В данной схеме использованы однотипные светодиоды и: Правильные схемы подключения светодиода

Содержание

Схема подключения светодиода

электрика, сигнализация, видеонаблюдение, контроль доступа (СКУД), инженерно технические системы (ИТС)

Схема подключения светодиода очень проста. Это можно видеть на рисунке 1. Однако, для того чтобы правильно подключить светодиод необходимо произвести некоторые расчеты.

Как видно из приведенной схемы светодиод (VD) подключается последовательно c резистором (R), образуя с ним делитель напряжения. Также резистор можно рассматривать как элемент, обеспечивающий номинальный рабочий ток светодиода.

Для расчета величины его сопротивления нам необходимо знать:

падение напряжения на светодиоде (Uvd),
уже упомянутый его рабочий ток (Iраб).

Если подходить строго, то эти значения следует брать из паспорта светодиода, но для дальнейших примеров я приму их за 2 Вольта (В) и 15 милиАмпер (мА) соответственно. Это достаточно реальные величины.

Далее берем закон Ома и на его основании пишем формулу:

R=U/I=(Uпит-Uvd)/Iраб=(Uпит-2)/15

Заметьте, я указал ток в мА, поэтому сопротивление получится в килоОмах (кОм). Для небольших токов так удобнее. Остается определиться с напряжением питания. Для 12 Вольт сопротивление резистора будет:

R=(12-2)/15=0,666 кОм. Ближайшее по ряду, если не ошибаюсь, 0,68 кОм или 680 ом. Округлять надо в большую сторону.

Кроме того, надо определить мощность, рассеиваемую резистором:

P=I*U=I²*R=15²*0,68=153. Ток берем в мА, сопротивление в кОм, мощность получаем в милиВаттах (мВт). Ближайшая по ряду, округленная в большую сторону мощность резистора составляет 0,250 Вт.

Обратили внимание не некоторую некорректность? Расчетное значение сопротивления мы округлили в большую сторону, значит ток в цепи будет меньше, то есть мы получили завышенное значение мощности. Желающие могут посчитать точно, но разница будет незначительная.

Примем эту схему за базовую и на ее основе рассмотрим варианты подключения нескольких светодиодов:

Параллельное подключение светодиодов (рис.2) большинством специалистов не рекомендуется по следующим основным объективным причинам:

из-за разброса параметров токи, протекающие через светодиоды, будут различны, что может привести к выходу из строя того светодиода, где окажется превышенным максимально допустимое значение тока,
при неисправности любого светодиода (обрыв) его ток поделится между оставшимися, далее по сценарию предыдущего пункта. Потом цепная реакция и вся линейка выходит из строя.
ток потребления такой схемы равен сумме токов всех светодиодов, то есть при их значительном количестве имеет достаточно большое значение.

Негативные последствия такого подключения можно отчасти избежать, если уменьшить рабочий ток процентов на 30% от номинального, правда яркость сечения светодиодов при этом снизится.

Если сказанное Вас не пугает можете рассчитать сопротивление и мощность резистора по приведенной ранее методике при условии что Iраб=Ivd1+…+Ivdn или просто умножьте ток любого светодиода на их количество. Почему? Потому, что для этих двух случаев светодиоды должны иметь максимально близкие параметры, то есть быть однотипными, кроме того, желательно из одной партии.

Последовательное подключение светодиодов (рис.3) более корректно, недостатком может явиться разная яркость их свечения (опять же из за разброса параметров).

Кстати, такое соединение используется в светодиодной ленте.

Для расчета этой схемы следует взять Uvd=Uvd1+…+Uvdn

Еще одно, общее для всех схем подключения ограничение, Uvd должно быть меньше Uпит на величину, позволяющую установить токоограничивающий резистор.

Например, для схемы на рис.3 при напряжении питания 12В и падении напряжения на светодиоде 2В можно взять пять светодиодов, суммарным падением напряжения 10В. Если их будет 6 штук, то Ur =0, что означает отсутствие резистора, а такого быть не должно.

Последнее, как быть, если при последовательном соединении не удается соблюсти указанное условие?

Выход — использовать смешанное подключение (рис.4). Расчет схемы в этом случае производится для каждой последовательной цепи подключения, а при одинаковом количестве светодиодов и их типов в каждой цепи расчет можно сделать один раз для любой последовательной группы светодиодов.

Напоминаю — все светодиоды должны быть однотипные, по крайней мере, для общей последовательной цепи.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Подключение светодиода. Схемы монтажа светодиодов

Понятия, сокращения, глоссарий.

БП — блок питания.
SMD — устройство, излучающее свет, монтируемое на резиновой, бумажной, самоклеющейся поверхности ленты. С нанесёнными проводящими ток дорожками и миниатюрными полупроводниковыми элементами, расположенными в один или несколько рядов. А также могут быть установлены ограничивающие резисторы и конденсаторные сглаживающие фильтры. Длину ленты разрезают по специально нанесённому пунктиром месту.
Чип — полупроводниковый кристалл.
Подложка — гибкая плата с припаянными элементами.
СД — диод, излучатель света.
Клеящаяся основа — фиксирует на поверхности СД.
Люминофор — материал, испускающий фотоны под воздействием энергии полупроводника.
RGB-контроллер — прибор, с функцией инфракрасного или радиоуправляемого цвета, режимом свечения. Регулируют дистанционным пультом.
Samsung, Philips, LG. Брендовые производители СД.
Диммер — это устройство для расширения функциональных возможностей светодиодных источников. Регулирует интенсивность потока освещения, его цвет, экономит электроэнергию. Составная часть обычного выключателя.
Дистанционный пульт — прибор для управления одним или несколькими узлами.
Усилитель контроллера — устройство для передачи сигнала к диодам, обеспечивающее одинаковые цвета и яркость излучения.
Световой поток, обозначенный единицей люмен (лм).
ИК — инфракрасный контроллер.

Подключение, ошибки

Светодиод обладает многими преимуществами перед другими источниками излучения. Он экономичный, с большим эксплуатационным сроком, виброустойчивый и к тому же имеющий невеликие габариты. Однако, эти положительные качества не всегда полностью реализуются на практике.

И прежде всего, из-за недостаточного понимания работы нелинейного полупроводникового прибора. Чтобы избежать этого и достичь эффективного использования, необходимо придерживаться правил.

Нельзя подсоединять светодиод напрямую к источнику.

Он подключается последовательно через резистор либо через драйвер питания, регулирующий величину тока. Неуправляемая подача быстро выведет его из строя.

Рис. 1

Не рекомендуется параллельное подключение между собой нескольких диодов к одному источнику питания. Рис. 2. Самый безобидный вариант от такого подсоединения проявится в том, что излучение света будет разной яркостью. При повреждении первого диода возрастает ток на второй, резко сокращающий сроки его эксплуатации вплоть до разрушения.
Не допускается последовательное подключение светодиода с разными параметрами тока. При этом слабо излучающий свет быстро выйдет из строя. Рис. 2

Подключение элемента неправильного сопротивления. Рис 3. Протекающий через него ток, может оказаться большим или недостаточным для оптимальной работы диода. Это приведёт к перегреву кристалла и сокращение сроков службы

Применение ограничивающего резистора недостаточной мощности, следствием которой будет его полное разрушение. Рисунок. 3.
При подключении светодиода к сети необходимо ограничить обратное напряжение. Увеличенный ток может, перегреть полупроводниковый переход, вызывающий тепловой пробой и повреждение светодиода.

Соблюдая правильность подсоединения элементов, достигают максимальной эффективности приборов в освещении и конструировании различных устройств.

