Kontrolka s LED pro síťové napětí
Datum 30. 11. 2008 v 14:09 | Rubrika: Elektronika
| Kontrolka se svítivou diodou je jednoduchá, úsporná a spolehlivá věc. Část lidí si určitě řekne, že na takto jednoduché věci není co zkoumat a o čem psát. Opak je však pravdou, pokud je potřeba kontrolku zapojit na vyšší napětí a případně na napětí střídavé.
V tomto článku se podíváme na několik možností, jak kontrolku zapojit a jak spočítat hodnoty součástek tak, aby kontrolka dlouho a bezpečně sloužila ke spokojenosti toho, kdo ji staví.
Kontrolka s odporovým předřadníkem
Je několik možností, jako kontrolku zapojit. Vždy je ale potřeba myslet na to, že svítivá dioda snese v závěrném směru jen malé napětí, typicky 5V, takže je nutné ji chránit před závěrným napětím. Většinou se to dělá pomocí jiné diody.
Obr. 1 Kontrolka s paralelní diodou
Na obrázku 1 je první možnost zapojení kontrolky. Při kladné půlvlně svítí LED, půlvlně záporní proud prochází usměrňovací diodou a LED je chráněná proto velkému závěrnému napětí. Úbytek napětí na usměrňovací diodě je přibližně 0,6V a to LED snese bez potíží libovolně dlouho. Důležitou vlastností tohoto obvodu je fakt, že proud prochází odporem při obou půlvlnách a je proto trvale zatěžovaný.
Příklad: Napětí sítě je 230V, proud LED zvolíme 20mA. Je potřeba vypočítat velikost předřadníku a ztrátový výkon na něm mařený.
Velikost předřadníku se spočítá podle vzorce:
R = U ÷ I = 230 ÷ 0,02 = 11500Ω
Ztrátový výkon na předřadníku je:
P = U × I = 230 x 0,02 = 4,6W
Což je výkon již značný a je nutné jej z odporu odvést a odpor patřičně chladit.
Obr. 2 Kontrolka se sériovou diodou
Na obrázku 2 je výhodnější zapojení obvodu, protože odporem prochází proud jen po dobu jedné půlperiody a odpor je tedy zatěžovaný polovičním výkonem. I to je však výkon stále ještě značný a také je potřeba jej z odporu odvádět pryč. Velikost odporu se vypočítá stejně, jako u předchozího příkladu s paralelní diodou.
Výhodou kontrolek s odporovým předřadníkem je jejich jednoduchost a také fakt, že mohou pracovat jak se stejnosměrným, tak se střídavým napájecím napětí. Nevýhodou je onen ztrátový výkon mařený na předřadníku. Při napájení kontrolky střídavým proudem lze tento výkon snížit na, teoreticky, nulu použitím kondenzátoru.
Kontrolka s kapacitním předřadníkem
Obr. 3 Kontrolka s kapacitním předřadníkem
Na obrázku 3 je schéma zapojení takové kontrolky. Na první pohled je vidět, že počet součástek mírně stoupl, ale i tak je obvod jednoduchý. Toto je vlastně nejjednodušší možnost, kterak zapojit kapacitní předřadník. Pokud se některá součástka vypustí, znamená to snížení životnosti nebo úplné znemožnění funkce. Toto neplatí pro odpor připojený paralelně ke kondenzátoru, ale i ten by tam měl být. Slouží k vybití kondenzátoru po odpojení napájecího napětí a tím k ochraně obsluhy.
Zatímco v obvodu stejnosměrného proudu se kondenzátor chová jako přerušení obvodu, v obvodech napájeným proudem střídavým se chová jako určitý odpor. Vykazuje určitou impedanci, která je závislá na kapacitě kondenzátoru a na kmitočtu napájecího napětí. Odpor, který kondenzátor střídavému proudu klade je ale jalový, výkon na něm mařený je proto také jalový a tudíž nekoná žádnou práci – nemění se na teplo.
Příklad: Napětí sítě je 230V 50Hz, proud LED zvolíme 20mA. Je potřeba vypočítat velikost předřadníku.
Nejprve je potřeba vypočítat potřebnou velikost impedance kondenzátoru. Ta se vypočítá stejně, jako odpor odporového předřadníku:
XC = U ÷ I = 230 ÷ 0,02 = 11500Ω
Potřebná kapacita kondenzátoru potom je:
XC = 1 / (2 × π × f × C) => C=1/(2 ×π × f × XC)
C = 1 / (2 × 3,14 × 50 × 11500) = 0,000 000 27F = 270nF
Zdálo by se, že zbytek součástek je v obvodu nadbytečně. Ale není tomu tak. Usměrňovací dioda dovoluje průchod záporné půlvlny kondenzátorem. Kladná prochází přes LED a záporná přes usměrňovací. Pokud by usměrňovací dioda byla zapojená do série s LED, podobně jako u zapojení na obrázku 2, tak by kontrolka jen blikla a přestala svítit. Kondenzátor by se nabil, proud by přestal procházet a tím by obvod zůstal ve stabilním stavu. Proto dioda musí být vždy paralelně k LED a tím dovolovat průchod střídavého proudu kondenzátorem.
