Освещение помещений последовательно соединёнными светодиодными лампами

Рейтинг:  0 / 5

Подробности

Категория: освещение

Опубликовано: 20.04.2019 10:38

Просмотров: 2005

А. Карпачев, г. Железногорск Курской обл.
Сегодня существует тенденция замены ламп накаливания более экономичными и долговечными светодиодными лампами. В обычных люстрах и светильниках дксэл 250 это сделать несложно. Но заменить светодиодными софитные лампы накаливания в открытых точечных светильниках не так просто. Светодиодные лампы с необходимыми параметрами, размерами и внешним видом на прилавках магазинов можно найти далеко не всегда. Если же предполагается регулировать яркость освещения, то найти подходящие для этого светодиодные лампы ещё сложнее, да и стоят они значительно дороже, чем не допускающие регулирования. Хочу предложить вариант освещения помещений с последовательным соединением нескольких светодиодных ламп. Предварительно нужно удалить из этих ламп их собственные драйверы. Затем, соединив все лампы последовательно, запитать их от общего источника стабилизированного тока.

Конечно, чтобы заменить параллельное соединение ламп последовательным, потребуется переделка проводки. Но в результате появятся новые возможности, недоступные при параллельном соединении. Во-первых, можно будет одновременно регулировать их яркость. Во-вторых, реализовать "дежурное" освещение, при котором через лампы течёт очень маленький ток — такой, чтобы яркость освещения была достаточной для перемещения по комнате или квартире, но не мешала отдыхать. В-третьих, в режиме максимальной яркости можно установить ток через лампы меньше того, который протекал через них при питании от собственных драйверов. Это увеличит срок службы светодиодов в лампах и компенсирует расходы на переделку проводки.
Конечно, минусом этого предложения можно считать то, что при выходе из строя хоть одной лампы или самого блока питания погаснут все лампы. Но после предлагаемого уменьшения тока на 10...20 % (что лишь незначительно снижает яркость свечения) они перестанут не только терять яркость в результате деградации светодиодов, но и выходить из строя до истечения обещанного изготовителем срока службы. Подключать блок питания решено через разъём, чтобы можно было оперативно отремонтировать его или заменить запасным.
В результате экспериментов было установлено, что плавная регулировка яркости от нуля до максимума совершенно не нужна. Вполне достаточно двух режимов: максимальной яркости для чтения и других занятий и неяркой подсветки для просмотра телепередач или подготовки ко сну. Все другие градации яркости освещения, скорее всего, не будут использованы. Поэтому было решено отказаться от плавной регулировки яркости, а режимы освещения переключать обычным двухклавишным выключателем.
По предлагаемому способу я выполнил освещение двух комнат. В них использованы разные блоки питания, поскольку применены неодинаковые по конструкции и параметрам светодиодные лампы.
Для первой комнаты были приобретены шесть светодиодных ламп с рабочим напряжением 12 В и мощностью 3,5 Вт. Их разборка показала наличие драйвера. Чтобы определиться с параметрами блока питания, были измерены выходные напряжение и ток драйверов нескольких ламп. Они оказались равными приблизительно 6,6 В и 440 мА. Понятно, что блок питания последовательно соединённых светодиодных узлов шести таких ламп должен обеспечивать стабилизированный ток 380...400 мА при напряжении 36...40 В.
Для второй комнаты я приобрёл десять светодиодных светильников, предназначенных для установки в гипсокартонные потолки. У каждого из них имелся свой выносной блок питания с напряжением 12В и током 160мА. В этом случае общий блок питания должен был обеспечить стабилизированный ток 130...150 мА при напряжении 120...125 В.
Схема блока питания для светодиодных ламп в первой комнате представлена на рис. 1. В нём применён электронный трансформатор для 12-вольтных галогенных ламп. Ограничитель тока собран по простой и широко известной схеме на линейном интегральном стабилизаторе напряжения LM317T. Преимущество такого ограничителя — простота, отсутствие помех и небольшое число используемых деталей. Но есть и недостаток. При входном напряжении более 37 В он боится короткого замыкания нагрузки, потому что всё выходное напряжение выпрямителя при этом оказывается приложенным между входом и выходом микросхемы-стабилизатора и выводит её из строя.
