиод нужно подключать через резистор

На светодиодной ленте есть резисторы, на печатных платах (где светодиоды служат индикаторами) есть резисторы, даже в светодиодных лампах — и то есть резисторы. В чем же дело? Почему светодиод обычно подключен через резистор? Для чего светодиоду резистор?

На самом деле все очень просто: светодиоду для работы необходимо очень маленькое постоянное напряжение, а если подать больше — светодиод перегорит. Если даже подать немного больше, на 0,2 вольта больше номинала — ресурс светодиода уже начнет стремительно уменьшаться, и очень скоро жизнь этого полупроводникового источника света закончится плачевно.

Например, красному светодиоду для нормальной работы нужно ровно 2,0 вольта, при этом ток его потребления составляет 20 миллиампер. А если подать 2,2 вольта — наступит пробой p-n-перехода.

У разных производителей светодиодов, в зависимости от применяемых полупроводников и технологии создания светодиодов, рабочее напряжение может чуть-чуть в ту или иную сторону отличаться. Однако, взгляните для примера на вольт-амперную характеристику красного SMD светодиода одного известного производителя:

Здесь видно, что уже при 1,9 вольта светодиод начинает слабо светиться, а при подаче на его выводы ровно 2 вольт, свечение получится достаточно ярким, это его номинальный режим. Если теперь увеличивать напряжение до 2,1 вольт — светодиод начнет перегреваться, и стремительно терять свой ресурс. А при подаче более 2,1 вольта — светодиод перегорит.

Теперь вспомним Закон Ома для участка цепи: сила тока в участке цепи прямопропорциональна напряжению на концах этого участка, и обратно пропорциональна его сопротивлению:

Следовательно, если у нас сила тока через светодиод равна 20 мА при напряжении на его выводах в 2,0 В, значит какое светодиод имеет сопротивление в рабочем состоянии, исходя из этого закона? Правильно: 2,0/0,020 = 100 Ом. Светодиод в рабочем состоянии по своим характеристикам эквивалентен резистору номиналом 100 Ом, мощностью 2*0,020 = 40 мВт.

А что если в наличии на плате имеется лишь напряжение 5 вольт или 12 вольт? Как питать светодиод таким высоким напряжением, и чтобы он при этом бы не перегорел? Вот разработчики всюду и решили, что удобнее всего применить дополнительный резистор.

Почему резистор? Потому что это — наиболее выгодный, наиболее экономичный, наименее затратный по ресурсам и рассеиваемой мощности, путь решения проблемы ограничения тока через светодиод.

Итак, если в наличии 5 вольт, а необходимо получить 2 вольта на «резисторе» в 100 Ом, значит необходимо разделить эти 5 вольт между нашим полезным светящимся резистором в 100 Ом (в роли которого выступает ДАННЫЙ светодиод), и другим резистором, номинал которого сейчас предстоит вычислить исходя из того, что имеется в распоряжении:

В данной цепи ток постоянный, не переменный, элементы все в установившемся режиме линейные, следовательно ток по всей цепи будет одной и той же величины, в нашем примере 20 мА — так нужно светодиоду. Следовательно выберем резистор R1 такой величины, чтобы ток через него составил бы тоже 20 мА, а напряжение бы на него пришлось как раз 3 вольта, которые нужно куда-то деть.

Итак: по закону Ома I=U/R, отсюда R=U/I = 3/0,02 = 150 Ом. А мощность? P=U 2 /R = 9/150 = 60 мВт. Подойдет резистор на 0,125 Вт, чтобы не сильно грелся. Теперь всем ясно, для чего светодиоду резистор.

Правильное подключение светодиодов

На сегодняшний день существуют сотни разновидностей светодиодов, отличающихся внешним видом, цветом свечения и электрическими параметрами. Но всех их объединяет общий принцип действия, а значит, и схемы подключения к электрической цепи тоже базируются на общих принципах. Достаточно понять, как подключить один индикаторный светодиод, чтобы затем научиться составлять и рассчитывать любые схемы.

