Расчет конденсатора для светодиодов

Область применения

Сферы применения светодиодных светильников на батарейках разнообразны:

• декоративное освещение архитектурных сооружений;
• освещение улицы в темное время суток;
• ландшафтная подсветка цветочных клумб и садовых дорожек;
• освещение комнат с отсутствием проводки (дачные постройки);
• подсветка въездных путей, веранды, беседки и многое другое;
• аварийное освещение на предприятиях – включается редко и используется для разметки эвакуационных путей во время чрезвычайных ситуаций.

В плане дизайна автономные источники света намного разнообразнее стандартных. Их стилизуют буквально под все – растения, животных, украшения, полоски. Они украшаются цветами, звездочками и другими красивыми фигурками. Большинство приборов имеют несколько режимов функционирования, что позволяет создавать интересные световые эффекты – плавные переходы между уровнями яркости, мерцание, мигание и т. п. Таким образом, еще одна область применения – создание атмосферы на праздниках и торжествах.

Уровень защиты

Уровень защиты имеет аббревиатуру IP с двузначным числом. Первая цифра может варьироваться 0-6, вторая 0-8.

Значение первой цифры:

• 0 – отсутствие защиты, большая вероятность постороннего вмешательства;
• 1 – малая защита тыльной стороны;
• 2 – защита от проникновения человеческих пальцев;
• 3 – защита от проникновения более мелких деталей (отверток, кабеля);
• 4 – защита от мелких элементов;
• 5 – защищенность от мелкого проникновения, частично от пыли;
• 6 – полная изоляция, в том числе от пыли.

Значение второй цифры:

• 0 – полная незащищенность;
• 1 – защита от капель, мелкого дождя;
• 2 – от прямого дождя;
• 3 – от дождя, падающего под углом 60 градусов;
• 4 – от мелких брызг во всех направлениях;
• 5 – защищенность от мелкого водяного проникновения;
• 6 – полная изоляция от проникновения воды при течении;
• 7 – допустимо погружение в воду до получаса;
• 8 – полная водонепроницаемость.

Например, прибор с обозначением степени защищенности ip44 имеет защищенность от всех элементов, кроме пылевых отложений, и проникновения брызг воды во всех направлениях.

Какими бывают литиевые аккумуляторы

В зависимости от того, из какого материала изготовлен положительный электрод литиевого аккумулятора, существует их несколько разновидностей:

• с катодом из кобальтата лития;
• с катодом на основе литированного фосфата железа;
• на основе никель-кобальт-алюминия;
• на основе никель-кобальт-марганца.

У всех этих аккумуляторов имеются свои особенности, но так как для широкого потребителя эти нюансы не имеют принципиального значения, в этой статье они рассматриваться не будут.

Также все li-ion аккумуляторы производят в различных типоразмерах и форм-факторах. Они могут быть как в корпусном исполнении (например, популярные сегодня 18650) так и в ламинированном или призматическом исполнении (гель-полимерные аккумуляторы). Последние представляют собой герметично запаянные пакеты из особой пленки, в которых находятся электроды и электродная масса.

Наиболее распространенные типоразмеры li-ion аккумуляторов приведены в таблице ниже (все они имеют номинальное напряжение 3.7 вольта):

Внутренние электрохимические процессы протекают одинаково и не зависят от форм-фактора и исполнения АКБ, поэтому все, сказанное ниже, в равной степени относится ко всем литиевым аккумуляторам.

К каким батарейкам можно подключать светодиод?

В принципе, просто зажечь светодиод, можно от любой батарейки. Разработанные радиолюбителями и профессионалами электронные схемы позволяют успешно справиться с этой задачей. Другое дело, сколько времени будет непрерывно работать схема с конкретным светодиодом (светодиодами) и конкретной батарейкой или батарейками.

Для оценки этого времени следует знать, что одной из основных характеристик любых батарей, будь то химический элемент или аккумулятор, является емкость. Емкость батареи – С выражается в ампер-часах. Например, емкость распространенных пальчиковых батареек формата ААА, в зависимости от типа и производителя, может составлять от 0.5 до 2.5 ампер-часов. В свою очередь светоизлучающие диоды характеризуются рабочим током, который может составлять десятки и сотни миллиампер. Таким образом, приблизительно рассчитать, на сколько хватит батареи, можно по формуле:

T= (C*U_бат)/(U_раб.led*I_раб.led)

В данной формуле в числителе стоит работа, которую может совершить батарея, а в знаменателе мощность, которую потребляет светоизлучающий диод. Формула не учитывает КПД конкретно схемы и того факта, что полностью использовать всю емкость батареи крайне проблематично.

При конструировании приборов с батарейным питанием обычно стараются, чтобы их ток потребления не превышал 10 – 30% емкости батареи. Руководствуясь этим соображением и приведенной выше формулой можно оценить сколько нужно батареек данной емкости для питания того или иного светодиода.

