Správné schéma zapojení LED: Sériové nebo paralelní | Užitečné DIY

Nejsprávnější zapojení několika LED je v sérii. Nyní vysvětlím proč.

Faktem je, že určujícím parametrem jakékoli LED je její provozní proud. Je to proud procházející LED, který určuje, jaký bude výkon (a tedy jas) LED. Právě překročení maximálního proudu vede k nadměrnému zvýšení teploty krystalu a selhání LED – rychlému vyhoření nebo postupné nevratné destrukci (degradaci).

Hlavní je proud. Je to uvedeno v technických charakteristikách LED (datasheet). A v závislosti na proudu bude mít LED jedno nebo druhé napětí. Napětí lze nalézt i v referenčních údajích, ale většinou se uvádí ve formě určitého rozsahu, protože je podružné.

Podívejme se například na datový list LED 2835:

Jak vidíte, dopředný proud je jasně a jednoznačně indikován – 180 mA. Ale napájecí napětí LED při tomto proudu má určité rozdíly – od 2.9 do 3.3 voltů.

Ukazuje se, že pro nastavení požadovaného provozního režimu LED je nutné zajistit, aby jí protékal určitý proud. Proto k napájení LED diod musíte použít zdroj proudu, nikoli zdroj napětí.

Zdroj proudu (nebo generátor proudu) je zdroj elektrické energie, který udržuje konstantní proud zátěží změnou napětí na svém výstupu. Pokud se například zvýší odpor zátěže, zdroj proudu automaticky zvýší napětí, takže proud zátěží zůstane nezměněn a naopak. Zdroje proudu, které napájejí LED diody, se také nazývají ovladače.

Samozřejmě můžete k LED připojit stabilizovaný zdroj napětí (například výstup laboratorního zdroje), ale pak musíte přesně vědět, jakou hodnotu má napětí mít, abyste získali daný proud LED.

Například v našem příkladu s LED 2835 bychom na ni mohli aplikovat asi 2.5 V a postupně zvyšovat napětí, dokud se proud nestane optimálním (150-180 mA).

To lze provést, ale v tomto případě budete muset upravit výstupní napětí napájecího zdroje pro každou konkrétní LED, protože všechny mají technologické odchylky v parametrech. Pokud vám připojením k jedné LED 3.1V přicházel max. proud 180 mA, neznamená to, že výměnou LED za úplně stejnou ze stejné šarže ji nespálíte (protože proud přes ní při napětí 3.1V může snadno překročit maximální přípustnou hodnotu).

Kromě toho je nutné velmi přesně udržovat napětí na výstupu napájecího zdroje, což klade určité požadavky na jeho obvody. Překročení specifikovaného napětí o pouhých 10% je téměř zaručeno, že povede k přehřátí a selhání LED, protože proud překročí všechny představitelné hodnoty.

Zde je skvělá ilustrace výše uvedeného:

A nejnepříjemnější věc je, že vodivost jakékoli LED (což je v podstatě pn přechod) je velmi závislá na teplotě. V praxi to vede k tomu, že jak se LED zahřeje, začne proud skrz ni neúprosně narůstat. Chcete-li vrátit proud na požadovanou hodnotu, budete muset snížit napětí. Obecně platí, že bez ohledu na to, jak se na to díváte, se bez současné kontroly neobejdete.

Nejsprávnějším a nejjednodušším řešením by proto bylo použít k připojení LED proudový ovladač (aka zdroj proudu). A pak bude úplně jedno, jakou LEDku vezmeš a jaké na ní bude propustné napětí. Stačí najít ovladač pro požadovaný proud a je hotovo.

Nyní se vraťme k hlavní otázce článku – proč je zde sériové připojení a ne paralelní? Podívejme se, jaký je v tom rozdíl.

Paralelní připojení

Když jsou LED zapojeny paralelně, napětí na nich bude stejné. A protože neexistují dvě diody s naprosto identickými vlastnostmi, bude pozorován následující obrázek: přes nějakou LED poteče proud pod jmenovitou (a světlo bude tak tak), ale sousední LED poteče proud dvakrát vyšší než maximum a vyhoří za půl hodiny (nebo možná rychleji, pokud budete mít štěstí).

Je zřejmé, že takovému nerovnoměrnému rozdělení moci je třeba zabránit.

