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：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。
　　


　　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