Подключение лент

На схеме провода БП обозначены двумя цветами. Красный — это плюс, а синий — минусовой. Такая же маркировка применена и на потребителях электроэнергии. При подключении это правило соблюдают, в противном случае схема работать не будет

Применяя несколько лент нельзя последовательно (напрямую), припаивать их концы. Например, составляя вместе пятиметровые, стараются получить в два раза длиннее 10 м. Но необходимо учесть, что соединительные провода мелкого сечения и рассчитаны только на одну ленту. Подключая их последовательно, добавляется сопротивление, из-за чего № 2 светит с меньшей яркостью. А через № 1 протекает увеличенный от номинала ток, который приведёт к повышенному перегреву, сокращающему в разы срок службы. Рис. 5.

К выходу БП (рисунок 6) подключают провода следующей ленты № 2, минуя

дорожку № 1

Для уменьшения потерь напряжения, их сечение выбирают несколько больше (1,5 мм.). Длина проводов такая же, как и к ленте № 1. Схему применяют при достаточном месте для размещения БП, показанную на рисунке 7. Второй блок питания подсоединяют проводом 0,75 мм. Положительным моментом является то, что их мощность уменьшилась вдвое. При отсутствии пространства применяют схему на рис. 6. Когда задача размещения и укрепления второго источника усложняется поиском подходящего места.

Монтаж цветной ленты, усилителя и контроллера

RGB-контроллер предназначен для регулировки света. Работает при напряжении 12, 24 в. Установленная мощность 72,108,144,288 Вт, со встроенной программой управления излучением, укомплектованы дистанционным пультом. Рис. 8. Клеммы для подключения ленты обозначены: R — для регулировки красного; G — зелёного; B — синего; V+ — общий.

Сетевые разъёмы маркируют «V +», и «-V». На контакт, обозначенный плюсом, закрепляют красный, на минус — чёрный или синий провод. Подсоединения желательно не перепутать. В противном случае пульт выдаст ошибочную команду.

Дистанционный способ управления

Контроллер простой по конструкции и экономичный.
Установлена программа смены цветов. Подходит для устройства подсветки вывесок, витрин магазинов. Иногда прибор используют как простой выключатель.

Инфракрасный

Работает при условии видимости приёмника контроллера, ограниченной дистанцией до 10 м. Его функции похожи на телевизионный пульт.
Яркость излучения регулируется. Предусмотрен подбор четырёх цветов и оттенков к ним, переливание света, и дополнительное проецирование белого. Возможна установка эффекта затухания или мерцания излучения.

Радиоуправляемый

IR Контроллер регулируют радиосигналом с дистанцией до 20 метров. Зрительная видимость необязательна. Соблюдая указанное расстояние, освещение регулируют с любой комнаты. Недостаток — при утере пульта необходимо покупать полный комплект нового, так как частота радиосигнала у них разная. Конструкции пультов бывают сенсорными или кнопочными, со всеми стандартными действиями.

Работающий по WI-FI

Функционируют по тому же принципу, с любым типом пульта, как указано выше. Контроллером можно управлять через мобильный телефон.

Подключение нескольких RGB светодиодных лент

Проводящие ток дорожки имеют одинаковую длину. Соединять их последовательно нельзя, так как работать будут недолго. Существует два способа подсоединений: с одним БП и с RGB-контроллером.

Эта схема подойдёт для многоцветной ленты c 30 диодами. Но яркости будет недостаточно. Рисунок 9. При 60 штук таких же потребуется БП и в два раза мощный контроллер. Дальше рассчитываем: две ленты используют для освещения 140 Вт, контроллер для этого случая подойдёт мощностью 280 Вт, что скажется на стоимости. Место для размещения блока питания планируют при проектировании потолка. Рис. 10.
В этой схеме используют дополнительно БП и усилитель. К нему со стороны Input (вход) подключают конец ленты № 1 и к Output (выход) начало № 2. Каждый провод подсоединяют в соответствующую клемму. После подключают БП.

В результате получили: монтаж по этой схеме станет дороже, мощность и размеры блоков питания будут меньше, но зато появляется возможность подключать любое количество RGB изделий.

Общий совет по установке светодиодных узлов

Выбор комплектующих.

По статистике спросом пользуются более сотни типов лент, около 50 моделей блоков питания, до 30 диммеров и контроллеров. Для начала необходимо определить поставленные задачи. Они могут быть следующими: подсветка потолка и ниши, дополнительное освещение кухни, интерьера комнат, спальни, ванной, шкафов, баров и т. д.

Проверка качества контактов на ленте. Они имеют вид четырёх проводков, припаянных к торцу платы.
Места припайки не всегда бывают прочным.
Проверяют соединения, изолируют их. Оторванный может вызвать замыкание.

Для надёжности заделывают новые, длинные с обжимными наконечниками и усиленные термоусадочной трубкой диаметром 10 мм. Одев её на контакты светодиодной ленты, аккуратно нагревают. При этом избегают попадания горячего воздуха на полупроводник. Размягчённая трубка уменьшается в размере, прижимая контакты, изолируя и улучшая прочность соединения. Такая подготовка к монтажу обеспечивается длительный срок использования.

Наличие инструмента и комплектующих изделий. Для устройства нужно иметь: провода, трубки, фен, ножницы, паяльник и сопутствующие материалы.

Есть и более простой вариант решения. Можно приобрести готовый набор для монтажа светодиодных устройств. В его состав входят: ленты, блоки питания, контроллер, диммер, крепёж, разъёмы, провода. Кроме того, перечень содержимого набора дополняется пожеланиями заказчика.
Место монтажа ленты очищают, обезжиривают. Потом со стороны клеевого слоя снимают защитную плёнку и нажатием закрепляют к подготовленной плоскости.

Виды СД лент

Все составляющие её элементы размещены на самоклеющейся основе. Отличие между ними — это тип используемого светодиода. Светодиод припаян к плоскости ленты. Самые применяемые два: SMD 3020 и такой же 5050. Сокращённое обозначение в переводе прочитывается как устройство, монтируемое на поверхности. Цифры указывают размер светодиодов в миллиметрах. Конструкция первого состоит из одного кристалла, второго — из трёх штук. Последний излучает более яркий свет в 2,5 раза. Для сравнения: светодиод SMD 5050 даёт поток в 12 лм, а типа 3020 излучает только 4,5.

Цвет свечения обуславливается свойством использованного полупроводникового материала. Каждый проецирует характерный свет. Распространён зелёный, красный и такие как жёлтый, синий. Но на практике существует излучение белого света, хотя в природе таких материалов нет. Однако, для его получения используют синий диод, продуцирующий ультрафиолет. Для этого на его поверхность наносят тонкий слой люминофора. Под его воздействием материал излучает белый светом. Это покрытие прибора имеет недостаток, проявляющееся со временем. За которое слой выгорает, свечение становится синеватым, яркость снижается. Поэтому лента белого цвета недолговечная, сила потока после года эксплуатации, может, уменьшиться на 40%. А действительным сроком службы СД считают время, за которое он потускнеет на 30% с момента первого включения.

Существует второй вариант получения белого оттенка. Для этого в корпусе светодиода установленных размеров (смотри выше) размещают не более трёх кристаллов. Из которых каждый излучает свой природный оттенок. Он бывает синим или красным и, наконец, зелёным. Если смешать их, то в результате получится белый. Срок использования такого диода будет намного дольше.

Собранная из них конструкция и размещённая на материале с клейкой поверхностью, называют RGB-лентой. И ещё один плюс. Так как каждый кристалл раздельно подключён к источнику питания, тогда они излучают свой цвет. Поэтому ленту подсоединяют четырьмя проводами. Из которых три идут на каждый кристалл и один общий для всех.

Такая конструкция позволяет регулировать световую окраску с помощью пульта управления. Так, для общего освещения включают белый, для медитации и расслабления — зелёный, для приятного ужина — красный. Есть ещё особенность ленты: яркость свечения зависит от количества СД на один метр, что повлечёт увеличение её стоимости.