Выбор подходящей модели

Перед тем как выбрать определенную модель светильника обращают внимание на основные параметры:

• Время работы от одного заряда при автономном режиме. Самые дорогие варианты способны питать светодиоды на протяжении 3,5 часа.
• Если нет возможность постоянно следить за уровнем заряда, выбирайте модели, функционирующие в режиме рабочего и аварийного освещения. Они постоянно подключены к сети, но во время сбоев срабатывает встроенный аккумулятор.
• Как крепить прибор: на стену, подвесить на потолок и сделать выносное табло. Это зависит от особенностей помещения.
• Степень защищенности. В офисах достаточно минимальной защиты от пыли и влаги.
• Яркость и цветопередача светового прибора. В любом месте помещения должно быть хорошо видно аварийное освещение. Для этого проводятся специальные расчеты и в согласии с полученными данными приобретается оборудование.

Предлагаем рассмотреть некоторые популярные модели светодиодных аварийных светильников.

ЕНР2-01

Конструкция сделана специально для подвешивания к потолку на тросы. Табличка маркируется либо рисунком с указанием направления движения, либо с надписями «выход», «запасной выход» и т. д. Для освещения встроена батарея на 1,5 часа автономной работы. Мощность ламп всего 2 ватта, но этого достаточно, чтобы увидеть информацию на расстоянии. Подобная конструкция имеется у прибора с маркировкой ЕНР3-02. Единственное отличающийся показатель — мощность, она составляет 3 Вт.

Светодиодный светильник EHP 2-01

ЕНР5-03

Относится также к светодиодным осветительным приборам, работающим от батареи. Однако, на корпусе нет надписей или рисунков с инструкциями. Его цель заключается в том, чтобы давать достаточное количество света пока останавливается опасное производство. Корпус устройства может быть закреплен как на потолке, так и на стене. Дополнительная ручка и встроенная батарея позволяет переносить прибор.

Совместная работа с датчиками движения

Наличие датчиков движения существенно упрощает эксплуатацию автономных светодиодных светильников без проводов. Включение лампы происходит только в тех ситуациях, когда прибор фиксирует движение объекта в рабочей области. Установить устройство можно в любом месте. Для коридоров идеальным вариантом станет размещение датчика над входом, причем времени между включением и отключением при отсутствии движения должно быть достаточно для того, чтобы вошедший в коридор человек покинул его через выход на другом конце.

С другой стороны, подобный источник света можно эксплуатировать в целях безопасности. Установите его на улице, около входных ворот, и всегда будете знать, если кто-то находится возле них.

Основные особенности светильников на батарейках с датчиком движения:

• угол действия варьируется от 45 до 360 градусов. Прибор может и вовсе вращаться вокруг своей оси;
• монтаж возможен на лестницах, стенах, шкафах, тумбах, холодильниках;
• высокая защита от влаги, пыли, перепадов температуры;
• изготавливаются из экологически безопасных материалов;
• долговечны.

Наличие в доме или квартире автономных источников света, особенно дополненных датчиками движения, улучшает условия для проживающих в ней людей. Кроме того, автоматизированные системы на батарейках позволяют экономить на потреблении электроэнергии. Если несколько лет назад позволить их себе могли далеко не все, то сегодня их может купить каждый третий житель страны.

Назначение блока питания

Выбирая комплект светодиодной ленты для оформления интерьера, следует учитывать его особенности. Подключать напрямую в розетку, как простую лампочку, прибор нельзя, поскольку напряжение ленты не 220в, а при ее включении в обычную розетку она перестанет действовать.

Если лампа накаливания питается от сети 220в, то для понижения напряжения в стандартной сети до 12 либо 24 вольта необходим блок питания для светодиодной лампы. Существуют несколько видов таких устройств.

Блок питания для светодиодных лам. Преимущество устройства состоит в минимальных размерах, а из недостатков можно выделить:

• высокую цену;
• затрудненный теплообмен;
• ограничение мощности (устройств для освещения 12в 100вт и более не бывает).

Дорогостоящая модель блока питания светодиодного светильника имеет корпус из алюминия. Среди достоинств этого трансформатора можно выделить:

Сфера использования этого прибора связана с внешней световой рекламой. Благодаря наличию алюминиевого корпуса обеспечивается нормальный теплообмен. Источник питания устойчив к отрицательному воздействию разных факторов:

• влаги;
• резких температурных перепадов;
• прямых солнечных лучей.

Бп открытого типа является бюджетным вариантом, пользующимся особой популярностью. Зачастую применяется при монтаже домашнего освещения с использованием светодиодных лент. Минусом являются размеры прибора, которые могут в 2 раза превышать предыдущие варианты.

Сетевой компактный блок питания для светодиодных ламп — это устройство миниатюрных размеров с мощностью не более 60Вт, включение которого не требует установки. Устройства просты в применении, поскольку ленты подключаются к блоку питания, а затем включаются в розетку.

Схема и принцип её работы

Схема питания светодиода от батарейки на 1,5В представлена на рисунке.

Схема питания светодиода от одной батарейки работает по принципу блокинг-генератора. Формирование импульсов осуществляется за счет отпирания транзистора и перехода его в режим насыщения при помощи положительной обратной связи. Выход из насыщения происходит за счет уменьшения тока базы. Транзистор закрывается, и энергия трансформатора сбрасывается в нагрузку. В результате светодиод вспыхивает на короткий промежуток времени.

