LED应用的连接形式及特点

杨光
         (中国科学技术大学)
滴要:基于在实际中，LED大部分为需要将多个按照要求组合起来的平面发光应用，以满足发光范围、亮度变化、动态显示、色彩变幻等应用要求，并且还能够满足与LED配套驱动器的驱动匹配要求。文中给出了常用的LED的连接形式，以及各自的特点比较，具有一定的参考意义。
关键词:LED的应用;平面发光;连接形式;特点比较
引言
      LED是基于电致发光原理的固体半导体光源，具有色彩丰富、体积小巧、高亮度、寿命长、工作电压低、使用安全、响应速度快、0~100%可调光输出、耐冲击防震动、无紫外线和红外线辐射等许多优点。因此应用范围在逐渐的扩大，具有良好的应用前景。
     单颗封装的大功率高亮度LED的造价高，并且主要是点光源，因此距离大范围实用化尚有时日。目前进人实用化的单只高亮度LED的功率很小，而在实际使用的场合大部分需要平面发光，因此必须是将多个LED按照要求排列组合起来，一方面能够满足较大范围、较高亮度、动态显示、色彩变幻等应用的要求，另一方面能够满足与LED相配套的驱动器的驱动匹配要求。
1 常见的连接形式
     在应用中，由多个LED按照一定规律排列组合常见的连接形式主要有四种，分别介绍如下。
1  常见的连接形式
     在应用中，由多个LED按照一定规律排列组合常见的连接形式主要有四种，分别介绍如下。
1.1  整体串联形式
1.1.1 简单的串联形式(见图1)
     一般简单的串联连结方式中的LED1-n、首尾相连，LED工作时流过的电流相等。对于同一规格和批次的LED来说，虽然单个的LED上的电压可能有微小的差异，但是由于LED是电流型器件，因此可以保证各自的发光强度相一致。因此简单的串联形式的LED就具有电路简单、连结方便等特点。然而，由于LED1-n二采用的为串联形式，当其中一个LED发生开路故障时，将造成整个LED灯串的熄灭，影响了使用的可靠性。
　　带旁路的串联连结方式为1.1.1的改进方式。这种方式中的每个LED并联有击穿电压稍高于LED工作电压的齐纳二极管D1-n。LED正常工作时，由于D1-n不导通，电流主要流过的LED1-n串，且相等，LED1-n串正常发光;当LED1-n串中有损坏而造成灯串开路时，由于D1-n的导通，保证了电流流过整个LED串，因此只有故障的LED失效，而整个灯串不熄灭。相对于上一种连接方式，大大地提高了使用的可靠性。
1.2  整体并联形式
 1.2.1  简单的并联形式(见图3)
       简单并联方式中的LED1-n首尾并联，工作时每个LED上承受的电压相等。由LED的 特性可见，其属于电流型器件，加在LED上电压的微小变化，都将引起电流的较大变化 。此外由于受到LED制造技术的限制，即使是同一批次的LED，其性能上的差异也是固 有存在的，因此LED1-n工作时，流过每个LED的电流是不相等的。由此可见，每个LED 电流分配的不均可能使电流过大的LED寿命锐减，甚至烧坏。这种连接方式虽然较为简 单，但是可靠性并不高，特别是对于LED数量较多情况下的应用就更容易造成使用的故 障。
1.2.2 独立匹配的并联形式(见图4)
     针对1.2.1中存在的可靠性问题，独立匹配的并联形式是一种很好的方式。这种方式中的每个LED都具有电流独自可调性(驱动器V+输出端分别为L1-n)，保证流过每个LED的电流在其要求的范围内。具有驱动效果好、单个LED保护完整，故障时不影响其它的LED工作、可以匹配具有较大差异的LED等特点。存在的主要问题是:整个驱动电路的构成较为复杂、装置的造价高、占用的体积大，不适用于数量较多的LED电路。
1.3 混联形式
     混联形式是综合了串联形式和并联形式的各自优点而提出的，主要的形式有两种。
 1.3.1 先串后并的混联方式(见图5)
      当应用的LED1-n数量较多时，简单的串联或者是简单并联都不现实，因为前者要求 驱动器输出很高的电压(单个LED电压VF的n倍)，后者要求驱动器输出很大电流(单个 LED电流IF的n倍)。这对于驱动器的设计和制造都带来困难，并且还牵涉到驱动电路的 结构问题和总体的效率问题。串联的LED数量n与单个LED的工作电压VF的乘积nVF决定 驱动器输出电压;并联的LED串的数量m与单个LED的工作电流IF的乘积mIF决定驱动器 输出电流，而mIF×nVF的值就决定驱动器的输出功率。因此采用先串后并的混联方式 主要是既保证有一定的可靠性(每串中的LED故障最多只影响本串的正常发光)，又保证 与驱动电路的匹配(驱动器输出合适的电压)，比单纯的串联形式提高了可靠性。整个电 路具有结构较为简单、连结方便、效率较高等特点，适用于LED数量多的应用场合。
 1.3.2先并后串的混联方式(见图6)
       先并后串的LED连结方式是另一种有别于1.3.1的混联方式。由于采用的是LED1- n~LED1-n先并联连结，提高了每组LED故障时的工作可靠性，但是由此一来每一组并 联的LED的均流问题就至关重要，可以采用配对挑选的方式，选择工作电压电流尽量相 同的LED作为并联的一组，或者给每个LED串连小的均流电阻来解决。至于这种连接方 式的其他特点和存在的向题可以参照1.3.1中相应的表述。限于篇幅，不再赘述。
1.3 交叉阵列形式
      交叉阵列形式(图7)主要是为了提高LED工作
的可靠性，降低故障率提出来的。主要构成形式是: 每串以3个LED为一组，分别接入驱动器输出的Va,Vb,Vc输出端。当一串中的3个LED都正常时，3个LED同时发光;一旦其中有一个或两个LED失效开路时，可以保证至少有一个LED的正常工作。这样一来就能够大大地提高了每组LED发光的可靠性，也就能够提高整个LED发光的总体可靠性。
2 不同形式连接的比较
　　不同的连结方式具有各自不同的特点，并且对驱动器的要求也有不同。特别是在单个LED发生故障时电路工作的情况、整体发光的可靠性、保证整体LED尽量能够继续工作能力、减少总体LED的失效率等就显得尤为重要。表1给出了采用不同连结方式下的相关情祝的比较，可以有一个直观的了解。
3  结束语
    总而言之，LED的群体应用是LED实际应用的重要方式。不同的LED连结方式对于大范围LED的使用和对驱动电路的设计要求等都至关重要。因此在实际电路的组合中，正确选择相适应的LED连绪方式对于提高其发光的效果、工作的可靠性、驱动器设计制造的难易程度，以及整个电路的效率等都具有积极的意义。