LED串并方式及恒压源恒流源的选择分析.docx
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LED串并方式及恒压源恒流源的选择分析.docx
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LED串并方式及恒压源恒流源的选择分析
LED串并方式及恒压源、恒流源的选择分析
第一局部:
根底分析篇
考虑选用什么样的LED驱动器,以及LED作为负载采用的串并联方式,合理的配合设计,才能保证LED正常工作。
例如,驱动28盏LED时,可以设想的连接方法有六种。
一种是先串联14个LED〔LED串〕然后并联两条这样串联而成的LED串〔14串联×2并联〕。
除此之外,还有7串联×4并联、4串联×7并联、2串联×14并联、28串联×1并联、1串联×28并联等连接方式。
终究哪种连接方法最正确呢?
【附:
通常情况下,很多的朋友拿到LED电源,不知道怎么样区分恒压源和恒流源。
拿到一个LED电源,查看铭牌,找到输出电压这个关键参数:
如果它的电压标称是一个恒定值,则是恒压源。
如果是一个围值,则是恒流源。
例如:
有一个电源它的输出电压是12V,我们则确定这个是恒压源,如果它标称的是30-70V呢,则这个电源一定是够恒流源。
】
1、LED采用全部串联方式
要求LED驱动器输出较高的电压〔如图1〕。
当LED的一致性差异较大时,分配在不同的LED两端电压不同,通过每颗LED的电流一样,LED的亮度一致。
图1
图2
当*一颗LED品质不良短路时,如果采用稳压式驱动〔如常用的阻容降压方式〕,由于驱动器输出电压不变,则分配在剩余的LED两端电压将升高,驱动器输出电流将增大,导致容易损坏余下的所有LED。
如采用恒流式LED驱动,当*一颗LED品质不良短路时,由于驱动器输出电流保持不变,不影响余下所有LED正常工作。
当*一颗LED品质不良断开后,串联在一起的LED将全部不亮。
解决的方法是在每个LED两端并联一个稳压管,当然稳压管的导通电压需要比LED的导通电压高,否则LED就不亮了。
2、LED采用全部并联方式
要求LED驱动器输出较大的电流,负载电压较低〔如图3〕。
分配在所有LED两端电压一样,当LED的一致性差异较大时,而通过每颗LED的电流不一致,LED的亮度也不同。
可挑选一致性较好的LED,适合用于电源电压较低的产品〔如太阳能或电池供电〕。
图3
当*一个颗LED品质不良断开时,如果采用稳压式LED驱动〔例如稳压式开关电源〕,驱动器输出电流将减小,而不影响余下所有LED正常工作。
如果是采用恒流式LED驱动,由于驱动器输出电流保持不变,分配在余下LED电流将增大,导致容易损坏所有LED。
解决方法是尽量多并联LED,当断开*一颗LED时,分配在余下LED电流不大,不至于影响余下LED正常工作。
所以功率型LED做并联负载时,不宜选用恒流式驱动器。
当*一颗LED品质不良短路时,则所有的LED将不亮,但如果并联LED数量较多,通过短路的LED电流较大,足以将短路的LED烧成断路。
3、LED采用混联方式
在使用比拟多LED的产品中,如果将所有LED串联,将需要LED驱动器输出较高的电压。
如果将所有LED并联,则需要LED驱动器输出较大的电流。
将所有LED串联或并联,不但限制着LED的使用量,而且并联LED负载电流较大,驱动器的本钱也会大增。
解决方法是采用混联方式。
图4
如图4所示,串并联的LED数量平均分配,分配在一串LED上的电压一样,通过同一串每颗LED上的电流也根本一样,LED亮度一致。
同时通过每串LED的电流也相近。
当*一串联LED上有一颗品质不良短路时,不管采用稳压式驱动还是恒流式驱动,这串LED相当于少了一颗LED,通过这串LED的电流将大增,很容易就会损坏这串LED。
大电流通过损坏的这串LED后,由于通过的电流较大,多表现为断路。
断开一串LED后,如果采用稳压式驱动,驱动器输出电流将减小,而不影响余下所有LED正常工作。
如果是采用恒流式LED驱动,由于驱动器输出电流保持不变,分配在余下LED电流将增大,导致容易损坏所有LED。
解决方法是尽量多并联LED,当断开*一颗LED时,分配在余下LED电流不大,不至于影响余下LED正常工作。
第二局部:
拓展提高篇
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。
则,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的构造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5所示。
图5小功率LED的伏安特性
假设用干电池或蓄电池供电,则因为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6是*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61W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7伏安特性的温度特性
温度系数通常是-2mV/度〔-1.5—2.5mV/°C〕,也就是随着温度的升高,其伏安特性左移,假设所加的电压为恒定,则显然电流会增加。
而LED本身的效率很低,温升很高,加电以后,假设散热不好,其温度很容易上升到八、九十度以上。
假定采用3.3V恒压源常温下工作在20mA,而温度升高到85度时,电流就会增加到35-37mA,而其亮度并不增加。
电流增加只会使它的温升更高,这样就会增加光衰,降低寿命。
而且如果不用恒流源而用恒压源供电时,常温下工作在20mA时,到了-40度时,电流就会降低至8-10mA,亮度会降低。
对于1W的大功率LED芯片,情况也是一样,而且由于功率大,散热更不容易,温升问题更加严重。
可以说,除了散热问题以外,采用恒压电源供电是引起光衰的主要原因。
所以原则上来说,LED是制止采用恒压电源供电的。
3.用恒压电源以后能不能靠串联电阻来稳定电流?