Распиновка светодиода

Прежде чем перейти к рассмотрению вопроса о правильном подключении светодиода, необходимо научиться определять его полярность. Чаще всего индикаторные светодиоды имеют два вывода: анод и катод. Гораздо реже в корпусе диаметром 5 мм встречаются экземпляры, имеющие 3 или 4 вывода для подключения. Но и с их распиновкой разобраться тоже несложно.

Всего существует 3 надёжных способа определения полярности: визуальный, с помощью мультиметра и путём подключения к источнику напряжения. Каждый из них по-своему уникален и интересен, в связи с чем данная тема вынесена в отдельную статью: «Где плюс, а где минус?»

SMD-светодиоды могут иметь 4 вывода (2 анода и 2 катода), что обусловлено технологией их производства. Третий и четвёртый выводы могут быть электрически незадействованными, но использоваться в качестве дополнительного теплоотвода. Приведенное расположение выводов не является стандартом. Для вычисления полярности лучше сначала заглянуть в datasheet, а затем подтвердить увиденное мультиметром. Визуально определить полярность SMD-светодиода с двумя выводами можно по срезу. Срез (ключ) в одном из углов корпуса всегда расположен ближе к катоду (минусу).

Простейшая схема подключения светодиода

Нет ничего проще, чем подключить светодиод к низковольтному источнику постоянного напряжения. Это может быть батарейка, аккумулятор или маломощный блок питания. Лучше, если напряжение будет не менее 5 В и не более 24 В. Такое подключение будет безопасным, а для его реализации понадобится лишь 1 дополнительный элемент – маломощный резистор. Его задача – ограничить ток, протекающий через p-n-переход на уровне не выше номинального значения. Для этого резистор всегда устанавливают последовательно с излучающим диодом.

Всегда соблюдайте полярность при подключении светодиода к источнику постоянного напряжения (тока).

Если из схемы исключить резистор, то ток в цепи будет ограничен только внутренним сопротивлением источника ЭДС, которое очень мало. Результатом такого подключения станет мгновенный выход из строя излучающего кристалла.

Расчёт ограничительного резистора

Взглянув на вольт-амперную характеристику светодиода, становится понятно: насколько важно не ошибиться при расчёте ограничительного резистора. Даже небольшой рост номинального тока приведёт к перегреву кристалла и, как следствие, к снижению рабочего ресурса. Выбор резистора производят по двум параметрам: сопротивлению и мощности. Сопротивление рассчитывают по формуле:

• U – напряжение питания, В;
• U_LED – прямое падение напряжения на светодиоде (паспортное значение), В;
• I – номинальный ток (паспортное значение), А.

Полученный результат следует округлить до ближайшего номинала из ряда Е24 в большую сторону, а затем рассчитать мощность, которую должен будет рассеивать резистор:

R – сопротивление резистора, принятого к установке, Ом.

Более подробную информацию о расчётах с практическими примерами можно получить в статье о расчете резистора для светодиода. А тот, кто не желает погружаться в нюансы, может быстро рассчитать параметры резистора с помощью онлайн-калькулятора.

Включение светодиодов от блока питания

Речь пойдёт о блоках питания (БП), работающих от сети переменного тока 220 В. Но даже они могут сильно отличаться друг от друга выходными параметрами. Это могут быть:

• источники переменного напряжения, внутри которых есть только понижающий трансформатор;
• нестабилизированные источники постоянного напряжения (ИПН);
• стабилизированные ИПН;
• стабилизированные источники постоянного тока (светодиодные драйверы).

Подключить светодиод можно к любому из них, дополнив схему нужными радиоэлементами. Чаще всего в качестве блока питания применяют стабилизированные ИПН на 5 В или 12 В. Данный тип БП подразумевает, что при возможных колебаниях напряжения сети, а также при изменении тока нагрузки в заданном диапазоне напряжение на выходе изменяться не будет. Это преимущество позволяет подключать к БП светодиоды, используя только резисторы. И именно такой принцип подключения реализован в схемах с индикаторными светодиодами. Подключение мощных светодиодов и светодиодных матриц нужно производить через стабилизатор тока (драйвер). Несмотря на их более высокую стоимость, только так можно гарантировать стабильную яркость и продолжительную работу, а также исключить преждевременную замену дорогостоящего светоизлучающего элемента. Такое подключение не требует наличия дополнительного резистора, а светодиод присоединяется непосредственно к выходу драйвера с соблюдением условия:

• I_{драйвера} – ток драйвера по паспорту, А;
• I_LED – номинальный ток светодиода, А.

