ALIMENTAZIONE LED A 220 Vca

 

Quella che segue è una puntualizzazione, o meglio un caso particolare di alimentazione dei LED che non è stata trattata, se non marginalmente, nella relativa sezione di calcolo.
Il titolo dice già quale è lo scopo di questa trattazione: il punto è che mi sono trovato a dover realizzare una spia 220Vca utilizzando un led da 10 mm di diametro. In realtà i calcoli e i valori trovati sono bene o male adatti per qualsiasi tipo di led (da 3 a 10 mm, rosso, verde o giallo) NON ad alta luminosità, bensì di tipo normalissimo. Ciò che si otterrà sarà un sistema di alimentazione estremamente compatto, pochissimo costoso e soprattutto FREDDO, ossia senza alcun problema di generazione di calore!! La luminosità del led sarà più che accettabile, pur non essendo certo il massimo. Occorre ricordare che in tensione alternata comunque il led (componente polarizzato) sarà alimentato correttamente e quindi acceso solo per metà del periodo dell'onda a 50 Hz della tensione di rete (quindi si accenderà e spegnerà 50 volte al secondo), non solo, ma la luminosità massima si avrà solo nell'istante del picco positivo della semionda. Risulterà tutto più chiaro guardando i grafici della simulazione e ricordando che il led sarà acceso solo quando la tensione sarà positiva! Tutto questo per dire che purtroppo è impossibile ottenere una forte luminosità da un led alimentato in alternata. Comunque come detto sarà ampiamente sufficente per i normali usi come "spia". Oltretutto devo dire che contrariamente a quanto mi aspettavo, l'occhio non nota praticamente alcun lampeggìo a causa della frequenza di alimentazione a 50 Hz.

Tutto bello dunque.... MA....

ATTENZIONE !!

ATTENZIONE !!

ATTENZIONE !!

RICORDO A TUTTI CHE IL CIRCUITO IN QUESTO CASO E' ALIMENTATO A 220 VOLTS E CHE TALE TENSIONE E' POTENZIALMENTE LETALE!! INOLTRE LA PRESENZA DI UN CONDENSATORE FA SI CHE LA CARICA IMMAGAZZINATA POSSA ESSERE MANTENUTA ANCHE A LUNGO PROLUNGANDO LA PERICOLOSITA' NEL TEMPO.

Consiglio questa soluzione SOLO a coloro che hanno abbastanza esperienza in montaggi ad alta tensione e che sanno come mantenere isolato il circuito sia durante le prove che nell'uso pratico. Se non vi sentite sicuri piuttosto preferite trovare il modo di alimentare il led in bassa tensione, secondo i canoni tradizionali!!!
COME SEMPRE PCLABORATORIO E IL SOTTOSCRITTO DECLINANO OGNI RESPONSABILITA' PER DANNI A COSE E/O PERSONE DERIVANTI DA QUANTO QUI DI SEGUITO DESCRITTO!!

Fatta la doverosa premessa, va detto che basta inserire le parole "led" e "220v" in qualsiasi motore di ricerca per trovare svariati circuiti, alcuni semplici altri meno. Ma la cosa più stramba è che a volte allo stesso schema non corrispondono gli stessi valori di componenti! Anticipo che alcuni sono corretti, altri meno. Inoltre il classico circuito utilizzato è del tipo misto capacitivo/resistivo, ossia la caduta di tensione necessaria per alimentare il led è ottenuta impiegando sia un condensatore che una resistenza. La cosa è fattibile e corretta, però la resistenza un po' di potenza la dissipa, quindi scalda (sia pur meno rispetto ad un circuito solo resistivo). E comunque... perchè aggiungere un componente che può essere omesso del tutto calcolando correttamente il condensatore?? Per questo motivo il circuito che vi propongo (con relativi calcoli e simulazioni, quindi andate tranquilli!) determina la caduta di tensione con il solo metodo capacitivo, risparmiando un componente e rimanendo totalmente freddo.
Ecco lo schemino, davvero ultra-semplice. Ricordate sempre però la presenza dei 220V di rete!!!

Veramente facile, no??! Solo il led, un condensatore e un normalissimo diodo 1N4007.
Il funzionamento è anch'esso semplice e tutto sommato non si dicosta molto dalla trattazione già fatta per i led alimentati a bassa tensione e in corrente continua. Occorre solo ricordare che in alternata il concetto di resistenza va sostituito con quello di "reattanza" (se si vuole approfondire: http://it.wikipedia.org/wiki/Reattanza ).
Va inoltre considerato che la tensione di rete si definisce a 220-230 V e si parla di "VALORE EFFICACE". Ma a noi per il calcolo interessa il "VALORE DI PICCO", ossia l'ampiezza massima che la sinusoide raggiunge dallo zero. Vediamo la simulazione della tensione di rete:

Questa è la 230 Vca di rete elettrica. Come dicevo il valore è quello "efficace", e NON quello di picco, che guardando il grafico qui sopra è attorno a poco più di 300 V!! Occorre allora calcolarsi il valore di picco:

Il risultato è circa 325 V. E questo è il valore da cui partire per utilizzare il condensatore dello schema esattamente come se si trattasse della resistenza di limitazione nei normali circuiti a led. Ovviamente le formule sono diverse! ;-) Riguardano la "pulsazione" (lettera greca omega nelle formule) e la reattanza capacitiva.
Diciamo che per un normale led (non ad alta luminosità) una corrente di picco adatta potrebbero essere 15 mA (un po' come in corrente continua, in genere 10-15 mA sono ok!). Allora si può calcolare la REATTANZA necessaria (sarebbe poi la resistenza in corrente continua):
Legge di Ohm --> R = V/I, dove R è la resistenza, V i volts e I la corrente (nel nostro caso R è la reattanza e V sono i volts picco Vp, ma è tutto uguale). Si ha quindi che R = 325/0.015 = 22000 ohms circa. Questa è la reattanza che dobbiamo ottenere dal nostro condensatore. Quindi usando le formule della reattanza capacitiva al contrario possiamo risalire al valore che il condensatore deve avere (a frequenza di rete, cioè 50 Hz). La lettera "omega" come detto è la "pulsazione", mentre nelle formule "Pi" è il Pi-greco e "f" la frequenza. Xc ovviamente la reattanza capacitiva e C la capacità.

