[Из песочницы] Светодиоды, ленты и их питание от ЭТ переменного тока27.02.2015 18:03

Наверное, не ошибусь, если скажу, что более 90% жителей России знающих, что такое светодиодные ленты, на вопрос «можно ли трансформаторы от «галогенок» использовать для питания светодиодных лент?» ответят «нет, нельзя!». Самым распространенным объяснением станет банальное «электронный трансформатор — это переменный ток, а светодиодам нужен постоянный». Именно так нам говорят в магазинах, именно такой лейтмотив имеют подавляющее большинство «профессиональных» статей на эту тему, чем, в общем-то, и приучили людей тратить заметно больше денег.Всегда ли это оправдано и как на самом деле ведут себя светодиоды в самых распространенных СД лентах при питании переменным током мы и попробуем узнать в процессе изложения чтения этой статьи.

Сразу оговорюсь, что для обозначения «светодиод» я и далее буду применять само собой напрашивающееся и вполне естественное сокращение СД и намеренно не буду использовать для этого понятия английскую техническую аббревиатуру LED (Light Emitting Diode). В нашей нынешней стране отсутствие какой либо должной технической подготовки менеджеров и продавцов в магазинах уже привело к замусориванию и появлению таких неестественных для технического языка, юродивых для слуха и ужасных в написании буквосочетаний «леды», «led«ы», «ледовые», или как недавно увидел бегущей строкой — «LEDовые светодиоды». Мало того, что «масло — масляное», я просто вторить и плодить это «словомутие» не хочу…

Её идейным источником стало давнее желание опровергнуть необоснованные и безаппеляционные утверждения подавляющего большинства продавцов электротехники в России о недопустимости питания светодиодных лент (СД лент) от 12-ти вольтовых электронных трансформаторов (ЭТ) переменного тока, предназначенных для питания так называемых «галогенок». В общем-то спорность этого утверждения наверняка бросается в глаза любому специалисту (а равно и «неспециалисту»), понимающему, что светодиод, хоть и излучает свет, есть прежде всего — ДИОД. А это значит, что излучать под воздействием переменного напряжения он все же будет, но только в свой полупериод.

По сути, нам необходимо будет последовательно ответить на три вопроса:1) Сможет ли ЭТ «запуститься» при подключении нагрузки в виде полупроводниковых диодов;2) Если ЭТ запустится, не превысит ли импульсное «переменное» электрическое воздействие допустимых параметров отдельных СД в лент. Если все же превысит, то как долго протянет СД в таких условиях;3) Какова экономическая эффективность от использования ЭТ в конструкциях освещения на светодиодных лентах.Итак, полгода назад у меня как раз подвернулся удобный для экспериментов случай. Мне нужно было осветить пространство в ящиках и тумбах столов моей мастерской. После оборудования кухни в моем распоряжении осталось 1,2 метра одноцветной СД ленты общей мощностью около 17 Вт (Aztech 14Ватт/метр) и один электронный трансформатор от «галогенок» — EAC 12V 20–60Вт, самый распространенный и дешевый, купленный за 74 рубля в декабре 2014 года. Для начала, чтобы запустить ЭТ, я нагрузил его обыкновенной галогеновой лампой 20 Вт и затем параллельно подключил все 1,2 метра ленты (Рис. 1). Как и ожидалось, лента зажглась. При этом свечение ленты было равномерным, средней яркости, без какого либо заметного глазу мерцания, что неудивительно, т.к. выходной меандр ЭТ промодулирован по амплитуде малозаметной глазу частой 100Гц. В ходе эксперимента отключение лампы в такой схеме тут же приводило к прекращению свечения СД ленты, что говорило о невозможности запуска ЭТ на одной полуволне напряжения. Тогда я разбил ленту на два участка и включил их встречно-параллельно (Рис. 2), что по замыслу должно было обеспечить работу выходного каскада ЭТ на обоих полупериодах. При этом, что бы исключить перекос токов противоположного направления и перегрев выходной обмотки ЭТ от появление постоянной составляющей, я обеспечил равенство (по 8 Вт) количества СД в обоих плечах нагрузки. Сразу после подключения по такой схеме (Рис. 2) трансформатор благополучно вышел на режим генерации, а обе светодиодные ленты равномерно зажглись и были оставлены на 1 час, за который ни они, ни сам ЭТ совершенно не нагрелись, что свидетельствовало скорее о вполне нормальных электрических режимах, чем нет.