При несоблюдении условия, подключенный светодиод перегорит от перегрузки по току.

В качестве источника питания можно использовать даже одну пальчиковую батарейку на 1,5 В. Но для этого придётся собрать небольшую электрическую схему, которая позволит повысить напряжение питания до нужного уровня. О том, как это сделать, можно узнать из статьи «Как подключить светодиод от батарейки на 1,5 В».

Последовательное подключение

Собрать рабочую схему на одном светодиоде – несложно. Другое дело, когда их несколько. Как правильно подключить 2, 3 … N светодиодов? Для этого нужно научиться рассчитывать более сложные схемы включения. Схема последовательного подключения представляет собой цепь из нескольких светодиодов, в которой катод первого светодиода соединен с анодом второго, катод второго с анодом третьего и так далее. Через все элементы схемы течёт ток одинаковой величины:

А падения напряжений суммируются:

Исходя из этого, можно сделать выводы:

• объединять в последовательную цепь целесообразно только светодиоды с одинаковым рабочим током;
• при выходе из строя одного светодиода произойдёт обрыв цепи;
• количество светодиодов ограничено напряжением БП.

Параллельное подключение

Если от БП с напряжением, например, 5 В, необходимо зажечь несколько светодиодов, то их придется соединить между собой параллельно. При этом последовательно с каждым светодиодом нужно поставить резистор. Формулы для расчёта токов и напряжений примут следующий вид:

Таким образом, сумма токов в каждой ветви не должна превышать максимально допустимый ток БП. При параллельном подключении однотипных светодиодов достаточно рассчитать параметры одного резистора, а остальные – будут такого же номинала.

Все правила последовательного и параллельного подключения, наглядные примеры, а также информацию о том, как нельзя включать светодиоды, можно найти в данной статье.

Смешанное включение

Разобравшись со схемами последовательного и параллельного подключения, пришло время комбинировать. Один из вариантов комбинированного подключения светодиодов показан на рисунке.

Кстати, именно так устроена каждая светодиодная лента.

Включение в сеть переменного тока

Подключать светодиоды от БП не всегда целесообразно. Особенно, если речь идёт о необходимости сделать подсветку выключателя или индикатор наличия напряжения в сетевом удлинителе. Для подобных целей достаточно будет собрать одну из простых схем подключения светодиода к сети 220 В. Например, схема с токоограничительным резистором и выпрямительным диодом, защищающим светодиод от обратного напряжения. Сопротивление и мощность резистора вычисляют по упрощённой формуле, пренебрегая падением напряжения на светодиоде и диоде, так как оно на 2 порядка меньше напряжения сети:

Из-за большой мощности рассеивания (2–5 Вт), резистор часто заменяют неполярным конденсатором. Работая на переменном токе, он как бы «гасит» лишнее напряжение и почти не нагревается.

Подключение мигающих и многоцветных светодиодов

Внешне мигающие светодиоды ничем не отличаются от обычных аналогов и могут мигать одним, двумя или тремя цветами по заданному производителем алгоритму. Внутреннее отличие состоит в наличии под корпусом ещё одной подложки, на которой расположен интегральный генератор импульсов. Номинальный рабочий ток, как правило, не превышает 20 мА, а падение напряжения может варьироваться от 3 до 14 В. Поэтому перед подключением мигающего светодиода нужно ознакомиться с его характеристиками. Если их нет, то узнать параметры можно экспериментальным путём, подключившись к регулируемому БП на 5–15 В через резистор сопротивлением 51-100 Ом.

В корпусе многоцветного RGB-светодиода расположены 3 независимых кристалла зелёного, красного и синего цвета. Поэтому при расчёте номиналов резисторов нужно помнить, что каждому цвету свечения соответствует своё падение напряжения.