選擇采用恒壓電源還是采用恒流電源給LED供電
加入技術(shù)交流群
現在有關(guān)這個(gè)問(wèn)題有很多各種不同似是而非的說(shuō)法，有人說(shuō)：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(shuō)LED并聯(lián)時(shí)就應該采用恒壓電源供電，而LED串聯(lián)時(shí)就應該采用恒流電源供電；有人說(shuō)，因為L(cháng)ED是恒流器件，所以要用恒流源供電；有人說(shuō)，采用市電供電時(shí)就應該采用恒壓電源供電，采用蓄電池供電時(shí)，就應該采用恒流電源供電。至于為什么這樣要求，似乎誰(shuí)也說(shuō)不明白。
首先來(lái)看一下LED到底是什么樣的器件。因為L(cháng)ED的亮度是和它的正向電流成正比，而且一些LED的結構決定了它的散熱也就是功耗。所以大多數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(zhù)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，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(wèn)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(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(guò)通常曲線(xiàn)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，那么因為L(cháng)ED伏安特性的非線(xiàn)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節干電池供電，新的電池電壓超過(guò)1.5V，3節就是4.5V，LED的電流就會(huì )超過(guò)100mA，很快就會(huì )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(gè)12V蓄電池的電壓，在充滿(mǎn)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
2．伏安特性的溫度系數
到現在為止，還有很多人以為L(cháng)ED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。這是因為是LED是一個(gè)二極管，它的伏安特性具有負溫度系數的特點(diǎn)。
圖3. 伏安特性的溫度特性
溫度系數通常是-2mV/度（-1.5—2.5mV/°C）,也就是隨著(zhù)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(huì )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(shí)，電流就會(huì )增加到35-37mA，而其亮度并不增加。電流增加只會(huì )使它的溫升更高，這樣就會(huì )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(shí)，常溫下工作在20mA時(shí),到了-40度時(shí),電流就會(huì )降低至8-10mA,亮度會(huì )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(wèn)題更加嚴重。
可以說(shuō)，除了散熱問(wèn)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(lái)說(shuō)，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(lái)穩定電流？
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(lái)限流，以免損壞LED。但是如果想要用串聯(lián)電阻來(lái)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(lái)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(lái)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(gè)好辦法。
圖4. 串聯(lián)電阻只能減小溫度的影響，而不能消除其影響
4．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(chǎng)家生產(chǎn)的同樣瓦數的LED伏安特性不一樣，就是同一廠(chǎng)家生產(chǎn)的同一型號的LED其伏安特性也是不同的。
圖5. 不同廠(chǎng)家和同一廠(chǎng)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(guò)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。
5. 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(lái)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(wèn)題，常溫下的LED伏安特性以實(shí)線(xiàn)表示，兩個(gè)LED的伏安特性在斜率上略有區別，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。但是當溫度升高時(shí)，其伏安特性左移，如虛線(xiàn)所示。因為還是原來(lái)的恒壓和原來(lái)的電阻，此時(shí)的電流卻變成了I1和I2。不等于原來(lái)的Io了。
圖6. 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。
6. N個(gè)LED串聯(lián)后，假如用恒壓電源供電，其溫度效應（由溫升而引起的電流增加）將會(huì )擴大N倍， 這是因為所有LED串聯(lián)以后相當于各個(gè)LED的伏安特性沿電壓軸串聯(lián) 。
圖7. 多個(gè)LED串聯(lián)，相當于多個(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。
7. 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推測其結溫的上升度數
在很多應用中（例如日光燈、路燈），往往將很多LED串聯(lián)，這時(shí)候，LED的溫度系數效應就更加明顯。因為采用恒流電源供電時(shí)其效果相當于把每一個(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 )達到1.2V。這是相當可觀(guān)的數字。
反過(guò)來(lái)也可以利用LED的這種特性來(lái)測量其結溫，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1.7V。那么可以推測其結溫升高為1.7/10/.002=85度。
8. 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 )相對均勻分布，所以各串之間的電流不會(huì )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(gè)LED損壞所引起的問(wèn)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(cháng)，很快燒掉；假如燒壞是開(kāi)路，那么就會(huì )導致所有LED全部不亮，但其它的LED損害并不嚴重，因為沒(méi)有長(cháng)期工作于過(guò)流狀態(tài)。為了減小某一個(gè)LED損壞以后對其它LED的影響，希望并聯(lián)的LED串數越多越好。圖8中畫(huà)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8. 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(lái)一樣。假如LED壞的時(shí)候是短路而不是開(kāi)路，那么這一行的其它幾個(gè)LED就都不亮了。
當然為了避免這個(gè)現象，最好的辦法是在每個(gè)LED上都并聯(lián)一個(gè)穩壓管，而各串之間不要并聯(lián)。這時(shí)候任何一個(gè)LED壞了（開(kāi)路），穩壓管就導通，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9. 每個(gè)發(fā)光二極管都并聯(lián)一個(gè)穩壓管
采用這種方法以后，就不需要再同行并聯(lián)了。
總結以上敘述可以列表如下：
結 構 | 任何一個(gè)壞了（開(kāi)路） | 任何一個(gè)壞了（短路） |
單獨一串 | 這一串開(kāi)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，很快都壞 | 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(kāi)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， | 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)穩壓管，各串并聯(lián) | 只是這一個(gè)不亮，對其它影響不大 | 只是這一個(gè)不亮 |
那么是不是恒壓電源在LED照明中就無(wú)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(kāi)關(guān)電源加恒流模塊的方法供電
任何市電供電的系統里，都需要一個(gè)AC/DC的開(kāi)關(guān)電源。有兩種供電方法，一種是在開(kāi)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(gè)150W-300W的市電LED路燈供電方案圖如下：
而且，這種結構的最大優(yōu)點(diǎn)是可以程序調光，可節省能源達40%以上。
評論