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如何利用PTC热敏电阻实现对LED照明设备过热保护

时间:2016年1月05日 15:57   来源:OFweek半导体照明网   作者:OFweek半导体照明网   浏览数:2562次
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
  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。
图1:发光二极管(LED)演示板
  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。
  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。