Подборка диодов и расчёт БП

СД ленту подключают к блоку питания напряжением 24, 12 или 6 вольт. Их потребность в мощности приведена в таблице.
Светодиод марки SMD Мощность (Вт. ) Количество сд (шт.)
3528 4,8 60
3528 7,2 120
3528 16,0 240
5050 7,2 30
5050 14,0 60
5050 25,0 120

Сначала уточняют, сколько потребляет 1 м ленты. Например, две 5-и метровые используют 72 ватта. Эксплуатационный запас блока должен иметь 30%. Для работы длиной в два раза большей типа 5050 c 30 светодиодами необходимо выбрать БП мощностью 93,6 ватта.

Возможные варианты выбора БП

Существуют основные типы этого устройства.

Герметичный, компактный в корпусе из пластика. Защищён от влаги. Предел его мощности 75 ватт. Для двух лент необходимы 2 блока питания по 50 Вт. Из-за небольших размеров БП используют при монтаже интерьерной подсветки.
Такой же тип в алюминиевом корпусе. Его 100 Вт мощности достаточно для эксплуатации двух лент. Имеет больший вес (1 кг) и габариты. Подходит к подсветке уличных указателей. Защищён от дождя, солнечных лучей, колебаний температуры, мороза.
Открытый БП. При 100 Вт мощности обладает большим весом и размерами. Редко используют для подсветки стен и потолков из-за сложности найти свободное место. Устанавливают в отдельном шкафу. Стоимость более низкая.

Недостатки СД лент

Длина ограничивается пятью метрами. Это связано с трудностью выдержать равномерную яркость во всех элементах конструкции.
Хрупкость и ломкость проводящих ток дорожек, изготовленных из фольги или меди. Радиус изгиба — не менее 25 мм.
Необходимость усиления отдельных мест, соединений, изоляции контактов.
Используя устройства светодиодных лент, потребляющих ток выше 80 мА, предусматривают дополнительные приспособления для охлаждения.
Относительно высокая стоимость.

Достоинства светодиодных лент

Экономное потребление электроэнергии.
Срок службы от 5 до 13 лет, превышающей традиционные источники света.
За счёт гибкости конструкции ленте придают любую форму.
Возможность увеличивать (подобрать) длину, добавляя шести или десятиметровыми кусками (по 3 или 5 диодов в каждом).
Потребляемая электроэнергия используется на излучение света, а не на подогрев прибора.
Нулевое мерцание и отсутствие ультрафиолета.
Устойчиво работает при колебаниях сетевого напряжения. Функционирует через блок питания при изменениях в пределах 130—160 вольт.
Широкий выбор световой гаммы сохраняется во весь период эксплуатации.
Простота монтажа.
Производители гарантируют качество светодиодных лент.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

LED Circuit Design — Как проектировать светодиодные схемы

LED Circuit Design. Узнайте, как проектировать светодиодные схемы. Как рассчитать размер резистора, как защитить светодиод, как долго батарея будет питать цепь, как рассчитать номинальную мощность резистора, как подключить светодиод и многое другое.

Прокрутите вниз, чтобы посмотреть обучающее видео на YouTube.

Светодиод

Это светодиоды или светоизлучающие диоды. Если мы пропустим ток через один, он производит свет. Но если мы превысим его ограничение по напряжению и току, он будет немедленно уничтожен. Внутри светодиода есть крошечный провод, который может выдерживать только определенное количество тока, проходящего через него. Когда мы смотрим на разрушение светодиода под микроскопом, мы видим, как внутри него взрывается крошечная проволока. Итак, как мы подключаем светодиоды, как мы уменьшаем ток, чтобы обеспечить безопасность светодиодов, и как долго батарея будет питать нашу схему. Именно об этом мы подробно расскажем в этой статье.

Защита светодиодов

Для защиты наших светодиодов мы используем резистор. Резистор затруднит прохождение электронов. Электроны будут сталкиваться, и это приведет к выделению тепла. Резистор станет горячим, и мы можем увидеть это с помощью тепловизионной камеры. Например, этот более 150 градусов Цельсия при всего 12В с током 6миллиампер, так что мы точно не хотим его трогать.

Резистор можно разместить с любой стороны светодиода. Хотя мы традиционно устанавливаем это с положительной стороны. Причина, по которой его можно установить с любой стороны, заключается в том, что резистор ограничивает количество электронов, протекающих в этой простой последовательной цепи. Резистор действует как пробка, уменьшая количество электронов, которое может пройти. Большинство людей ошибочно полагают, что он действует как лежачий полицейский и что электроны должны замедляться прямо перед резистором, а затем снова ускоряться. Скорость электронов остается постоянной, меняется количество протекающих электронов.

Чем выше значение используемого резистора, тем ниже будет ток и тем тусклее будет светиться светодиод.

Мы должны помнить, что светодиоды пропускают ток только в одном направлении. С плюсом, подключенным к длинному проводу, и минусом, подключенным к короткому проводу. Если мы подключим светодиод наоборот, он просто заблокирует ток, и светодиод не загорится. Вы можете проверить схему самостоятельно, возьмите КРАСНЫЙ светодиод, батарейку 9В, резистор от 360 до 390 Ом, еще один резистор более высокого номинала от 3 кОм до 9,1 кОм и мультиметр.

Подключите низкоомный резистор и светодиод к аккумулятору последовательно, и светодиод загорится. Я использую для этого макетную плату, что позволяет очень быстро и легко тестировать электрические цепи, но вы также можете просто скрутить провода вместе, припаять их или использовать какие-то разъемы, и все это будет отлично работать для этого простого эксперимента. .

Обратите внимание: если мы повернем светодиод, мы увидим, что он блокирует ток, поэтому он не загорается. Он работает только в одном направлении. Если мы заменили резистор на большое значение 9Резистор . 1 кОм видим светодиод очень тусклый. Мы также можем подключить их параллельно, чтобы сравнить яркость. Итак, теперь с резистором 360 Ом и светодиодом последовательно мы можем подключить наш мультиметр к цепи, убедившись, что мультиметр находится в режиме текущего считывания. Мы должны увидеть где-то между 17 и 20 мА в зависимости от того, какой светодиод и резистор вы использовали. Мы можем поменять местами светодиод и резистор, он будет работать нормально и даст нам такое же показание тока.

Теперь отключите мультиметр от цепи и переведите мультиметр в режим постоянного напряжения.

Измерьте на двух дальних концах цепи, и мы должны увидеть около 9 вольт. Это то, что батарея обеспечивает для нашей цепи, и это также равно общему падению напряжения в цепи. Теперь измерьте светодиод, и мы должны увидеть около 2 вольт. Это падение напряжения на светодиоде, он снимает два вольта с нашей схемы. Теперь измерьте резистор, и мы должны увидеть падение напряжения для оставшихся 7 вольт. Итак, 2 вольта плюс 7 вольт равно 9.вольт, который такой же, как наша батарея. Вы могли заметить, что измеренные значения не были точно 2 вольта, 7 вольт или даже 9 вольт. Всегда будет разница между дизайном и реальными измерениями. Например, этот резистор был рассчитан на 390 Ом, но когда мы его измерили, на самом деле это 386 Ом. Каждый компонент, включая ваш мультиметр, будет иметь допуск на погрешность, он будет близок к расчетному значению, но никогда не будет точно таким. Для большинства схем, подобных этим простым, это не имеет значения. Мы можем предположить, что расчетные значения верны. Просто помните, что значения, которые мы рассчитываем, всегда будут немного отличаться от наших фактических измерений.

Нам также необходимо знать о прямом напряжении. По сути, это просто падение напряжения, которое мы измерили ранее.