Итак, ответ на первый вопрос, — запустится ли ЭТ при замене галогеновых ламп на светодиод — положительный. Да, запустится! Если обеспечить встречно-параллельное включение лент как на Рисунке 2.

И забегая вперед … Забегая вперед, скажу, что как показал дальнейший эксперимент, ЭТ с паспортной минимальной мощностью запуска в 20 Вт, благополучно запускался даже при 10 Вт суммарной светодиодной нагрузки (по 5 Вт в каждом плече).

Идем дальше. Теперь пробуем найти ответ на второй вопрос нашего исследования. Но сейчас нам одних опытов мало, потребуется знание из ТЭРЦиЭ (Теории электро-радиоцепей и элементов), которое в итоге позволит нам предположить: можно ли долговременно питать СД ленты в таком режиме без серьезного ущерба для их долговечности, если вообще рассуждать об ущербе? Начнем с устройства СД ленты. Лента состоит из соединенных параллельно рабочих участков (Рис. 3) из трех излучателей (обозначены на схеме — E) представляющих собой три отдельных светодиода под общим слоем люминофора. Каждый диод (на схеме — D) излучателя последовательно соединен в триады с диодами из других излучателей и резистором, устанавливающим расчетную рабочую точку диодов (См. Рис. 4).

Резистор в триаде подобран таким образом, что бы при питании от 12 В и расчетной рабочей точке диода Uпр =3,3 В, Iпр = 14 мА на нем гасился избыток напряжения около 2 Вольт.

Между прочим, интересно… Такая компоновка триады надежна и практична, ибо в случае выхода из строя одиночного СД в триаде, ни один из излучателей полностью не отключится, а продолжит гореть, хоть и с меньшей на треть яркостью. Можно конечно создать триаду на базе одиночного излучателя (и такие ленты встречаются в продаже). В них, рабочим участком определяющим её нарезку будет фрагмент с одиночным излучателем и резистором, но в таком случае, выход из строя одиночного СД в триаде приведет к потере свечения целым излучателем, что будет сразу заметно в любом светильнике.

Покопавшись у производителей SMD светодиодов несложно найти и электрические параметры примененных СД: Для полноты полученного исследования я дополнительно снял вольтамперную характеристику (ВАХ) рабочего участка ленты (Рис. 5), а и путем несложного пересчета получил ВАХ для отдельного СД (Рис. 6).

Надеюсь вы… Надеюсь вы не сомневаетесь, что это можно было сделать и физически, и результаты бы совпали.

Рис. 5Рис. 6

Приведенные на рисунках ВАХ не требуют дополнительных пояснений. Добавлю только, что при напряжении менее 2,35 В на отдельном СД его свечение полностью отсутствует, что соответствует напряжению питания рабочего участка около 7 В., а напряжение питания в 15,5 Вольт на ленте является полностью безопасным, т.к. ток через отдельный светодиод не превышает нормальных эксплуатационных 30 мА.

Однако все эти численные выражения рабочих параметров актуальны только для постоянного тока. Мы собираемся испытывать диод при воздействии переменного напряжения, т.е. импульсного напряжения разных направлений. Однако при таком питании предельно допустимые значения токов и напряжений на диоде могут быть в разы, а то и в десятки раз больше пределов для постоянного тока (это общеизвестно и сомневающиеся менеджеры могут почитать лекции по ТЭРЦ) — все зависит от длительности и периодичности воздействия. Но вот беда: выходное напряжение ЭТ имеет достаточно сложную форму, что не позволяет математически достоверно описать его в пределах данной статьи, а ТТХ на светодиоды не снабжены разделом абсолютных значений для импульсных режимов работы. Хотя там, правда, имеется один параметр (Iпр имп), но для какой длительности импульса он актуален — не ясно, для какой скважности воздействия это применимо, тоже можно только догадываться.

Все дело в том… Все дело в том, что p-n переход полупроводника при работе от переменного (импульсного) тока работает с переменной нагрузкой. Токовые периоды, вызывающие нагрев и работу светодиода по излучению световых волн сменяются паузами покоя (при которых ток через переход не течет) и в которых полупроводник остывает. И вопрос здесь уже не столько в абсолютном значении тока через полупроводник, а сколько в том, успеет ли полупроводник в период безтоковой паузы остыть настолько, что бы скомпенсировать нагрев произошедший в токовый период. Т.е. не допустить теплового пробоя.Здесь, я хочу напомнить «физику» отказа полупроводника. Это нам позволит понять суть происходящих процессов. Она, физика, в общем-то известна, но все же своими словами: долговечность любого прибора определяется его отказоустойчивостью. Отказы диодов при штатной эксплуатации происходят в случае теплового, либо электрического пробоя.Электрический пробой, как правило, возникает при превышении допустимого обратного напряжения (Uобр). При этом диод теряет свойство односторенней проводимости и начинает проводить в обе стороны. В большинстве случаев электрический пробой обратим и работоспособность прибора восстанавливается.

