選擇采用恒壓電源還是恒流電源給LED供電問題討論

現(xiàn)在有關(guān)這個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)時就應(yīng)該采用恒壓電源供電，而LED串聯(lián)時就應(yīng)該采用恒流電源供電;有人說，因為LED是恒流器件，所以要用恒流源供電;有人說，采用市電供電時就應(yīng)該采用恒壓電源供電，采用蓄電池供電時，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。因為LED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就是一個恒流器件。例如Cree的1瓦LED和3瓦LED是同一型號，電流從350mA加大到700mA，功率就從1W加大成3W，所以這個LED可以工作在350-700mA之間的任意值。 　　要深入了解這個問題首先要知道LED的伏安特性。 　　1.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20mA的草帽LED的伏安特性如圖1所示。 　　假如用干電池或蓄電池供電，那么因為LED伏安特性的非線性，很小的電壓變化就會引起很大的電流變化，上圖中電源電壓在3.3V時正向電流為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的電流就會超過100mA，很快就會燒壞。對于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)，就會引起正向電流的3.5倍的變化(從350mA變到100mA)。 　　2.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。這是因為是LED是一個二極管，它的伏安特性具有負(fù)溫度系數(shù)的特點。 　　溫度系數(shù)通常是-2mV/度(-1.5—2.5mV/°C),也就是隨著溫度的升高，其伏安特性左移，假如所加的電壓為恒定，那么顯然電流會增加。而LED本身的效率很低，溫升很高，加電以后，假如散熱不好，其溫度很容易上升到八、九十度以上。假定采用3.3V恒壓源常溫下工作在20mA，而溫度升高到85度時，電流就會增加到35-37mA，而其亮度并不增加。電流增加只會使它的溫升更高，這樣就會增加光衰，降低壽命。 　　而且如果不用恒流源而用恒壓源供電時，常溫下工作在20mA時,到了-40度時,電流就會降低至8-10mA,亮度會降低。 　　對于1W的大功率LED芯片，情況也是一樣，而且由于功率大，散熱更不容易，溫升問題更加嚴(yán)重。 　　可以說，除了散熱問題以外，采用恒壓電源供電是引起光衰的主要原因。所以原則上來說，LED是禁止采用恒壓電源供電的。 　　3.用恒壓電源以后能不能靠串聯(lián)電阻來穩(wěn)定電流? 　　串聯(lián)電阻只有限流的作用，也就是如果電源電壓比LED串聯(lián)以后的電壓還要高，那么就需要串聯(lián)電阻來限流，以免損壞LED。但是如果想要用串聯(lián)電阻來減小溫度的影響，它的作用是很小的，這可以從伏安特性上看出，串聯(lián)電阻以后的確可以減小溫升帶來的電流升高，電阻越大，電流隨溫度變化越小，但是只是減小，并不能消除。 　　而且很明顯，電阻將帶來額外的功耗，使得LED的總體效率降低。假定所用的LED為1W的LED，其電流為0.35A。假定串聯(lián)的電阻為100歐姆，所消耗的功率就高達12.25W顯然是不能接受的，即使把電阻降低到10歐姆，其功耗仍然有1.225W。比LED本身的功耗還要大。為了減小這種功耗，就必須把電阻再減小。然而，減小電阻的結(jié)果是使得由溫升所引起的電流變化還是照樣加大。所以，串聯(lián)電阻決不是一個好辦法。 　　4.幾個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)的同一型號的LED其伏安特性也是不同的。 　　很明顯，假如用恒壓電源3.4V供電，顯然流過每個LED的電流都不一樣，每個LED的亮度也就不一樣。所以不能采用恒壓電源供電。 　　5.多個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中就顯示了這個問題，常溫下的LED伏安特性以實線表示，兩個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，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，其伏安特性左移，如虛線所示。因為還是原來的恒壓和原來的電阻，此時的電流卻變成了I1和I2。不等于原來的Io了。 　　6.N個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)將會擴大N倍，這是因為所有LED串聯(lián)以后相當(dāng)于各個LED的伏安特性沿電壓軸串聯(lián)。 　　溫升以后，N個伏安特性都左移，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。 　　7.多個LED串聯(lián)時，采用恒流電源供電時，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)，這時候，LED的溫度系數(shù)效應(yīng)就更加明顯。因為采用恒流電源供電時其效果相當(dāng)于把每一個LED的伏安特性沿電壓軸疊加。假如溫升為60度，那么伏安特性將會向左偏移0.12V，如果10個LED串聯(lián)，所有伏安特性全部左移，總偏移就會達到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1.7V。那么可以推測其結(jié)溫升高為1.7/10/.002=85度。 　　8.恒流供電時，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。而是會相對均勻分布，所以各串之間的電流不會相差很大。 　　9.在恒流供電的串并聯(lián)電路中，如何避免因某個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LED壞了(開路)，這時候不但這一串不亮，而且所有的電流都會流到另一串，使得另一串的電流加大一倍，用不了多久也會壞掉。為了避免一個壞了一串不亮，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都和其他串中的同樣位置的LED并聯(lián)。 　　這樣，任何一個壞了(開路)，只是這一個不亮，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LED開路了，電流就都流到和它并聯(lián)的另一個LED中去，它的電流也加大一倍，使得這一個LED壽命不長，很快燒掉;假如燒壞是開路，那么就會導(dǎo)致所有LED全部不亮，但其它的LED損害并不嚴(yán)重，因為沒有長期工作于過流狀態(tài)。 　　為了減小某一個LED損壞以后對其它LED的影響，希望并聯(lián)的LED串?dāng)?shù)越多越好。圖8中畫出了3串5并而且同行相并的圖。這時候，某一個LED壞了，總電流分散到其余的4個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分到的電流就會大一些。但不致造成太大的危害。 　　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壞的時候是短路而不是開路，那么這一行的其它幾個LED就都不亮了。 　　當(dāng)然為了避免這個現(xiàn)象，最好的辦法是在每個LED上都并聯(lián)一個穩(wěn)壓管，而各串之間不要并聯(lián)。這時候任何一個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LED發(fā)光。 　　總結(jié)以上敘述可以列表如下： 　　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。例如一個150W-300W的市電LED路燈供電方案圖如下：