從LED原理分析用恆流供電還是恆壓供電


導讀: 有人說,因為LED是恆流器件,所以要用恆流源供電;有人說,采用市電供電時就應該采用恆壓電源供電,采用蓄電池供電時,就應該采用恆流電源供電。至於為什么這樣要求,似乎誰也說不明白。

關鍵詞:LED伏安特性

  現在有關這個問題有很多各種不同似是而非的說法,有人說:在LED伏安特性上,電壓定了,電流也就定了。所以采用恆壓和恆流效果是一樣的。有人說LED並聯時就應該采用恆壓電源供電,而LED串聯時就應該采用恆流電源供電;有人說,因為LED是恆流器件,所以要用恆流源供電;有人說,采用市電供電時就應該采用恆壓電源供電,采用蓄電池供電時,就應該采用恆流電源供電。至於為什么這樣要求,似乎誰也說不明白。

  那么,到底是應該采用恆壓電源,還是恆流電源供電呢?

  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的結構決定了它的散熱也就是功耗。所以大多數LED會給出額定電流,例如Φ5為20mA,1W的為350mA等,但這並不等於LED只能工作於這些額定電流,更不意味着LED就是一個恆流器件。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。

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 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節干電池供電,新的電池電壓超過1.5V,3節就是4.5V,LED的電流就會超過100mA,很快就會燒壞。
  對於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)。

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                       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LED電壓定了,電流也就定了,所以采用恆壓和恆流是一樣的。實際上,LED的伏安特性並不是固定的,而是隨溫度而變化的,所以電壓定了,電流並不一定,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溫度系數的特點。

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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),也就是隨着溫度的升高,其伏安特性左移,假如所加的電壓為恆定,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恆壓源常溫下工作在20mA,而溫度升高到85度時,電流就會增加到35-37mA,而其亮度並不增加。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。

  而且如果不用恆流源而用恆壓源供電時,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。對於1W的大功率LED芯片,情況也是一樣,而且由於功率大,散熱更不容易,溫升問題更加嚴重。

 3. 用恆壓電源以后能不能靠串聯電阻來穩定電流?

  串聯電阻只有限流的作用,也就是如果電源電壓比LED串聯以后的電壓還要高,那么就需要串聯電阻來限流,以免損壞LED。但是如果想要用串聯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,並不能消除。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,串聯電阻決不是一個好辦法。

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            圖4. 串聯電阻只能減小溫度的影響,而不能消除其影響

  4.幾個LED並聯,能不能用恆壓電源?

  由於LED伏安特性的離散性,不但不同廠家生產的同樣瓦數的LED伏安特性不一樣,就是同一廠家生產的同一型號的LED其伏安特性也是不同的。

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     圖5. 不同廠家和同一廠家生產的LED伏安特性的離散性

  很明顯,假如用恆壓電源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。所以不能采用恆壓電源供電。

  5. 多個LED並聯后,采用恆壓電源供電,能不能用不同的串聯電阻來使電流平衡?

  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別,在用恆壓電源Vo供電時,選用不同的電阻,可以得到同樣的正向電流Io。但是當溫度升高時,其伏安特性左移,如虛線所示。因為還是原來的恆壓和原來的電阻,此時的電流卻變成了I1和I2。不等於原來的Io了。

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圖6. 串聯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串聯后,假如用恆壓電源供電,其溫度效應(由溫升而引起的電流增加)將會擴大N倍, 這是因為所有LED串聯以后相當於各個LED的伏安特性沿電壓軸串聯。

 

    圖6. 多個LED串聯,相當於多個伏安特性在恆流點疊接,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。如果采用恆流電源供電,那么溫升以后,仍然能夠保持電流恆定為Io。
  綜上所述,給LED供電,一定要采用恆流電源供電,電流恆定以后,不管溫度怎么變化,伏安特性如何左移,電流都不變!結溫也就不會惡性循環了!(


注意!

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