Сетевое напряжение поступает на электронный трансформатор U1 при замыкании выключателя SA1.2. Если выключатель SA1.1 при этом разомкнут, симистор VS1 остаётся закрытым, обмотка реле К1 обесточенной, а его контакты К1.1 разомкнутыми. Ток светодиодных ламп ограничен резистором R6 на уровне, значительно меньшем порога ограничения узла на микросхеме DA1. Это режим пониженной яркости.
При замыкании выключателя SA1.1 (если SA1.2 уже замкнут) симистор VS1 открывается, реле К1 срабатывает, шунтируя контактами К1.1 резистор R6. Через светодиодные лампы теперь течёт ток, ограниченный микросхемой DA1. Это режим максимальной яркости. Симистор применён для того, чтобы не возникала ситуация, когда после размыкания выключателя SA1.2 свет гаснет, но обмотка реле К1 остаётся под током, если выключатель SA1.1 забыли разомкнуть.
Цепь C2R2 защищает симистор от ложных открываний под действием импульсных помех, возникающих в сети при включении и выключении различных электроприборов. Номиналы её элементов придётся, возможно, подбирать экспериментально. Сопротивление резистора R2 может лежать в пределах от 47 до 470 Ом, а ёмкость конденсатора С2 — от 0,01 до 1 мкФ. Конечно, можно обойтись и вообще без симистора, но для этого придётся изменить подключение проводов к выключателю SA1. Такой вариант схемы блока питания представлен на рис. 2.

На первый взгляд, кажется, что вариант с симистором вообще не нужен, но это не совсем так. Если при установке блока питания, собранного по схеме рис. 2, перепутать провода, идущие от выключателя SA1 к сети и к плавкой вставке FU2, работа устройства покажется нормальной. Однако при замкнутом выключателе SA1.1 и разомкнутом SA1.2 обмотка реле К1 останется под током. И выяснится это лишь по излишнему потреблению электроэнергии или по нагреву корпуса реле при выключенном освещении.
Электронный трансформатор для 12-вольтных галогенных ламп было решено применить для питания свето-диодов, поскольку у меня не оказалось обычного трансформатора достаточной мощности и небольших габаритов. Суммарная мощность, потребляемая светодиодными лампами, в рассматриваемом случае невелика, около 20 Вт, поэтому подойдёт даже 40-ваттный электронный трансформатор. Но переделывать его из-за маленьких габаритов будет не очень удобно. Лучше взять электронный трансформатор мощностью 80 Вт, оснащённый трансформаторами большего размера, наматывать на которые дополнительные витки будет легче. В таком электронном трансформаторе установлены довольно мощные транзисторы MJE13005, MJE13007 или даже MJE13009, которым дополнительный теплоотвод не потребуется.
Прежде всего, в электронном трансформаторе следует заменить цепь обратной связи по току цепью обратной связи по напряжению, чтобы он мог работать и при небольшой нагрузке, когда светодиодные лампы светят с пониженной яркостью. Цепь обратной связи по току представляет собой просто провод, пропущенный в окно магнитопровода трансформатора Т1, выполненного на ферритовом кольце диаметром около 5 мм. Отпаяйте один конец этого провода от печатной платы, вытащите его из окна магнитопровода и снова припаяйте на прежнее место.
Чтобы создать цепь обратной связи по напряжению, возьмите отрезок обычного монтажного провода и одним его концом намотайте два витка на магнитопроводе трансформатора Т1, а другим концом — два витка на магнитопроводе трансформатора Т2. Свободные концы провода соедините одно-, двухваттным резистором R_oc сопротивлением 6,8 Ом. Затем включите электронный трансформатор в сеть и измерьте напряжение на его выходе без нагрузки. Если напряжение отсутствует, измените направление намотки дополнительных витков на одном из двух трансформаторов.
Параллельно выходу не показанного на схемах рис. 1 и рис. 2 высоковольтного выпрямительного моста электронного трансформатора желательно подключить в нужной полярности оксидный конденсатор ёмкостью 10...20мкФ на 400 В.
Очень подробно подобная переделка электронного трансформатора описана в статье [1]. После неё он не только становится способным работать при очень малой нагрузке, но и перестаёт бояться короткого замыкания выхода — это несомненное достоинство.