Aby se výrazně vyrovnalo rozšíření výkonnostních charakteristik LED, je lepší je připojit přes omezovací odpory. V tomto případě může být napájecí napětí výrazně vyšší než stejnosměrné napětí na LED. Jak připojit LED ke zdroji napájení je znázorněno na obrázku:

Problém tohoto zapojení LED je v tom, že čím větší je rozdíl mezi napájecím napětím a napětím na diodách, tím více zbytečné energie se rozptýlí v omezovacích rezistorech a tím pádem se snižuje účinnost celého obvodu.

Omezení proudu probíhá podle jednoduchého schématu: zvýšení proudu LED vede ke zvýšení proudu také rezistorem (protože jsou zapojeny do série). Pokles napětí na rezistoru se zvyšuje a na LED se odpovídajícím způsobem snižuje (protože celkové napětí je konstantní). Snížení napětí na LED automaticky vede k poklesu proudu. Tak to celé funguje.

Obecně se odpor rezistorů počítá pomocí Ohmova zákona. Podívejme se na konkrétní příklad. Řekněme, že máme LED se jmenovitým proudem 70 mA, provozní napětí při tomto proudu je 3.6 V (to vše přebíráme z datasheetu k LED). A musíme to připojit na 12 voltů. To znamená, že musíme vypočítat odpor rezistoru:

Ukazuje se, že pro napájení LED z 12 voltů ji musíte připojit přes 1-wattový odpor 120 ohmů.

Přesně stejným způsobem můžete vypočítat, jaký by měl být odpor rezistoru pro jakékoli napětí. Například pro připojení LED na 5 voltů musí být odpor odporu snížen na 24 ohmů.

Hodnoty rezistorů pro jiné proudy lze převzít z tabulky (výpočet byl proveden pro LED s stejnosměrným napětím 3.3 voltu):

UPete	ILED
	5 мА	10 мА	20 мА	30 мА	50 мА	70 мА	100 мА	200 мА	300 мА
5 Volt	340 Ohm	170 Ohm	85 Ohm	57 Ohm	34 Ohm	24 Ohm	17 Ohm	8.5 Ohm	5.7 Ohm
12 Volt	1.74 kΩ	870 Ohm	435 Ohm	290 Ohm	174 Ohm	124 Ohm	87 Ohm	43 Ohm	29 Ohm
24 voltů	4.14 kΩ	2.07 kΩ	1.06 kΩ	690 Ohm	414 Ohm	296 Ohm	207 Ohm	103 Ohm	69 Ohm

Při připojení LED na střídavé napětí (například do sítě 220 voltů) můžete zvýšit účinnost zařízení použitím nepolárního kondenzátoru (reaktance) namísto předřadného odporu (aktivní odpor). Tento bod jsme podrobně a s konkrétními příklady probrali v článku o připojení LED na 220 V.

Sériové připojení

Když jsou LED zapojeny do série, protéká jimi stejný proud. Na počtu LED nezáleží, může to být jen jedna LED, nebo to může být 20 nebo dokonce 100 kusů.

Například můžeme vzít jednu 2835 LED a připojit ji k 180mA driveru a LED bude fungovat normálně a bude dodávat svůj maximální výkon. Nebo můžeme vzít girlandu z 10 stejných LED a pak bude každá LED fungovat i v normálním pasovém režimu (ale celkový výkon lampy bude samozřejmě 10x větší).

Níže jsou dva spínací obvody LED, věnujte pozornost rozdílu napětí na výstupu ovladače:

Takže na otázku, jak by měly být LED zapojeny, sériově nebo paralelně, může být pouze jedna správná odpověď – samozřejmě sériová!

Počet LED zapojených do série je omezen pouze možnostmi samotného ovladače.

Perfektní řidič může neurčitě zvýšit napětí na jeho výstupu, aby zajistil požadovaný proud zátěží, takže k němu lze připojit nekonečné množství LED. Skutečná zařízení bohužel mají omezení napětí nejen shora, ale i zdola.

Zde je příklad hotového zařízení:

Vidíme, že ovladač je schopen regulovat výstupní napětí pouze v rozsahu 64 voltů. Pokud pro udržení daného proudu (106 mA) potřebujete zvýšit napětí nad 350 voltů, pak je to průšvih. Ovladač vydá své maximum (106V) a na tom již nezávisí, jaký bude proud.

