Anschließen einer LED an 220 V
LEDs als Lichtquellen sind weit verbreitet. Sie sind jedoch für niedrige Versorgungsspannungen ausgelegt, und oft ist es notwendig, eine LED an ein 220-Volt-Haushaltsnetz anzuschließen. Mit ein wenig Wissen über Elektrotechnik und der Fähigkeit, einfache Berechnungen durchzuführen, ist dies möglich.
Wege zur Verbindung
Die Standardbetriebsbedingungen für die meisten LEDs sind eine Spannung von 1,5-3,5 V und ein Strom von 10-30 mA. Wenn Sie ein Gerät direkt an das Stromnetz anschließen, beträgt seine Lebensdauer eine Zehntelsekunde. Alle Probleme des Anschlusses der LEDs im Netz erhöht im Vergleich zu normalen Betriebsspannung, kommt es auf die Löschung der überschüssigen Spannung und begrenzen den Strom durch das lichtemittierende Element fließt. Diese Aufgabe wird von Treibern - elektronischen Schaltungen - übernommen, die jedoch recht komplex sind und aus einer großen Anzahl von Komponenten bestehen. Ihr Einsatz ist sinnvoll, wenn eine LED-Matrix mit vielen LEDs betrieben werden soll. Es gibt einfachere Möglichkeiten, ein einzelnes Element zu verbinden.
Anschluss über einen Widerstand
Die naheliegendste Möglichkeit ist, einen Widerstand in Reihe mit der LED zu schalten. Dadurch wird die Überspannung abgebaut und der Strom begrenzt.
Die Berechnung dieses Widerstands wird wie folgt durchgeführt:
- Angenommen, es gibt eine LED mit einem Nennstrom von 20 mA und einem Spannungsabfall von 3 V (die tatsächlichen Parameter sollten in einem Nachschlagewerk nachgeschlagen werden). Für den Betriebsstrom ist es besser, von 80 % des Nennwerts auszugehen - die LED lebt unter beleuchteten Bedingungen länger. Irab=0,8 Inom=16 mA.
- Am zusätzlichen Widerstand fällt die Netzspannung abzüglich des Spannungsabfalls an der LED. Urab=310-3=307V. Es ist offensichtlich, dass fast die gesamte Spannung in den Widerstand fließt.
Wichtig! Verwenden Sie nicht die Netzbetriebsspannung (220 V), sondern die Spitzenspannung von 310 V.
- Verwenden Sie das Ohmsche Gesetz, um den Wert des zusätzlichen Widerstands zu bestimmen: R=Urab/Irab. Da der Strom in Milliampere gewählt wird, ist der Widerstand in Kiloohm: R=307/16= 19,1875. Der nächstgelegene Wert aus dem Standardbereich ist 20kΩ.
- Um die Leistung des Widerstands mit der Formel P=UI zu ermitteln, müssen Sie den Betriebsstrom mit dem Spannungsabfall über dem Löschwiderstand multiplizieren. Bei einem Nennwert von 20 kOhm beträgt der durchschnittliche Strom 220 V/20 kOhm=11 mA (Sie können hier die Effektivspannung berücksichtigen!), und die Leistung beträgt 220 V*11 mA=2420 mW oder 2,42 W. Sie können einen 3-W-Widerstand aus dem Standardsortiment wählen.
Wichtig! Diese Berechnung ist vereinfacht und berücksichtigt nicht den Spannungsabfall über der LED und ihren Widerstand im offenen Zustand, ist aber für praktische Zwecke genau genug.
Mit dieser Methode ist es möglich, eine Kette von LEDs in Serie. Bei der Berechnung ist der Spannungsabfall eines Elements mit der Gesamtzahl der Elemente zu multiplizieren.
Diodenschaltung in Reihe mit hoher Sperrspannung (400 V oder mehr)
Die beschriebene Methode hat einen erheblichen Nachteil. Die LEDwie jedes andere Bauelement mit p-n-Übergang Strom führt (und leuchtet) in der Vorwärtshalbwelle des Wechselstroms. In der umgekehrten Halbwelle ist sie gesperrt. Sein Widerstand ist hoch, viel höher als der Widerstand des Vorschaltgeräts. Und die Netzspannung von 310 V Amplitude, die an die Schaltung angelegt wird, fällt hauptsächlich auf die LED. Und dieser ist nicht für den Betrieb als Hochspannungsgleichrichter ausgelegt und kann recht schnell ausfallen. Um diesem Phänomen entgegenzuwirken, wird häufig empfohlen, eine zusätzliche Diode in Reihe zu schalten, die der Sperrspannung standhält.
Bei einer solchen Verbindung teilt sich die angelegte Sperrspannung etwa zur Hälfte zwischen den Dioden auf, und die LED wird mit einem Spannungsabfall von etwa 150 V oder etwas weniger etwas heller, aber ihr Schicksal ist immer noch miserabel.
Shunting der LED mit einer normalen Diode
Dieses Verbindungsschema ist wesentlich effizienter:
Hier wird das lichtemittierende Element gegenläufig und parallel zur zusätzlichen Diode geschaltet. Bei der negativen Halbwelle wird die zusätzliche Diode geöffnet, und die gesamte Spannung wird an den Widerstand angelegt. Wenn die zuvor durchgeführte Berechnung korrekt war, wird der Widerstand nicht überhitzt.
