Як краще підключити лампочки послідовно чи паралельно

При розміщенні мережних освітлювальних приладів (ламп або світлодіодних стрічок) сумнівів у тому, як підключати їх між собою, зазвичай не виникає. Якщо вони розраховані на напругу 220 Вольт, спосіб застосування, що традиційно застосовується, - з'єднання в паралель. Послідовне підключення лампочок використовується лише в окремих випадках, коли на їх основі робляться гірлянди, наприклад. Інша поширена причина застосування цього способу – бажання підвищити термін експлуатації освітлювальних виробів, використовуючи їх на неповну робочу потужність.

Послідовне з'єднання

Нетипове послідовне підключення лампочок до мережі 220 Вольт відрізняється такими характеристиками:

• через всі включені в коло освітлювальні елементи тече однаковий струм;
• розподіл падінь напруги на них буде пропорційно внутрішнім опорам;
• відповідно до цього розподіляється потужність, що витрачається на кожному освітлювачі.

При послідовному з'єднанні лампочок у схемі із загальним вимикачем розраховані на 220 Вольт освітлювачі горітимуть не на повну силу.

При встановленні в ланцюжок двох лампочок розжарювання з різною потужністю P яскравіше горить та з них, що має великий опір, тобто менш енергоємна. Пояснюється це дуже просто: через більший внутрішній опір напруга на ній буде більшою за величиною. Оскільки формулу для P цей параметр входить у квадраті P=U2/R – то за фіксованому опорі у ньому розсіюється велика потужність (вона горить яскравіше).

Перевагою послідовного включення ламп є більш щадний режим роботи через меншу потужність, яка споживається на кожній з них. У всіх інших відносинах такий спосіб приєднання небажаний, оскільки його відрізняють такі характерні недоліки:

• при виході з ладу однієї лампи знеструмлюється весь ланцюг, тож освітлювальна лінія повністю перестає працювати;
• при встановленні різних за потужністю лампочок вони дають різне свічення;
• неможливість використання послідовної схеми при з'єднанні енергозберігаючих ламп (для них потрібна повна напруга 220 Вольт).

Послідовний варіант оптимально підійде для створення «м'якого світла» у світильниках-бра або при виготовленні гірлянд із низьковольтних світлодіодних елементів.

Паралельне включення

Класичне паралельне підключення ламп відрізняється від послідовного способу тим, що в цьому випадку до всіх освітлювачів прикладається повна мережна напруга.

При паралельному підключенні лампочок через кожне з відгалужень протікає «свій» струм, що залежить від опору цього ланцюжка.

Провідники, що підводяться до цоколів та патронів ламп, приєднуються до одного дроту у вигляді паралельного складання. До безперечних переваг цього методу відносять такі особливості:

• при перегоранні однієї з лампочок решта продовжує працювати;
• у кожній із гілок вони горять на повну потужність, оскільки до всіх одночасно прикладена повна напруга;
• допускається використовувати енергозберігаючі лампочки;
• Для підключення до мережі достатньо вивести з кімнатної люстри необхідну кількість фазних провідників і оформити їх у вигляді комутованої групи.

Недоліків цього методу практично немає, за винятком великої витрати провідників при сильно розгалужених ланцюгах. Без проблем можна підключити кілька лампочок до одного дроту за рахунок використання принципу розведення. Типова схема паралельного з'єднання лампочок з вимикачем нічим особливим відрізняється від звичайного включення. У цьому випадку до неї додатково вводиться клавішний перемикач.

Закони змішаної сполуки

Змішане включення освітлювачів описується так:

• У його основі лежить паралельне з'єднання кількох електричних гілок.
• У деяких із відгалужень навантаження включаються послідовно у вигляді ряду лампочок, що розташовуються одна за одною.

В окремі паралельні галузі допускається підключати різні типи споживачів, включаючи лампи розжарювання, а також галогенні або світлодіодні джерела.

При розгляді особливостей змішаної сполуки обов'язково враховуються такі закономірності:

• Через кожну з послідовно включених ділянок ланцюга протікає той самий струм.
• При проходженні через ланку з паралельно включеними споживачами він розгалужується, але в виході знову стає однолінійним.
• Зі збільшенням кількості елементів у робочому ланцюзі абсолютна величина струму в ньому зменшується.
• Напруга однією ланці дорівнює твору струмової складової загальний опір гілки (закон Ома).
• При зростанні числа елементів у ланцюзі напруга кожному з них відповідно зменшується.

Змішаний спосіб підключення має ряд переваг, які визначають переваги кожної з двох основних схем з'єднання.Від послідовного він «успадкував» його економічність, а від паралельного – можливість працювати навіть при виході з ладу елемента в одному з комбінованих ланцюжків.

