Diode electroluminescente (LED) alimentate de la reţeaua de curent alternativ monofazat

Diode electroluminescente (LED) alimentate de la reţeaua de curent alternativ monofazat

Există actualmente o imensă cantitate de bibliografie în domeniul diodelor electroluminescente (LED). Pentru începatori, recomand aici lucrarea în format pdf Fotoemiţatoare editată de Universitatea Tehnică din Iaşi, care poate fi descărcată de la adresa web: http://rf-opto.etc.tuiasi.ro/docs/files/LED.pdf. Acolo sunt introduse şi explicate, atât caracteristicile optice, cât şi cele electrice ale unui asemenea dispozitiv.

În imaginea din ataşamentul 1, se dă schema unui circuit simplu (schema a) format dintr-o rezistenţa de 15 kΩ în serie cu o dioda electroluminescenţă (LED) alimentat din reţeaua de curent alternativ monofazat (230 V_ca). Diodele D1, D2 (D3, D4, D5, D6) sunt intrinseci LED-ului utilizat, adica sunt incluse in aceeasi capsula cu acesta.

Ataşamentul 1 – Schema unui circuit simplu pentru alimentarea din reţea a unui LED

Unii susţin că un asemenea circuit nu este viabil, datorită tensiunii inverse maxime impusă de producator pe dioda LED (în perioada de conducţie inversă) tensiune mult mai mare (în opinia lor) decât cea din fişele de date tehnice. Nu trebuie să-şi facă probleme. De foarte mult timp dispozitivele electroluminescente denumite LED, au o structură intrinsecă (interioară) de aşa natură încât aceasta tensiune să nu poată fi depaşită. Astfel, în ataşamentul 2 am ilustrat una dintre paginile unui document pdf care prezintă caracteristicile tehnice ale unui LED de culoare albă cu diametrul de 5 mm. Se poate remarca (evidenţiată cu un chenar roşu) structura interioară a dispozitivului, care conţine în derivaţie cu LED-ul propriu-zis, două diode stabilizatoare înseriate în contrasens una cu cealaltă.

Ataşamentul 2 – Structura interioara a unui LED alb cu diametrul de 5 mm

Acestea determină mărimea tensiunii în perioada de conducţie inversă a LED-ului şi fac inutilă orice inovaţie a utilizatorului, la alimentarea în curent alternativ.

În Atasamentul 3 este prezentată şi verificarea la alimentarea în curent alternativ a caderii efective de tensiune pe LED-ul aprins. În dreapta imaginii s-a indicat şi schema de conectare utilizată, unde elementul S din schemă este un microântrerupător – cel care se vede acţionat cu şurubelniţa în fotografia din stânga.

Ataşamentul 3 – Verificarea tensiunii inverse pe LED la dioda albă cu diametrul de 5 mm utilizată la experienţa descrisă în acest articol

Am hotărât deci să realizez o experienţă foarte simplă, care nu mi-a luat mai mult de două ore, incluzând aici un film video, realizat pentru o demonstraţie mai eficientă, şi fotografiile ataşate acestui articol. Nu am utilizat filmul video, deoarece am o experienţă redusă în domeniu, şi nu am reuşit să-l produc de o asemenea manieră, încat să pot să-l încarc pe un sait de sharing. În final am considerat că doar adevarul stiinţific contează, şi ca atare este suficientă şi utilizarea unor simple fotografii. De altfel, cine se îndoieşte de rezultate, poate să reproducă întreaga experienţă, care este inclusiv la îndemâna unui amator începator în construcţii electronice.

Circuitul din ataşamentul 1 (schema a) a fost realizat practic şi este aratat în fotografia din ataşamentul 4, iar în ataşamentul 5 este verificată tensiunea reţelei alternative. Din simularea facută anterior şi reprezentată în ataşamentul 1, se vede (din schema b) că pentru

Ataşamentul 4 – LED  inseriat cu o rezistenţă de 15 kΩ

experienţă, era nevoie de o rezistenţă de 15 kΩ capabila să disipe o putere de 4 W. Nu am avut o asemenea rezistenţă la îndemână (nici măcar una la 1 W) şi de aceea am ales o rezistenţă de 15 kΩ la 0,5 W, şi am încercat să fac manevrele de verificare şi filmare / fotografiere într-un timp cât mai scurt posibil. Un alt motiv pentru care am utilizat o astfel de rezistenţă, a fost şi acela că intra lejer în creionul de tensiune de care dispuneam – un creion (indictor optic) de tensiune profesional, la care nu mai aveam becul cu neon specific acestui produs.

