那么,到底是应当采用恒压电源,还是恒流电源供电呢?
首先来看一下LED到底是什么样的器件。由于LED的亮度是和它的正向电流成正比,而且一些LED的结构决定了它的散热也就是功耗。所以大多数LED会给出额定电流,例如Φ5为20mA,1W的为350mA…等,但这并不即是LED只能工作于这些额定电流,更不意味着LED就是一个恒流器件。例如Cree的1瓦LED和3瓦LED是同一型号,电流从350mA加大到700mA,功率就从1W加大成3W,所以这个LED可以工作在350-700mA之间的任意值。
要深进懂得这个标题首先要知道LED的伏安特征。
1. LED的伏安特征
LED的中文名字就是发光二极管,所以它本身就是一个二极管。它的伏安特征和一般的二极管伏安特征非常类似。只不过通常曲线很陡。例如一个20mA的草帽LED的伏安特征如图1所示。
图1. 小功率LED的伏安特征
图2. 1W大功率LED的伏安特征
到现在为止,还有很多人认为LED电压定了,电流也就定了,所以采用恒压和恒流是一样的。实际上,LED的伏安特征并不是固定的,而是随温度而变更的,所以电压定了,电流并不必定,而是随温度变更的。这是由于是LED是一个二极管,它的伏安特征具有负温度系数的特点。
图3. 伏安特征的温度特征
而且假如不用恒流源而用恒压源供电时,常温下工作在20mA时,到了-40度时,电流就会下降至8-10mA,亮度会下降。
对于1W的大功率LED芯片,情况也是一样,而且由于功率大,散热更不轻易,温升标题更加严重。
可以说,除了散热标题以外,采用恒压电源供电是引起光衰的重要原因。所以原则上来说,LED是禁止采用恒压电源供电的。
3. 用恒压电源以后能不能靠串联电阻来稳固电流?
串联电阻只有限流的作用,也就是假如电源电压比LED串联以后的电压还要高,那么就需要串联电阻来限流,以免损坏LED。但是假如想要用串联电阻来减小温度的影响,它的作用是很小的,这可以从伏安特征上看出,串联电阻以后的确可以减小温升带来的电流升高,电阻越大,电流随温度变更越小,但是只是减小,并不能打消。而且很明显,电阻将带来额外的功耗,使得LED的总体效率下降。假定所用的LED为1W的LED,其电流为0.35A。假定串联的电阻为100欧姆,所耗费的功率就高达12.25W显然是不能接收的,即使把电阻下降到10欧姆,其功耗仍然有1.225W。 比LED本身的功耗还要大。为了减小这种功耗,就必需把电阻再减小。然而,减小电阻的成果是使得由温升所引起的电流变更还是照样加大。所以,串联电阻决不是一个好措施。
图4. 串联电阻只能减小温度的影响,而不能打消其影响
由于LED伏安特征的离散性,不但不同厂家生产的同样瓦数的LED伏安特征不一样,就是同一厂家生产的同一型号的LED其伏安特征也是不同的。
图5. 不同厂家和同一厂家生产的LED伏安特征的离散性
5. 多个LED并联后,采用恒压电源供电,能不能用不同的串联电阻来使电流平衡?
在常温下是可以的,但在温升以后就不能保持了。图6中就显示了这个标题,常温下的LED伏安特征以实线表现,两个LED的伏安特征在斜率上略有差别,在用恒压电源Vo供电时,选用不同的电阻,可以得到同样的正向电流Io。但是当温度升高时,其伏安特征左移,如虚线所示。由于还是本来的恒压和本来的电阻,此时的电流却变成了I1和I2。不即是本来的Io了。
图6. 串联电阻可以在常温下保持其电流不变,但在温升以后就不能保持电流平衡。
图7. 多个LED串联,相当于多个伏安特征在恒流点叠接,加电以后温度上升,所有伏安特征左移。
7. 多个LED串联时,采用恒流电源供电时,可以利用伏安特征的温度效应推测其结温的上升度数
在很多利用中(例如日光灯、路灯),往往将很多LED串联,这时候,LED的温度系数效应就更加明显。由于采用恒流电源供电时其后果相当于把每一个LED的伏安特征沿电压轴叠加。假如温升为60度,那么伏安特征将会向左偏移0.12V,假如10个LED串联,所有伏安特征全部左移,总偏移就会达到1.2V。这是相当可观的数字。
反过来也可以利用LED的这种特征来丈量其结温,例如有一个10串3并的LED组合,在接上恒流电源以后,测得其正向压降从32.3V下降到30.6V。变更达1.7V。那么可以推测其结温升高为1.7/10/.002=85度。
8. 恒流供电时,在串并联电路中如何保证每串的电流均衡
假如用恒流电源只供应一串LED,那当然是最幻想的了。但是,假如要供应几串并联的LED那如何能保证每串中的电流一样呢?