Теперь более детально рассмотрим работу схемы, представленной на рисунке. Известно, что ток в катушке индуктивности не может измениться мгновенно. Сначала, в момент подачи напряжения от батарейки транзистор находится в закрытом состоянии. Постепенное нарастание тока в коллекторной, а затем и в базовой обмотке, приводит к плавному отпиранию транзистора. Это приводит к росту тока коллектора, который протекает и через коллекторную обмотку. Данное увеличение тока трансформируется в базовую обмотку и ещё больше увеличивает ток базы.

В результате такого лавинообразного процесса в транзистор входит насыщение. В режиме насыщения коллекторный ток перестаёт нарастать, а значит, напряжение на базовой обмотке станет равным нулю. Это приведёт к снижению тока базы и выходу транзистора из насыщения. Напряжение на базовой обмотке меняет полярность, что способствует практически мгновенному запиранию транзистора. В результате вся накопленная энергия устремляется в нагрузку. Светодиод вспыхивает и пропускает через себя ток, который уменьшается от значения тока коллектора до нуля. На этом временном интервале в трансформаторе происходит обратный блокинг-процесс, который приводит к очередному отпиранию транзистора. Далее цикл повторяется.

Схема работает на частоте в несколько десятков килогерц. Поэтому тысячи вспышек в секунду воспринимаются человеческим глазом как постоянное свечение. Но схему можно немного доработать, исключив провалы тока через светодиод до нуля, и добавив в неё сглаживающий конденсатор и диод. Конденсатор С1 соединяют параллельно светодиоду, соблюдая полярность, а диод VD1 – последовательно, в цепь протекания тока нагрузки. VD1 предотвращает разряд конденсатора на открытый транзистор.

Подключение светодиода к батарейке, согласно данной схеме, требует соблюдения одного правила: нельзя включать собранное устройство без нагрузки (может сгореть транзистор).

Популярные модели

На современном рынке большое разнообразие автономных светодиодных светильников. Перечислим несколько популярных моделей:

1. OSCAR-10 – оснащены металлическим корпусом и используются в системах освещения Downlight. Экономны, хорошо защищены от пыли и влаги.
2. YG-6820 – приборы для аварийного освещения помещений в жилых, административных и коммерческих зданиях. Размещаются на горизонтальных и вертикальных поверхностях методом накладного или подвесного монтажа.
3. SL788-B – модель, характеризующаяся высокой яркостью и работающая на SMD-светодиодах. В комплекте могут идти датчик движения и пульт дистанционного управления.

Описание и работа схемы

По даташиту модуль контроллера заряда держит до 6,8 Вольт напряжение по входу – сгореть не должен. Если аккумулятор новый, можно купить под него кейс-панельку. Это позволит быстро заменять аккумуляторы или извлекать их на зиму.

Итак, солнечная панель выдаёт в пике примерно 320 мА в час. С потерями на зарядном модуле пусть будет 250 мА приходящих на аккумулятор. За летний день, в идеале, возможно запасти более 2000мАч на аккумуляторе, если, конечно, у него достаточная ёмкость. Не все дни солнечные, поэтому, пусть будет 1000мАч. Исходя из этой цифры соберём светильник. Он должен работать от 4 Вольт и потреблять не больше 300 мА.  Соответственно нужны светодиоды с малым напряжением (2 Вольта). Можно и на 3 Вольта, но тогда гореть будут не во всю мощь.

Подобные светодиоды на 2 Вольта  нашлись в одной из перегоревших светодиодных ламп. Там были SMD светодиоды, напряжением 2,2 Вольта и током потребления примерно 30мА.

В сборе все это выглядит примерно вот так:

вольтметр и выключатель

Солнечная панель была прикреплена с внутренней стороны окна маленьким уголком и герметиком. Конечно, угол наклона и ориентация панели по солнцу не идеальные, но свои 5 вольт и минимум 100-150 мА она выдает с лихвой.

В качестве корпуса для светодиодной сборки был выбран неисправный кухонный электролюминесцентный светильник. Все лишние внутренности были выброшены. Получилось вполне цивилизованно.

При подаче напряжения  4 вольта с аккумулятора, светильник потребляет меньше 160мА. Это означает, что у собранной нами системы положительный электрический баланс – энергии вырабатывается больше чем тратится. Следовательно, в перспективе можно добавить светодиодов на светильник, либо какие-нибудь ещё потребители электроэнергии. По себестоимости подобный светильник выходит немного дешевле китайской аналогичной конструкции, однако по характеристикам будет его превосходить.

Обслуживание и контроль работоспособности

Отличительная черта – наличие аккумулятора.

При вводе в эксплуатацию, батарею надо зарядить в течение 24 часов. В дальнейшем, даже если не возникло потребности во включении, требуется проработка в аварийном режиме, пока батарея полностью не сядет. Время до полной разрядки фиксируется и если оно отличается от показателей, указанных в паспорте более, чем на 30 процентов, то аккумулятор требует замены. Если все в порядке, то батарея снова заряжается.

Есть модели, на которых предусмотрено тестирование в режиме без отключения основного питания. Так намного легче проводить профилактику оборудования.