Precizez aici şi faptul că am efectuat de fapt experienţa, în paralel pentru trei diode LED diferite – una de culoare galbenă, una roşie şi de formă rectangulară, şi cea alba, care se vede în fotografiile din ataşamentele acestui articol. Nici unul dintre aceste trei dispozitive electronice nu s-a deteriorat în urma probelor multiple efectuate.

În ataşamentul 6 este reprezentat circuitul de alimentare al LED-ului, pregătit pentru conectarea la reţea, printr-un cablu de forţă bifilar, specific anumitor tipuri de radioreceptoare tranzistorizate romaneşti, produse în perioada anilor ’70... ’80.

În continuare, în ataşamentul 7, s-a verificat funcţionarea sub tensiune a LED-ului în 3 reprize de maximum 10 secunde, timp în care s-au realizat şi secvenţele video împreună cu

Ataşamentul 5 – Verificarea tensiunii retelei de curent alternativ

fotografiile ataşate aici. Se vede că LED-ul luminează intens, fiind parcurs de un curent de 15,8 mA, destul de apropiat de curentul maxim (20 mA) înscris în fişa de date tehnice a producătorului.

Asadar, după cum se vede, acelaşi LED utilizat la experienţă, a fost mai apoi montat în interiorul corpului transparent (din plexiglas) al indicatorului (creionului) de tensiune. Aşa dupa cum se vede din simularea ilustrată în ataşamentul 1 (schema a) prin alimentarea de la priza de curent alternativ cu tensiunea efectiva de 230 V (240 V în urma verificarii) printr-un rezistor de 15.000 Ω, la bornele LED-ului se aplică o tensiune efectivă de aproximativ 3,3 V_e, iar în regim de impulsuri, tensiunea instantanee la borne, nu depaşeşte 6,7 V_vv – vezi indicatiile osciloscopului XSC1. Aşa după cum această experienţă demonstrează practic, aceste tensiuni la borne, nu distrug joncţiunea diodei LED. Cu alte cuvinte, acea tensiune inversă (ca expresie tehnică accentuată mai sus pe fond galben) este tensiunea la care dispozitivul intră în zona de strapungere a caracteristicii – proces care se desfăşoară în avalanşă.

Ataşamentul 6 – Circuitul de alimentare al LED-ului pregatit pentru conectarea la retea

Rezistorul de protecţie de 15 kΩ montat în serie cu LED-ul, limitează însă curentul prin acesta, la cel mult 240 V / 15.000 Ω = 0,016 A, valoare care asigură o putere de disipaţie de cel mult 50 mW (vezi schema c a ataşamentului 1) faţă de cei 100 mW indicaţi de producător în fişa de date tehnice, ca putere de disipaţie maximă. În prima fază circuitul a fost în mod intenţionat subdimensionat, având în vedere că prin utilizarea LED-ului ca indicator (luminos) de tensiune el va fi înseriat cu rezistenţa corpului omenesc, avand valori de cel puţin cateva sute de kΩ. În schema c din ataşamentul 1, s-a alimentat LED-ul prin intermediul unui generator de curent constant, furnizând 0,016 A. Se vede că la bornele diodei în acest caz, există o cădere de tensiune alternativă efectivă de 3,3 V_e. Nu este deci necesar a se limita valoarea tensiunii la bornele LED-ului, prin montarea în derivaţie a unei diode redresoare (în contrasens cu acesta) aşa după cum susţin foarte mulţi teoreticieni de conjunctură.

Pe baza schemei de alimentare în curent alternativ (schema a din ataşamentul 1) se poate realiza un indicator (creion) optic de tensiune. În ataşamentul 8 se văd componentele acestui dispozitiv, iar în ataşamentul 9 este prezentat dispozitivul în stare montată.

În ataşamentul 10, se face o verificare a acestui dispozitiv.