Производитель предоставляет диаграмму, подобную этой, которая показывает прямой ток при заданном прямом напряжении. Таким образом, если мы подключим источник напряжения к проводам и подадим 2 В, мы должны увидеть 20 миллиампер тока. Если бы мы приложили 1,6 В, мы бы увидели 0 миллиампер, потому что светодиод был бы выключен. Диаграмма для этого светодиода начинается примерно с 1,7 вольт, поэтому мы знаем, что нам нужно обеспечить минимум 1,7 вольт, чтобы светодиод начал светиться.

Мы можем проверить минимальное напряжение открытия нашего светодиода с помощью мультиметра. Если вы выберете режим диода на мультиметре, а затем подключите красный провод к длинному аноду, а черный провод к короткому катоду красного светодиода, мы должны увидеть что-то вроде 1,7 В, так что это минимальное напряжение, необходимое для включения светодиод горит.

Большинство стандартных светодиодов рассчитаны на силу тока 20 миллиампер или 0,02 ампера. Мы хотим попытаться придерживаться этого значения. Если мы опустимся ниже этого значения, то светодиод будет тусклым, если мы зайдем слишком далеко, то светодиод будет уничтожен. Мы можем подняться выше 20 мА, но срок службы светодиода будет сокращаться, чем выше мы поднимаемся. Чуть позже в статье мы увидим, как это вычислить.

КРАСНЫЙ светодиод обычно имеет падение напряжения или прямое напряжение 2 вольта, что приводит к току в нашей цепи 20 миллиампер. Мы можем проверить это с источником питания постоянного тока, когда я устанавливаю постоянное напряжение 2 В, мы видим 20 миллиампер тока. Но не все светодиоды созданы одинаково, этот не достигает 20 миллиампер, пока не подается 2,1 вольт, а этот не достигает 20 миллиампер, пока не подается 3,7 вольта. Это отклонение связано с используемыми материалами, а также с производственным процессом. Таким образом, вы должны стараться использовать светодиоды из одной партии, а также от надежных производителей. 9Светодиоды 0003

бывают разных цветов, и каждый цвет также имеет разное падение напряжения, поэтому вам нужно будет проверить это или вы можете просто посмотреть это в таблице типичных значений, подобной этой. Светодиоды

также бывают разных цветов, и каждый цвет имеет разное падение напряжения. Таким образом, вам нужно будет найти эти значения в данных производителей, или вы также можете проверить их самостоятельно, или вы можете использовать эти типичные значения из этих стандартных диаграмм, но они могут не соответствовать светодиоду, который у вас есть.

Хорошо, это основные принципы, так что давайте продолжим и создадим несколько примеров схем.

Простые схемы светодиодов

Допустим, у нас есть источник питания 3 В, и мы хотим подключить один КРАСНЫЙ светодиод. Какой резистор нам нужен? Ну, мы знаем, что этот провод на 3 вольта, а этот — наш провод заземления, который будет на 0 вольт.

Падение напряжения на светодиоде около 2 вольт. И поэтому нашему резистору нужно снять остатки напряжения. Итак, 3 вольта минус 2 вольта = 1 вольт. Мы знаем, что для светодиода требуется ток около 20 миллиампер, поэтому 1 вольт, деленный на 0,02 ампер, равняется сопротивлению 50 Ом. Убедитесь, что вы конвертируете миллиампер в ампер для этого расчета. Чтобы упростить задачу, на нашем веб-сайте есть калькулятор, где вы можете просто ввести свои значения, проверьте это ЗДЕСЬ .

Хорошо, теперь ты попробуй решить это раньше меня. Допустим, у нас есть 9-вольтовая батарея, и мы хотим подключить желтый светодиод, который имеет падение напряжения 2 вольта и требует 20 миллиампер тока. Так какой размер резистора требуется? Ну, у нас есть источник питания 9 вольт, поэтому вычтите 2 вольта для светодиода, и у нас останется падение 7 вольт для резистора. Ток равен 20 миллиампер, поэтому 7 разделить на 0,02 ампер равно 350 Ом сопротивления.

Теперь проблема в том, что у нас нет резистора на 350 Ом. У нас есть только 330 Ом или 390 Ом, так какой из них мы должны использовать? Как мы видели ранее, нам нужно убедиться, что ток не превышает 20 миллиампер, поэтому мы должны рассчитать, какой резистор нам подходит лучше всего.

Для этого мы просто разделим необходимое падение напряжения 7 вольт на номинал резистора 330 Ом, чтобы получить 0,021 ампер, а затем, если мы сделаем то же самое для резистора 390 Ом, мы получим 0,018 ампер. Оба эти значения очень близки, и оба будут работать, но для безопасности мы выбираем резистор 390 Ом, так как наш светодиод будет работать дольше. Мы также можем комбинировать резисторы, чтобы получить точное значение, которое нам нужно, и я объясню это позже в статье.

Нам также нужно будет выбрать номинальную мощность резистора. Мы можем рассчитать это по формуле: Мощность = ток в квадрате X на сопротивление, поэтому 0,018 ампер в квадрате, умноженные на 390 Ом, дают нам 0,126 Вт, поэтому для этой схемы подойдет резистор с номиналом ¼ Вт.

Как долго батарея будет питать нашу схему? Допустим, эта батарея рассчитана на типичные 500 миллиампер-часов, мы просто делим это на общий ток нашей цепи, который в данном случае составляет 18 миллиампер. Таким образом, 500 миллиампер-часов, разделенные на 18 миллиампер, дадут нам около 27 часов. Хотя это самый максимум, на который он мог бы запитать нашу схему, на самом деле он, вероятно, не достигнет этого.

Хорошо, а что, если нам нужно несколько светодиодов? Один из вариантов — соединить их последовательно.

В этой конструкции падение напряжения каждого светодиода суммируется. Таким образом, общее падение напряжения в цепи не должно превышать напряжения батареи.

Следовательно, 3-вольтовой батареи достаточно для питания только 1 светодиода при токе 20 миллиампер, а 9-вольтовой батареи достаточно для питания 4 светодиодов.

Если мы подключим 4 светодиода и подключим их к нашему настольному блоку питания постоянного тока, мы увидим, что они не включаются, пока их суммарное комбинированное минимальное прямое напряжение не достигнет примерно 6,3 вольт, однако оптимальные 20 миллиампер тока не будут достиг примерно 8,6 вольт. В 9V ток составляет около 35 миллиампер, что явно слишком много, поэтому нам понадобится резистор.

Если мы подключим 5 светодиодов, они не включатся примерно до 8,3 вольт. При 9 вольтах они все включены, но ток очень низкий, поэтому светодиоды тусклые, потому что напряжения недостаточно для полного питания светодиодов. В этом примере оптимальные 20 мА не достигаются до 10,7 вольт.

Таким образом, мы можем использовать этот метод, но мы ограничены напряжением батареи.

Что, если нам нужно больше светодиодов? Что ж, нам нужно соединить их параллельно.

Мы можем либо поместить резистор на каждый светодиод, либо использовать один резистор для питания всех светодиодов. Начнем с первого примера.

Отдельные резисторы для параллельной цепи

Эта конструкция позволяет использовать светодиоды разных цветов. Хотя легче вычислить, если они все одного цвета.

Допустим, мы хотим подключить 6 светодиодов к этой 9-вольтовой батарее. Каждый светодиод имеет падение напряжения 2 вольта и потребляет 20 миллиампер. Вся эта шина 9 вольт, а вся эта шина 0 вольт. Таким образом, каждый светодиод получит 9вольт на нем. Это явно слишком много, поэтому нам нужно разместить резистор напротив каждого светодиода. Таким образом, у нас есть 9 вольт, вычитаем 2 вольта для светодиода, что оставляет нам 7 вольт. Итак, нам нужно сбросить 7 вольт на ответвлении. Мы рассчитываем номинал резистора на 7 вольт, деленных на 0,02 ампера, что равняется 350 Ом. А затем мы находим номинальную мощность, поэтому 0,02 ампера в квадрате, умноженные на 350 Ом, дают нам 0,14 Вт, поэтому будет использоваться резистор мощностью ¼ Вт.

