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Come sono le lampade a LED
L'articolo parla del design delle lampade a LED. Vengono presi in considerazione diversi schemi di diversa complessità e vengono fornite raccomandazioni per la produzione indipendente di sorgenti luminose a LED collegate a una rete a 220 V.
Vantaggi delle lampade a risparmio energetico
I vantaggi delle lampade a risparmio energetico sono ampiamente noti. Innanzitutto, si tratta in realtà di un basso consumo energetico e inoltre di un'elevata affidabilità. Attualmente, le lampade fluorescenti più diffuse. Tale lampada consumo di energia 20 watt, fornisce la stessa illuminazione di una lampada a incandescenza da cento watt. È facile calcolare che i risparmi energetici sono cinque volte.
Recentemente, le lampade a LED sono state padroneggiate nella produzione. Gli indicatori di efficienza e durata sono molto più alti di quelli delle lampade fluorescenti. In questo caso, l'elettricità viene consumata dieci volte meno delle lampade a incandescenza. La durata delle lampade a LED può raggiungere 50 o più migliaia di ore.
Le sorgenti luminose di nuova generazione, ovviamente, sono più costose delle semplici lampade a incandescenza, ma consumano significativamente meno energia e hanno una maggiore durata. Gli ultimi due indicatori sono progettati per compensare l'alto costo di nuovi tipi di lampade.
Pratici circuiti di lampade a LED
Come primo esempio, possiamo considerare il dispositivo della lampada a LED sviluppato dalla società "SEA Electronics" utilizzando microcircuiti specializzati. Il circuito elettrico di tale lampada è mostrato nella Figura 1.
Figura 1. Schema della lampada a LED della società "SEA Electronics"
Dieci anni fa, i LED potevano essere usati solo come indicatori: l'intensità della luce non era più di 1,5 ... 2 microchandel. Ora sono comparsi LED super luminosi, in cui la potenza della radiazione raggiunge diverse decine di candele.
Quando si utilizzano LED ad alta potenza in combinazione con convertitori di semiconduttori, è diventato possibile creare fonti di luce in grado di resistere alla concorrenza con le lampade a incandescenza. Un convertitore simile è mostrato nella Figura 1. Il circuito è abbastanza semplice e contiene un piccolo numero di parti. Ciò si ottiene attraverso l'uso di microcircuiti specializzati.
Il primo chip IC1 BP5041 è un convertitore AC / DC. Il diagramma strutturale è mostrato in Figura 2.
Figura 2. Schema a blocchi di BP5041.
Il microcircuito è realizzato nella custodia di tipo SIP mostrata nella Figura 3.
Figura 3
Un convertitore collegato a una rete di illuminazione a 220 V fornisce una tensione di uscita di 5 V a una corrente di circa 100 milliampere. La connessione alla rete avviene tramite un raddrizzatore realizzato sul diodo D1 (in linea di principio è possibile utilizzare un circuito a ponte del raddrizzatore) e un condensatore C3. Il resistore R1 e il condensatore C2 eliminano il rumore impulsivo. Vedi anche - Come collegare una lampada a LED a una rete 220 V.
L'intero dispositivo è protetto da un fusibile F1, il cui valore nominale non deve superare quello indicato nel diagramma. Il condensatore C3 è progettato per attenuare l'ondulazione della tensione di uscita del convertitore. Va notato che la tensione di uscita non ha un isolamento galvanico dalla rete, che è completamente inutile in questo circuito, ma richiede particolare attenzione e rispetto delle norme di sicurezza durante la produzione e la messa in servizio.
I condensatori C3 e C2 devono avere una tensione di lavoro di almeno 450 V. Il condensatore C2 deve essere a film o ceramico. Il resistore R1 può avere una resistenza nell'intervallo 10 ... 20 Ohm, che è sufficiente per il normale funzionamento del convertitore.
L'uso di questo convertitore elimina la necessità di un trasformatore step-down, che riduce significativamente le dimensioni complessive del dispositivo.
Una caratteristica distintiva del chip BP5041 è la presenza di un induttore incorporato, come mostrato nella Figura 2, che riduce il numero di attacchi e le dimensioni complessive del circuito stampato.
Come diodo D1, è adatto qualsiasi diodo con una tensione inversa di almeno 800 V e una corrente rettificata di almeno 500 mA. Il diodo di importazione diffuso 1N4007 soddisfa pienamente tali condizioni. un varistore VAR1 di tipo FNR-10K391 è installato all'ingresso del raddrizzatore. Il suo scopo è proteggere l'intero dispositivo dal rumore di impulso e dall'elettricità statica.
Il secondo chip IC, tipo HV9910, è uno stabilizzatore di corrente PWM per LED super luminosi. Utilizzando un transistor MOSFET esterno, la corrente può essere impostata nell'intervallo da pochi milliampere a 1A. Questa corrente è impostata dalla resistenza R3 nel circuito di retroazione. Il chip è disponibile in SO-8 (LG) e SO-16 (NG). Il suo aspetto è mostrato nella Figura 4 e nella Figura 5 uno schema a blocchi.