Вторая необходимая переделка электронного трансформатора — удалить с его трансформатора Т2 имеющуюся вторичную обмотку, дающую выходное напряжение 12В. После этого намотать новую обмотку с отводом от середины (на рис. 1 и рис. 2 — обмотки II_а и II_б) на то напряжение, которое требуется в изготавливаемом устройстве. В рассматриваемом случае на выходе двухполупериодного выпрямителя на диодах VD1 и VD2 нужно получить напряжение около 40 В. Это значит, что в каждой из обмоток II_а и II_б должно быть в 40/12=3,33 раза больше витков, чем в удалённой вторичной обмотке.
Новые вторичные обмотки удобно наматывать одновременно сложенным вдвое и слегка свитым изолированным монтажным проводом. При этом дополнительная изоляция между первичной и вторичными обмотками не потребуется. Сечение провода вторичных обмоток "по меди" должно быть не менее 0,12...0,2 мм2. Конец обмотки II_а соедините с началом обмотки II_б — это будет средняя точка. Если же в свободном пространстве окна магнитопровода две вторичные обмотки не умещаются, намотайте одну с тем числом витков, что нужны в одной из двух, а выпрямитель соберите по мостовой схеме. Это увеличит число диодов в нём до четырёх и немного увеличит падение напряжения на диодах.
Применять в блоке питания электронный трансформатор вовсе не обязательно. При наличии стального магнитопровода подходящих размеров можно намотать обычный понижающий трансформатор и питать выпрямитель на диодах VD1 и VD2 от него.
Диоды FR106 можно заменить другими высокочастотными выпрямительными диодами с допустимым обратным напряжением не менее 100 В и максимальным выпрямленным током не менее 1 А. Например, диодами FR107, FR157, FR207, FR307 или диодами Шотки SR106, SR110, SR306, SR310, SR506, SR510. Подойдут и отечественные диоды КД213 с любым буквенным индексом.
Оксидные конденсаторы — К50-35 или подобные. Поскольку конденсатор С4 (СЗ на рис. 2) работает на частоте 50... 100 кГц, он должен иметь низкое эквивалентное последовательное сопротивление. Если прибора для измерения этого параметра нет, через 20...30 мин работы блока питания под полной нагрузкой проверьте температуру этого конденсатора. Если он заметно нагрелся, его лучше заменить другим.
Интегральный стабилизатор напряжения LM317T, который можно заменить отечественным КР142ЕН12А, установите на теплоотвод с площадью охлаждающей поверхности 50...100 см². Замена симистора МАС97А6 — MAZ00607, однако резистор R1 придётся подобрать, чтобы обеспечить надёжное открывание симистора.
Главное требование к реле К1 — его контакты должны выдерживать напряжение и ток цепочки светодиодных ламп. Исходя из рабочего тока обмотки реле, выбирают ёмкость конденсатора С1 (приблизительно 1 мкФ на каждые 60 мА тока). Это должен быть конденсатор К73-17 на указанное на схеме постоянное напряжение или аналогичный импортный.
В случае применения вместо указанного на схеме реле SRD-12VDC-SL-C реле SRD-24VDC-SL-C, обмотка которого рассчитана на вдвое большее напряжение и, соответственно, вдвое меньший ток, ёмкость конденсатора С1 должна быть уменьшена приблизительно во столько же раз по сравнению с его ёмкостью, указанной на схеме. Аналогично следует поступить, применяя другие реле.
Вместо выпрямительного моста КЦ407А подойдёт любой из КЦ402Б— КЦ402Г, КЦ402Ж, КЦ402И, КЦ405А— КЦ405Г, КЦ405Ж, КЦ405И. Можно собрать мост и из четырёх отдельных диодов с допустимым выпрямленным током не менее 100 мА и обратным напряжением не менее 300 В. Собрав блок питания, подключите к его выходу вместо светодиодных ламп резистор сопротивлением 65...80 Ом и мощностью 10...20 Вт через миллиамперметр. Включив устройство в сеть, замкните выключатели SA1.1 и SA1.2. Измерьте ток, текущий через нагрузочный резистор. Его значение зависит от сопротивления резистора R5 (R3 на рис. 2). Возможно, сопротивление этого резистора придётся подобрать и даже составить его из нескольких резисторов. Как уже было сказано, для увеличения срока службы светодиодов ток должен быть на 10...15 % меньше, чем при их питании от имевшихся в лампах драйверов. Я установил ток 380 мА.