Затем нам нужно сложить все токи в каждой ветке. Таким образом, 0,02 ампера, умноженные на 6 светодиодов, дают нам 0,12 ампер.
9-вольтовая батарея имеет емкость около 500 миллиампер-часов, а наша схема использует 120 миллиампер, поэтому 500 разделить на 120 дает нам около 4 часов времени работы.

Мы видим, что на каждой ветви все еще достаточно напряжения для подключения большего количества светодиодов. Допустим, мы размещаем по 3 светодиода на каждой ветке. Таким образом, каждая ветвь имеет снижение на 6 вольт, поэтому 9 вольт вычесть 6 вольт равно 3 вольтам падения на резисторе. Таким образом, 3 вольта, разделенные на 0,02 ампера, дают нам резистор 150 Ом. Обратите внимание, что общий ток в каждой ветви не увеличился, поэтому мы можем добавить больше светодиодов, пока не будет достигнуто максимальное напряжение.

Если мы хотим использовать светодиоды разного цвета, то мы размещаем разные светодиоды на разных ветвях и находим подходящий резистор. Например, у нас может быть красный, синий и зеленый светодиод.
Каждый светодиод потребляет одинаковый ток 20 миллиампер, но падение напряжения красного светодиода составляет 2 вольта, синего — 3,4 вольта, а зеленого — 3 вольта. Таким образом, резистор для красного светодиода составляет 9 вольт, вычесть 2 вольта, что дает нам 7 вольт, 7 вольт, разделенных на 0,02 ампер, приведет нас к резистору 350 Ом. Синий светодиод 9вольты вычитают 3,4 вольта, что оставляет нам 5,6 вольта, поэтому 5,6 вольта, разделенные на ток 0,02 ампера, дают нам резистор 280 Ом. И зеленый светодиод будет 9 вольт вычесть 3 вольта, что оставляет нам 6 вольт, 6 вольт разделить на ток дает нам резистор 300 Ом. Таким образом, общий ток составляет 60 миллиампер. Таким образом, батарея будет работать около 8 часов.

Общие резисторы для параллельной цепи

Другой способ подключения светодиодов — это их параллельное соединение с последующим использованием одного резистора для ограничения общего тока. Для этой конструкции вы должны использовать только светодиоды одного цвета или одного номинала, мы вскоре увидим, почему это так, в этой статье.

Допустим, у нас есть 9-вольтовая батарея и 3 красных светодиода, все с падением напряжения 2 вольта, и каждый из них требует 20 миллиампер тока. Итак, мы просто суммируем токи вместе, чтобы получить 60 миллиампер, этот ток должен протекать через этот резистор.

Теперь, когда они подключены параллельно, все они будут иметь одинаковую разницу напряжений между собой. Поэтому мы вычисляем резистор: 9 Вольт вычитаем 2 Вольта и получаем 7 Вольт. Затем, поскольку весь ток протекает через этот один резистор, нам нужно будет разделить 7 вольт на 60 миллиампер, и это даст нам резистор на 116 Ом. Расчет мощности получается 0,49.Вт, поэтому будет использоваться резистор на полватта.

Причина, по которой нам необходимо использовать светодиоды одинакового номинала, заключается в том, что разница напряжений здесь составляет всего 2 Вольта. Поэтому, если мы используем светодиоды с одинаковыми параметрами, все они загорятся. Но если мы поместим в цепь синий светодиод, для этого потребуется более высокое напряжение, которого он не сможет получить, поэтому этот светодиод не включится.

Уловки с резисторами

Теперь, когда мы имеем дело с этими схемами, мы часто обнаруживаем, что рассчитанное нами значение резистора не существует или его просто нет на складе. Итак, мы можем комбинировать резисторы, чтобы получить нужное нам значение. Например, если нам нужен резистор на 200 Ом, мы могли бы установить два резистора на 100 Ом последовательно, или мы могли бы поставить 2 резистора на 50 Ом и резистор на 100 Ом. Значения резисторов просто складываются последовательно, что позволяет очень легко увеличить значение резистора.

Чтобы уменьшить номинал резистора, мы просто ставим их параллельно. Затем мы делаем некоторые математические действия, чтобы найти эквивалентное сопротивление.

Допустим, у нас есть два резистора по 10 Ом, мы вычисляем их по этой формуле. Это намного проще, чем кажется, просто введите это в свой калькулятор, и мы увидим, что это дает нам эквивалентное сопротивление 5 Ом.

Два резистора по 5 Ом дадут нам 2,5 Ом общего сопротивления.

Резистор на 200 Ом и резистор на 50 Ом дадут сопротивление 40 Ом.

Три резистора по 10 Ом дадут сопротивление 3,33 Ом.

Чтение значений резисторов

Как определить номинал резистора? Что ж, эти цветные полосы на корпусе скажут нам значение, но нам нужно посмотреть его на графике. Обычно мы можем получить 4- или 5-полосные резисторы, поэтому давайте рассмотрим некоторые из них.

При типе с 4 полосами первые 2 полосы представляют собой цифры, которые мы комбинируем, третья полоса — это множитель, а 4 ^{-я полоса} — допуск.

Например, этот 4-полосный резистор коричневый, черный, коричневый, золотой. Диапазон 1 равен 1, диапазон 2 равен 0, что дает нам 10. Диапазон 3 — это множитель, который равен 10, поэтому 10, умноженное на 10, равно 100 Ом. Тогда золото является допуском 5%. Таким образом, это может быть как 95 Ом, так и 105 Ом. Когда мы измеряем это с помощью мультиметра, мы видим 98,2 Ом, что находится в пределах допуска. Итак, мы увидели, что предыдущий резистор был не очень точным.

Если мы хотим большей точности, нам нужен меньший допуск, например, допуск 1%, 5-полосный тип. В этом типе первые 3 полосы являются цифрами, 4 ^th — это множитель, а 5 ^th — допуск.

Этот оранжевый, оранжевый, черный, черный, коричневый. Итак, это 3, это 3, это 0 с множителем, равным единице, что дает нам 330 Ом, а допуск составляет 1%. Таким образом, оно может быть между 327 Ом и 333 Ом. Когда я измеряю это с помощью мультиметра, мы видим, что он показывает 329,9 Ом, так что он идеален.

Тонкая схема светодиодного освещения

Схема светодиодного освещения ставит сложные задачи

Чтение 9 мин.

Иллюстрация: Дэвид Арки объявила первого победителя в продолжающемся конкурсе, направленном на поощрение более эффективного освещения, — приз Bright Tomorrow Lighting Prize или L Prize. Министерство энергетики присудило компании Philips Lighting North America 10 миллионов долларов США за разработку лампы, которая по размеру и яркости эквивалентна стандартной 60-ваттной лампе накаливания, но служит как минимум в 25 раз дольше и потребляет менее 10 Вт.

Несмотря на то, что лампы с почти такой же эффективностью доступны уже более года, отмеченный наградами дизайн поступил в продажу только сейчас. Подобно подсветке современных мобильных телефонов и компьютерных мониторов, в этих лампах используются светодиоды для генерации белого света. Они отличаются долгим сроком службы, приятными цветами и, самое главное, феноменальной энергоэффективностью.

Не пора ли выбросить лампы накаливания, которые все еще прячутся в ваших светильниках, и даже компактные люминесцентные лампы (КЛЛ), на которые вы уже давно перешли, и заменить их на суперсветодиоды? Поскольку затраты часто колеблются в районе 25 долларов за штуку, немногие домовладельцы спешат сделать такой решительный шаг. Но цены падают, а производительность быстро улучшается. Так что ясно, что день, когда светодиодные лампы будут доминировать в освещении как жилых домов, так и предприятий, не за горами.

