Как оптимально подключить последовательно множество LED через диодный мост?

Question

[Yurik_ZZ]

Дано: Розетка 240В, светодиодные модули 30-36v 100W (как заявлено на Ali) - в неограниченном количестве, водяное охлаждение.
Задача:
1. Спаяв их последовательно, подобрать количество так, чтобы вместе получилось как раз на 340 вольт.
2. Подобрать диодный мост, конденсатор и что ещё нужно, чтоб совсем не мигало и не сгорело. Полагаю, конденсатор подойдёт на 400В от компьютерного БП?
За точную схему буду весьма и весьма благодарен. Лет 15 назад я делал такую, и работало, но номиналы не умею подобрать:

Comments

[Виктор]

Вы сразу начинаете с реализации идеи, причём предлагаемый путь выглядит... мягко говоря, не оптимально (например, яркость диодов в вашей схеме будет весьма нестабильна). Мне же интересно, что вы хотите получить в результате. Ведь когда вы добавите эту инфу в свой вопрос, возможно, выявится более оптимальный способ достижения цели.

[Yurik_ZZ]

Виктор, понял, я к своему варианту не привязан, открыт для иных, лучших решений. В результате я хочу получить легко повторяемую в домашних условиях схему, чтоб можно было подключать десятки светодиодов. Всё это для растений. Им, конечно, и мерцающий свет пойдёт, но приятнее работать, когда не мигает.

[Виктор]

Yurik_ZZ, продолжу дискуссию позже, когда вместо мобилы буду иметь комп с нормальной клавой. А пока договоримся, что растениям стабильная яркость нафик не нужна, они спокойно переносят в природе переход из ночи в день и обратно.
И ещё - требование 340 вольт (т.е. 10 включённых последовательно 34-вольтовых модулей) - обязательное? Может, достаточно будет 8 или 9 модулей в цепочке? Это сильно упростило бы схему, фактически свело бы генератор питающего тока к единственному резистору (правда, довольно мощному - 100 или 200 ватт).

[Yurik_ZZ]

Виктор, стабильная яркость растениями не нужна, согласен. Это больше для меня, как оператора, но если убрать мерцание сложно, потерплю)
340 Вольт - не требование, а то, что выйдет после диодного моста с конденсатором, то есть 240 из розетки, помноженное на корень из двух. Почему 240, а не 220 - просто по факту измерения. В моём районе было предприятие, теперь оно заброшено, а трансформаторы мощные остались, вот и имею качественное энергоснабжение.

Сколько будет в цепочке светодиодов, совершенно не важно, лишь бы работало) Таких цепочек будет несколько, а потом ещё больше, я планирую постоянно расширять плантации, отработав технологию.
Да и сами диоды не обязательно эти, я тут нашёл на Али ещё лучше, флип-чип 30-36в, 20вт, 3000-3500 люмен. Если поставщик пришлёт datasheet, будет ещё легче, зная паспортные значения падения напряжения и т.д.

Да, именно и хотел бы упростить схему. По моим наблюдениям, в любой сфере жизни есть простое решение, на порядок эффективнее общепринятых)

Если в качестве резистора есть смысл использовать что-то вроде лампы накаливания, я тоже не против.

P.S. Когда мне показали метод свайп, набирать на мобильном стал гораздо быстрее, чем на клавиатуре. Возможно, нужен час, чтоб привыкнуть, зато потом - почти со скоростью речи.

[Виктор]

Yurik_ZZ, ну вот я и добрался до места с нормальным интернетом, можно раскинуть ноут и сесть писать нормальный ответ. Он не будет коротким.

Answer 1

[Виктор]

Поскольку вы согласились на самые разные способы решения вашей задачи, то вот моё первое предложение - применить вот такие модули освещения:

Их преимущества: невысокая цена, элементарно простое подключение (собственно, никакой схемы подключения нет - два провода в сеть 220 вольт, и всё), ненамного сложнее и монтаж, особенно на водянку - 4 винта по углам, и не забудем про термопасту. Посмотреть подробности по этим модулям можно тут.
Их недостаток - как пишут в отзывах, довольно сильные мерцания (это естественная цена за простоту схемы - конденсаторов большой ёмкости там нет). Но растениям такие мерцания пофигу. Я сам применяю такие для домашнего освещения, и как и растения, проблем от этих мерцаний не заметил. Неудобно лишь было делать для этих монстров воздушное охлаждение, пришлось ставить самые большие процессорные радиаторы.
Далее, допустим, что вышеописанные модули вам по каким-либо причинам не подошли. Тогда придётся немного углубиться в теорию и объяснить, почему светодиодные источники света приходится питать не напряжением, а током. Впрочем, нет, оставим теорию для последующих обменов комментариями, а пока примите это как аксиому. Дальнейшее будем обсуждать применительно к вашим 35-вольтовым 100-ваттным модулям. Ток потребления у них - около 3 ампер.
Простейший генератор тока - это резистор, и чтобы вместить его в вашу схему при питании от 340 вольт, придётся количество модулей уменьшить на один - итого 9 штук, суммарное напряжение 35х9=315 вольт. Для резистора останется 340-315=25 вольт. Его сопротивление 25 вольт / 3 ампера = 8,3 Ом. Мощность его рассеивания - естественно, 100 ватт (ведь он замещает один из осветительных модулей), и его нагрев - потеря энергии в чистом виде. Это недостаток данного варианта, а другой недостаток - то, что при колебаниях напряжения в сети яркость осветителей будет довольно значительно меняться, поскольку резистор такого маленького сопротивления плохо стабилизирует ток. Вариантов обхода данного недостатка - два: либо убавить цепочку светильников с 9 до 8, что позволит вдвое увеличить сопротивление токостабилизирующего резистора (потери электроэнергии на нагрев при этом тоже увеличатся вдвое), либо вместо этого резистора установить две последовательно соединённых галогенных лампочки накаливания на 12 вольт 50 ватт, имеющие собственный токостабилизирующий эффект сверх резисторного. Но с лампочками другая засада - они имеют склонность неожиданно перегорать, и тогда вся последовательная цепочка осветителей теряет работоспособность. Впрочем, это неизбежный недостаток любой последовательной электрической цепи.
Теперь об электрической схеме. В принципе годится и ваша, только резистор, задающий диодам ток, правильнее установить в другое место питающей цепи:
Здесь два варианта - с одним резистором либо с двумя лампочками. Почему правильнее ставить их до диодного моста? Попробуйте догадаться самостоятельно. Я, конечно, могу объяснить, но данный ответ и так вышел объёмным, поэтому я предлагаю это объяснение тоже отложить до последующих комментариев. Ёмкость конденсатора - минимум несколько сотен микрофарад, и чем больше, тем меньше будут мерцания. Можно составить его из нескольких меньшей ёмкости, соединённых параллельно, с рабочим напряжением не 400, а лучше 450 вольт, поскольку напряжение в вашей электросети выше обычного. Диоды - любые на ток 6...10 ампер с рабочим напряжением 600...1000 вольт, или модуль выпрямительного моста на такое же напряжение и такой же ток. Не забудьте, что диоды на такой значительный ток тоже требуют охлаждения!

Comments

[Yurik_ZZ]

Модули на 220В я на первую пробную установку как раз и заказал, чтоб не заморачиваться со схемой подключения. Часть из них уже в пути, а вот оптовый заказ почему-то до сих пор не отправили. Более того, весной уже опробовал их на рассаде помидор: белый, синий и фито. Разницу не заметил, под всеми выросла одинаково хорошая рассада, полдома теперь заставлено ящиками с помидорами.
Но я планирую заставить такими стеллажами несколько стен, и хотел оптимизировать схему. К этим 220В модулям у меня претензии две:
1) мерцание: мы живём в этом доме, и я его замечаю, не очень приятное.
2) сильное подозрение, что встроенная схема преследует больше коммерческую цель, чем качество и КПД. История их, насколько заметил, такова: сначала российские покупатели на Али писали, что, мол, 50 китайских ватт на этих матрицах соответствуют 25 реальным. Затем подумали, засняли на фото и видео процесс измерения ваттметром (действительно, оказалось вдвое меньше), и отспорили через Али возврат половины стоимости. Тогда предприимчивые китайцы доработали схему, чтоб она потребляла по номиналу. Но светодиодные матрицы-то остались теми же! То есть, если эта теория верна, половина мощности уходит на нагрев. Вот на этом основании я и захотел взять чисто матрицу, без схемы - тут уж не намухлюешь.

