Вимикач з підсвічуванням для світлодіодних ламп

1. неоновий індикатор
2. Підсвічування на неонової лампочки
3. Розрахунок резистором
4. конструкція
5. Світлодіодна підсвітка
6. Підсвічування на світлодіоді
7. Розрахунок опору резистора
8. розрахунок потужності
9. застосування конденсатора
10. Розрахунок гасить конденсатора
11. Вимикач в роботі. Відео

У багатьох вимикачах вбудована дуже корисна функція - підсвічування. З цією функцією виключені пошуки вимикача в темній кімнаті. Як же вона працює? Підсвічування влаштована досить просто: під клавішею вимикача поміщається мініатюрний світловий індикатор, а в клавіші зроблено невелике вікно, через яке можна бачити стан вимикача.

Вимикач з підсвічуванням в інтер'єрі кімнати

Як індикатор використовують неонову лампочку або світлодіод, в роботі кожного з них є свої особливості. У багатьох джерелах повідомляється, що такі вимикачі можна використовувати тільки з галогенними і лампами розжарювання, так як енергозберігаючі - з такими вимикачами спалахують, а світлодіодні - трохи світяться в темряві.

Для того щоб розібратися з цими явищами треба розуміти механізм роботи кожного індикатора.

неоновий індикатор

У багатьох вимикачах використовують неонову лампочку в якості індикатора, вона являє собою найчастіше скляний балон, заповнений неоном, в якому розміщені на деякій відстані один від одного два електроди.

Тиск газу дуже невелика - кілька десятих часток мм ртутного стовпа. В такому середовищі між електродами при подачі на них напруги виникає так званий тліючий розряд - це світяться іонізовані молекули газу. Залежно від роду газу колір світіння може бути найрізноманітнішим: від червоного у неону, до синьо-зеленого у аргону.

неонова лампа

На малюнку зображена мініатюрна неонова лампочка, в електротехніці їх найчастіше використовують в якості індикаторів наявності струму.

Підсвічування на неонової лампочки

Вимикач з підсвічуванням на неонової лампочки дуже надійний, термін служби лампочки більше 5 тис. Годин, індикатор добре видно в темряві. Схема підключення проста.

Схема підключення підсвічування на неонової лампочки

На схемі зображено підключення підсвічування з неонки до вимикача. L1 - це неонова лампочка з типу МН-6, ток 0,8 мА, напруга запалювання 90 В, це дані з довідника. R1 - резистор, S1 - вимикач освітлення.

Розрахунок резистором

Опір резистора розраховується за формулою:

R = ΔU / I ОМ,

де R - опір резистора (Ом);
ΔU - різниця (Uс - Uз) між напругою мережі та запалюванням лампи в вольтах;
I - сила струму лампи (А).

R = (220-90) / 0,0008 = 162500 ОМ.

Найближчий номінал резистора 150 кОм. Взагалі номінал резистора можна вибирати в межах від 150 до 510 кОм, при цьому лампочка нормально працює, при більшому номіналі збільшується довговічність, і зменшується розсіює потужність.

Потужність резистора обчислюється за такою формулою:

P = ΔU × I Вт,

де P - потужність (Вт), що розсіюється на резисторі;

P = 220-90 × 0,0008 = 0,104 Вт.

Найближчий більший номінал потужності резистора - 0,125 Вт. Цієї потужності цілком вистачає, резистор ледь помітно нагрівається, не більше ніж до 40-50 градусів, що цілком допустимо. Якщо є можливість, бажано поставити резистор потужністю 0,25 Вт.

конструкція

Якщо припаяти висновок резистора до будь-якого висновку лампи, можна зібрати схему.

Зібрана підсвічування своїми руками

Залишається зібрану схему підключити. Для цього при знятому корпусі вимикача висновок резистора підключається до однієї клеми, а лампочки - до іншої.

Схема роботи неонового підсвічування

Тепер при вимкненому положенні клавіші, струм буде йти через схему (нижній малюнок), а так як струм обмежений опором, то сили його вистачить, щоб запалити підсвічування, але зовсім недостатньо для роботи лампи освітлення. При включенні висновки схеми підсвічування закорочуються, і струм тече через вимикач, минаючи підсвічування, до лампи освітлення (верхній малюнок).

Таку підсвічування можна поставити в вимикач, в якому вона не була передбачена виробником, при цьому в клавіші включення не обов'язково свердлити отвір. Матеріал, з якого роблять клавіші, легко просвічується, і в темряві вимикач досить добре видно, тому свердлити отвір для лампочки не обов'язково.