Figura 4. Chip HV9910.
Figura 5. Schema a blocchi del chip HV9910.
Usando la resistenza R2, la frequenza dell'oscillatore interno può essere variata nell'intervallo 20 ... 120 KHz. Con la resistenza del resistore R2 indicata nel diagramma, sarà di circa 50 KHz.
L'induttore L1 è progettato per immagazzinare energia mentre il transistor VT1 è aperto. Quando il transistor si chiude, l'energia immagazzinata nell'acceleratore viene trasmessa attraverso il diodo Schottky ad alta velocità D2 ai LED D3 ... D6.
Ecco il momento di ricordare l'autoinduzione e la regola di Lenz. Secondo questa regola, la corrente di induzione ha sempre una direzione tale che il suo flusso magnetico compensa i cambiamenti nel flusso magnetico esterno, che (cambiamento) ha causato questa corrente. Pertanto, la direzione dell'EMF di autoinduzione ha una direzione opposta alla direzione dell'EMF della fonte di alimentazione. Ecco perché i LED sono accesi nella direzione opposta rispetto alla tensione di alimentazione (pin 1 di IC2, indicato nello schema come VIN). Pertanto, i LED emettono luce a causa dell'EMF della bobina di autoinduzione L1.
In questo progetto, vengono utilizzati 4 LED super luminosi del tipo TWW9600, sebbene sia possibile utilizzare altri tipi di LED prodotti da altre società.
Per controllare la luminosità dei LED nel chip c'è un ingresso PWM_D, modulazione PWM da un generatore esterno. In questo schema, tale funzione non viene utilizzata.
Se stai costruendo una lampada a LED da solo, dovresti utilizzare un alloggiamento con una base a vite della dimensione E27 da una lampada a risparmio energetico inutilizzabile con una potenza di almeno 20 watt. L'aspetto della struttura è mostrato nella Figura 6.
Figura 6. Lampada a LED fatta in casa.
Sebbene lo schema descritto sia abbastanza semplice, non è sempre possibile raccomandarlo per l'autoproduzione: o non si sarà in grado di acquistare le parti indicate sullo schema o una qualificazione insufficiente dell'assemblatore. Alcuni potrebbero essere spaventati: "E se non avessi successo?". Per tali situazioni, è possibile offrire diverse opzioni più semplici sia nei circuiti che nell'acquisizione di parti.
Lampada da casa a LED semplice
Un diagramma più semplice della lampada a LED è mostrato nella Figura 7.
Figura 7
Questo diagramma mostra che un raddrizzatore a ponte con alimentatore capacitivo viene utilizzato per alimentare i LED, il che limita la corrente di uscita. Tali alimentatori sono economici e semplici, non temono i cortocircuiti, la loro corrente di uscita è limitata dalla capacità del condensatore. Tali raddrizzatori sono spesso chiamati stabilizzatori di corrente.
Il ruolo del reattore capacitivo nel circuito è svolto dal condensatore C1. Con una capacità di 0,47 μF, la tensione operativa del condensatore deve essere di almeno 630 V. La sua capacità è progettata in modo tale che la corrente attraverso i LED sia di circa 20 mA, che è il valore ottimale per i LED.
L'ondulazione della tensione rettificata del ponte è attenuata dal condensatore elettrolitico C2. Per limitare la corrente di carica al momento dell'accensione, viene utilizzata una resistenza R1, che funge anche da fusibile in situazioni di emergenza.I resistori R2 e R3 sono progettati per scaricare i condensatori C1 e C2 dopo aver scollegato il dispositivo dalla rete.
Per ridurre le dimensioni, la tensione operativa del condensatore C2 è stata selezionata per essere solo 100 V. In caso di guasto (burnout) di almeno uno dei LED, il condensatore C2 verrà caricato ad una tensione di 310 V, che porterà inevitabilmente alla sua esplosione. Per proteggersi da questa situazione, questo condensatore è deviato dai diodi zener VD2, VD3. La loro tensione di stabilizzazione può essere determinata come segue.
A una corrente nominale attraverso il LED di 20 mA, su di essa viene creata una caduta di tensione, a seconda del tipo, entro 3,2 ... 3,8 V. (Una proprietà simile in alcuni casi consente l'uso di LED come diodi zener). Pertanto, è facile calcolare che se nel circuito vengono utilizzati 20 LED, la caduta di tensione su di essi sarà di 65 ... 75 V. È a questo livello che la tensione attraverso il condensatore C2 sarà limitata.
