從LED原理分析用恒流供電還是恒壓供電
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時(shí)間：2011-07-09
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現(xiàn)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(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(shuō)，因?yàn)長(zhǎng)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(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(shuí)也說(shuō)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(lái)看一下LED到底是什么樣的器件。因?yàn)長(zhǎng)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(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?yàn)長(zhǎng)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(jié)干電池供電，新的電池電壓超過(guò)1.5V，3節(jié)就是4.5V，LED的電流就會(huì)超過(guò)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(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(shù)
到現(xiàn)在為止，還有很多人以為L(zhǎng)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?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. 伏安特性的溫度特性
溫度系數(shù)通常是-2mV/度（-1.5—2.5mV/#176;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(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(duì)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(yán)重。
3. 用恒壓電源以后能不能靠串聯(lián)電阻來(lái)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(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(dá)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(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(shù)的LED伏安特性不一樣，就是同一廠(chǎng)家生產(chǎn)的同一型號(hào)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(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(xiàn)所示。因?yàn)檫€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(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。
綜上所述，給LED供電，一定要采用恒流電源供電，電流恒定以后，不管溫度怎么變化，伏安特性如何左移，電流都不變！結(jié)溫也就不會(huì)惡性循環(huán)了！
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