Почему лампы на основе светодиодов лучше, и что делает их такими сложными в разработке? Вы можете себе представить, что ответы будут зависеть от тонкостей физики твердотельных полупроводников, которые управляют светодиодами высокой яркости. Они делают, но только до определенного момента. Практичность этих новых фонарей также зависит от более приземленной части пакета, которую часто упускают из виду: схемы, необходимой для их управления. Здесь я объясню, какие требования предъявляются к этой схеме и почему разработка соответствующей электроники может быть сложной задачей, хотя и не такой, которая должна замедлить внедрение этой фантастической новой формы освещения.

Нравится вам это или нет, но лампы накаливания — вымирающий вид. Австралия и Европейский союз начали постепенно отказываться от традиционных ламп накаливания в 2009 году. Соединенные Штаты неуверенно движутся в том же направлении, а Китай намерен отказаться от ламп накаливания к 2016 году. Причина проста: устаревшие лампочки тратят впустую огромное количество электроэнергии.

Целых 90 % энергии, которую вы вкладываете в обычную лампу накаливания, уходит на тепло, а не на свет. Стандартная лампа мощностью 60 Вт генерирует около 850 люменов света, что составляет около 14 люменов на ватт. Галогенные лампы (более сложный вид ламп накаливания с более высокой температурой нити накала) могут обеспечить около 20 лм/Вт. КЛЛ значительно более эффективны, производя около 60 лм/Вт, но у них есть и другие проблемы.

Часто жалуются, что их нельзя затемнить. (По правде говоря, некоторые из них могут быть затемнены, но их диапазон обычно ограничен.) Кроме того, КЛЛ медленно загораются, а поскольку их лампы содержат пары ртути, они представляют опасность для окружающей среды. Даже при наличии возможностей для переработки миллионы таких лампочек ежегодно попадают на свалки.

Светодиодные светильники не имеют ни одного из этих недостатков, и они гораздо более эффективны, некоторые из них предлагают более 100 лм/Вт. Эти номинально белые лампы на самом деле содержат синие светодиоды, а также люминофорное покрытие, которое преобразует излучаемый ими свет с узкой длиной волны в то, что человеческий глаз воспринимает как белый. Подбирая подходящее сочетание люминофорных материалов, дизайнеры могут устанавливать тон света от холодного до теплого, в зависимости от того, какое применение они имеют в виду.

Помимо высокой энергоэффективности наиболее привлекательным качеством светодиодных светильников является их долговечность. То, как долго они прослужат, зависит от того, как они спроектированы и работают, но большинство из них будут работать в течение 25 000 часов или более, сохраняя при этом не менее 70 % их первоначального светового потока. И многие производители заявляют о сроке службы 35 000 часов. Таким образом, если вы используете светодиодную лампу по 10 часов в день, вы можете ожидать, что она прослужит от 7 до почти 10 лет. Это далеко от стандартной лампы накаливания, которая в среднем гаснет примерно через 1000 часов использования. Он также превосходит КЛЛ, срок службы которых обычно составляет от 6000 до 10 000 часов.

https://spectrumqa.ieee.org/ns/slideshows/03SS_P_LED_02a2/fullscreen/03.powerledlights.f7.jpg

Такой долгий срок службы снижает одну из скрытых затрат на освещение, особенно для коммерческих и промышленных пользователей: обслуживание и затраты на замену. Это, а также экономия энергии, которая накапливается, объясняет, почему крупные пользователи были первыми пользователями. Например, в городе Лос-Анджелес в настоящее время проводится замена 140 000 натриевых уличных фонарей высокого давления на светодиоды. Крупные ритейлеры, такие как Walmart и McDonald’s, также в некоторых местах переходят на светодиодное освещение. На самом деле, единственное, что сдерживает такие предприятия, — это высокие первоначальные затраты и перспектива того, что технология светодиодного освещения вскоре улучшится и станет еще выгоднее.

Один недостаток светодиода, однако, заключается в том, что, в отличие от лампы накаливания, он не может работать прямо от электросети. Рабочее напряжение стандартного светодиода белого света обычно находится в диапазоне от 3 до 3,6 вольт, что примерно соответствует напряжению литий-ионной батареи в вашем мобильном телефоне. Хотя это упрощает использование светодиодов в мобильных устройствах, большинство осветительных приборов получают питание от сети. Таким образом, требуется схема преобразования для преобразования сетевого напряжения переменного тока в форму, которая может управлять отдельными светодиодами.

Необходимая схема аналогична схеме зарядного устройства для мобильного телефона или адаптера для ноутбука, но с некоторыми ключевыми отличиями. Во-первых, поскольку светодиоды могут работать много лет, силовая электроника, управляющая ими, должна либо прослужить столько же, либо быть сконфигурирована так, чтобы можно было легко заменить любую подверженную сбоям схему. Кроме того, поскольку приводная электроника часто должна быть встроена в ввинчивающийся источник света, схема должна быть очень компактной. Он также должен быть энергоэффективным, потому что любые потери в электронике привода увеличивают общую мощность, которая должна потребляться от настенной розетки. Наконец, что довольно неожиданно, схема привода должна выдерживать относительно высокие рабочие температуры.

Последнее утверждение требует пояснений. Как я уже отмечал, лампы накаливания превращают только 10 процентов потребляемой ими электроэнергии в свет, а остальная часть расходуется впустую в виде тепла. Светодиоды преобразуют около 50 процентов поступающей к ним энергии в свет, что делает их гораздо более эффективными. Но есть одна сложность: лампы накаливания излучают отработанное тепло в окружающее пространство в виде инфракрасных волн, тогда как светодиоды излучают только видимый свет. Кроме того, керамические основания ввинчивающихся светодиодных ламп выполняют роль изоляторов. Таким образом, их отработанное тепло, каким бы скромным оно ни было, имеет тенденцию оставаться в источнике. Это означает проблемы по нескольким причинам.

Во-первых, нагрев вызывает повышение температуры светодиодов, и в этом случае чем горячее, тем лучше. Светоотдача падает по мере увеличения температуры лампы (прямо противоположно тому, что происходит с люминесцентными лампами). Хуже того, высокие температуры сокращают срок службы светодиодов. Другая проблема заключается в том, что по мере нагрева схемы привода различные электронные компоненты, особенно электролитические конденсаторы, изнашиваются быстрее.

Разработчики систем решают эти проблемы с помощью металлического радиатора, позволяющего конвекции отводить тепло в окружающую среду. Другой способ — избежать образования большего количества отработанного тепла, чем это абсолютно необходимо, за счет разработки высокоэффективной схемы привода.

Хотя к отдельным светодиодам иногда подключаются специализированные схемы, чаще всего один комплект приводной электроники питает несколько светодиодов, соединенных вместе. Действительно, некоторые производители светодиодов монтируют массив светодиодов в интегрированном корпусе для достижения более высокой светоотдачи, хотя также распространены одиночные светодиоды с высокой выходной мощностью.

Изображение: Эмили Купер

Служба внутренних дел: Светодиодные лампы содержат набор высокотехнологичных компонентов. Общий пример, показанный здесь, включает в себя массив светодиодов белого света и электронную схему для их управления, все упаковано в компактный ввинчивающийся блок.

Нажмите на изображение, чтобы увеличить его.

В большинстве случаев отдельные светодиоды в каждой группе соединены последовательно. Такое их подключение гарантирует, что через каждый из них будет протекать одинаковая величина тока, даже если существуют незначительные различия в их электрических характеристиках. И это именно то, что вам нужно, потому что ток привода определяет их светоотдачу и цвет. Поэтому вам нужно сделать все возможное, чтобы поддерживать заданный текущий уровень.