Світлодіодна підсвітка

Часто зустрічається підсвічування з світлодіода, який являє собою напівпровідниковий прилад випромінює світло при протіканні через нього електричного струму.

Колір светоизлучающего діода залежить від матеріалу, з якого він виготовлений і в деякій мірі від прикладеної напруги. Світлодіоди являють собою з'єднання двох напівпровідників різних типів провідності p і n. Називають це з'єднання - електронно-дірковий перехід, саме на ньому виникає випромінювання світла при проходженні через нього прямого струму.

Виникнення світлового випромінювання пояснюється рекомбінацією носіїв зарядів в напівпровідниках, на наведеному нижче малюнку зображена приблизна картина того, що відбувається в светодиоде.

Рекомбінація носіїв зарядів і виникнення світлового випромінювання

На малюнку гуртком зі знаком «-» позначені негативні заряди, вони знаходяться в зеленій області, так умовно позначена область n. Гурток зі знаком «+» символізує позитивні носії струму, знаходяться вони в коричневій зоні p, межа між цими областями і є pn перехід.

Коли під дією електричного поля позитивний заряд долає pn перехід, то прямо на кордоні він з'єднується з негативним. А так як при з'єднанні відбувається і зростання енергії від зіткнення цих зарядів, то частина енергії йде на нагрівання матеріалу, а частина випромінюється у вигляді світлового кванта.

Конструктивно світлодіод є металеве, найчастіше мідна основа, на якому закріплені два кристала напівпровідників різної провідності, один з них є анодом, інший - катодом. До основи приклеєний алюмінієвий рефлектор із закріпленою на ньому лінзою.

Як можна зрозуміти з малюнка нижче, чимало в конструкції приділено уваги відведення тепла, це не випадково, так як напівпровідники добре працюють у вузькому тепловому коридорі, вихід за його межі порушує роботу приладу аж до виходу з ладу.

Схема пристрою світлодіода

У напівпровідників з ростом температури, на відміну від металів, опір не збільшується, а навпаки, зменшується. Це може викликати неконтрольоване збільшення сили струму і відповідно нагрівання, при досягненні певного порогу відбувається пробій.

Світлодіоди дуже чутливі до перевищення граничної напруги, навіть короткочасний імпульс виводить його з ладу. Тому токоограничивающие резистори повинні бути підібрані дуже точно. Крім того, світлодіод розрахований на проходження струму тільки в прямому напрямку, тобто від анода до катода, якщо прикладається напруга зворотної полярності, то це також може вивести його з ладу.

І все ж, незважаючи на ці обмеження, світлодіоди широко застосовуються для підсвічування в вимикачах. Розглянемо схеми включення та захисту світлодіодів в вимикачах.

Підсвічування на світлодіоді

На малюнку нижче наведена схема підсвічування. Вона містить: резистор R1, світлодіод VD2 і захисний діод VD1. Буква а - анод світлодіода, k - катод.

Схема підсвічування на світлодіоді

Так як робоча напруга світлодіода набагато нижче мережевого, то для його зниження використовують резистори, що гасять, в залежності від споживаного струму його опір буде різним.

Розрахунок опору резистора

Опір резистора R розраховується за формулою:

де R - опір резистором (Ом);

Uc - напруга мережі (тут 220 В);

Uсд - робоча напруга світлодіода (В);

Iсд - робочий струм світлодіода (А);

Зробимо розрахунок резистором для світлодіода АЛ307. Вихідні дані: робоча напруга 2 В, сила струму від 10 до 20 мА.

Використовуючи вищенаведену формулу, Rмакс = (220 - 2) / 0,01 = 218 00 ОМ, Rмін = (220 - 2) / 0,02 = 10900 ОМ. Отримуємо, що опір резистора повинно лежати в межах від 11 до 22 кОм.

розрахунок потужності

Також треба розрахувати потужність, що розсіюється резистором, її розраховують за формулою:

де Р - потужність, що розсіюється на резисторі (Вт);

Uc - напруга мережі (тут 220 В);

Uсд - робоча напруга світлодіода (В);

Iсд - робочий струм світлодіода (А);

Підраховуємо потужність: Рмін = (220-2) * 0,01 = 2,18 Вт, Рмакс = (220-2) * 0,02 = 4,36 Вт. Як випливає з розрахунку, потужність, що розсіюється резистором, досить значна.

З номіналів потужностей резисторів самий найближчий більший - це 5 Вт, але такий резистор досить великих габаритів, і заховати його в корпус вимикача не вдасться, та й даремно витрачати електроенергію нераціонально.

