Где и как используется подключение светодиодных ламп на 12 вольт?

Чаще всего схемы, требующие подключить светодиоды 12 вольт, можно отнести к 2-м областям светотехники: автомобильной (замена ламп накаливания) или осветительной (альтернатива использованию галогеновых ламп). Каждый из случаев требует отдельного рассмотрения, а для домашнего потребления нужно также подбирать трансформатор под светодиод.

Светодиоды для автомобилей

Выбор напряжения для светодиодов (12В) в этом случае продиктован возможностями аккумулятора. Причем замена действующего освещения может касаться практически чего угодно: фар, поворотников, контрольных ламп, стоп-сигналов, подсветки внутри салона. Практически все действующие системы могут быть заменены схемами на светодиодах.

При этом важно помнить, что питание, которым характеризуется светодиод, разнится в зависимости от его основного цвета. В среднем номиналы приблизительно таковы:

• 3-3,8 Вольт – ультрафиолетовый, белый, синий и зеленый светодиод;
• 2-2,5 Вольт – красный светодиод;
• 1,2-1,9 Вольт – инфракрасный светодиод.

Следует помнить также о разбросе значений напряжения, свойственном всем полупроводникам. Это значит, что при расчете схемы нужно не только выбирать максимальное значение, но можно взять и небольшой запас, который в конечном итоге будет гарантировать работоспособность устройства.

Важно также не заступать за верхнюю границу напряжения. Если 4 светодиода на 2,8-3 вольт ещё будут стабильно работать, то при выборе номинала в 3,5 напряжения питания автомобиля банально не хватит.

Включение светодиодов обычно предполагает наличие в схеме резисторов, ограничивающих ток.

R= (Uп/Uled)/I, где:

• Uп – напряжение питания;
• Uled – падение напряжения светодиодов;
• I – общий ток.

Номинал резистора выбирается с небольшим запасом, а его мощность рассчитывается так:

P= IU, где:

•  I – общий ток;
• Uп – напряжение.

Схема подключения светодиодов к источнику питания на 12В может реализоваться разными способами. Последовательно соединенные светодиодные лампы могут быть подключены к одному или нескольким ограничительным резисторам.

Пример: Допустим, что напряжение автомобиля составляет 12В при выключенном двигателе и 14 вольт при включенном. Выберем белые светодиоды с напряжением 3, 2 вольт и номиналом тока 0,02 А.

Для отдельного резистора

R=(15-3,2)/0,02= 590 Ом – можно принять за 600 Ом

Imax=(15-3,2)/600 = 20 мА;

Imax=(12-3,2)/600 = 14,6 мА;

P=(15-3,2)х0,02=0,24 Вт

Для разных резисторов

R=(15-3х3,2)/0,02= 270 Ом;

Imax=(15-3х3,2)/600 = 9 мА;

Imax=(12-3х3,2)/600 = 5,6 мА;

P=(15-3х3,2)х0,02=0,11 Вт

Важно обратить внимание, что изменение тока (яркость светодиода) существенно отличается в зависимости от режима работы (вкл/выкл). Можно также допустить несущественное отступление от рассчитанных номиналов, если был взят страховочный промежуток.

Светодиоды для домашнего освещения

Схемы на включение светодиодов под 12В часто реализуются именно при выборе нового или при переделке существующего домашнего освещения. Существует множество статей, доказывающих окупаемость замены светильников. И правда, мощность светодиодов, подключаемых к источнику на 12В обычно в десятки раз меньше, чем у обычных лампочек. Задача существенно усложняется тем, что необходимо подобрать нормальный трансформатор под светодиод, который будет менять обычное напряжение в сети на требуемые 12В.

На что следует обращать внимание, выбирая трансформатор? В первую очередь – на выходные характеристики. На каждом из устройств обычно есть обозначения, соответствующие типу рабочего напряжения. Светодиодные лампы на 4-5Вт имеют маркировку AC/DC. Якобы, их может питать трансформатор переменного и постоянного тока на 12В. Но на практике это не всегда так.

Кроме того, если выбирать трансформатор на 12В для домашнего пользования, можно уверенно советовать только те, которые обеспечивают именно постоянное напряжение.

Разницу между их работой не всегда можно увидеть, ведь в обоих случаях лампочки могут нормально гореть. Диоды (что верно и для светодиодов) пропускают полуволны напряжения и из-за этого могут пульсировать (коэффициент меняется в зависимости от количества полупериодов). Ученые считают, что такая пульсация может негативно повлиять на психику.

Выбирая трансформатор, можно рассмотреть следующие варианты:

• катушечный электромагнитный;
• электронные (ограничены минимальной нагрузкой);
• специальные под светодиод (могут быть водонепроницаемыми);
• составные (могут быть собраны из блоков питания от компьютерной техники, можно также попытаться найти готовый трансформатор).

Использование светодиодов на 12В для домашнего освещения не всегда представляется возможным. Например, при сборке гипсокартонных или натяжных потолков место под трансформатор обычно не отводится.

Замена галогенных и обычных ламп на светодиод может потянуть за собой множество осложнений, которые ставят под вопрос актуальность данной темы на сегодняшний день. Даже если откинуть ценовой аспект и потребность устанавливать трансформатор под светодиод, нельзя забывать также о потребности отведения тепла из зоны p-n перехода. При этом реальные показатели светоотдачи светодиодов обычно не превышают 40-50 люмен/Ватт (при сборке в стандартном корпусе).