Рекомендується при використанні змішаної схеми групувати в послідовні ланцюги лампи однакової потужності, а в паралельні галузі ставити освітлювачі з різним енергоспоживанням.

Типи ламп та схеми підключення

Перед монтажем різних видів освітлювальних приладів бажано ознайомитися з принципом роботи та їх внутрішнім пристроєм, а також особливостями схеми включення в мережу живлення. Також важливо знати, що кожен з різновидів здатний працювати тривалий час лише за суворого дотримання правил експлуатації.

Люмінесцентні лампи

Крім традиційних ламп розжарювання для освітлення службових та частково побутових просторів нерідко застосовуються їх люмінесцентні трубчасті аналоги. Вони найчастіше встановлюються на наступних об'єктах:

• у цехах та на конвеєрних лініях промислових виробництв;
• в адміністративних будинках та в різних боксах;
• у гаражах, торгових залах та подібних до них місцях громадського користування.

Значно рідше вони використовуються в домашніх умовах - іноді ставлять на кухні для організації підсвічування робочої зони.

Особливістю люмінесцентних освітлювачів є неможливість прямого підключення до мережі 220 Вольт, так як для пробою газового стовпа потрібна висока напруга. Для їх увімкнення використовується особлива електронна схема, до складу якої входять такі елементи запуску як дросель, стартер і високовольтний конденсатор (у деяких випадках він не обов'язковий).

В останні роки неекономічні та сильно гудучі під час роботи дросельні перетворювачі замінюються так званим «електронним баластом».Порядок його підключення зазвичай вказується як схеми, зображеної на корпусі приладу.

При використанні електронного адаптера підключається одна газорозрядна лампа або встановлюється відразу дві штуки, з'єднані послідовно.

Галогенні джерела та світлодіодні лампи

Освітлювачі першого типу традиційно встановлюються при монтажі підвісних та натяжних стель. Вони також ідеально підходять при необхідності освітлення зон з підвищеною вологістю, оскільки випускаються у кількох модифікаціях. Одне з них розраховане на роботу від 12 Вольт. Для їх одержання в районі стельових перекриттів встановлюється перетворювач, розрахований на відповідну вихідну напругу.

Для світлодіодних ламп характерна наявність вбудованого драйвера, що дозволяє отримувати потрібну напругу живлення (12 або 24 Вольти). Зразки світлодіодних освітлювачів, розраховані на роботу від 220 Вольт, включаються подібно до ламп розжарювання. Але на відміну від звичайних освітлювачів вмикати їх у вигляді послідовного ланцюжка не рекомендується.

Важливо правильно підбирати тип ламп визначення потрібного порядку їх підключення. Не допускається з'єднувати в послідовний ланцюжок енергозберігаючі освітлювачі, при монтажі люмінесцентних та галогенних світильників керуються схемами їх увімкнення. При зниженій напрузі мережі енергозберігаючі лампи швидко виходять з ладу, а люмінесцентні освітлювачі можуть зовсім не спалахнути.

Яка схема підключення світлодіодів краща - послідовна чи паралельна

Найправильніше підключення кількох світлодіодів – послідовне. Зараз поясню чому.

Справа в тому, що визначальним параметром будь-якого світлодіода є його робочий струм.Саме від струму через світлодіод залежить те, якою буде потужність (а значить і яскравість) світлодіода. Саме перевищення максимального струму призводить до надмірного підвищення температури кристала і виходу світлодіода з ладу - швидкого перегорання або поступового незворотного руйнування (деградації).

Струм - це головне. Він зазначений у технічних характеристиках світлодіода (datasheet). А вже залежно від струму, на світлодіоді буде та чи інша напруга. Напругу теж можна знайти в довідкових даних, але його, як правило, вказують у вигляді деякого діапазону, тому що воно вторинне.

Наприклад, заглянемо в даташит світлодіода 2835:

Як бачите, прямий струм вказаний чітко та безперечно - 180 мА. А ось напруга живлення світлодіодів за такого струму має певний розкид - від 2.9 до 3.3 Вольта.

Виходить, що для того, щоб задати необхідний режим роботи світлодіода, потрібно забезпечити протікання струму через нього певної величини. Отже, для живлення світлодіодів слід використовувати джерело струму, а не напруги.

Джерело струму (або генератор струму) – джерело електричної енергії, яке підтримує постійне значення сили струму через навантаження за допомогою зміни напруги на своєму виході. Якщо опір навантаження, наприклад, зростає, джерело струму автоматично підвищує напругу таким чином, щоб струм через навантаження залишився незмінним і навпаки. Джерела струму, якими запитують світлодіоди ще називають драйверами.