В большинстве электронных устройств нет необходимости в постоянном токе. Микропроцессор, например, принимает фиксированное напряжение и, в зависимости от того, какую задачу он выполняет, потребляет больше или меньше тока. Однако вы не можете просто подать фиксированное напряжение на светодиод и ожидать, что через него пройдет определенное количество тока. Это связано с тем, что напряжение на диоде зависит от температуры, а также от величины потребляемого им тока. Кроме того, между светодиодами могут быть значительные производственные различия, не говоря уже о различиях между аналогичными устройствами от разных поставщиков.

Однако часто нецелесообразно соединять все необходимые светодиоды в одну большую последовательно соединенную цепочку. Для желаемого количества света вам может понадобиться столько светодиодов, что напряжение для их питания станет чрезмерным, если вы подключите их все последовательно. Очевидным решением является ограничение количества светодиодов в каждой цепочке и, при необходимости, параллельное питание нескольких цепочек.

Это просто, если каждая цепочка имеет собственную схему привода, но если несколько цепочек используют один и тот же источник питания, жизнь усложняется. Во-первых, параллельное подключение светодиодов требует, чтобы компоненты были хорошо согласованы, иначе ток (и светоотдача) в каждой цепочке не будут одинаковыми. И есть опасность, что один светодиод выйдет из строя и перекроет поток электричества через цепочку, в которой он находится, как то, что досадно часто случалось со старомодными лампочками для рождественской елки. Это плохо, конечно, потому что вся струна темнеет. Кроме того, он посылает больше тока в параллельные струны, что увеличивает их температуру и может повредить их, если ток слишком велик. Однако дизайнеры могут избежать таких каскадных отказов, соединив светодиоды в параллельных цепочках. В этом случае единственная точка отказа повлияет только на несколько других светодиодов.

В идеале, однако, каждая последовательно соединенная цепочка должна иметь собственный регулируемый драйвер, обеспечивающий необходимое количество тока. Производители светодиодов тщательно документируют величину тока, необходимого для данного светового потока, поэтому нетрудно решить, какой ток обеспечить. Напряжение, необходимое для поддержания этого уровня тока, может варьироваться, скажем, от 3 до 3,6 вольт. Так, если, например, в одной лампе последовательно соединены восемь светодиодов, схема управления для нее должна обеспечивать требуемый уровень тока при напряжении в диапазоне от 24 до примерно 29 В.вольт.

Электроника привода должна включать в себя два основных функциональных элемента: схему преобразования мощности (по сути, транзисторный переключатель, который быстро включается и выключается) и схему датчика, которая отслеживает средний ток через светодиоды и обеспечивает сигнал обратной связи для регулирования пропорции времени, в течение которого переключатель преобразования мощности остается включенным. Во многих случаях для изменения напряжения и изоляции светодиода от высоковольтной сети используется трансформатор. В таких конструкциях сигнал обратной связи часто передается оптическим путем от сенсорной электроники к схеме преобразования мощности, чтобы не нарушать электрическую изоляцию между этими двумя каскадами.

Разработать все это достаточно просто для инженеров, разбирающихся в разработке импульсных источников питания, таких как зарядные устройства для мобильных телефонов или настольные компьютеры. Тем не менее, одна надвигающаяся проблема со светодиодным освещением заключается в том, что оно обещает сделать импульсные источники питания еще более распространенными, чем сейчас. Это отлично подходит для таких компаний, как On Semiconductor, в которой я работаю, базирующаяся в Фениксе, которая создает микросхемы для использования в таких расходных материалах. Но это может стать головной болью для электроэнергетических компаний, если не будут приняты дополнительные меры для обеспечения того, чтобы эти источники питания были безопасными для сети. Позволь мне объяснить.

Величина тока, потребляемого обычной лампочкой накаливания в любой момент времени, пропорциональна приложенному к ней напряжению. Поскольку величина этого переменного напряжения колеблется, ток, протекающий через лампочку, колеблется вместе с затраченной энергией. В результате энергия, вырабатываемая местной коммунальной компанией, плавно поступает в лампочку, где она преобразуется в свет и тепло.

Однако многие электрические нагрузки содержат конденсаторы или катушки индуктивности, которые могут накапливать энергию и, таким образом, изменять то, как устройство потребляет ток из электрической сети. Значительная емкость или индуктивность будут смещать синхронизацию колебаний напряжения и тока, позволяя энергии течь туда и обратно между нагрузкой и сетью. Другой проблемой является генерация гармоник основной частоты сети.

Энергетические компании могут справиться с этими сбоями, но тем не менее они создают проблемы. Вот почему регулирующие органы пытаются ограничить проблемы, которые может создать светодиодное освещение. Обычный показатель для оценки называется коэффициентом мощности, который варьируется от 0 (когда энергия просто течет туда-сюда, не потребляясь) до 1 (когда вся энергия плавно поступает в нагрузку). В Соединенных Штатах, например, любая светодиодная лампа, потребляющая более 5 Вт, или любой осветительный прибор на основе светодиодов, предназначенный для бытового использования, должен иметь коэффициент мощности выше 0,7, чтобы соответствовать рейтингу Energy Star. А светодиодные светильники, предназначенные для коммерческого использования, должны иметь коэффициент мощности более 0,9.пройти квалификацию.

Внедрение светодиодов для общего освещения, несомненно, будет как эволюционным, так и революционным. С одной стороны, многие люди будут постепенно переходить на светодиоды, используя лампы, которые они всегда использовали, и просто покупая замену своим ввертным лампам накаливания и компактным люминесцентным лампам. С другой стороны, светодиоды предоставляют дизайнерам способы создания гораздо более инновационных форм освещения, которые используют преимущества длительного срока службы, направленности и тонкой масштабируемости света, которые предлагают светодиоды. Дизайнерам освещения для дома и бизнеса потребуется время, чтобы открыть для себя возможности, но как только они это сделают, фантастические новые виды освещения, несомненно, начнут освещать наши дома и офисы. И если схемы, управляющие ими, построены правильно, эти фонари окажутся такими же надежными, как и привлекательными.

Первоначально эта статья появилась в печати под названием «Вождение огней 21-го века».

Об авторе

Берни Вейр, менеджер по приложениям и маркетингу компании On Semiconductor, получил степень по электроэнергетике в Технологическом институте Роуз-Халман. Он начал работать с электроникой, управляющей светодиодными лампами, в начале 2000-х годов, но только в последние несколько лет технические разработки и отраслевая стандартизация светодиодного освещения объединились, говорит он.

О фотографе

Дополнительную информацию о рентгеновских снимках в этой статье см. в предыстории «Проникновение в суть».

тип окружающей среды: функцияLEDsL-Prizeлампы накаливанияCFLимпульсный источник питаниякоэффициент мощности

Эта статья предназначена только для членов IEEE.

Присоединяйтесь к IEEE, чтобы получить доступ к нашему полному архиву.

Присоединяйтесь к крупнейшей в мире профессиональной организации, занимающейся инженерными и прикладными науками, и получите доступ ко всем статьям, подкастам и специальным отчетам Spectrum. Узнать больше →

Если вы уже являетесь членом IEEE, войдите в систему, чтобы продолжить чтение.

Членство включает в себя:

Получите неограниченный доступ к контенту IEEE Spectrum
Следите за любимыми темами, чтобы создать персонализированную ленту контента IEEE Spectrum
Сохраняйте статьи Spectrum для последующего чтения
Общайтесь с другими профессионалами в области технологий
Создайте профессиональный профиль группа для совместного использования и совместной работы над проектами
Узнайте о событиях и мероприятиях IEEE
Присоединяйтесь к обсуждениям и участвуйте в них

Шумные биты могут превзойти квантовые компьютеры

Чтение за 5 минут

квантовые компьютеры.

Lang Zeng/Beihang University

p-bitsполупроводникиквантовые вычислениявероятностные вычисления

Большой универсальный квантовый компьютер все еще остается инженерной мечтой, но машины, предназначенные для использования квантовых эффектов для решения определенных классов задач, такие как компьютеры D-wave, живы. и хорошо. Но маловероятный соперник мог бросить вызов этим специализированным машинам: компьютеры, построенные из преднамеренно шумных деталей.

