CN103228077B - 限流元件及发光二极管装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种限流元件及发光二极管装置，包括：一发光二极管组件及一限流元件。发光二极管组件包含至少一发光二极管，且对应一限流电阻值。限流元件包含串联的多个正温度系数元件，该多个正温度系数元件具有有效感测该发光二极管温度的功能，且电气串联至该发光二极管组件。其中限流元件具有随感测温度增加提升其电阻值的特性，该限流元件于一发光二极管正常工作温度时的电阻值趋近或等于该限流电阻值，且当该发光二极管逐渐升温至一异常温度时，该限流元件允许通过的电流将逐渐下降至低于发光二极管工作电流。本发明可有效避免LED高热的情况发生，进而避免LED烧毁及延长LED使用寿命。

Description

限流元件及发光二极管装置

技术领域

本发明关于一种限流元件以及包含该限流元件的发光二极管(LightEmittingDiode；LED)装置。限流元件采用多个正温度系数(PositiveTemperatureCoefficient；PTC)元件，其串联LED应用时，具有即时进行电流调整的功效。

背景技术

LED的基本性质与二极管相似，具有顺向偏压可以通过电流，反向偏压截止电流的特性。惟不同之处在于流通电流时会发出光线，且一般的顺向导通的工作电压比普通二极管的0.7V还高。该顺向导通的工作电压并不会随着电流的大小而改变，因此LED不可以直接于两端施予高于顺向导通的工作电压的电源，且务必使用限流电阻，才不会因为电流过高而烧毁LED。假设将9V电池直接施予LED两端，LED企图将两端的电压维持在2.3V，而电池欲将电压维持在9V，因此在9V与2.3V的压差之下，假设有一个很小的阻抗，这样势必流通相当大的电流，才能满足这样的条件。而结果将导致LED因为过大的电流而烧毁。

因此，为解决上述问题，简单的解决方法就是加上一颗“限流电阻”，如图1A所示的LED电路结构10，其中限流电阻11串联LED12且连接电源电压Vcc。限流电阻11的电阻值R可依下式计算：R＝(Vcc-Vf)/If，其中Vcc为电源电压，Vf为LED顺向电压，If为LED工作电流。

以图1B所示的LEDI-V曲线图特性为例，假设Vcc＝6V、Vf＝3.8V以及If＝50mA，可计算出限流电阻11的电阻值应为：(6V-3.8V)/0.05A＝44Ω。传统上限流电阻为固定电阻，因此当Vcc升至9.0V以上时，Vf≥4.2V将可能因此造成LED12快速发热进而造成损害。

以上限流电阻设计虽然可以提供LED的保护，但因照明用高功率LED产生高热的特性，LED温度往往于提升时无法即时调整LED电流，使得LED温度持续增加或维持于高温状态，而可能烧毁LED或减损LED的寿命。

发明内容

为了克服以上所设计的缺失，本发明采用多个PTC元件组成限流元件，可将现有PTC元件阻抗作放大的效果。本发明的限流元件可使得PTC元件在升至临界温度前即时对LED电流进行调整以进行温控，从而避免或减缓LED于高热下所造成的负面影响。

本发明一实施例的LED装置连接一电源电压，且包括一LED组件以及一限流元件。LED组件对应一限流电阻值，且包含至少一LED。该LED具有LED顺向电压及LED工作电流。限流元件包含串联的多个PTC元件，该多个PTC元件具有感测该LED温度的功能，且电气串联至该LED组件。

本发明的LED装置可应用多颗LED，形成条列或阵列型式，以配合照明的实际应用。一实施例中，LED组件包含n个串联的LED，其中n为正整数。前述限流电阻值＝(电源电压-n×LED顺向电压)/LED工作电流。

其中限流元件具有随感测温度增加提升其电阻值的特性，该限流元件于一LED正常工作温度时的电阻值趋近或等于该限流电阻值，且当该LED逐渐升温至一异常温度时，该限流元件允许通过的电流将逐渐下降至低于该LED工作电流。

本发明利用串联多个PTC元件作为限流元件，由此将现有元件阻抗作放大，使PTC元件在升至临界温度前即有降低通过LED的电流，故可有效避免LED高热的情况发生，进而避免LED烧毁及延长LED使用寿命。

附图说明

图1A及1B为现有的发光二极管的应用示意图；

图2为本发明第一实施例的发光二极管装置示意图；

图3为本发明第二实施例的发光二极管装置示意图；

图4为本发明第三实施例的发光二极管装置示意图；

图5为发光二极管装置中PTC元件的电流与温度关系示意图。

其中，附图标记说明如下：

10、20、30、40：发光二极管装置

11：限流电阻

12：LED

21：限流元件

22：LED

23：PTC元件

25：LED组件

具体实施方式

为让本发明的上述和其他技术内容、特征和优点能更明显易懂，下文特举出相关实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