Звичайно, до світлодіода можна підключити джерело стабілізованої напруги (наприклад, вихід лабораторного блоку живлення), але тоді потрібно точно знати, якої величини має бути напруга для отримання заданого струму через світлодіод.

Наприклад, у нашому прикладі зі світлодіодом 2835 можна було б подати на нього десь 2.5 В і поступово підвищувати напругу до тих пір, поки струм не стане оптимальним (150-180 мА).

Так робити можна, але в цьому випадку доведеться налаштовувати вихідну напругу блоку живлення під кожний конкретний світлодіод, т.к. всі вони мають технологічний розкид параметрів. Якщо, підключивши до одного світлодіоду 3.1В, ви отримали максимальний струм в 180 мА, то це не означає, що змінивши світлодіод на такий самий з тієї ж партії, ви не спалите його (т.к. струм через нього при напрузі 3.1В запросто може перевищити максимально допустиме значення).

До того ж, необхідно дуже точно підтримувати напругу на виході блоку живлення, що накладає певні вимоги до його схемотехніки. Перевищення заданої напруги всього на 10% майже гарантовано призведе до перегріву та виходу світлодіода з ладу, оскільки струм при цьому перевищить усі мислимі значення.

Ось чудова ілюстрація до вищесказаного:

А найнеприємніше те, що провідність будь-якого світлодіода (який по суті є p-n-переходом) знаходиться в дуже сильній залежності від температури. Насправді це призводить до того, що в міру розігріву світлодіода, струм через нього починає невблаганно зростати. Щоб повернути струм до необхідного значення, доведеться знижувати напругу. Загалом, як не крути, а без контролю струму не обійтися.

Тому найправильнішим і найпростішим рішенням буде використовувати для підключення світлодіодів драйвера струму (він же джерело струму). І тоді буде зовсім неважливо, який ви візьмете світлодіод і якою буде пряма напруга на ньому. Потрібно просто знайти драйвер на потрібний струм і справа в капелюсі.

Тепер, повертаємося до головного питання статті – чому все-таки послідовне підключення, а не паралельне? Давайте подивимося, у чому різниця.

Паралельне підключення

При паралельному підключенні світлодіодів напруга на них буде однаковою. А оскільки не існує двох діодів з абсолютно однаковими характеристиками, то спостерігатиметься наступна картина: через якийсь світлодіод йтиме струм нижче номінального (і світитиме він так собі), зате через сусідній світлодіод херятиме струм вдвічі перевищує максимальний і через півгодини він згорить (а може й швидше, якщо пощастить).

Очевидно, що такого нерівномірного розподілу потужностей слід уникати.

Щоб істотно згладити розкид в ТТХ світлодіодів, краще підключати їх через обмежувальні резистори. Напруга блоку живлення при цьому може бути істотно вищою за пряму напругу на світлодіодах. Як підключати світлодіоди до джерела живлення показано на схемі:

Проблема такої схеми підключення світлодіода в тому, що чим більша різниця між напругою блоку живлення і напругою на діодах, тим більше марної потужності розсіюється на обмежувальних резисторах і тим нижче ККД всієї схеми.

Обмеження струму відбувається за простою схемою: підвищення струму через світлодіод призводить до підвищення струму і через резистор теж (оскільки вони включені послідовно). На резистори збільшується падіння напруги, а на світлодіоді, відповідно, зменшується (т.к. загальна напруга постійно). Зменшення напруги на світлодіоді автоматично призводить до зниження струму. Так усе працює.

Загалом опір резисторів розраховується за законом Ома. Розберемо на конкретному прикладі.Припустимо, у нас є світлодіод з номінальним струмом 70 мА, робоча напруга при такому струмі дорівнює 3.6 В (це все беремо з даташиту до світлодіода). І нам потрібно підключити його до 12 вольтів. Отже, нам потрібно розрахувати опір резистора:

Виходить, що для живлення світлодіода від 12 вольт потрібно підключити через 1-ватний резистор на 120 Ом.

Так само, можна порахувати, яким має бути опір резистора під будь-яку напругу. Наприклад, для підключення світлодіода до 5 вольтів опір резистора треба зменшити до 24 Ом.

Значення резисторів під інші струми можна взяти з таблиці (розрахунок проводився для світлодіодів із прямою напругою 3.3 вольта):

При підключенні світлодіода до змінної напруги (наприклад, до мережі 220 вольт) можна підвищити ККД пристрою, взявши замість баластного резистора (активного опору) неполярний конденсатор (реактивний опір). Детально та з конкретними прикладами ми розбирали цей момент у статті про підключення світлодіода до 220 В.

Послідовне підключення

При послідовному підключенні світлодіодів через них протікає один і той же струм. Кількість світлодіодів не має значення, це може бути лише один світлодіод, а може бути 20 чи навіть 100 штук.