Питание для светодиодов может быть обеспечено и при подключении к различным разъёмам, присутствующих на компьютерах и других устройствах.

За последние несколько лет светодиоды довольно сильно упали в цене, что существенно расширило их область применения. Они могут использоваться не только как составляющая систем освещения, но также входить в основу любительских схем и поделок. При этом радиаторы для светодиодов составляются грамотно вовсе не часто, хотя это один из основных способов охлаждения устройств. Своими руками собрать схему из светодиодов 1-10w не так уж сложно, а вот как сделать это грамотно – другой вопрос.

Что нужно знать при работе со светодиодами?

• Различия ламп накаливания и светодиодов довольно существенны. Они имеют две ножки (“+” и “-”), что делает их чувствительными к полярности, а также работают от постоянного напряжения.
• Расчет схемы со светодиодами должен включать в себя не только измерение напряжения, но также вычисление силы тока. Теоретически, напряжение может быть каким угодно, если при этом будет стабилизирована необходимая сила тока.
• Любые потребители электроэнергии имеют тенденцию нагреваться, но в случае светодиодов необходимо обеспечить систему охлаждения.

Производя расчет будущего устройства, нужно учитывать, что только 1/3 указанной мощности светодиода будет преобразована в световой поток (3-3,5 из 10w). Оставшаяся часть, к сожалению, перейдет в разряд тепловых потерь. Это число можно несколько понизить, используя радиатор.

Не стоит забывать также о том, что многократное перегревание светодиода в несколько раз уменьшает его время эксплуатации, которое может насчитывать десятки, а то и сотни тысяч часов для различных моделей и конструкций. Чтобы ресурсы не расходовались зря, схемы с использованием светодиодов должны включать в свою конфигурацию систему охлаждения основных элементов.

На сегодняшний день можно выделить 3 основных способа отведения тепла:

• через корпус устройства (не всегда реализуемо);
• через саму печатную плату (через её вспомогательные компоненты или дорожки, по которым проходит ток);
• через радиатор (можно припаять или приклеить на светодиоды или на плату, важно правильно подобрать его площадь).

Именно последний способ считается наиболее эффективным. При этом на работу самого радиатора влияет в основном количество и форма ребер.

Расчеты и величины

Расчет схемы начинается с подбора элементной базы. Номинал должен не только соответствовать возможностям проектируемого устройства, но, по возможности, не создавать дополнительных потерь, уменьшающих эффективность системы.

Популярность светодиодов на 1w предельно легко объяснить – они довольно неприхотливы, что практически до бесконечности расширяет область их применения. Казалось бы, увеличение мощности должно сказываться на яркости, но это не совсем так. Установка светодиода на 3w по характеристикам светового потока равняется монтажу 2-х светодиодов по 1w, но при этом увеличивает расход энергии (учитывать, правда, стоит и режимы работы устройства).

Использование сверхъярких светодиодов на 10w и выше или матриц от 10w окупает себя в основном при необходимости полноценно освещать сравнительно большую площадь. Объяснить это можно тем, что для небольшого пространства поток света большой концентрации может оказаться избыточным.

В случае пассивного охлаждения светодиодов, они могут закрепляться непосредственно на теплоотводах. Как радиатор можно использовать строительные медные или алюминиевые профили различного сечения (несложно собрать даже своими руками). При этом без обдува использование радиатора с большим количеством ребер вряд ли окажется эффективным.

Что принимать во внимание, монтируя радиатор:

• Учитывать стоит лишь площадь внешних элементов, внутренние ребра, вне зависимости от количества и величины, обычно обеспечивают не более 10-15% охлаждения;
• При вычислениях отталкиваться можно от соотношения 1w на 20 см² (при этом минимальная толщина стенки для не менее 1-2 мм для 1 w, 2-3мм для 3 w, 4-6 мм для 10w сверхъярких диодов и 10w матриц);
• Температура основания светодиода не должна подниматься выше 50ºС (при достижении отметки в 80ºС люминофор начинает деградировать, тем приводя к поломке светодиода);
• Собирая схему своими руками, можно попытаться найти радиатор от старых советских элементов (транзисторов, материнских плат), что существенно облегчит поставленную задачу;
• Если чертеж устройства позволяет, можно использовать светодиоды, изначально прикрепленные к основанию произвольной формы. Находящиеся на них контактные площадки (2-4 и больше) не только упрощают спайку, но также значительно уменьшают нагрев светодиодов;
• При монтаже светодиода на радиатор проще всего использовать термоклей (клей, устойчивый к воздействию температур, а не состав для термопистолета). Подойдет также быстросохнущая полиэфирная оксидная смола (можно найти в авто-магазинах).

Правильно собрать схему для освещения своими руками – довольно просто. Нужно учитывать некоторые особенности светодиодов, подобрать соответствующий радиатор, предварительно сделав расчет и вычислив его площадь. Радиаторы можно приобрести также в специализированных отечественных или зарубежных магазинах. Готовые охладители хороши тем, что они практически идеально подходят для монтажа. С другой стороны, стоимость покупного радиатора делает собственноручную сборку устройств довольно затратной.