【導讀】LED照明設備具有高效照明，低耗電等特點(diǎn)，但作為高亮度的LED元件本身卻處于異常的高溫狀態(tài)，因此做好LED照明設備過(guò)熱保護十分重要。本文介紹的用陶瓷PTC熱敏電阻來(lái)簡(jiǎn)單實(shí)現LED照明設備過(guò)熱保護的方法，能夠達到低成本，同時(shí)提高LED照明設備的安全性。
隨著(zhù)LED照明設備(發(fā)光二極管)的性能不斷提高，價(jià)格日漸低廉，其市場(chǎng)也迅速擴大。LED照明設備已實(shí)現了低價(jià)化，然而，與傳統的白熾燈，熒光燈相比，作為照明設備的實(shí)績(jì)仍然欠佳，人們指出其安全性的課題。雖然LED具有高效照明，低耗電的特點(diǎn)，但是作為高亮度的LED元件本身卻處于異常的高溫狀態(tài)。
本文將介紹使用村田制作所的陶瓷PTC熱敏電阻“POSISTOR”來(lái)簡(jiǎn)單實(shí)現LED照明設備過(guò)熱保護的方法，能夠達到低成本，提高LED照明設備的安全性。
演示板說(shuō)明
圖1所示為村田制作所展示的發(fā)光二極管(LED)演示板的外觀(guān)照片。
圖1：村田制作所展出的發(fā)光二極管(LED)演示板
在該LED演示板上裝載5個(gè)表面貼裝型LED，在其正下方的電路板背面配置了小型陶瓷加熱器。液晶顯示器顯示LED附近的電路板溫度。右下方的照片表示電路板背面的加熱器對LED進(jìn)行強制加熱。LED附近的溫度達到80℃以上，過(guò)熱的LED亮度大幅度下降。這是由于LED附近安裝的PTC熱敏電阻“POSISTOR”的作用，流過(guò)LED的電流受到限制。
這樣，在LED本身異常發(fā)熱或因外部原因使LED周?chē)鷾囟犬惓Ｉ邥r(shí)，通過(guò)降低LED的亮度，可防止LED繼續不斷地發(fā)熱，從而防止照明設備的冒煙、燃燒等嚴重事態(tài)的發(fā)生。
圖2是此類(lèi)LED演示板的電路示意圖。在5個(gè)并聯(lián)的LED上施加了恒定電壓5V。通過(guò)雙晶體管，在LED上串聯(lián)固定電阻(R)和“POSISTOR”(RPTC)，其合成電阻(R和RPTC)則限定了流過(guò)LED的最大電流。晶體管具有的作用是：控制“A”的電位，由此接通及斷開(kāi)流過(guò)LED的電流，并且依靠PWM控制進(jìn)行LED的亮度調節。
圖2：LED演示板線(xiàn)路圖
在“A”的電位為“ON”時(shí)，在雙晶體管的“TR2”的基極和發(fā)射極之間的電壓(VBE)約固定為0.7V左右。因此，流過(guò)LED的電流(ILED )的數值僅根據串聯(lián)電阻(R+RPTC)而決定。例如，在溫度為250℃時(shí)，電阻(R十RPTC)為3. 5Ω，LED的電流就為200mA。
為什么一旦達到高溫，圖1右側LED的亮度就會(huì )大幅度下降呢？我們通過(guò)圖3來(lái)進(jìn)行一下解釋。
圖3：相對“POSISTOR”試制件的電阻溫度特性和溫度的LED電流
裝在LED演示板上的是貼片型“POSISTOR”試制品，當溫度達到25℃時(shí)的電阻值為0.5Ω。“POSISTOR”是一種具有正溫度系數特性的陶瓷熱敏電阻。它的特點(diǎn)是在特定的溫度下其電阻值可快速增加1000倍以上。該“POSISTOR”試制品的電阻和溫度特性曲線(xiàn)如左圖所示。由于在LED演示板上，3.0Ω的固定電阻(R)和“POSISTOR”的電阻((RPTC)串聯(lián)，其等效電阻(R十RPTC)也會(huì )隨溫度產(chǎn)生變化。
該等效電阻決定流過(guò)LED的電流(ILED)。如右圖表所示，如果溫度為40℃以下，LED電流大致恒定，約為200mA。如果溫度超過(guò)40℃以上，通過(guò)LED的電流被有效限制，在80℃時(shí)達到40mA以下。
只要在決定LED電流的限流電阻加上“POSISTOR”，就能夠構筑此類(lèi)過(guò)熱保護結構。即使LED因某些原因處于高溫狀態(tài)，如果具備此類(lèi)過(guò)熱保護結構，LED就不會(huì )在處于高亮度點(diǎn)亮狀態(tài)下進(jìn)一步發(fā)熱。采用這種簡(jiǎn)單的方法，可防止LED引起冒煙、燃燒等嚴重事態(tài)的發(fā)生。無(wú)需采用復雜的溫度檢測功能及判定用邏輯元件，以及LED的電流控制功能。