Наприклад, ми можемо взяти один світлодіод 2835 і підключити його до драйвера на 180 мА і світлодіод працюватиме в нормальному режимі, віддаючи свою максимальну потужність.А можемо взяти гірлянду з 10 таких світлодіодів і тоді кожен світлодіод також буде працювати в нормальному паспортному режимі (але загальна потужність світильника, звичайно, буде в 10 разів більша).

Нижче показано дві схеми включення світлодіодів, зверніть увагу на різницю напруги на виході драйвера:

Так що на питання, яким має бути підключення світлодіодів, послідовним чи паралельним, може бути лише одна правильна відповідь – звісно, ​​послідовною!

Кількість послідовно підключених світлодіодів обмежена лише можливостями драйвера.

Ідеальний драйвер може нескінченно підвищувати напругу своєму виході, щоб забезпечити потрібний струм через навантаження, тому до нього можна підключити нескінченну кількість світлодіодів. Ну а реальні пристрої, на жаль, мають обмеження напруги не тільки зверху, а й знизу.

Ось приклад готового пристрою:

Ми бачимо, що драйвер здатний регулювати вихідну напругу тільки в межах 64. 106 вольт. Якщо підтримки заданого струму (350 мА) потрібно буде підняти напруга вище 106 вольт, то облом. Драйвер видасть свій максимум (106В), а який при цьому буде струм - це від нього вже не залежить.

І, навпаки, до такого led-драйвера не можна підключати надто мало світлодіодів. Наприклад, якщо підключити до нього ланцюжок з 10 послідовно включених світлодіодів, драйвер ніяк не зможе знизити свою вихідну напругу до необхідних 32-36В. І всі десять світлодідів, швидше за все, просто згорять.

Наявність мінімальної напруги пояснюється (залежно від схемотехнічного рішення) обмеженнями потужності вихідного регулюючого елемента або виходом за граничні режими генерації імпульсного перетворювача.

Зрозуміло, драйвери можуть бути на будь-яку вхідну напругу, не обов'язково на 220 вольт. Ось, наприклад, драйвер, що перетворює будь-яке джерело постійного напруги (блок живлення) від 6 до 20 вольт у джерело струму на 3 А:

Ось і все. Тепер ви знаєте, як увімкнути світлодіод (один або кілька) - або через струмообмежувальний резистор, або через драйвер, що токозадає.

Як вибрати потрібний драйвер?

Тут усе дуже просто. Вибирати потрібно лише за трьома параметрами:

1. вихідний струм;
2. максимальна вихідна напруга;
3. мінімальна вихідна напруга.

Вихідний (робочий) струм драйвера світлодіодів - це найважливіша характеристика. Струм повинен дорівнювати оптимальному струму для світлодіодів.

Наприклад, у нашому розпорядженні опинилося 10 штук повноспектральних світлодіодів для фітолампи:

Номінальний струм цих діодів – 700 мА (береться з довідника). Отже, нам потрібний драйвер струму на 700 мА. Ну чи трохи менше, щоб продовжити термін життя світлодіодів.

Максимальна вихідна напруга драйвера має бути більше, ніж сумарна пряма напруга всіх світлодіодів. Для наших фітосвітлодіодів пряма напруга лежить у діапазоні 3.4 вольта. Беремо по максимуму: 4В х 10 = 40В. Наш драйвер повинен мати можливість видати не менше 40 вольт.

Мінімальна напругавідповідно розраховується за мінімальним значенням прямої напруги на світлодіодах. Тобто воно має бути не більше ніж 3В х 10 = 30 Вольт. Іншими словами, наш драйвер повинен вміти знижувати вихідну напругу до 30 вольт (або нижче).

Таким чином, нам потрібно підібрати схему драйвера, розрахованого на струм 650 мА (нехай буде трохи менше номінального) і здатного по необхідності видавати напругу в діапазоні від 30 до 40 вольт.

Отже, для наших цілей підійде щось на кшталт цього:

Зрозуміло, при виборі драйвера діапазон напруги завжди можна розширювати в будь-який бік. Наприклад, замість драйвера з виходом на 30-40 В чудово підійде той, що видає від 20 до 70 Вольт.

Приклади драйверів, що ідеально сумісні з різними типами світлодіодів, наведені в таблиці:

До речі, для правильного підключення світлодіодів зовсім не обов'язково купувати готовий драйвер, можна просто взяти якийсь відповідний блок живлення (наприклад, зарядник від телефону) і прикрутити до нього найпростіший стабілізатор струму на одному транзисторі або на LM317.

Готові схеми стабілізаторів струму для світлодіодів можна взяти із цієї статті.