I diodi Zener dovrebbero essere scelti in modo tale che la tensione di stabilizzazione totale sia leggermente superiore alla caduta di tensione attraverso i LED. In questo caso, durante il normale funzionamento, i diodi zener saranno chiusi e non influenzeranno il funzionamento del circuito. I diodi zener 1N4754A indicati sul circuito hanno una tensione di stabilizzazione di 39 V e collegati in serie - 78 V.
Se almeno uno dei LED si rompe, i diodi zener si apriranno e la tensione sul condensatore C2 si stabilizzerà a 78 V, che è chiaramente inferiore alla tensione operativa del condensatore C2, quindi non si verificherà alcuna esplosione.
Il design di una lampada a LED fatta in casa è mostrato nella Figura 8. Come si può vedere dalla figura, è assemblato in un alloggiamento da una lampada a risparmio energetico inutilizzabile con una base E-27.
Figura 8
Il circuito stampato su cui sono posizionate tutte le parti è realizzato in pellicola di fibra di vetro in uno dei modi disponibili a casa. Per installare i LED, sono stati praticati fori di 0,8 mm di diametro sulla scheda e 1,0 mm per le parti rimanenti. Un disegno del circuito stampato è mostrato nella Figura 9.
Figura 9. Il circuito stampato e la posizione delle parti su di esso.
La posizione delle parti sulla scheda è mostrata nella Figura 9c. Tutte le parti tranne i LED sono installate sul lato della scheda, dove non sono presenti tracce stampate. Un ponticello è anche installato sullo stesso lato, mostrato anche in figura.
Dopo aver installato tutte le parti sul lato della lamina, vengono installati i LED. L'installazione dei LED dovrebbe iniziare dalla metà della scheda, spostandosi gradualmente verso la periferia. I LED devono essere sigillati in serie, ovvero il terminale positivo di un LED è collegato al terminale negativo dell'altro.
Il diametro del LED può essere compreso tra 3 e 10 mm. In questo caso, le conclusioni dei LED devono essere lasciate lunghe almeno 5 mm dalla scheda. Altrimenti, i LED possono semplicemente essere surriscaldati durante la saldatura. La durata della saldatura, come raccomandato in tutti i manuali, non deve superare i 3 secondi.
Dopo che la scheda è stata assemblata e regolata, le sue conclusioni devono essere saldate alla base e la scheda stessa viene inserita nella custodia. Oltre al caso indicato, è possibile utilizzare un caso più in miniatura, tuttavia, sarà necessario ridurre le dimensioni del circuito stampato, senza dimenticare, tuttavia, le dimensioni dei condensatori C1 e C2.
Vedi anche: Cronologia delle riparazioni delle lampade a LED
Il design della lampada a LED più semplice
Tale circuito è mostrato in Figura 10.
Figura 10. Il design della lampada a LED più semplice.
Il circuito contiene un numero minimo di parti: solo 2 LED e resistenza di spegnimento. Il diagramma mostra che i LED sono accesi in parallelo - in parallelo. Con questa inclusione, ciascuno di essi protegge l'altro dalla tensione inversa, che è piccola per i LED, e la tensione di rete chiaramente non lo sopporta. Inoltre, tale doppia inclusione aumenterà la frequenza di sfarfallio della lampada a LED a 100 Hz, che non sarà evidente all'occhio e non annoierà la vista. Basta ricordare qui come, per risparmiare denaro, le normali lampade a incandescenza sono state collegate attraverso un diodo, ad esempio, negli ingressi. Hanno agito in modo molto spiacevole sulla visione.
Se non sono disponibili due LED, uno di essi può essere sostituito con un diodo raddrizzatore convenzionale, che proteggerà il diodo emettitore dalla tensione inversa della rete. La direzione della sua inclusione dovrebbe essere la stessa di quella del LED mancante. Con questa inclusione, la frequenza di sfarfallio del LED sarà di 25 Hz, che sarà evidente all'occhio, come già descritto sopra.
Per limitare la corrente attraverso i LED a 20 mA, la resistenza R1 deve avere una resistenza nell'intervallo 10 ... 11 KOhm. Allo stesso tempo, la sua potenza dovrebbe essere di almeno 5 watt. Per ridurre il riscaldamento, può essere composto da diverse resistenze, la migliore di tutte e tre, da 2 W.
I LED possono essere usati come quelli menzionati negli schemi precedenti o che possono essere acquistati. Al momento dell'acquisto, è necessario conoscere con precisione la marca del LED al fine di determinare la sua corrente continua nominale. Sulla base della grandezza di questa corrente, viene selezionata la resistenza del resistore R1.
Il design della lampada assemblata secondo questo schema differisce poco dai due precedenti: può anche essere realizzato nell'alloggiamento da una lampada fluorescente a risparmio energetico inutilizzabile. La semplicità del circuito non implica nemmeno la presenza di un circuito stampato: le parti possono essere collegate mediante montaggio a parete, quindi, come si dice in questi casi, il design è arbitrario.
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