選擇采用恒壓電源還是采用恒流電源給LED供電
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。
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)。
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。
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/°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(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。
圖5. 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。
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) 。
圖7. 多個LED串聯(lián),相當(dāng)于多個伏安特性在恒流點疊接,加電以后溫度上升,所有伏安特性左移。
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(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。
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。
圖8. 三串五并中的每一個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。
圖9. 每個發(fā)光二極管都并聯(lián)一個穩(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) | 任何一個壞了(開路) | 任何一個壞了(短路) |
單獨一串 | 這一串開路不亮 | 這一個不亮 |
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 | 這一個不亮,這一串電流略為加大 |
兩串中兩兩并聯(lián) | 這一個不亮,同行另一個電流加倍,很快壞掉;如為開路,所有不亮,如為短路這一行兩個LED不亮 | 這一個不亮,和它并聯(lián)的另一個也不亮 |
N串同行并聯(lián) | 這一個不亮,同行其余電流加大N/(N-1)倍, | 這一個不亮,和它并聯(lián)的其它各個也都不亮 |
每個LED并聯(lián)穩(wěn)壓管,各串并聯(lián) | 只是這一個不亮,對其它影響不大 | 只是這一個不亮 |
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:
而且,這種結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點是可以程序調(diào)光,可節(jié)省能源達(dá)40%以上。
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