Минимальную яркость освещения (при разомкнутом выключателе SA1.1) установите подборкой сопротивления резистора R6 (R4 на рис. 2).
После 20...30 мин работы блока в режиме максимальной яркости желательно проверить температуру теплоотвода стабилизатора DA1. Если он сильно разогрет, значит, напряжение между входом и выходом стабилизатора слишком велико. Чтобы интегральный стабилизатор не перегревался, разность напряжений на его входе и выходе при максимальном напряжении в сети (~252 В) не должна превышать 5...6 В, иначе потребуется применить более эффективный теплоотвод. Напряжение на входе стабилизатора при необходимости можно изменить, отмотав или домотав равное число витков обмоток II_а и II_б трансформатора Т2.
При налаживании ограничителя тока и его окончательном монтаже не забывайте, что при напряжении не входе микросхемы более 37 В короткие замыкания её выхода недопустимы.
Схема блока питания для второй комнаты представлена на рис. 3.

Поскольку здесь цепочке светодиодных ламп требуется сравнительно высокое напряжение, электронный трансформатор неприменим. Для гашения излишка сетевого напряжения пришлось использовать конденсаторы. Это значительно упростило блок. Яркость освещения было решено изменять, коммутируя гасящие конденсаторы С1 — С3.
Для предотвращения выхода из строя светодиодных ламп при пробое гасящих конденсаторов в блоке применена защита, описанная в статье [2].
В рассматриваемом случае узел защиты состоит из неуправляемых симисторов VS1—VS4, тринистора VS5, диода VD5 и резистора R4. Чтобы не повторяться, его описание здесь не приводится.
Когда замкнуты выключатели SA1.1 и SA1.2, все три гасящих конденсатора соединены параллельно и лампы светят с максимальной яркостью. При замкнутом выключателе SA1.1 и разомкнутом SA1.2 яркость несколько меньше, поскольку в цепь питания ламп включены только конденсаторы С1 и С3. Ещё меньше яркость станет, если разомкнуть выключатель SA1.1 и замкнуть выключатель SA1.2, оставив подключённым только конденсатор С2.
Однако вышесказанное не учитывает влияния на протекающий через светодиодные лампы ток узла на ОУ DA1.1 и составном транзисторе VT1VT2. Пока этот ток невелик, падение напряжения на резисторе R10 меньше напряжения, установленного на неинвертирующем входе ОУ подстроечным резистором R8. В этой ситуации напряжение на выходе ОУ близко к напряжению его питания, стабилизированного стабилитроном VD6. Поэтому составной транзистор VD1VD2 полностью открыт и на ток в цепи светодиодных ламп влияния не оказывает.
С увеличением тока (например, в результате повышения напряжения в сети или переключения гасящих конденсаторов) падение напряжения на резисторе R10 растёт. Когда оно приближается к напряжению на неинвертирующем входе ОУ, напряжение на выходе ОУ падает, в результате чего составной транзистор VT1VT2 частично закрывается, не давая току через лампы и резистор R10 превысить порог ограничения.
Рекомендуется установить подстроечным резистором R8 такой порог, при котором ток через светодиодные лампы немного меньше того, что протекал бы при замкнутых выключателях SA1.1 и SA1.2 в отсутствие ограничения и на 10...20 % меньше тока, допустимого для установленных в лампах светодиодов. В других положениях выключателей ток через лампы и яркость их свечения будут меньше, а рассеиваемая на составном транзисторе VT1VT2 мощность — незначительной.
Применённый ограничитель тока, в отличие от собранного на микросхеме
LM317T, не боится коротких замыканий нагрузки. Естественно, он может быть применён и в предыдущих вариантах блока питания.
Трудоёмкость изготовления этого варианта блока питания намного меньше, чем описанных выше блоков, поскольку в нём отсутствует релейный узел управления яркостью и требующий переделки электронный трансформатор. Ёмкость конденсаторов С1—СЗ лучше подобрать экспериментально. Я остановился на суммарной ёмкости 4 мкФ и применил импортные плёночные конденсаторы на постоянное напряжение 630 В.