A naopak k takovému ovladači LED nemůžete připojit příliš málo LED. Pokud k němu například připojíte řetězec 10 LED zapojených do série, ovladač nebude schopen snížit své výstupní napětí na požadovaných 32-36V. A všech deset LED s největší pravděpodobností jen shoří.

Přítomnost minimálního napětí se vysvětluje (v závislosti na provedení obvodu) omezením výkonu výstupního regulačního prvku nebo překročením omezujících generačních režimů pulsního měniče.

Samozřejmě, ovladače mohou být pro jakékoli vstupní napětí, ne nutně 220 voltů. Zde je například ovladač, který převede libovolný zdroj trvalý napětí (napájení) od 6 do 20 voltů do zdroje proudu 3 A:

To je vše. Nyní víte, jak zapnout LED (jednu nebo více) – buď přes odpor omezující proud, nebo pomocí ovladače pro nastavení proudu.

Jak vybrat správný ovladač?

Vše je zde velmi jednoduché. Stačí si vybrat podle tří parametrů:

1. výstupní proud;
2. maximální výstupní napětí;
3. minimální výstupní napětí.

Výstupní (provozní) proud ovladače LED – to je nejdůležitější vlastnost. Proud by se měl rovnat optimálnímu proudu pro LED.

Například jsme měli k dispozici 10 kusů plnospektrálních LED pro fytolampu:

Jmenovitý proud těchto diod je 700 mA (převzato z referenční knihy). Proto potřebujeme 700 mA proudový ovladač. No, nebo o něco méně, aby se prodloužila životnost LED diod.

Maximální výstupní napětí ovladače musí být větší než celkové dopředné napětí všech LED. U našich phytoLED je dopředné napětí v rozsahu 3 voltů. Vezmeme to na maximum: 4V x 4 = 10V. Náš ovladač musí mít výstupní napětí alespoň 40 voltů.

Minimální napětí, podle toho se vypočítá na základě minimální hodnoty propustného napětí na LED. To znamená, že by nemělo být větší než 3V x 10 = 30 voltů. Jinými slovy, náš ovladač musí být schopen snížit výstupní napětí na 30 voltů (nebo nižší).

Potřebujeme tedy vybrat budicí obvod navržený pro proud 650 mA (nechť je o něco menší než jmenovitý) a schopný vydávat napětí v rozsahu od 30 do 40 voltů podle potřeby.

Pro naše účely tedy bude fungovat něco takového:

Samozřejmě při výběru driveru lze rozsah napětí vždy rozšířit libovolným směrem. Například místo driveru s výstupem 30-40 V je perfektní ten, který produkuje od 20 do 70 Voltů.

Příklady ovladačů, které jsou ideálně kompatibilní s různými typy LED, jsou uvedeny v tabulce:

LED diody	Jaký ovladač je potřeba
60 mA, 0.2 W (SMD 5050, 2835)	viz diagram na TL431
150 mA, 0.5 W (SMD 2835, 5630, 5730)	ovladač 150mA, 9-34V (lze současně připojit 3 až 10 LED)
300 mA, 1 W (smd 3528, 3535, 5730-1, LED 1W)	ovladače 300mA, od 3 do 135V (respektive od 1 do 36 LED zapojených v sérii)
700 mA, 3 W (LED 3W, fyto-LED)	ovladač 700mA (pro 6-10 LED)
3000 mA, 10 wattů (XML2 T6)	budič 3A, 21-34V (pro 7-10 LED) nebo viz schéma

Mimochodem, pro správné zapojení LED není vůbec nutné kupovat hotový ovladač, stačí vzít nějaký vhodný zdroj (například nabíječku na telefon) a na jeden našroubovat jednoduchý stabilizátor proudu tranzistor nebo na LM317.

Z tohoto článku lze převzít hotové obvody stabilizátoru proudu pro LED.

Při umisťování síťových osvětlovacích zařízení, jako jsou lampy nebo LED pásky, obvykle neexistují pochybnosti o jejich správném způsobu připojení. Pokud jsou tato zařízení navržena pro provoz s napětím 220 voltů, pak je nejběžnějším způsobem připojení paralelní zapojení.

1. Sériové připojení
2. Paralelní připojení
3. Zákony směsných sloučenin
4. Typy žárovek a schémata zapojení
5. Zářivky
6. Halogenové zdroje a LED žárovky

Sériové připojení

Nestandardní sériové připojení žárovek do sítě 220 V má následující vlastnosti:

• stejný proud protéká všemi osvětlovacími prvky zahrnutými v obvodu;
• rozložení úbytků napětí na nich bude úměrné vnitřnímu odporu;
• Podle toho je energie spotřebovaná každým iluminátorem distribuována.

