如何用PTC熱敏電阻實現(xiàn)LED照明設(shè)備過熱保護(hù)

隨著LED照明設(shè)備(發(fā)光二極管)的性能不斷提高，價格日漸低廉，其市場也迅速擴(kuò)大。LED照明設(shè)備已實現(xiàn)了低價化，然而，與傳統(tǒng)的白熾燈，熒光燈相比，作為照明設(shè)備的實績?nèi)匀磺芳?，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，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”來簡單實現(xiàn)LED照明設(shè)備過熱保護(hù)的方法，能夠達(dá)到低成本，提高LED照明設(shè)備的安全性。 　　演示板說明 　　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(qiáng)制加熱。LED附近的溫度達(dá)到80℃以上，過熱的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周圍溫度異常升高時，通過降低LED的亮度，可防止LED繼續(xù)不斷地發(fā)熱，從而防止照明設(shè)備的冒煙、燃燒等嚴(yán)重事態(tài)的發(fā)生。 　　圖2是此類LED演示板的電路示意圖。在5個并聯(lián)的LED上施加了恒定電壓5V。通過雙晶體管，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，由此接通及斷開流過LED的電流，并且依靠PWM控制進(jìn)行LED的亮度調(diào)節(jié)。 圖2：LED演示板線路圖 　　在“A”的電位為“ON”時，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LED的電流(ILED )的數(shù)值僅根據(jù)串聯(lián)電阻(R+RPTC)而決定。例如，在溫度為250℃時，電阻(R十RPTC)為3. 5Ω，LED的電流就為200mA。 　　為什么一旦達(dá)到高溫，圖1右側(cè)LED的亮度就會大幅度下降呢?我們通過圖3來進(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(dāng)溫度達(dá)到25℃時的電阻值為0.5Ω。“POSISTOR”是一種具有正溫度系數(shù)特性的陶瓷熱敏電阻。它的特點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)也會隨溫度產(chǎn)生變化。 　　該等效電阻決定流過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40℃以上，通過LED的電流被有效限制，在80℃時達(dá)到40mA以下。 　　只要在決定LED電流的限流電阻加上“POSISTOR”，就能夠構(gòu)筑此類過熱保護(hù)結(jié)構(gòu)。即使LED因某些原因處于高溫狀態(tài)，如果具備此類過熱保護(hù)結(jié)構(gòu)，LED就不會在處于高亮度點亮狀態(tài)下進(jìn)一步發(fā)熱。采用這種簡單的方法，可防止LED引起冒煙、燃燒等嚴(yán)重事態(tài)的發(fā)生。無需采用復(fù)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，也并非完全切斷電流，還是有一定程度的電流(例如，在80 ℃時，約40mA)流過LED。像照明設(shè)備一樣，有時燈光完全熄滅卻反而有危險，所以，該特點最為適合。 　　并且，對普通LED元件將相對環(huán)境溫度的容許電流作為標(biāo)準(zhǔn)予以強(qiáng)調(diào)。如果工作電流超過該容許電流，則會趨于劣化，降低壽命。如果按圖3右圖所示能夠限制電流，則能夠達(dá)到與LED元件的允許電流曲線一致的電流控制。 　　上例僅為采用“POSISTOR”的試制件。目前，村田制作所正在致力于開發(fā)在形狀、電阻值、使電阻值上升的溫度點等參數(shù)上最適合LED照明設(shè)備的“POSISTOR”。 　　使用現(xiàn)有“POSISTOR”的方法 　　目前，將現(xiàn)有的“POSISTOR”與LED驅(qū)動芯片組合，能夠?qū)崿F(xiàn)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(xiàn)有的芯片“POSISTOR”PRF系列與LED驅(qū)動器的組合 　　如左圖所示，當(dāng)LED驅(qū)動芯片具有溫度檢測用端口時，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?qū)崿F(xiàn)過熱保護(hù)功能。以下使用圖5說明其原理。 　　左圖表示現(xiàn)有的貼片型“POSISTOR PRF”系列的電阻溫度特性。在25℃時的電阻值均為470Ω，但電阻值快速上升的初始溫度根據(jù)品種而不同。如果將該P(yáng)RF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℃時可達(dá)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(dá)到規(guī)定的溫度，電壓就急劇上升。例如，在使用PRF系列“BE”特性品時，當(dāng)溫度達(dá)到100℃，Vout就上升到2.75V。如果是“BC”特性品在120℃時，電壓為2.75V。 　　LED驅(qū)動芯片將此類電壓變化作為溫度信息予以接受。例如，在接受的電壓超過2.75V時，能夠?qū)崿F(xiàn)熄滅LED的關(guān)燈功能。由此可見，使用“POSISTOR”的優(yōu)點為：驅(qū)動芯片側(cè)電路和控制邏輯非常簡單。 　　通常，在此類過熱檢測電路中，根據(jù)LED和傳感器元件的溫度差，LED周圍的散熱機(jī)構(gòu)的差異等影響，各照明設(shè)備的傳感器元件所必須檢測的溫度會變化。對于這種溫度變化，只要改變“POSISTOR”的品種就能夠應(yīng)對。而在驅(qū)動芯片側(cè)的閾值電壓的設(shè)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(jié)省設(shè)計的人工和時間。 　　另外，如果能夠?qū)⒂覉D所示的電壓變化方式直接用于控制LED電流，則能夠?qū)崿F(xiàn)如同LED演示板所詮釋的保護(hù)功能，即在所期望的溫度值下快速有效限制LED電流，而又不會使LED完全熄滅。 　　另外，在如圖4右圖那樣，在LED驅(qū)動芯片具有LED最大電流設(shè)定端口時，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(xiàn)有的芯片“POSISTOR” PRF系列也可能實現(xiàn)完全相同的保護(hù)功能。 表1：芯片PRF系列“POSISTOR”規(guī)格表 　　表1是現(xiàn)有的貼片型“POSISTOR”PRF系列的規(guī)格參數(shù)表。 　　在本文中介紹的，將PRF系列與LED驅(qū)動芯片組合使用的方法已經(jīng)在某些LED照明設(shè)備中采用。使用包含在開頭所述的試制品而獲得的此類簡單的過熱保護(hù)功能，對實現(xiàn)LED照明設(shè)備的低價化和確保安全性作出了貢獻(xiàn)。