Il nostro condensatore a schema deve quindi essere (arrotondando al valore commerciale più vicino) da 150 nF. ATTENZIONE!! Sarà sottoposto alla sinusoide di rete, che ha una ampiezza (da picco a picco) di oltre 600 V!! Quindi consiglio di scegliere un modello da 630 V (al limite, ma è sottodimensionato, almeno da 400 Vl).

A questo punto il calcolo è fatto. Basta piazzare nello schema un condensatore da 150 nF / 630 Vl e un diodo 1N4007 per avere il led-spia acceso a 220 Vca!! Il diodo ha la funzione di proteggere il led quando la sinusoide (perchè tale rimane!) di alimentazione assume valori negativi (da -0.6V in giù, dove 0.6V è il tipico valore di giunzione dei diodi). Il led è molto più sensibile del diodo ai picchi di polarizzazione inversi, per questo è bene proteggerlo con il diodo in antiparallelo. In realtà il tutto funziona anche senza il 1N4007, ma ad ogni ciclo (50 volte al secondo) il led viene alimentato a rovescio e questo (oltre ovviamente a non accenderlo) può portare a qualche rischio di distruzione prematura del componente. Non vale la pena di stare a lesinare per un semplice 1N4007: mettetelo sempre e proteggerete il led da qualsiasi problema! ;-)

Fine?? Bè, si. Chi cercava solo lo schema può anche fermarsi e realizzare in pratica la spia 220V. Se però siete interessati, aggiungo qui sotto le simulazioni del piccolo circuito, cosa che rende molto bene l'idea sia della correttezza dei calcoli sia di come alla fine la cosa funzioni.
Schema simulato (è ovviamente lo stesso):

V1 è un generatore sinusoidale settato a 325 Vpicco, esattamente come fosse la sorgente di rete elettrica.
Vediamo allora cosa succede nel punto 2 alla tensione che alimenta il nostro led.

TENSIONE alimentazione LED.

Il risultato ci dice che i calcoli erano corretti... Il led riceve nei picchi positivi una tensione massima di circa 1.7 V (giusta per l'alimentazione di un led!), mentre durante le semionde negative (grazie al diodo 1N4007 in antiparallelo) la tensione viene limitata a 0.6-0.7 V (non dannosa per il nostro led).

Vediamo la stessa cosa ma invece che riferirci alla tensione vediamo (sempre al punto 2 dello schemino) cosa succede alla corrente di alimentazione (parametro ancora più importante!).

CORRENTE alimentazione LED.

Meglio di così!! ;-)) Era proprio ciò che era stato cercato con tutti i calcoli visti! In buona sostanza il led riceve una corrente massima (solo nei picchi positivi) di circa 15.6 mA (corrente di picco che era stata imposta all'inizio dei calcoli a 15 mA). Durante le semionde negative ovviamente la corrente è zero, visto che il led non conduce (ed è spento)!
Risulta ovvio che il led NON sarà brillante come se fosse alimentato da una corrente continua di 15 mA, ma lo sarà meno, visto che durante le semionde positive la corrente varierà fra zero e 15 mA, mentre in quelle negative sarà fissa a zero! Quindi la luminosità percepita sarà pari ad una media. A occhio (avendo montato e provato il tutto) direi che è pari alla luminosità dello stesso led alimentato da una corrente continua di 8 - 8.5 mA (si badi che è un valore puramente valutato ad occhio!). Non molto ma abbastanza per una spia. D'altra parte non si può salire molto oltre, perchè per avere una corrente MEDIA più elevata (e con essa una maggiore luminosità) si dovrebbe imporre al led una corrente DI PICCO molto più alta dei 15 mA, con il conseguente rischio di distruggere il led nel momento del picco (cosa che avviene come visto ad ogni periodo, cioè 50 volte al secondo!).

Morale... se non ci si può "accontentare" della luminosità ottenuta in questo modo, l'unica alternativa rimane quella di far lavorare il led in tensione continua. Certo che se questa non è già prevista per il resto del lavoro che si sta facendo è un po' una scocciatura aggiungere un trasformatore, un ponte raddrizzatore, un condensatore e... magari stabilizzare il tutto solo per accendere la spia!!! :-))
Nel mio caso (spia del pannello di controllo spine del mio piccolo laboratorio) sono pienamente soddisfatto del risultato ottenuto in corrente alternata, fra l'altro spendendo al massimo 2 euro ammesso di non avere proprio nessun componente già nel cassetto!

Giusto per dovere di cronaca ecco una foto del led acceso. In foto non significa molto, ma almeno si vede che lo schema funziona!

Come sempre buon lavoro a chi vorrà cimentarsi nel montaggio!! E MI RACCOMANDO: PRUDENZA!!!! Occhio ai 220 Vca (o 650 Vpp se preferite). In caso di dubbi sono sempre a disposizione.

 

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