要深入了解LED的伏安特性

引言

现在有关这个问题有很多各种不同似是而非的说法，有人说：在LED的伏安特性上，电压定了，电流也就定了。所以采用恒压和恒流效果是一样的。有人说LED并联时就应该采用恒压电源供电，而LED串联时就应该采用恒流电源供电；有人说，因为LED是恒流器件，所以要用恒流源供电；有人说，采用市电供电时就应该采用恒压电源供电，采用蓄电池供电时，就应该采用恒流电源供电。至于为什么这样要求，似乎谁也说不明白。

那么，到底是应该采用恒压电源，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。因为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，但这并不等于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。

要深入了解这个问题首先要知道LED的伏安特性。

1、LED的伏安特性

LED的中文名字就是发光二极管，所以它本身就是一个二极管。它的伏安特性和一般的二极管伏安特性非常相似。只不过通常曲线很陡。例如一个20mA的草帽LED的伏安特性如图1所示。

图1. 小功率LED的伏安特性

假如用干电池或蓄电池供电，那么因为LED伏安特性的非线性，很小的电压变化就会引起很大的电流变化，上图中电源电压在3.3V时正向电流为20mA的LED，如果用3节干电池供电，新的电池电压超过1.5V，3节就是4.5V，LED的电流就会超过100mA，很快就会烧坏。对于1W的大功率LED也是如此，图2是某公司1W的LED伏安特性，而一个12V蓄电池的电压，在充满电到快放完电的电压可以从14.5V降到10.5V。相差将近20%。从伏安特性上可以看出，电源电压的10%的变化（3.4V-3.1V），就会引起正向电流的3.5倍的变化（从350mA变到100mA）。

图2. 1W大功率LED的伏安特性

2．伏安特性的温度系数

到现在为止，还有很多人以为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的伏安特性并不是固定的，而是随温度而变化的，所以电压定了，电流并不一定，而是随温度变化的。这是因为是LED是一个二极管，它的伏安特性具有负温度系数的特点。

图3. 串联电阻只能减小温度的影响，而不能消除其影响

3．几个LED并联，能不能用恒压电源？

由于LED伏安特性的离散性，不但不同厂家生产的同样瓦数的LED伏安特性不一样，就是同一厂家生产的同一型号的LED其伏安特性也是不同的。

图4. 不同厂家和同一厂家生产的LED伏安特性的离散性

很明显，假如用恒压电源3.4V供电，显然流过每个LED的电流都不一样，每个LED的亮度也就不一样。所以不能采用恒压电源供电。

4. 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中就显示了这个问题，常温下的LED伏安特性以实线表示，两个LED的伏安特性在斜率上略有区别，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，其伏安特性左移，如虚线所示。因为还是原来的恒压和原来的电阻，此时的电流却变成了I1和I2。不等于原来的Io了。

图5. 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。

5. N个LED串联后，假如用恒压电源供电，其温度效应（由温升而引起的电流增加）将会扩大N倍，这是因为所有LED串联以后相当于各个LED的伏安特性沿电压轴串联

图6. 多个LED串联，相当于多个伏安特性在恒流点叠接，加电以后温度上升，所有伏安特性左移。

温升以后，N个伏安特性都左移，就使电流的增加也加大了N倍。如果采用恒流电源供电，那么温升以后，仍然能够保持电流恒定为Io。

6. 多个LED串联时，采用恒流电源供电时，可以利用伏安特性的温度效应推测其结温的上升度数

在很多应用中（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。因为采用恒流电源供电时其效果相当于把每一个LED的伏安特性沿电压轴叠加。假如温升为60度，那么伏安特性将会向左偏移0.12V，如果10个LED串联，所有伏安特性全部左移，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的这种特性来测量其结温，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降低到30.6V。变化达1.7V。那么可以推测其结温升高为1.7/10/.002=85度

7. 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给一串LED，那当然是最理想的了。但是，假如要供给几串并联的LED那如何能保证每串中的电流一样呢？是的，假如用恒流源供给几串并联的LED，由于LED伏安特性的离散性，各串的电流是一定不一样的。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。而是会相对均匀分布，所以各串之间的电流不会相差很大。

8．在恒流供电的串并联电路中，如何避免因某个LED损坏所引起的问题

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位置的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中去，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损害并不严重，因为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，希望并联的LED串数越多越好。图7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，总电流分散到其余的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。但不致造成太大的危害。

图7. LED三串五并

三串五并中的每一个LED都和其它串中同样位置的LED相并联而且只是这一行的电流分到其余4路中去，而其它几行都还是和原来一样。假如LED坏的时候是短路而不是开路，那么这一行的其它几个LED就都不亮了。 当然为了避免这个现象，最好的办法是在每个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，电流的分配关系变化很小。短路则就是少一个LED发光。

图8. 每个发光二极管都并联一个稳压管采用这种方法以后，就不需要再同行并联了。

总结以上叙述可以列表如下：

那么是不是恒压电源在LED照明中就无用武之地了呢？完全不是这样。

9．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控制电路，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，这种方案灵活性很高，恒流精度也高。