Parallelschaltung von zwei LEDs
Wenn man sich die vorherige Schaltung ansieht, kommt man nicht umhin zu denken: Warum eine nutzlose Diode verwenden, wenn man sie durch denselben Lichtemitter ersetzen kann? Dies ist eine korrekte Argumentation. Und logischerweise wird der Kreislauf in der nächsten Variante wiedergeboren:
Hier wird die gleiche LED als Schutzelement verwendet. Es schützt das erste Element während der umgekehrten Halbwelle und sendet dabei aus. Bei der rechten Halbwelle der Sinuswelle tauschen die LEDs die Rollen. Der Vorteil dieser Schaltung ist, dass sie die Möglichkeiten des Netzteils voll ausschöpft. Anstelle von Einzelelementen können Ketten von LEDs in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung eingeschaltet werden. Die Berechnung erfolgt nach dem gleichen Prinzip, wobei der Spannungsabfall an den LEDs mit der Anzahl der in einer Richtung installierten LEDs multipliziert wird.
Verwendung eines Kondensators
Anstelle eines Widerstands kann auch ein Kondensator verwendet werden. In einem Wechselstromkreis verhält er sich ähnlich wie ein Widerstand. Sein Widerstand hängt von der Frequenz ab, aber in einem Haushaltsstromkreis ist dieser Parameter konstant. Die Formel X=1/(2*3,14*f*C) kann zur Berechnung verwendet werden, wobei:
- X ist der Blindwiderstand des Kondensators;
- f - Frequenz in Hertz, in unserem Fall ist es 50;
- C - Kapazität des Kondensators in Farad, für die Umrechnung in μF den Faktor 10 verwenden-6.
In der Praxis wird die Formel verwendet:
C=4,45*Irab/(U-Ud), wobei:
- C - erforderliche Kapazität in μF;
- Irab - Betriebsstrom der LED;
- U-Ud - die Differenz zwischen der Versorgungsspannung und dem Spannungsabfall über dem lichtemittierenden Element - ist von praktischer Bedeutung, wenn eine Kette von LEDs verwendet wird. Bei Verwendung einer einzelnen LED kann mit ausreichender Genauigkeit ein U-Wert von 310 V angenommen werden.
Es können Kondensatoren mit einer Betriebsspannung von mindestens 400 V verwendet werden. Berechnungswerte für Ströme, die für solche Schaltungen typisch sind, sind in der Tabelle angegeben:
| Betriebsstrom, mA | 10 | 15 | 20 | 25 |
| Kapazität des Ballastkondensators, uF | 0,144 | 0,215 | 0,287 | 0,359 |
Die erhaltenen Werte sind ziemlich weit von den Standard-Kapazitätsreihen entfernt. Bei einem Strom von 20 mA beträgt die Ableitung von 0,25 uF also 13 % und von 0,33 uF 14 %. Der Widerstand kann gewählt werden viel genauer. Dies ist der erste Nachteil der Schaltung. Der zweite Punkt wurde bereits erwähnt: Kondensatoren mit einer Spannung von 400 V und mehr haben recht große Abmessungen. Aber das ist noch nicht alles. Durch die Verwendung eines Ballastkondensators wird die Schaltung mit zusätzlichen Elementen angereichert:
Der Widerstand R1 ist aus Sicherheitsgründen eingestellt. Wenn der Stromkreis mit 220 V gespeist wird und dann vom Netz getrennt wird, entlädt sich der Kondensator nicht - ohne diesen Widerstand gibt es keinen Entladestromkreis. Bei versehentlichem Berühren der Kondensatorklemmen kann es leicht zu einem Stromschlag kommen. Der Widerstand dieses Widerstands kann mit einigen hundert Kiloohm gewählt werden, im Betriebszustand wird er von der Kapazität überbrückt und hat keinen Einfluss auf den Betrieb der Schaltung.
Der Widerstand R2 wird benötigt, um den Einschaltstrom des Kondensatorladestroms zu begrenzen. Solange die Kapazität nicht aufgeladen ist, dient sie nicht als Strombegrenzer, und während dieser Zeit kann die LED ausfallen. Hier sollte man einen Wert von einigen zehn Ohm wählen, der sich auch nicht auf die Leistung der Schaltung auswirkt, aber bei der Berechnung berücksichtigt werden kann.
Beispiel für den Einbau einer LED in einen Lichtschalter
Ein gängiges Beispiel für den praktischen Einsatz einer LED in einem 220-V-Stromkreis ist die Anzeige des ausgeschalteten Zustands eines Haushaltsschalters, um dessen Position in der Dunkelheit leichter zu finden. Die LED wird hier mit einem Strom von ca. 1 mA betrieben - das Leuchten ist schwach, aber im Dunkeln spürbar.
Hier dient die Lampe als zusätzlicher Strombegrenzer, wenn der Schalter geöffnet ist, und nimmt einen kleinen Teil der Rückwärtsspannung auf. Der Großteil der Sperrspannung liegt jedoch am Widerstand an, so dass die LED hier relativ geschützt ist.
Video: WARUM NICHT ein beleuchteter Schalter installiert werden soll
Sicherheitshinweise
Der Arbeitsschutz in einer bestehenden Anlage wird durch die Sicherheitsvorschriften für den Betrieb von elektrischen Anlagen geregelt. Sie gelten nicht für die Heimwerkstatt, aber ihre Grundprinzipien müssen beim Anschluss einer LED an ein 220-V-Netz berücksichtigt werden. Die wichtigste Sicherheitsregel bei allen Arbeiten an elektrischen Anlagen ist, dass alle Arbeiten im spannungslosen Zustand durchgeführt werden müssen, um ein versehentliches oder unbeabsichtigtes, unbefugtes Einschalten zu verhindern. Nach dem Ausschalten des Leistungsschalters muss das Fehlen der Spannung mit einem Prüfer prüfen. Alles andere - die Verwendung von dielektrischen Handschuhen, Matten, das Anbringen einer vorübergehenden Erdung usw. - ist zu Hause nur schwer zu bewerkstelligen, aber es ist zu bedenken, dass Sicherheitsmaßnahmen niemals unzureichend sind.