如何用PTC热敏电阻实现LED照明设备过热保护

随着LED照明设备(发光二极管)的性能不断提高，价格日渐低廉，其市场也迅速扩大。LED照明设备已实现了低价化，然而，与传统的白炽灯，荧光灯相比，作为照明设备的实绩仍然欠佳，人们指出其安全性的课题。虽然LED具有高效照明，低耗电的特点，但是作为高亮度的LED元件本身却处于异常的高温状态。 　　本文将介绍使用村田制作所的陶瓷PTC热敏电阻“POSISTOR”来简单实现LED照明设备过热保护的方法，能够达到低成本，提高LED照明设备的安全性。 　　演示板说明 　　图1所示为村田制作所展示的发光二极管(LED)演示板的外观照片。 图1：村田制作所展出的发光二极管(LED)演示板 　　在该LED演示板上装载5个表面贴装型LED，在其正下方的电路板背面配置了小型陶瓷加热器。液晶显示器显示LED附近的电路板温度。右下方的照片表示电路板背面的加热器对LED进行强制加热。LED附近的温度达到80℃以上，过热的LED亮度大幅度下降。这是由于LED附近安装的PTC热敏电阻“POSISTOR”的作用，流过LED的电流受到限制。 　　这样，在LED本身异常发热或因外部原因使LED周围温度异常升高时，通过降低LED的亮度，可防止LED继续不断地发热，从而防止照明设备的冒烟、燃烧等严重事态的发生。 　　图2是此类LED演示板的电路示意图。在5个并联的LED上施加了恒定电压5V。通过双晶体管，在LED上串联固定电阻(R)和“POSISTOR”(RPTC)，其合成电阻(R和RPTC)则限定了流过LED的最大电流。晶体管具有的作用是：控制“A”的电位，由此接通及断开流过LED的电流，并且依靠PWM控制进行LED的亮度调节。 图2：LED演示板线路图 　　在“A”的电位为“ON”时，在双晶体管的“TR2”的基极和发射极之间的电压(VBE)约固定为0.7V左右。因此，流过LED的电流(ILED )的数值仅根据串联电阻(R+RPTC)而决定。例如，在温度为250℃时，电阻(R十RPTC)为3. 5Ω，LED的电流就为200mA。 　　为什么一旦达到高温，图1右侧LED的亮度就会大幅度下降呢?我们通过图3来进行一下解释。 图3：相对“POSISTOR”试制件的电阻温度特性和温度的LED电流 　　装在LED演示板上的是贴片型“POSISTOR”试制品，当温度达到25℃时的电阻值为0.5Ω。“POSISTOR”是一种具有正温度系数特性的陶瓷热敏电阻。它的特点是在特定的温度下其电阻值可快速增加1000倍以上。该“POSISTOR”试制品的电阻和温度特性曲线如左图所示。由于在LED演示板上，3.0Ω的固定电阻(R)和“POSISTOR”的电阻((RPTC)串联，其等效电阻(R十RPTC)也会随温度产生变化。 　　该等效电阻决定流过LED的电流(ILED)。如右图表所示，如果温度为40℃以下，LED电流大致恒定，约为200mA。如果温度超过40℃以上，通过LED的电流被有效限制，在80℃时达到40mA以下。 　　只要在决定LED电流的限流电阻加上“POSISTOR”，就能够构筑此类过热保护结构。即使LED因某些原因处于高温状态，如果具备此类过热保护结构，LED就不会在处于高亮度点亮状态下进一步发热。采用这种简单的方法，可防止LED引起冒烟、燃烧等严重事态的发生。无需采用复杂的温度检测功能及判定用逻辑元件，以及LED的电流控制功能。 　　但是，即使在高温时，也并非完全切断电流，还是有一定程度的电流(例如，在80 ℃时，约40mA)流过LED。像照明设备一样，有时灯光完全熄灭却反而有危险，所以，该特点最为适合。 　　并且，对普通LED元件将相对环境温度的容许电流作为标准予以强调。如果工作电流超过该容许电流，则会趋于劣化，降低寿命。如果按图3右图所示能够限制电流，则能够达到与LED元件的允许电流曲线一致的电流控制。 　　上例仅为采用“POSISTOR”的试制件。目前，村田制作所正在致力于开发在形状、电阻值、使电阻值上升的温度点等参数上最适合LED照明设备的“POSISTOR”。 　　使用现有“POSISTOR”的方法 　　目前，将现有的“POSISTOR”与LED驱动芯片组合，能够实现与上述演示板所示完全相同的功能。图4为该电路的示意图。 图4：现有的芯片“POSISTOR”PRF系列与LED驱动器的组合 　　如左图所示，当LED驱动芯片具有温度检测用端口时，使用固定电阻和“POSISTOR”串联而组成的等效电阻的温度特性，能够实现过热保护功能。以下使用图5说明其原理。 　　左图表示现有的贴片型“POSISTOR PRF”系列的电阻温度特性。在25℃时的电阻值均为470Ω，但电阻值快速上升的初始温度根据品种而不同。如果将该PRF系歹J(RPTC)与3.0kΩ的固定电阻((R)串联，其等效电阻(R+RPTC)在温度25℃时可达到3.47kΩ。 图5：相对PRF系列电阻温度特性和温度的输出电压 　　对该等效电阻上施加3.3V(Vref)的恒定电压，用10kΩ的固定电阻(Rd)进行分压的分压电位(Vout)如右图所示。在室温附近为大致恒定的电压(约为0.85V)，一旦达到规定的温度，电压就急剧上升。例如，在使用PRF系列“BE”特性品时，当温度达到100℃，Vout就上升到2.75V。如果是“BC”特性品在120℃时，电压为2.75V。 　　LED驱动芯片将此类电压变化作为温度信息予以接受。例如，在接受的电压超过2.75V时，能够实现熄灭LED的关灯功能。由此可见，使用“POSISTOR”的优点为：驱动芯片侧电路和控制逻辑非常简单。 　　通常，在此类过热检测电路中，根据LED和传感器元件的温度差，LED周围的散热机构的差异等影响，各照明设备的传感器元件所必须检测的温度会变化。对于这种温度变化，只要改变“POSISTOR”的品种就能够应对。而在驱动芯片侧的阈值电压的设定和温度检测逻辑电路等则完全相同。由于不需要在检测电路作任何变更，就能够节省设计的人工和时间。 　　另外，如果能够将右图所示的电压变化方式直接用于控制LED电流，则能够实现如同LED演示板所诠释的保护功能，即在所期望的温度值下快速有效限制LED电流，而又不会使LED完全熄灭。 　　另外，在如图4右图那样，在LED驱动芯片具有LED最大电流设定端口时，可利用图5左图那种电阻值变化方式，直接用于控制LED电流。即使不使用在LED演示板上那种“POSISTOR”试制品，使用现有的芯片“POSISTOR” PRF系列也可能实现完全相同的保护功能。 表1：芯片PRF系列“POSISTOR”规格表 　　表1是现有的贴片型“POSISTOR”PRF系列的规格参数表。 　　在本文中介绍的，将PRF系列与LED驱动芯片组合使用的方法已经在某些LED照明设备中采用。使用包含在开头所述的试制品而获得的此类简单的过热保护功能，对实现LED照明设备的低价化和确保安全性作出了贡献。