Rezistor 2k2 slouží k ochraně LED při zapínání obvodu. Po připojení na síť se vybitý kondenzátor chová jako zkrat a tak proud LED není nijak omezený. Respektive je omezený jen odporem a indukčností přívodů, ESR kondenzátoru a vnitřním odporem LED. Prakticky jsem naměřila hodnotu přibližně 36A! A to žádná LED nevydrží příliš dlouho. „Nadbytečný“ odpor tento proud omezí na přijatelnou hodnotu a přitom na něm vzniká jen malý úbytek napětí a tudíž i jen malý ztrátový výkon. Často se na tento odpor zapomíná a pak se konstruktér diví, proč kontrolka relativně brzy přestane svítit. S jeho odporem je potřeba počítat do celkové impedance, protože také ovlivnije velikost proudu LED. Jeho hodnota neni kritická a pokud je dioda stavěná na vyšší proudy, je nutné jej zmenšit, aby vůbec požadovaný proud mohl protékat. Svítivé diody s vyšším pracovním proudem navíc snášejí vyšší proudy špičkové.
Nevýhodou všech předchozích zapojení je fakt, že LED svítí jen po dobu jedné periody a proto je potřeba volit vyšší proud, aby hezky svítila. Navíc LED viditelně bliká. Řešením je zapojením LED do úhlopříčky můstku.
Obr. 4 Kontrolka s kapacitním předřadníkem a LED v úhlopříčce můstku
Obvod na obrázku 5 využívá jednoduchého triku se dvěma LED. Jednak se tím ušetří usměrňovací dioda, či diody v můstku, a za druhé kontrolka méně bliká, protože diody sice blikají, ale na střídačku. Vždy jedna svítí.
Obr. 5 Kontrolka s kapacitním předřadníkem a dvěmi LED
Obvody s LED nemusí vždy sloužit jen jako kontrolka, ale mohou nahradit žárovky či zářivky při osvětlování. Výborně se hodí jako orientační svítidla a podobně. S novými LED lze však pomýšlet i na normální osvětlení místnosti.
Obr. 6 Svítidlo s několika LED
Na obrázku 6 je zapojení takového svítidla. Počet LED je omezený pouze napětí sítě, diody se řadí stále do série. Je ale nutné dodržet podmínku, aby v obou větvích byl stejný počet diod. Propojky mezi diodami je chrání před vyšším závěrným napětím, při změnách proudu vlivem poruch v síti, při přechodovém jevu po zapnutí a při jiných podobných stavech.
Několik poznámek na závěr k součástkám a bezpečnosti
Jako předřadník lze použít i tlumivku. Ta je ale vhodná pouze pro větší proudy, když už je potřebná kapacita, a tím i velikost, kondenzátoru příliš veliká. Je to proto, že tlumivka je větší, těžší a dražší než kondenzátor. Navíc je vinutá drátem, který má svůj činný odpor a proto na něm vzniká činný výkon – teplo.
Všechny součástky použité v obvodech napájených přímo ze sítě je nutné patřičně napěťově i výkonově dimenzovat. Potřebné výkonové dimenzování se považuje za samozřejmé, ale napěťové se často přehlíží a pak se lidé diví, proč zařízení přestane „zcela nelogicky“ pracovat.
Kondenzátor použitý jako předřadník je nejlépe použit fóliový. Je nutné, aby byl určený pro provoz při napětí sítě. Takže musí být určen minimálně pro napětí 230V střídavých nebo 630V stejnosměrných. Raději však 1000V stejnosměrných. Nelze použít kondenzátor elektrolytický, protože ten nesmí být zapojený v obvodu střídavého proudu.
Odpory musejí být také vhodně zvolené, případně zapojené dva do série. Uhlíkové odpory totiž mívají povolené trvalé napětí 250V, některé však ještě méně. To platí hlavně pro odpory v provedení SMD. Je vždy nutné se podívat do katalogu a podle toho zvolit vhodné odpory. Zdálo by se, že u omezovacího odporu to není nutné, ale při vhodné situaci i na něm může být značné napětí. Sama jsem naměřila špičkové napětí 416V. A pokud taková situace nastane několikrát za sebou, tak se odpor postupně prorazí. A potom se můžou prorazit i diody.
U usměrňovacích diod jsou dvě možnosti. Pokud je dioda zapojená do série s LED, je nutné její závěrné napětí dimenzovat tak, aby snesla napětí sítě. Dioda 1N4007 vyhoví s přehledem. Pokud je však dioda zapojená paralelně k LED, lze použít libovolnou diodu, napětí na ní totiž nikdy nebude vyšší než napětí na svítící LED a to je jen několik voltů. Lze tedy použít i ty nejlacinější diody z výprodeje nebo ze starých zásob.
Vybíjecí odpor kondenzátoru lze zapojit i odlišně od obrázků. Zapojí se paralelně k napájecím svorkám. Jaké zapojení se použije je lhostejné, obě fungují stejně spolehlivě a stejně dobře.
Ačkoli jsou obvody kontrolek jednoduché, jejich stavbu a provoz při vyšším napětí nedoporučuji začátečníkům. Pro použití při napětí sítě 230V je nutné postupovat podle platných předpisů pro práci se síťovým napětím. Při jejich nedodržení hrozí nebezpeční úrazu elektrickým proudem.
|
|