Диоды 1 N4007 можно выпаять из неисправного балласта энергосберегающей лампы. Стабилитрон Д814Г допустимо заменить отечественными Д814Б, Д814В либо импортными 1N4739A— 1N4742A. Подстроечный резистор R8 желательно применить многооборотный, например СП5-1А. Транзистор MJE13003 необходимо установить на теплоотвод с площадью охлаждающей поверхности 50... 100 см². Он может быть заменён на MJE13005, MJE13007 или MJE13009. Все эти транзисторы можно найти в балластах энергосберегающих ламп. В качестве их замены подойдут отечественные высоковольтные транзисторы КТ812А, КТ812В, КТ826Б, КТ828А, КТ828Б, КТ838А, КТ840Б, КТ846В, КТ859А и им подобные.
Поскольку все детали блока питания с гасящими конденсаторами гальванически связаны с сетью, все замены и усовершенствования в нём следует делать только после полного отключения от сети. Кроме того, при всех работах необходимо соблюдать меры электробезопасности.
Налаживание блока начните, подключив к его выходу вместо ламп резистор сопротивлением 800...850 Ом мощностью 10...20 Вт и включённый с ним последовательно микроамперметр. Установите движок подстроечного резистора R8 в положение максимального сопротивления и замкните выключатели SA1.1 и SA1.2. Перемещая движок подстроечного резистора R8, установите порог ограничения тока нагрузки. Для увеличения срока службы ламп я ограничился током 130 мА.
Минимальную яркость освещения установите подборкой ёмкости конденсатора С2. Естественно, нужно помнить, что при этом общая ёмкость конденсаторов С1—СЗ должна оставаться примерно равной расчётному значению. Иными словами, после уменьшения ёмкости конденсатора С2 суммарную ёмкость конденсаторов С1 и СЗ нужно увеличить приблизительно на столько же.
Чтобы считать налаживание законченным, проверьте нагрев теплоотвода транзистора VT2 за 20...30 мин работы блока в режиме максимальной яркости. Если он излишне разогрелся, значит, суммарная ёмкость гасящих конденсаторов великовата и её необходимо уменьшить. Можно, не изменяя ёмкость, увеличить размер теплоотвода транзистора VT2. Но в этом случае существует опасность превысить допустимую для него мощность, рассеиваемую с теплоотводом.
Если ограничитель тока на ОУ и транзисторах будет применён в предыдущем варианте блока питания, необходимо уменьшить сопротивление гасящего резистора R5 до 2,5...3 кОм. Транзисторы VT1 и VT2 могут быть рассчитаны на меньшее напряжение. Но чтобы ограничитель не боялся замыканий выхода, допустимое напряжение коллектор—эмиттер транзисторов VT1 и VT2 должно быть больше, чем напряжение на выходе выпрямителя.
Исходя из того что блок питания с гасящим конденсатором представляет собой практически источник тока, его можно использовать для питания светодиодных ламп и без ограничителя тока. Схема такого блока показана на рис. 4.

По своим параметрам он соответствует предыдущему блоку (см. рис. 3), но гораздо проще его. Но есть недостаток — в режиме максимальной яркости при изменении напряжения в сети ток через светодиоды также меняется. Если при уменьшении напряжения ничего страшного со светодиодами не произойдёт, то при его увеличении ток может превысить допустимое для них значение.
Тем не менее такое питание свето-диодов возможно, если выбирать ёмкость гасящего конденсатора исходя из повышенного напряжения в сети. В этом случае при номинальном напряжении в сети ток и яркость свечения светодиодов будут ниже, но зато при повышении напряжения ток не превысит допустимого значения.
Впрочем, питание светодиодов током, меньшим максимального, есть главное условие их продолжительной безотказной работы. А небольшое снижение яркости можно компенсировать большим числом ламп.
При первом включении в сеть питать блок с гасящими конденсаторами нужно через лабораторный автотрансформатор (ЛАТР), на котором предварительно установить минимальное напряжение. К блоку следует подключить через миллиамперметр именно те светодиодные лампы, с которыми он будет работать в дальнейшем. Использовать вместо ламп нагрузочный резистор здесь нежелательно. Зависимость текущего через него тока от приложенного напряжения очень сильно отличается от такой же зависимости у светодиодных ламп. Поэтому полученные результаты окажутся неверными.