На этой неделе на Международной конференции по электронным устройствам IEEE (IEDM 2022) инженеры представили несколько достижений, которые делают крупномасштабный вероятностный компьютер ближе к реальности, чем когда-либо прежде.

Квантовые компьютеры не имеют себе равных для любого алгоритма, основанного на квантовых комплексных амплитудах. «Но для задач с положительными числами, иногда называемых стохастическими задачами, вероятностные вычисления могут оказаться вполне конкурентоспособными», — говорит Суприо Датта, профессор электротехники и вычислительной техники в Университете Пердью и один из пионеров вероятностных вычислений.

Стохастические задачи включают в себя целый ряд практически важных вопросов, таких как оптимизация пути, по которому должно пройти такси, чтобы забрать нескольких пассажиров, или определение молекулярной структуры белков, помогающих в открытии лекарств. Что общего у этих проблем, так это то, что они выигрывают от некоторого количества шума, позволяя компьютеру широко исследовать сложный ландшафт возможностей, чтобы найти хороший вариант.

Обычные компьютеры могут решать стохастические задачи, но реализация вероятностного шума в программном обеспечении быстро становится очень дорогостоящей. «Транзисторы — это детерминированные, очень точные объекты», — говорит Керем Камсари, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Калифорнийского университета в Сант-Барбаре и сотрудник Датты. «Чтобы они вычисляли вероятность, вам нужно использовать много транзисторов для имитации индетерминизма. Но вместо этого вы могли бы начать с чего-то, что уже очень шумно, и построить из этого вероятностные компьютеры».

Еще в 2017 году Датта, Камсари и их коллеги впервые выдвинули идею аппаратных устройств, поглощающих шум. Они назвали строительные блоки этих устройств р-битами, вероятностным аналогом кубитов. Вместо детерминистического кодирования 0 или 1 каждый p-бит переключается между ними случайным образом, проводя в каждом примерно половину своего времени.

«Мы думаем, что есть два момента, чтобы улучшить р-битный компьютер. Во-первых, нам нужен действительно хороший одиночный p-бит. Затем нам нужен способ построить действительно большой массив, и этот большой массив должен работать как микросхема CMOS». —Лан Цзэн

Один p-бит представляет собой чистый шум, не несущий никакой информации. Сила вероятностных компьютеров заключается в соединении вместе множества p-битов. Благодаря этой связи могут возникать сложные корреляции при переключении между 0 и 1, что позволяет машине в целом эффективно решать задачи оптимизации, по крайней мере, в теории.

Первым и наиболее популярным кандидатом на p-бит был небольшой магнитный туннельный переход (MTJ). Эти простые запоминающие устройства становятся нестабильными, когда они очень маленькие. А нестабильность — это как раз то, что нужно p-биту. «Вначале я часто говорил своим коллегам, которые работают с магнитной памятью: «Не могли бы вы дать нам свои плохие, плохие устройства?», — вспоминает Датта.

Однако создание больших массивов связанных p-битов из MTJ оказалось сложной задачей.

«Мы думаем, что есть два аспекта улучшения p-битного компьютера», — говорит Лан Цзэн, профессор школы интегральных схем и инженерии Бэйханского университета в Китае. «Во-первых, нам нужен действительно хороший одиночный p-бит. Затем нам нужен способ построить действительно большой массив, и этот большой массив должен работать как микросхема CMOS».

Эти трудности частично устранены благодаря достижениям, о которых сообщалось на конференции на этой неделе.

Один p-бит порождает множество

Соединение множества p-битов вместе является сложной задачей. Чтобы обойти эту проблему, команда Камсари из UCSB в сотрудничестве с исследователями из Университета Тохоку в Японии выбрала гибридный подход. Они использовали один шумный MTJ в качестве начального числа, которое управляет многими программными p-битами на программируемой пользователем вентильной матрице (FPGA).

Инженеры создали массивы зашумленных битов, которые могут совместно решать некоторые проблемы лучше, чем квантовые компьютеры Ланг Цзэн/Бэйханский университет

«Мы подумали, что если трудно получить случайность с помощью традиционных компьютеров, почему бы нам не получить эти наноустройства и не получить от них случайность бесплатно, а затем передать ее классическому компьютеру и наделить его настоящая случайность», — говорит Камсари.

Используя свои гибридные программно-аппаратные p-биты, исследователи использовали квантовый алгоритм для нахождения простых множителей целых чисел длиной до 26 бит. Это демонстрирует, что они могут решать тот же класс задач, что и компьютеры D-wave, потенциально с меньшими затратами энергии.

«Детальное сравнение затрат очень сложно», — отмечает Камсари. «Однако наша проверка концепции показала, что гибридный вероятностный компьютер может работать при мощности 20 Вт и до миллионах p-бит».

Более быстрые p-биты работают вместе

P-биты должны взаимодействовать друг с другом для создания полезных компьютеров. Скорость, с которой один MTJ может синхронизироваться с переключением другого между 0 и 1, до сих пор была ограничением и занимала несколько миллисекунд. Чтобы избежать этой проблемы, группа Цзэна из Бэйханского университета использовала новый механизм, который позволил им сократить это время до нескольких микросекунд, а затем перейти на уровень наносекунд.

Этот метод использует эффект вращательного момента вращения, что позволяет быстро переключать соединительный слой в MTJ. «Мы предложили этот дизайн в 2017 году, — вспоминает Камсари, — но отказались, потому что это было слишком сложно». Команда Цзэна смогла преодолеть эти трудности и изготовить p-биты, совместимые с вращающим моментом.

Однако различия между устройствами оставались большими. «Мы обнаружили, что у каждого устройства есть свой характер, как и у людей, — говорит Цзэн. Чтобы подавить эту индивидуальность, они предлагают упрощенную схему соединения, которую они называют 1-битным квантованием. В этой схеме p-битный «источник» по-прежнему переключается между 0 и 1, проводя в каждом из них некоторую долю своего времени. Целевой p-бит изменится на 1, если исходный p-бит, с которым он связан, проводит более половины своего времени в состоянии 1, и на ноль, если источник проводит более половины своего времени в 0. Другими словами, сила связи между целью и источником квантуется как 0 и 1.

Используя быстросвязанные p-биты с 1-битной связью квантования, команда построила вероятностный компьютер и использовала его для факторизации чисел до 945. Исследователи говорят, что создание значительно более крупных p-битных компьютеров, способных решать более сложные задачи оптимизации, должно быть простой.

Шумная флэш-память для победы

Вместо магнитных туннельных переходов в сотрудничестве между Технологическим институтом Джорджии, Intel и Корейским передовым институтом науки и технологий внутри флэш-памяти был реализован вероятностный компьютер.

В этом подходе в качестве аналогового источника случайности использовался собственный временной шум FinFET во флэш-памяти. «Обычно очень сильный шум — это плохо для запоминающих устройств, — говорит Анни Лу, аспирант Технологического института Джорджии. — Но мы хотим использовать сильный шум».

Лу и ее сотрудники применили свой вероятностный компьютер FinFET к задаче коммивояжера — классической задаче оптимизации, которая пытается найти кратчайший путь для продавца, чтобы посетить каждый город на заданной карте. Они использовали такой же квантовый протокол оптимизации, что и команда Камсари.

Чтобы ускорить вычисления, они объединили города в группы и оптимизировали поездки продавцов между группами, а затем в каждой группе отдельно. С помощью этого трюка, а также новой аппаратной реализации они смогли решить проблему для 150 городов, используя в 500 раз меньше энергии, чем любой предыдущий метод.

Помимо задач оптимизации, инженеры считают, что вероятностные компьютеры могут оказаться полезными для машинного обучения.

РубрикаПол