01. 引言
現(xiàn)在有關(guān)這個(gè)問題有很多各種不同似是而非的說法,有人說:在LED的伏安特性上,電壓定了,電流也就定了。所以采用恒壓和恒流效果是一樣的。有人說LED并聯(lián)時(shí)就應(yīng)該采用恒壓電源供電,而LED串聯(lián)時(shí)就應(yīng)該采用恒流電源供電;有人說,因?yàn)長ED是恒流器件,所以要用恒流源供電;有人說,采用市電供電時(shí)就應(yīng)該采用恒壓電源供電,采用蓄電池供電時(shí),就應(yīng)該采用恒流電源供電。至于為什么這樣要求,似乎誰也說不明白。
那么,到底是應(yīng)該采用恒壓電源,還是恒流電源供電呢?
首先來看一下LED到底是什么樣的器件。因?yàn)長ED的亮度是和它的正向電流成正比,而且一些LED的結(jié)構(gòu)決定了它的散熱也就是功耗。所以大多數(shù)LED會(huì)給出額定電流,例如Φ5為20mA,1W的為350mA…等,但這并不等于LED只能工作于這些額定電流,更不意味著LED就是一個(gè)恒流器件。例如Cree的1瓦LED和3瓦LED是同一型號(hào),電流從350mA加大到700mA,功率就從1W加大成3W,所以這個(gè)LED可以工作在350-700mA之間的任意值。
要深入了解這個(gè)問題首先要知道LED的伏安特性。
02. ????LED的伏安特性
LED的中文名字就是發(fā)光二極管,所以它本身就是一個(gè)二極管。它的伏安特性和一般的二極管伏安特性非常相似。只不過通常曲線很陡。例如一個(gè)20mA的草帽LED的伏安特性如圖1所示。
圖1. 小功率LED的伏安特性
假如用干電池或蓄電池供電,那么因?yàn)長ED伏安特性的非線性,很小的電壓變化就會(huì)引起很大的電流變化,上圖中電源電壓在3.3V時(shí)正向電流為20mA的LED,如果用3節(jié)干電池供電,新的電池電壓超過1.5V,3節(jié)就是4.5V,LED的電流就會(huì)超過100mA,很快就會(huì)燒壞。對(duì)于1W的大功率LED也是如此,圖2是某公司1W的LED伏安特性,而一個(gè)12V蓄電池的電壓,在充滿電到快放完電的電壓可以從14.5V降到10.5V。相差將近20%。從伏安特性上可以看出,電源電壓的10%的變化(3.4V-3.1V),就會(huì)引起正向電流的3.5倍的變化(從350mA變到100mA)。
圖2. 1W大功率LED的伏安特性
03. 低伏安特性的溫度系數(shù)
到現(xiàn)在為止,還有很多人以為LED電壓定了,電流也就定了,所以采用恒壓和恒流是一樣的。實(shí)際上,LED的伏安特性并不是固定的,而是隨溫度而變化的,所以電壓定了,電流并不一定,而是隨溫度變化的。這是因?yàn)槭荓ED是一個(gè)二極管,它的伏安特性具有負(fù)溫度系數(shù)的特點(diǎn)。
圖3. 串聯(lián)電阻只能減小溫度的影響,而不能消除其影響
04. 幾個(gè)LED并聯(lián),能不能用恒壓電源?
由于LED伏安特性的離散性,不但不同廠家生產(chǎn)的同樣瓦數(shù)的LED伏安特性不一樣,就是同一廠家生產(chǎn)的同一型號(hào)的LED其伏安特性也是不同的。
圖4. 不同廠家和同一廠家生產(chǎn)的LED伏安特性的離散性
很明顯,假如用恒壓電源3.4V供電,顯然流過每個(gè)LED的電流都不一樣,每個(gè)LED的亮度也就不一樣。所以不能采用恒壓電源供電。
05. 多個(gè)LED并聯(lián)后,采用恒壓電源供電,能不能用不同的串聯(lián)電阻來使電流平衡?