Při sériovém zapojení žárovek do obvodu se společným vypínačem nebudou světla určená pro 220 Voltů hořet na plný výkon.

Když jsou v řetězu instalovány dvě žárovky s různým výkonem P, svítí jasněji ta s vyšším odporem, tedy méně energeticky náročná. To lze vysvětlit velmi jednoduše: díky většímu vnitřnímu odporu bude napětí na něm významnější. Vzhledem k tomu, že tento parametr je ve vzorci pro P obsažen ve čtverci P=U2/R, pak se na něm při pevném odporu rozptýlí více výkonu (hoří jasněji).

Výhodou sekvenčního spínání svítilen je šetrnější provozní režim díky nižší spotřebě každé z nich. Ve všech ostatních ohledech je tento způsob připojení nežádoucí, protože má následující charakteristické nevýhody:

• při poruše jedné lampy je celý obvod bez napětí, takže osvětlovací vedení přestane úplně fungovat;
• při instalaci žárovek různého výkonu dávají jinou záři;
• nemožnost použití sekvenčního obvodu při připojení energeticky úsporných žárovek (vyžadují plné napětí 220 voltů).

Sekvenční možnost je optimální pro vytvoření „měkkého světla“ v nástěnných lampách nebo při výrobě girland z nízkonapěťových LED prvků.

Paralelní připojení

Klasické paralelní zapojení výbojek se od sériového způsobu liší tím, že v tomto případě je na všechny osvětlovače přivedeno plné síťové napětí.

Při paralelním zapojení žárovek teče každá větev vlastní proud v závislosti na odporu daného řetězu.

Vodiče dodávané do patic a patic lampy jsou připojeny k jednomu vodiči formou paralelní sestavy. Mezi nesporné výhody této metody patří následující vlastnosti:

• pokud jedna z žárovek vyhoří, ostatní pokračují v práci;
• v každé z větví hoří na plný výkon, protože na všechny je současně aplikováno plné napětí;
• Je povoleno používat energeticky úsporné žárovky;
• Pro připojení k síti stačí odstranit požadovaný počet fázových vodičů z pokojového lustru a uspořádat je ve formě spínané skupiny.

Tento způsob nemá prakticky žádné nevýhody, s výjimkou vysoké spotřeby vodičů ve vysoce rozvětvených obvodech. Principem elektroinstalace můžete snadno připojit několik žárovek na jeden vodič. Typický obvod pro paralelní zapojení žárovek s vypínačem se neliší od klasického spínání. V tomto případě je do něj navíc zaveden klíčový spínač.

Zákony směsných sloučenin

Smíšené zahrnutí iluminátorů je popsáno takto:

• Je založen na paralelním zapojení několika elektrických větví.
• V některých větvích jsou zátěže zapínány sériově ve formě řady žárovek umístěných za sebou.

K samostatným paralelním větvím je možné připojit různé typy spotřebičů, včetně žárovek, halogenových nebo LED zdrojů.

Při zvažování charakteristik smíšené směsi je třeba vzít v úvahu následující vzory:

• Stejný proud protéká každou ze sériově zapojených částí obvodu.
• Při průchodu linkou s paralelně zapojenými spotřebiči se větví a na výstupu se opět stává jednolinkou.
• S rostoucím počtem prvků v pracovním obvodu klesá absolutní hodnota proudu v něm.
• Napětí na jednom článku se rovná součinu složky proudu a celkového odporu větve (Ohmův zákon).
• S rostoucím počtem prvků v obvodu se odpovídajícím způsobem snižuje napětí na každém z nich.

Smíšený způsob připojení má řadu výhod, které jsou určeny přednostmi každého ze dvou hlavních schémat připojení. Od sekvenčního „zdědil“ jeho účinnost a od paralelního „zdědil“ schopnost pracovat, i když některý prvek v jednom z kombinovaných řetězců selže.

Při použití smíšeného obvodu se doporučuje seskupit výbojky stejného výkonu do sériových obvodů a do paralelních větví umístit osvětlovače s různou spotřebou energie.

