要深入了解LED的伏安特性

引言

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(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(hào)，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. 串聯(lián)電阻只能減小溫度的影響，而不能消除其影響

3．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(hào)的LED其伏安特性也是不同的。

圖4. 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。

4. 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5. 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。

5. 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。

6. 多個(gè)LED串聯(lián)時(shí)，采用恒流電源供電時(shí)，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(shí)候，LED的溫度系數(shù)效應(yīng)就更加明顯。因?yàn)椴捎煤懔麟娫垂╇姇r(shí)其效果相當(dāng)于把每一個(gè)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(huì)向左偏移0.12V，如果10個(gè)LED串聯(lián)，所有伏安特性全部左移，總偏移就會(huì)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(gè)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

7. 恒流供電時(shí)，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(shí)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(huì)相對均勻分布，所以各串之間的電流不會(huì)相差很大。

8．在恒流供電的串并聯(lián)電路中，如何避免因某個(gè)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(gè)LED壞了（開路），這時(shí)候不但這一串不亮，而且所有的電流都會(huì)流到另一串，使得另一串的電流加大一倍，用不了多久也會(huì)壞掉。為了避免一個(gè)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(gè)都和其他串中的同樣位置的LED并聯(lián)。這樣，任何一個(gè)壞了（開路），只是這一個(gè)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(gè)LED開路了，電流就都流到和它并聯(lián)的另一個(gè)LED中去，它的電流也加大一倍，使得這一個(gè)LED壽命不長，很快燒掉；假如燒壞是開路，那么就會(huì)導(dǎo)致所有LED全部不亮，但其它的LED損害并不嚴(yán)重，因?yàn)闆]有長期工作于過流狀態(tài)。為了減小某一個(gè)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7中畫出了3串5并而且同行相并的圖。這時(shí)候，某一個(gè)LED壞了，總電流分散到其余的4個(gè)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(huì)大一些。但不致造成太大的危害。

圖7. LED三串五并

三串五并中的每一個(gè)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(shí)候是短路而不是開路，那么這一行的其它幾個(gè)LED就都不亮了。 當(dāng)然為了避免這個(gè)現(xiàn)象，最好的辦法是在每個(gè)LED上都并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓管，而各串之間不要并聯(lián)。這時(shí)候任何一個(gè)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(gè)LED發(fā)光。

圖8. 每個(gè)發(fā)光二極管都并聯(lián)一個(gè)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：

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。

9．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(gè)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。