是的,假如用恒流源供应几串并联的LED,由于LED伏安特征的离散性,各串的电流是必定不一样的。但是实际上,由于各串LED不大可能某一串里都是正向电压偏低的,另一串里都是正向电压偏高的。而是会相对均匀散布,所以各串之间的电流不会相差很大。
9.在恒流供电的串并联电路中,如何避免因某个LED损坏所引起的标题
假如只是两串并联,而且其中某一串的一个LED坏了(开路),这时候不但这一串不亮,而且所有的电流都会流到另一串,使得另一串的电流加大一倍,用不了多久也会坏掉。为了避免一个坏了一串不亮,那么可以采用全部并串联的方法,也就是每串中的任何一个都和其他串中的同样地位的LED并联。这样,任何一个坏了(开路),只是这一个不亮,其余的LED仍然都亮。但是假如并联的LED只有两串,其中有一个LED开路了,电流就都流到和它并联的另一个LED中往,它的电流也加大一倍,使得这一个LED寿命不长,很快烧掉;假如烧坏是开路,那么就会导致所有LED全部不亮,但其它的LED侵害并不严重,由于没有长期工作于过流状态。为了减小某一个LED损坏以后对其它LED的影响,盼看并联的LED串数越多越好。图8中画出了3串5并而且同行相并的图。这时候,某一个LED坏了,总电流疏散到其余的4个LED中,总电流在每一行所有并联的LED中分配,正向电压偏低的LED分到的电流就会大一些。但不致造成太大的迫害。
图8. 三串五并中的每一个LED都和其它串中同样地位的LED相并联
当然为了避免这个现象,最好的措施是在每个LED上都并联一个稳压管,而各串之间不要并联。这时候任何一个LED坏了(开路),稳压管就导通,电流的分配关系变更很小。短路则就是少一个LED发光。
图9. 每个发光二极管都并联一个稳压管
总结以上叙述可以列表如下:
结构 | 任何一个坏了(开路) | 任何一个坏了(短路) |
单唯一串 | 这一串开路不亮 | 这一个不亮 |
两串并联 | 这一串不亮,另一串所有LED电流加倍,寿命缩短,很快都坏 | 这一个不亮,这一串电流略为加大 |
两串中两两并联 | 这一个不亮,同行另一个电流加倍,很快坏掉;如为开路,所有不亮,如为短路这一行两个LED不亮 | 这一个不亮,和它并联的另一个也不亮 |
N串同行并联 | 这一个不亮,同行其余电流加大N/(N-1)倍, N越大越安全 | 这一个不亮,和它并联的其它各个也都不亮 |
每个LED并联稳压管,各串并联 | 只是这一个不亮,对其它影响不大 | 只是这一个不亮 |
那么是不是恒压电源在LED照明中就无用武之地了呢?完整不是这样。
10.在市电LED路灯中采用恒压开关电源加恒流模块的方法供电
任何市电供电的系统里,都需要一个AC/DC的开关电源。有两种供电方法,一种是在开关电源里加上恒流反馈把持电路,保证输出电流恒定。但是这种方法大多只能单路大电流输出,而且恒流的精度不高。还有一种是,前面采用恒压电源,后面加很多路恒流模块,这种计划机动性很高,恒流精度也高。例如一个150W-300W的市电LED路灯供电计划图如下:
由于已经超出本文的标题范畴,就不在此多说了。