串联电阻只有限流的作用,也就是如果电源电压比LED串联以后的电压还要高,则就需要串联电阻来限流,以免损坏LED。
但是如果想要用串联电阻来减小温度的影响,它的作用是很小的,这可以从伏安特性上看出,串联电阻以后确实可以减小温升带来的电流升高,电阻越大,电流随温度变化越小,但是只是减小,并不能消除。
而且很明显,电阻将带来额外的功耗,使得LED的总体效率降低。
假定所用的LED为1W,其电流为0.35A。
假定串联的电阻为100欧姆,所消耗的功率就高达12.25W显然是不能承受的,即使把电阻降低到10欧姆,其功耗仍然有1.225W。
比LED本身的功耗还要大。
为了减小这种功耗,就必须把电阻再减小。
然而,减小电阻的结果是使得由温升所引起的电流变化还是照样加大。
所以,串联电阻决不是一个好方法。
图8串联电阻只能减小温度的影响,而不能消除其影响
4.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9不同厂家和同一厂家生产的LED伏安特性的离散性
很明显,假设用恒压电源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。
5.多个LED并联,采用恒压电源,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9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9串联电阻在常温下保持其电流不变,但温升后就不能保持电流平衡
Io
6.N个LED串联后,假设用恒压电源供电,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10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,则温升以后,仍然能够保持电流恒定为Io。
7.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。
假设温升为60度,则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,总偏移就会到达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。
则可以推测其结温升高为1.7/10/.002=85度
8.恒流供电时,在串并联电路中如何保证每串的电流均衡
假设用恒流电源只供应一串LED,那当然是最理想的了。
但是,假设要供应几串并联的LED那如何能保证每串中的电流一样呢?
是的,假设用恒流源供应几串并联的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*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。
9.在恒流供电的串并联电路中,如何防止因*个LED损坏所引起的问题
假设只是两串并联,而且其中*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。
为了防止一个坏了一串不亮,则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。
但是假设并联的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;假设烧坏是开路,则就会导致所有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*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11中画出了3串5并而且同行相并的图。
这时候,*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11三串五并中的每一个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。
假设LED坏的时候是短路而不是开路,则这一行的其它几个LED就都不亮了。
当然为了防止这个现象,最好的方法是在每个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12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。
总结以上表达可以列表如下:
构造
任何一个坏了〔开路〕
任何一个坏了〔短路〕
单独一串
这一串开路不亮
这一个不亮
两串并联
这一串不亮,另一串所有LED电流加倍,寿命缩短,很快都坏
这一个不亮,这一串电流略为加大
两串中两两并联
这一个不亮,同行另一个电流加倍,很快坏掉;如为开路,所有不亮,如为短路,这一行两个LED不亮
这一个不亮,和它并联的另一个也不亮
N串同行并联
这一个不亮,同行其余电流加大N/〔N-1〕倍,N越大越平安
这一个不亮,和它并联的其它各个也都不亮
每个LED并联稳压管,各串并联
这一个不亮,对其它影响不大
只是这一个不亮
则是不是恒压电源在LED照明中就无用武之地了呢?
完全不是这样。
10.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应控制电路,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。
例如一个150W-300W的市电LED路灯供电方案图如下:
而且,这种构造的最大优点是可以程序调光,可节省能源达40%以上。
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