Ataşamentul 7 – Circuitul de alimentare al LED-ului conectat la retea

Indicatorul optic de tensiune se utilizează la detectarea existenţei şi la vizualizarea tensiunilor situate la un nivel superior potenţialului electric al pămantului. Rezultă că la alimentarea diodei LED utilizată ca indicator luminos, mai intervine în serie cu rezistorul de 15 kΩ şi rezistenţa corpului operatorului, masurată între un punct de împământare şi degetul arătător al acestuia. Această rezistenţă este diferită de la individ la individ. Măsurată pentru autorul acestui articol, ea este de aproximativ 1,8 MΩ, dacă pardoseala este din beton, şi poate ajunge până la aproximativ 4,5 MΩ, dacă pardoseala este din materiale izolatoare, cum ar fi parchetul laminat. Indicaţia (slabă din punct de vedere luminos) care este ilustrata în imaginea din stanga a ataşamentului 10 se datorează tocmai faptului că verificarea a fost făcută într-o cameră cu pardoseala acoprerită de parchet. Am verificat acest dispozitiv şi în condiţiile unei încăperi cu pardoseala din beton şi s-a obţinut o indicaţie mult mai clară. Ea este reprezentată în partea dreaptă a atasmentului 10. Dacă nu se dispune de o împământare realizată în mod profesional, atunci se poate utiliza pe post de punct de împământare, borna neutră a unei prize de curent alternativ monofazat, după ce s-a verificat temeinic (cu ajutorul unui indicator optic profesionist) poziţia acestei borne. Măsurarea se poate face cu un tester care să aibă cel putin o scală de 10... 20 MΩ, poziţionat pe acea scală.

Ataşamentul 8 – Circuitul de alimentare al LED-ului pregatit pentru a echipa un indicator optic de tensiune

Trebuie precizat că rezistenţa operatorului faţă de pământ, depinde şi de cât de proaspăt a fost turnat betonul în încăperea în care se utilizează indicatorul optic de tensiune cu LED. Există inclusiv pericolul electrocutărilor, dacă pardoseala este proaspăt turnată. Acest lucru se datorează faptului că la diodele electroluminescente, operatorul realizează o legătură galvanică între sursa de tensiune verificată şi priza de împământare, în timp ce la lămpile cu neon această legatură nu este galvanică. Legatura galvanică, este caracterizată prin conducţie electrică directă din punctul de vedere al polarizărilor. Un tester care verifică rezistenţa ohmică între cele două terminale ale unui LED, indică o valoare finită a acesteia, cel puţin într-unul dintre sensuri. Dimpotrivă, un tester conectat la bornele unei lămpi cu neon, va indica o rezistenţă infinită a acesteia, indiferent de polaritatea bornelor testerului aplicate la oricare dintre terminalele lămpii, deoarece în gaze nu se poate stabili un curent electric, decât prin intermediul ionilor încărcaţi cu sarcini electrice ai gazului.

Ataşamentul 9 – Indicatorul optic de tensiune montat şi pregatit de utilizare

Din această cauză, nu se recomandă a se utiliza dispozitive indicatoare de tensiune cu LED-uri! Eu (probabil şi alţii) am fost nevoit să improvizez asemenea dispozitive, în perioada anilor ’80 şi în mod special după anul 1985, când marea majoritate a dispozitivelor electroluminiscente (printre care şi lămpile electroluminescente cu neon) provenind din import au dispărut ca urmare a sistării importurilor în România. Schema de alimentare reală pe care o foloseam în acele aplicaţii era cu o rezistenţă de 47 kΩ în locul celei de 15 kΩ, ceea ce făcea posibilă şi utilizarea indicatorului creionului de tensiune ca lampă de control. Adică, printr-un cordon anexă special, introdus în bucşa bornei (în locul degetului operatorului) se putea verifica existenţa tensiunii de reţea şi nu doar poziţia bornei de fază a prizei de curent alternativ, aşa după cum de altfel poate fi utilizat şi indicatorul de tensiune original, cel cu bec cu neon. În acest mod, curentul prin LED era de cel mult 5 mA.

Ataşamentul 10 – Indicatorul optic de tensiune, verificat la reţeaua de curent alternativ

În loc de concluzii, se poate spune că scopul acestui articol, nu a fost (de la bun început) unul care să propună spre construcţie un indicator de tensiune cu LED, ci unul care să lămurească pentru cei mai puţin experimentaţi în electronică, unele chestiuni de teoria şi practica utilizării diodelor electroluminescente semiconductoare, în special atunci când se pune problema utilizării lor în circuitele de curent alternativ.

Autor - Nicolae Olaru