А вот тепловой пробой, напротив, необратим и возникает при избыточном токе прямого (реже обратного, возникшего уже после электрического пробоя) направления и влечет за собой разрушительного изменения в кристалле полупроводника в результате сильного локального перегрева p-n перехода, неспособного пропустить через себя большое количество заряженных частиц.

Суть здесь такова, что пока не созданы условия для возникновения теплового пробоя — полупроводник работает. Повторюсь, что в общем то не важно какое абсолютное значение имеет ток через него протекающий. Он может быть очень большим! Главное, что бы наш диод не успел перегреться. В паспорте на любой диод указываются два максимально допустимых параметра: Максимальный прямой ток Iпр mzx и Максмальное обратное напряжение U обр макс, для длительного воздействия постоянным током, которые при стандартных условиях эксплуатации гарантированно не приведут ни к электрическому, ни к тепловому пробою.

Поэтому для исследования степени воздействия переменного напряжения ЭТ на светодиоды мы оттолкнемся от постулата, что любое длительное импульсное воздействие тока можно привести к такому значению постоянного тока, при котором работа, совершаемая светодиодом под воздействием импульсного тока, будет идентична работе при постоянно токе.

Как же мы оценим производимую светодиодом работу? Да очень просто. Светодиод под действием протекающего через него тока совершает работу по выделению световой энергии и тепловой. А эти два параметра мы как раз очень легко можем замерить и сравнить для обоих видов тока, а значит определить, как сильно нагружает светодиод выходное напряжение ЭТ по сравнению со стандартным 12 В стабилизатором.

Для оценки световой энергии излучаемой отдельным рабочим участком СД ленты я снял зависимость освещенности от напряжения питания. Освещенность замерялась на расстоянии 10 см от излучателей (Рис 7).

Рис. 7

Таким образом, на данном этапе, у нас все готово для того, что бы получить ответ на второй и третий вопросы нашего исследования.Приступим. Для начала исследуем выходное напряжение нашего ЭТ: Рис. 8

Сразу скажу, что использовать бытовой электронный тестер-ампервольтметр для измерения амплитуды напряжения такой формы нельзя. Он рассчитан на измерение строго гармонического колебаний, а в нашем случае он будет очень сильно врать, ибо мы имеем дело с переменным импульсным напряжением промодулированным по амплитуде удвоенной частотой промышленной частоты. Частота модуляции 100 Гц, частота заполнения: 10КГц — двунаправленный меандр, амплитуда сигнала Uа = 18 Вольт. Отдельных выбросов амплитудой более 18 В осциллограф не зафиксировал. Так как заполнение меандр, то действующее значение напряжения будет целиком подчиняться закону модулирующего сигнала, а поэтому в нашем случае Uдейст =Uа/√2= 18/1,41 = 12,7В. Именно поэтому в паспорте на ЭТ указано, что выходное напряжение составляет ~12В.

Глядя на эпюры и сопоставляя их с ТТХ и ВАХ становится ясно, что при действии прямого тока на СД, мы едва ли выйдем за пределы допустимых параметров. Заявленный предельный прямой импульсный ток для одиночного СД в 60 мА достижим только при Uпр > 3,9 В, т.е. при напряжении питания на ленте более 20 В (см. вольт-амперные характеристики), но таких значений мы, как видим все равно не достигаем. С другой стороны, легко видно, что длительность воздействия напряжения свыше упомянутых и совершено безопасных 15,5 В (при которых ток через СД не более 30 мА) составляет не более 8% от общего времени питания от рассматриваемого ЭТ. Думаю едвали это опасно для СД. Ок. Запомним. Проверим чуть позже.Теперь прикинем, не выйдем ли мы за пределы допустимого обратного напряжения и при воздействии обратного полупериода напряжения. В этом случае сопротивлением R в триаде можно пренебречь, Uа (18В) равномерно распределится по СД в триаде, и амплитудное значение напряжения на диода составит 6 В, что больше заявленных 5В. Но, длительность превышения опять не превысит 8% от общего времени работы СД, и второе, что меня очень сильно смутило, это то, что допустимое обратное напряжение, во всех даташитах как то уж очень подозрительно одинаково для разных серий светодиодов. Оно всегда равно 5В. Ок. Запомним и это и начнем подводить первые итоги.