Чтобы не повредить светодиодные лампы, повышайте подаваемое на блок питания напряжение постепенно, начиная с минимального, и следите по миллиамперметру за текущим через лампы током. Когда ток достигнет значения, принятого за максимально допустимое, прекратите увеличивать напряжение и измерьте его на выходе ЛАТР. Если оно меньше 253 В (максимального, согласно стандарту, напряжения в сети), ёмкость гасящего конденсатора или конденсаторов, если их включено несколько, можно увеличить, если больше — её следует уменьшить.
Например, в моём случае в блоке, собранном по схеме рис. 4, очень удачно подошёл конденсатор К78-22 5в ёмкостью 3,6 мкФ с номинальным напряжением 450 В из люминесцентного светильника. При напряжении в сети 230 В ток светодиодов был равен 130 мА — тому же значению, на которое был настроен ограничитель тока в предыдущем варианте. При повышении напряжения до 253 В ток возрос всего до 160 мА.
Подробнее о типах конденсаторов, наиболее подходящих для работы в качестве гасящих, можно прочитать в источниках [2] и [3].
Разделять один конденсатор ёмкостью 3,6 мкФ на два конденсатора ёмкостью 1 мкФ и 2,6 мкФ я не стал, справедливо рассудив, что для того, чтобы получить ёмкость 2,6 мкФ, потребуется опять соединять несколько конденсаторов. Поэтому было решено применить последовательное соединение гасящих конденсаторов, которое изображено на схеме, а не параллельное, как в предыдущем случае. Уровень пониженной яркости остался вполне достаточным, хотя лампы в этом случае питаются через два соединённых последовательно конденсатора, общая ёмкость которых 0,78 мкФ, а не 1 мкФ, как в предыдущем случае.
Понятно, что при питании светодиодных ламп от блока питания без ограничителя тока при колебаниях напряжения в электросети изменится яркость их свечения. Но, во-первых, при небольших колебаниях напряжения изменение яркости субъективно незаметно. Во-вторых, то же самое происходит и с лампами накаливания, и с люминесцентными лампами, а мы этого и не замечаем. В-третьих, большие колебания напряжения в электросети, которые могут вызвать заметное изменение яркости ламп, довольно редкое явление. Во всяком случае, за шесть месяцев эксплуатации блока питания никаких колебаний яркости не наблюдалось. Естественно, речь идёт о городской квартире. В сельской местности или в гараже перепады напряжения происходят постоянно по причине включения и выключения сварочных аппаратов, обогревателей, станков и других мощных потребителей.
Хочу отметить, что если в выключателе имеется подсветка клавиш, то изображённый на рис. 4 вариант блока питания обеспечит ещё один режим освещения — "дежурный". Оказывается, светодиодным лампам достаточно тока в несколько миллиампер, чтобы они светились. В моём случае ток поступал через два индикаторных светодиода, установленных в выключателе. Хотя он был всего 3,6 мА, этого оказалось достаточно, чтобы все десять ламп заметно светились. Их свечение заметно даже днём, а ночью позволяет спокойно ходить по комнате, не натыкаясь на мебель, и выполнять различные простые действия, например, найти пульт от телевизора или сотовый телефон.
Но особенно полезно такое освещение в коридоре, кухне, туалетной и ванной комнатах. Ночью не приходится включать яркое освещение, которое после темноты вредно для глаз, а после его выключения человек на несколько секунд "слепнет". Кроме того, включённый ночью яркий свет обязательно разбудит и других членов семьи.
Впрочем, если кому-то эта подсветка будет мешать, можно подключить параллельно блоку питания конденсатор, подобрав его ёмкость в пределах 0,1...0,47 мкФ. И, наоборот, если в выключателе нет светодиодов, а требуется дежурное освещение, подключите параллельно контактам выключателя конденсатор или резистор мощностью 1...2Вт, подобрав их экспериментально.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дымов А. Подставка-регулятор для паяльника. — Радио, 2017, № 1, с. 29—31; № 2, с. 28-30.
2. Карпачев А. Высоковольтный сетевой блок питания с гасящим конденсатором и защитой. — Радио, 2018, № 6, с. 33—35.
3. Бирюкове. Расчёт сетевого источника питания с гасящим конденсатором. — Радио, 1997, №5, с. 48—50.
Радио №10, 2018