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從LED原理分析用恒流供電還是恒壓供電

作者:茅于?!?/div>
  現(xiàn)在有關(guān)這個標題有很多各種不同似是而非的說法,有人說:在LED伏安特征上,電壓定了,電流也就定了。所以采用恒壓和恒流后果是一樣的。有人說LED并聯(lián)時就應當采用恒壓電源供電,而LED串聯(lián)時就應當采用恒流電源供電;有人說,由于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當采用恒壓電源供電,采用蓄電池供電時,就應當采用恒流電源供電。至于為什么這樣請求,似乎誰也說不明白。

  那么,到底是應當采用恒壓電源,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。由于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,但這并不即是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。
  要深進懂得這個標題首先要知道LED的伏安特征。
  1. LED的伏安特征
  LED的中文名字就是發(fā)光二極管,所以它本身就是一個二極管。它的伏安特征和一般的二極管伏安特征非常類似。只不過通常曲線很陡。例如一個20mA的草帽LED的伏安特征如圖1所示。

圖1. 小功率LED的伏安特征


  假如用干電池或蓄電池供電,那么由于LED伏安特征的非線性,很小的電壓變更就會引起很大的電流變更,上圖中電源電壓在3.3V時正向電流為20mA的LED,假如用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伏安特征,而一個12V蓄電池的電壓,在布滿電到快放完電的電壓可以從14.5V降到10.5V。相差將近20%。從伏安特征上可以看出,電源電壓的10%的變更(3.4V-3.1V),就會引起正向電流的3.5倍的變更(從350mA變到100mA)。

圖2. 1W大功率LED的伏安特征

  2.伏安特征的溫度系數(shù)
  到現(xiàn)在為止,還有很多人認為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的伏安特征并不是固定的,而是隨溫度而變更的,所以電壓定了,電流并不必定,而是隨溫度變更的。這是由于是LED是一個二極管,它的伏安特征具有負溫度系數(shù)的特點。



圖3. 伏安特征的溫度特征

  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,其伏安特征左移,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,其溫度很輕易上升到八、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,下降壽命。
  而且假如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,電流就會下降至8-10mA,亮度會下降。對于1W的大功率LED芯片,情況也是一樣,而且由于功率大,散熱更不輕易,溫升標題更加嚴重。

  3. 用恒壓電源以后能不能靠串聯(lián)電阻來穩(wěn)固電流?
  串聯(lián)電阻只有限流的作用,也就是假如電源電壓比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。但是假如想要用串聯(lián)電阻來減小溫度的影響,它的作用是很小的,這可以從伏安特征上看出,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,電流隨溫度變更越小,但是只是減小,并不能打消。而且很明顯,電阻將帶來額外的功耗,使得LED的總體效率下降。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,所耗費的功率就高達12.25W顯然是不能接收的,即使把電阻下降到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,就必需把電阻再減小。然而,減小電阻的成果是使得由溫升所引起的電流變更還是照樣加大。所以,串聯(lián)電阻決不是一個好措施。

圖4. 串聯(lián)電阻只能減小溫度的影響,而不能打消其影響

  4.幾個LED并聯(lián),能不能用恒壓電源?
  由于LED伏安特征的離散性,不但不同廠家生產(chǎn)的同樣瓦數(shù)的LED伏安特征不一樣,就是同一廠家生產(chǎn)的同一型號的LED其伏安特征也是不同的。

圖5. 不同廠家和同一廠家生產(chǎn)的LED伏安特征的離散性

  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中就顯示了這個標題,常溫下的LED伏安特征以實線表現(xiàn),兩個LED的伏安特征在斜率上略有差別,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。但是當溫度升高時,其伏安特征左移,如虛線所示。由于還是本來的恒壓和本來的電阻,此時的電流卻變成了I1和I2。不即是本來的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(由溫升而引起的電流增加)將會擴大N倍, 這是由于所有LED串聯(lián)以后相當于各個LED的伏安特征沿電壓軸串聯(lián)

  圖6. 多個LED串聯(lián),相當于多個伏安特征在恒流點疊接,加電以后溫度上升,所有伏安特征左移。

  溫升以后,N個伏安特征都左移,就使電流的增加也加大了N倍。假如采用恒流電源供電,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,必定要采用恒流電源供電,電流恒定以后,不管溫度怎么變更,伏安特征如何左移,電流都不變!結(jié)溫也就不會惡性循環(huán)了!