在常溫下是可以的,但在溫升以后就不能保持了。圖6中就顯示了這個(gè)問題,常溫下的LED伏安特性以實(shí)線表示,兩個(gè)LED的伏安特性在斜率上略有區(qū)別,在用恒壓電源Vo供電時(shí),選用不同的電阻,可以得到同樣的正向電流Io。但是當(dāng)溫度升高時(shí),其伏安特性左移,如虛線所示。因?yàn)檫€是原來的恒壓和原來的電阻,此時(shí)的電流卻變成了I1和I2。不等于原來的Io了。
圖5. 串聯(lián)電阻可以在常溫下保持其電流不變,但在溫升以后就不能保持電流平衡。
06. N個(gè)LED串聯(lián)后,假如用恒壓電源供電,其溫度效應(yīng)(由溫升而引起的電流增加)將會(huì)擴(kuò)大N倍
這是因?yàn)樗蠰ED串聯(lián)以后相當(dāng)于各個(gè)LED的伏安特性沿電壓軸串聯(lián)。
圖6. 多個(gè)LED串聯(lián)
相當(dāng)于多個(gè)伏安特性在恒流點(diǎn)疊接,加電以后溫度上升,所有伏安特性左移。
溫升以后,N個(gè)伏安特性都左移,就使電流的增加也加大了N倍。如果采用恒流電源供電,那么溫升以后,仍然能夠保持電流恒定為Io。
07. 多個(gè)LED串聯(lián)時(shí),采用恒流電源供電時(shí),可以利用伏安特性的溫度效應(yīng)推測其結(jié)溫的上升度數(shù)
在很多應(yīng)用中(例如日光燈、路燈),往往將很多LED串聯(lián),這時(shí)候,LED的溫度系數(shù)效應(yīng)就更加明顯。因?yàn)椴捎煤懔麟娫垂╇姇r(shí)其效果相當(dāng)于把每一個(gè)LED的伏安特性沿電壓軸疊加。假如溫升為60度,那么伏安特性將會(huì)向左偏移0.12V,如果10個(gè)LED串聯(lián),所有伏安特性全部左移,總偏移就會(huì)達(dá)到1.2V。這是相當(dāng)可觀的數(shù)字。反過來也可以利用LED的這種特性來測量其結(jié)溫,例如有一個(gè)10串3并的LED組合,在接上恒流電源以后,測得其正向壓降從32.3V降低到30.6V。變化達(dá)1.7V。那么可以推測其結(jié)溫升高為1.7/10/.002=85度
08. 恒流供電時(shí),在串并聯(lián)電路中如何保證每串的電流均衡
假如用恒流電源只供給一串LED,那當(dāng)然是最理想的了。但是,假如要供給幾串并聯(lián)的LED那如何能保證每串中的電流一樣呢?是的,假如用恒流源供給幾串并聯(lián)的LED,由于LED伏安特性的離散性,各串的電流是一定不一樣的。但是實(shí)際上,由于各串LED不大可能某一串里都是正向電壓偏低的,另一串里都是正向電壓偏高的。而是會(huì)相對(duì)均勻分布,所以各串之間的電流不會(huì)相差很大。
09. 在恒流供電的串并聯(lián)電路中,如何避免因某個(gè)LED損壞所引起的問題
假如只是兩串并聯(lián),而且其中某一串的一個(gè)LED壞了(開路),這時(shí)候不但這一串不亮,而且所有的電流都會(huì)流到另一串,使得另一串的電流加大一倍,用不了多久也會(huì)壞掉。為了避免一個(gè)壞了一串不亮,那么可以采用全部并串聯(lián)的方法,也就是每串中的任何一個(gè)都和其他串中的同樣位置的LED并聯(lián)。這樣,任何一個(gè)壞了(開路),只是這一個(gè)不亮,其余的LED仍然都亮。但是假如并聯(lián)的LED只有兩串,其中有一個(gè)LED開路了,電流就都流到和它并聯(lián)的另一個(gè)LED中去,它的電流也加大一倍,使得這一個(gè)LED壽命不長,很快燒掉;假如燒壞是開路,那么就會(huì)導(dǎo)致所有LED全部不亮,但其它的LED損害并不嚴(yán)重,因?yàn)闆]有長期工作于過流狀態(tài)。為了減小某一個(gè)LED損壞以后對(duì)其它LED的影響,希望并聯(lián)的LED串?dāng)?shù)越多越好。圖7中畫出了3串5并而且同行相并的圖。這時(shí)候,某一個(gè)LED壞了,總電流分散到其余的4個(gè)LED中,總電流在每一行所有并聯(lián)的LED中分配,正向電壓偏低的LED分到的電流就會(huì)大一些。但不致造成太大的危害。
圖7. LED三串五并
三串五并中的每一個(gè)LED都和其它串中同樣位置的LED相并聯(lián)而且只是這一行的電流分到其余4路中去,而其它幾行都還是和原來一樣。假如LED壞的時(shí)候是短路而不是開路,那么這一行的其它幾個(gè)LED就都不亮了。當(dāng)然為了避免這個(gè)現(xiàn)象,最好的辦法是在每個(gè)LED上都并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓管,而各串之間不要并聯(lián)。這時(shí)候任何一個(gè)LED壞了(開路),穩(wěn)壓管就導(dǎo)通,電流的分配關(guān)系變化很小。短路則就是少一個(gè)LED發(fā)光。
圖8. 每個(gè)發(fā)光二極管都并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓管采用這種方法以后,就不需要再同行并聯(lián)了。
總結(jié)以上敘述可以列表如下:?
結(jié)? ?構(gòu) | 任何一個(gè)壞了(開路) | 任何一個(gè)壞了(短路) |
單獨(dú)一串 | 這一串開路不亮 | 這一個(gè)不亮 |
兩串并聯(lián) | 這一串不亮,另一串所有LED電流加倍,壽命縮短,很快都?jí)?/td> | 這一個(gè)不亮,這一串電流略為加大 |
兩串中兩兩并聯(lián) | 這一個(gè)不亮,同行另一個(gè)電流加倍,很快壞掉;如為開路,所有不亮,如為短路這一行兩個(gè)LED不亮 | 這一個(gè)不亮,和它并聯(lián)的另一個(gè)也不亮 |
N串同行并聯(lián) | 這一個(gè)不亮,同行其余電流加大N/(N-1)倍,N越大越安全 | 這一個(gè)不亮,和它并聯(lián)的其它各個(gè)也都不亮 |
每個(gè)LED并聯(lián)穩(wěn)壓管,各串并聯(lián) | 只是這一個(gè)不亮,對(duì)其它影響不大 | 只是這一個(gè)不亮 |
那么是不是恒壓電源在LED照明中就無用武之地了呢?完全不是這樣。
10. 在市電LED路燈中采用恒壓開關(guān)電源加恒流模塊的方法供電
任何市電供電的系統(tǒng)里,都需要一個(gè)AC/DC的開關(guān)電源。有兩種供電方法,一種是在開關(guān)電源里加上恒流反饋控制電路,保證輸出電流恒定。但是這種方法大多只能單路大電流輸出,而且恒流的精度不高。還有一種是,前面采用恒壓電源,后面加很多路恒流模塊,這種方案靈活性很高,恒流精度也高。
編輯:黃飛
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評(píng)論
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