從LED原理分析用恒流供電還是恒壓供電
現(xiàn)在有關(guān)這個(gè)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。所以采用恒壓和恒流效果是一樣的。有人說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,因?yàn)長ED是恒流器件,所以要用恒流源供電;有人說,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?yàn)長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,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。只不過通常曲線很陡。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ED伏安特性的非線性,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1.5V,3節(jié)就是4.5V,LED的電流就會(huì)超過100mA,很快就會(huì)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(gè)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(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(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。
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(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(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)問題,常溫下的LED伏安特性以實(shí)線表示,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,如虛線所示。因?yàn)檫€是原來的恒壓和原來的電阻,此時(shí)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(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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