Так як розрахунок проводився на максимально допустимий струм світлодіода, а в такому режимі у нього багаторазово знижується довговічність, знизивши струм в два рази, можна вбити двох зайців: зменшити рассеиваемую потужність і збільшити термін служби світлодіода. Для цього треба просто збільшити опір резистора вдвічі до 22-39 кОм.

Підключення підсвічування до клем вимикача

На малюнку вище приведена схема підключення підсвічування до клем вимикача. До однієї клеми підходить фазний провід мережі, до другої -Провід від лампочки освітлення, підсвічування підключається до двох цих клем. У випадку вимкнення розімкнути, то через схему підсвічування тече струм, і вона горить, але лампа освітлення не світиться. Якщо вимикач замкнути, то напруга потече по ланцюгу, минаючи підсвічування, освітлення включиться.

У заводських вимикачах з підсвічуванням найчастіше використовується схема, зображена на малюнку вище. Номінал резистора - від 100 до 200 кОм, виробники йдуть на свідоме зменшення струму через світлодіод до 1-2 мА, а значить, і яскравості світіння, тому що в нічний час цього цілком достатньо. У той же час знижується розсіює потужність, можна не встановлювати і захисний діод, тому що зворотна напруга не перевищує допустиму.

застосування конденсатора

Як гасить елемента можна застосувати конденсатор, він на відміну від резистора має не активне, а реактивний опір, тому при проходженні через нього струму на ньому не виділяється тепло.

Вся справа в тому, що при русі електронів по провідному шару резистора, вони стикаються вузлами кристалічної решітки матеріалу і передають їм частину своєї кінетичної енергії. Тому матеріал нагрівається, а електричний струм відчуває опір просуванню.

Зовсім інші процеси виникають при русі струму через конденсатор. Конденсатор в найпростішому випадку являє собою дві металеві пластини, розділені діелектриком, так що постійний електричний струм через нього текти не може. Але зате на цих пластинах може зберігатися заряд, і якщо його періодично заряджати і розряджати, то в ланцюзі починає текти змінний струм.

Розрахунок гасить конденсатора

Якщо конденсатор включити в ланцюг змінного струму, то він через нього буде протікати, але в залежності від ємності і частоти струму його напруга знизиться на якусь величину. Для обчислення використовують наступну формулу:

де Xc - ємнісний опір конденсатора (ОМ);

f - частота струму в мережі (в нашому випадку 50 ГЦ);

С - ємність конденсатора в (мкФ);

Для розрахунків ця формула не зовсім зручна, тому на практиці частіше за все вдаються до наступної - емпіричної, яка дозволяє з достатньою точністю проводити підбір конденсатора.

C = (4,45 * I) / (U-Uд)

Вихідні дані: Uc -220 В; Uсд -2 В; Iсд -20 мА;

Знаходимо ємність конденсатора С = (4,45 * 20) / (220-2) = 0,408 мкФ, з ряду номінальних ємностей Е24 вибираємо найближчий менший 0,39 мкФ. Але при виборі конденсатора необхідно ще враховувати його робоча напруга, воно повинно бути не менше, ніж Uc * 1,41.

Справа в тому, що в колі змінного струму прийнято розрізняти чинне і ефективне напруга. Якщо форма струму синусоїдальна, то чинне напруга в 1,41 більше ефективного. Значить, конденсатор повинен мати мінімальну робочу напругу 220 * 1,41 = 310 В. А так як такого номіналу немає, то найближчий більший буде 400 В.

Для цих цілей можна використовувати плівковий конденсатор типу К73-17, його габарити і маса цілком дозволяють розмістити в корпусі вимикача.

Вимикач в роботі. Відео

Про спільну роботу світлодіодної лампи і вимикача з підсвічуванням можна дізнатися з цього відео.

Всі розрахунки, зроблені в статті, дійсні для режиму нормального світіння, при використанні їх для вимикачів номінали резисторів можна скорегувати в бік збільшення в 2-3 рази. Це зменшить яскравість світіння світлодіода, неонки і потужність розсіювання резисторів, а значить, і їх габарити.

Якщо в якості гасить опору використовується конденсатор, то його номінал потрібно коригувати у бік зменшення для зниження яскравості, а також габаритів, але робоча напруга конденсатора знижувати не можна.

Зниження сили струму через підсвічування зменшує ймовірність миготіння енергозберігаючих ламп в темряві, так як рівень зарядки вхідного конденсатора в імпульсному перетворювачі цих ламп не досягає порогу запуску.