Итак, теоретически, при прямом полупериоде мы не должны превысить прямых токов для СД, а при обратном полупериоде, превышение заявленного допустимого обратного напряжения мало, — как по продолжительности воздействия, так и по абсолютному значению.

Ну что, же теперь пора проверить наши выводы на практике. Давайте практически оценим световую и тепловую отдачу. Если свет и тепло выделяемые лентой не превысят тех, что выделяются при питании от стандартного источника питания для СД лент, то значит наш положительный теоретический вывод будет подтвержден.

Запитав ленту от ЭТ встречно параллельно измеряем светоотдачу единичного рабочего участка ленты из трех излучаетелей и сравниваем значения с характеристикой на Рис. 7. Люксметр фиксирует значения на уровне 970–990 люкс, что соответствует питанию ленты от источника напряжения чуть ниже 10 В!!! Нагрев ленты оказался ничтожны и через 1 час работы не превысил 35 градусов Цельсия, при температуре окружающего воздуха 25°C. В аналогичных условиях, но при питании постоянным током Uпр=12В, лента нагревалас до 49°C, а создаваемая освещенность составляла около 2000 Люкс. Эти результаты совершенно однозначно говорят о том, что несмотря на все маркетологические увещевания, полупроводник при питании от ЭТ работает в недогруженном режиме и ожидать его скорой смерти едва ли приходится. Кстати, посмотрев на Рис. 9, и произведя замеры площадей фигур светло синего и кирпичного цветов можно понять, почему именно СД светятся так, будто питаются от 10В. Дело в том, что светло-синяя фигура характеризует условия, при которых СД лента совершает полезную работу (помним, что это происходит при Uпит > 7 Вольт). Светло-коричневая фигура за вычетом светло-синей — это условия, при которых СД лента простаивает — не работает! Соотношение их площадей как раз 10 к 8. Все сходится, однако, хе-хе.

Рис. 9

И тем не менее, на фоне положительного ответа второй вопрос нашего исследования, мысль о пусть и незначительном, но все же превышении допустимого обратного напряжения мне не давала покоя. Короче, я решил по жесткому: подключил ленту к источнику постоянного тока и плавно увеличивая обратное напряжение стал ожидать, когда же милливольтметр зафиксирует электрический пробой. Доведя обратное напряжение на отдельном светодиоде почти до 20 Вольт я так и не добился пробоя. Обратный ток при этом не превышал 15 мкА. Оставив все это дело почти на сутки — я убедился, что ничего с излучателями не случилось, а уж видимо от коротких импульсных воздействий 6В против 5В и подавно ничего не должно произойти в обозримой перспективе.

Конечно, надо признать… Конечно, я признаю, что это, пожалуй, самый спорный момент в моём исследовании, но практический результат, есть опыт более ценный, чем математические расчеты. Ведь опыт есть отражение сути, а теория это всего лишь попытка эту суть просчитать в мозгах.

Выводы и ответ на третий вопрос Использовать ЭТ от галогенок для питания светодиодных лент можно и похоже это вовсе не скажется на долговечности работы СД лент и источников света. Скорее даже наоборот скажется, но служить они будут дольше. Наверное. Пока получается, что так. Незабудьте только про встречно параллельное включение и равенство плеч.Теперь главный вопрос не в том, что — можно ли? Вопрос в том, — А стоит ли? Ответ следующий — если вы собираете смонтировать систему освещения с нови, то наверное не стоит. Так дешевизна ЭТ будет перекрыта покупкой большего количества, либо большей мощности светодиодов, ведь при 10 В световой поток создаваемый СД лентой в два раза меньше того, что имеем при 12В (см. Рис. 7)

Питание от ЭТ оправдано в случаях, когда:

— у вас уже есть действующее световое решение на галогенках, и вам хотелось бы без дополнительных затрат на БП и лишних проводов поставить еще и светодиоды. У меня, например, так на кухне сделано;  — у вас остались незадействованные ЭТ (коих сейчас будет высвобождаться все больше и больше), а требования к мощности планируемого освещения не велики;  — когда у вас созрело решение заменить галогеновые лампы на светодиодные, а изменения в проводку внести по каким то соображениям не получается. Спасибо.

© Habrahabr.ru