[Yurik_ZZ]

Кроме того, я уже не хочу 100Вт модули, это слишком горячо, не только вверх, где вода наверное справится, но и вниз. Придётся тогда делать слишком большое расстояние до растений, т.к. даже 50Вт модули незаметно обжигают листья: спустя время на них появляются сухие пятна. Как писал выше, лучше поставить большее количество 20Вт модулей
Если они и вправду флип-чип, охлаждение у них должно быть ещё эффективнее. Вообще, как рассказывал мне один практик, важная проблема интенсивной досветки именно в перегреве растений. Опыты показывали, что если досвечивать сверхъинтенсивными лампами, отсекая инфракрасную составляющую прозрачной водяной рубашкой, то скорость роста потрясает: редис чуть ли не 10 дней (точно не помню, 10 лет назад была беседа), другие культуры тоже... Жаль, цифры забыл, но помню, что гораздо быстрее обычных.
Конечно, водяной рубашкой я заморачиваться не буду, пусть растут в своём темпе, но вопрос КПД для меня важен в первую очередь не экономией, а этим самым перегревом.
Ещё одна поправка: насчёт сети я, похоже, погорячился, сейчас там 227-233В. Возможно, 240 я когда-то намерял в одной из фаз, когда была сильно нагружена другая - так называемый перекос фаз. То есть, надо, конечно, иметь это значение в виду, как крайне возможное, но ориентироваться всё же на стандартные 230.

Что касается Вашей загадки о размещении резистора перед мостом. Попытаюсь предположить, что нагрузка на него там будет меньше ввиду меньшего напряжения, вследствие чего уменьшится нагрев. Исхожу из аналогии с тем, что лампа, включённая в 380В горит ярче и быстро сгорает) Однако не потеряем ли мы при этом дополнительный сглаживающий бонус спирали галогенных ламп, которые вместо резистора?

[Yurik_ZZ]

Вот так будет выглядеть первая стойка шириной 1м: Круглые трубы - к батареям. Светодиоды через термопасту прижимаются парой канцелярских прищепок к профтрубе 40х20мм. Это гораздо быстрее и проще, чем винты, которые неизвестно куда вкручивать: ведь в трубе вода.

[Виктор]

Yurik_ZZ, ну что ж тут скажешь... Если не боитесь сложностей - стройте сложное, я бОльшую часть своего ответа посвятил как раз ему. Но будь я на вашем месте, я прикинул бы соотношение "трудозатраты/результат" и выбрал бы более простое в изготовлении. А что касается заметности мерцаний, то я повторю ещё раз: в моей домашней практике 100-герцовые мерцания оказались малозаметны, никто на них не жалуется.
Теперь насчёт КПД. Глянул в интернет - там мнения разделились, и оценки выдаются самые разные: сам светодиод якобы в виде света выдаёт от 30 до 95%. Но большинство экспертов сходится в том, что КПД сильно снижается от нагрева полупроводникового кристалла, так что эффективное охлаждение абсолютно необходимо. Ну, ещё КПД понижается элементами светового оформления - линзами, рассеивателями и пр. (они снижают его ещё на 10...20%), так что лучше без них.
Ещё вспомнил, что в своих схемах забыл нарисовать парочку вспомогательных элементов. Это, во-первых, абсолютно неизбежный по правилам электробезопасности плавкий предохранитель, и во-вторых, параллельно конденсатору нужно подключить резистор высокого сопротивления (1...2 мегом), мощностью 1 ватт. Он будет снимать с конденсатора остаточный заряд после выключения аппаратуры. Тем самым будет обеспечиваться электробезопасность тому монтёру, который полезет что-то ремонтировать во вроде бы выключенном светильнике, забыв про этот остаток. Без этого резистора заряд на конденсаторе большой ёмкости может сохраняться неделями.
PS. Ваше дополнение насчёт ожогов растений меняет весь расклад. Я в этом не спец, тут уж разбирайтесь самостоятельно.
Что касается моей загадки... Нет, вы не угадали, настоящая причина размещения токоограничивающего элемента перед диодным мостом в том, что разряженный до нуля конденсатор имеет нулевое электрическое сопротивление. Поэтому в момент включения, буквально в первую микросекунду, когда конденсатор начинает заряжаться, ток этого заряда ограничен только сопротивлением подводящих проводов и может превышать обычный рабочий ток в 100...1000 раз и более. Этого бывает вполне достаточно, чтобы привести в негодность выпрямительные диоды, даже несмотря на столь кратковременное воздействие. Ставить диоды с таким запасом по току, чтобы они выдерживали такую перегрузку, технически неграмотно и финансово накладно, правильнее этот ток ограничить так, чтобы эта перегрузка не превышала 5...10 крат, что выдержит и обычный серийный диод. Это и делает этот резистор. Остальную свою работу - ограничение рабочего тока светодиодов - он и на новом месте исполняет прекрасно.