但是，即使在高溫時(shí)，也并非完全切斷電流，還是有一定程度的電流(例如，在80 ℃時(shí)，約40mA)流過(guò)LED。像照明設備一樣，有時(shí)燈光完全熄滅卻反而有危險，所以，該特點(diǎn)最為適合。
并且，對普通LED元件將相對環(huán)境溫度的容許電流作為標準予以強調。如果工作電流超過(guò)該容許電流，則會(huì )趨于劣化，降低壽命。如果按圖3右圖所示能夠限制電流，則能夠達到與LED元件的允許電流曲線(xiàn)一致的電流控制。
上例僅為采用“POSISTOR”的試制件。目前，村田制作所正在致力于開(kāi)發(fā)在形狀、電阻值、使電阻值上升的溫度點(diǎn)等參數上最適合LED照明設備的“POSISTOR”。
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使用現有“POSISTOR”的方法
目前，將現有的“POSISTOR”與LED驅動(dòng)芯片組合，能夠實(shí)現與上述演示板所示完全相同的功能。圖4為該電路的示意圖。
圖4：現有的芯片“POSISTOR”PRF系列與LED驅動(dòng)器的組合
如左圖所示，當LED驅動(dòng)芯片具有溫度檢測用端口時(shí)，使用固定電阻和“POSISTOR”串聯(lián)而組成的等效電阻的溫度特性，能夠實(shí)現過(guò)熱保護功能。以下使用圖5說(shuō)明其原理。
左圖表示現有的貼片型“POSISTOR PRF”系列的電阻溫度特性。在25℃時(shí)的電阻值均為470Ω，但電阻值快速上升的初始溫度根據品種而不同。如果將該PRF系歹J(RPTC)與3.0kΩ的固定電阻((R)串聯(lián)，其等效電阻(R+RPTC)在溫度25℃時(shí)可達到3.47kΩ。
圖5：相對PRF系列電阻溫度特性和溫度的輸出電壓
對該等效電阻上施加3.3V(Vref)的恒定電壓，用10kΩ的固定電阻(Rd)進(jìn)行分壓的分壓電位(Vout)如右圖所示。在室溫附近為大致恒定的電壓(約為0.85V)，一旦達到規定的溫度，電壓就急劇上升。例如，在使用PRF系列“BE”特性品時(shí)，當溫度達到100℃, Vout就上升到2.75V。如果是“BC”特性品在120℃時(shí)，電壓為2.75V。
LED驅動(dòng)芯片將此類(lèi)電壓變化作為溫度信息予以接受。例如，在接受的電壓超過(guò)2.75V時(shí)，能夠實(shí)現熄滅LED的關(guān)燈功能。由此可見(jiàn)，使用“POSISTOR”的優(yōu)點(diǎn)為：驅動(dòng)芯片側電路和控制邏輯非常簡(jiǎn)單。通常，在此類(lèi)過(guò)熱檢測電路中，根據LED和傳感器元件的溫度差，LED周?chē)纳釞C構的差異等影響，各照明設備的傳感器元件所必須檢測的溫度會(huì )變化。對于這種溫度變化，只要改變“POSISTOR”的品種就能夠應對。而在驅動(dòng)芯片側的閾值電壓的設定和溫度檢測邏輯電路等則完全相同。由于不需要在檢測電路作任何變更，就能夠節省設計的人工和時(shí)間。
另外，如果能夠將右圖所示的電壓變化方式直接用于控制LED電流，則能夠實(shí)現如同LED演示板所詮釋的保護功能，即在所期望的溫度值下快速有效限制LED電流，而又不會(huì )使LED完全熄滅。
另外，在如圖4右圖那樣，在LED驅動(dòng)芯片具有LED最大電流設定端口時(shí)，可利用圖5左圖那種電阻值變化方式，直接用于控制LED電流。即使不使用在LED演示板上那種“POSISTOR”試制品，使用現有的芯片“POSISTOR” PRF系列也可能實(shí)現完全相同的保護功能。
表1：芯片PRF系列“POSISTOR”規格表
表1是現有的貼片型“POSISTOR”PRF系列的規格參數表。
在本文中介紹的，將PRF系列與LED驅動(dòng)芯片組合使用的方法已經(jīng)在某些LED照明設備中采用。使用包含在開(kāi)頭所述的試制品而獲得的此類(lèi)簡(jiǎn)單的過(guò)熱保護功能，對實(shí)現LED照明設備的低價(jià)化和確保安全性作出了貢獻。
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