Typy žárovek a schémata zapojení

Před instalací různých typů osvětlovacích zařízení je vhodné seznámit se s principem činnosti a jejich vnitřní strukturou a také s vlastnostmi připojovacího obvodu k napájecí síti. Důležité je také vědět, že každá z odrůd je schopna dlouhodobě pracovat pouze při důsledném dodržování provozního řádu.

Zářivky

Kromě tradičních žárovek se jejich zářivkové trubicové analogy často používají k osvětlení kancelářských a částečně domácích prostor. Nejčastěji jsou instalovány v následujících zařízeních:

• v dílnách a na průmyslových výrobních linkách;
• v administrativních budovách a v různých boxech;
• v garážích, nákupních centrech a podobných veřejných místech.

Doma se používají mnohem méně často – někdy jsou umístěny v kuchyni, aby osvětlily pracovní plochu.

Charakteristickým rysem fluorescenčních iluminátorů je nemožnost přímého připojení k 220V síti, protože k rozbití plynového sloupce je potřeba vysoké napětí. K jejich zapnutí se používá speciální elektronický obvod, který obsahuje startovací prvky jako tlumivka, startér a vysokonapěťový kondenzátor (v některých případech je volitelný).

V posledních letech byly škrticí měniče, které jsou při provozu nehospodárné a velmi hlučné, nahrazeny tzv. „elektronickým předřadníkem“. Pořadí jeho připojení je obvykle vyznačeno ve formě schématu zobrazeného na těle zařízení.

Při použití elektronického adaptéru je připojena jedna výbojka, nebo jsou instalovány dvě najednou, zapojené do série.

Halogenové zdroje a LED žárovky

Zapalovače prvního typu se tradičně instalují při instalaci zavěšených a zavěšených stropů. Jsou také ideální, když je potřeba osvětlit prostory s vysokou vlhkostí, protože jsou k dispozici v několika modifikacích. Jeden z nich je navržen pro provoz na 12 voltů. Pro jejich získání je v prostoru stropu instalován převodník určený pro příslušné výstupní napětí.

LED lampy se vyznačují přítomností vestavěného ovladače, který vám umožňuje přijímat požadované napájecí napětí (12 nebo 24 voltů). Ukázky LED iluminátorů, navržených pro provoz od 220 voltů, se zapínají jako žárovky. Ale na rozdíl od běžných iluminátorů se nedoporučuje zapínat je v řetězci.

Pro určení požadovaného pořadí jejich zapojení je důležité vybrat správný typ žárovek. Při instalaci zářivek a halogenových žárovek není dovoleno zapojovat energeticky úsporná osvětlovací tělesa do sériového řetězce, řídí se svými spínacími obvody. Když je síťové napětí nízké, energeticky úsporné žárovky rychle selžou a zářivky se nemusí rozsvítit vůbec.

Jak vypočítat průměr kabelu na základě výkonu?

Pro výpočet průměru kabelu je nutné vzít v úvahu nejen výkon, ale také délku vedení, napájecí napětí, typ izolace a přípustnou ztrátu napětí na vedení. Různé metody výpočtu jsou uvedeny v regulačních dokumentech, jako jsou PUE (Pravidla pro elektrické instalace) a SNiP (Stavební normy a předpisy).

Obvykle se pro výpočet průměru kabelu používají vzorce, které zohledňují výkon, délku vedení a přípustné ztráty napětí na vedení. Například u jednofázového vedení s napětím 220 V přípustné ztráty napětí obvykle nepřesahují 5 % a u třífázového vedení s napětím 380 V – 3 %.

Uvažujme například výpočet průměru kabelu pro jednofázové vedení o výkonu 3 kW a délce 30 metrů. Předpokládejme, že přípustné ztráty napětí nepřesahují 5 %. K tomu lze použít následující vzorec:

d = (2 * P * L * K) / (U * cosφ)

kde d je průměr kabelu v mm, P je výkon v kW, L je délka vedení v metrech, U je napájecí napětí ve V, cosφ je účiník, K je součinitel zohledňující průměrnou okolní teplotu a podmínky pokládky kabelu.

Pomocí tohoto vzorce pro výpočet průměru kabelu pro vedení s výkonem 3 kW, délkou 30 metrů, napětím 220 V a účiníkem 0,8 získáme přibližný průměr kabelu 2,5 mm.

Pro přesný výpočet se však doporučuje kontaktovat specialisty, kteří zohlední všechny potřebné parametry a provedou výpočet s ohledem na regulační požadavky.