由于具有正温度系数(PositiveTemperatureCoefficient；PTC)特性的导电复合材料的电阻对温度变化具有反应敏锐的特性，可作为电流感测元件的材料，目前已被广泛应用于过电流保护元件或电路元件上。当电路或电池发生过电流(over-current)或过高温(over-temperature)的现象时，其电阻值会瞬间提高至一高电阻状态(至少102Ω以上)，而将过量的电流降低。电阻瞬间弹升的对应温度系称为触发临界温度，在触发临界温度前，PTC元件的电阻也会随温度升高而逐渐增加。本发明即利用PTC元件于触发前的此特性设计出可即时调整LED电流的限流元件。

图2所示为本发明第一实施例的LED装置20，其包含LED22、限流元件21，其中该LED22及限流元件21形成串联结构，并连接至电源电压Vcc。LED22对应一限流电阻值：

限流元件21包含串联的多个PTC元件23。多个PTC元件23的设置位置必须邻近LED22，且位于一有效温度感测距离内，以有效感测LED22的温度。该距离一般小于10公分，特别是小于5公分或较佳小于3公分。

一实施例中，假设Vcc＝6V、Vf＝3.8V以及If＝50mA，故限流电阻值应为：(6V-3.8V)/0.05A＝44Ω。

一实施例中，本发明采用串联22颗PTC元件23的设计形成限流元件21。单颗PTC元件23于室温25℃下的电阻值为2Ω，故该限流元件21的电阻值等同于传统的44Ω，而限流元件21可通过的电流为(6V-3.8V)/22×2Ω＝0.05A＝50mA。若LED22的温度持续上升至100℃，而PTC元件23于100℃时的电阻值增加3倍至6Ω，因此可通过的电流降为(6V-3.8V)/22×6Ω＝0.016A＝16mA。此时PTC元件23尚未升至触发临界温度(假设为110℃)，但已明显有效达成限流效果，进而减缓LED22的发热情况。

根据本发明的限流元件设计，其电阻值因会随温度改变，并非固定电阻，故为避免因误差造成LED的工作电流过小，一实施例中PTC元件23的颗数可略少，使得限流元件21的整体电阻值趋近但略小于公式计算出的电阻值。也即：

举例言之，可选择20颗室温下电阻为2Ω的PTC元件23，故串联后的限流元件可为40Ω，可通过电流为(6V-3.8V)/40Ω＝0.055A＝55mA，略大于LED22的工作电流。若该电阻在100℃时阻抗提升3倍为120Ω，故可通过的电流为(6V-3.8V)/120Ω＝0.018A＝18mA，此时PTC元件23尚未升至触发临界温度(假设为110℃)，但已明显有效达成限流效果。

一实施例中，限流元件21于一LED正常工作温度(例如室温)时的电阻值趋近该限流电阻值，例如该限流元件21于该LED正常工作温度时的电阻值相较于该限流电阻值的差异在正负30％以内，特别是差距在15％之内，也即(限流元件的电阻值-LED限流电阻值)/LED限流电阻值在正负30％、20％、15％或10％的范围内。

以上升温至100oC的异常温度仅方便说明的极端假设，实际作用下限流元件21的电阻将随温度增加而逐渐增加，因此通过LED22的电流逐渐下降，相对可减缓LED22的升温速率，且温度越高，通过LED22的电流愈低，而终至热平衡状态。一般应用上，LED温度(例如便于量测的LED载板温度)大于等于60℃、70℃、80℃、90℃或100℃即可视为异常温度。PTC元件的触发临界温度约大于等于70℃、80℃、90℃、100℃或110℃。一实施例中，上述触发临界温度大于异常温度约10～35℃。当环境温度及散热不佳的情况下，LED异常温度需限制为更低。必须注意的是，根据本发明，当LED22升温至异常温度时，该PTC元件仍未达到触发临界温度。

PTC元件23的选用得考虑以下条件：于LED22正常工作温度下，PTC元件23未达触发状态，且允许通过电流必须趋近于LED22的工作电流。例如：假设LED22的工作电流为50mA，正常工作温度为50℃。若PTC元件A于室温25℃时的允许通过电流为50mA，而于50℃下的允许通过电流降为约30mA，远低于LED22的工作电流，因此并不适合选用PTC元件A。若PTC元件B于室温25℃时的允许通过电流为70mA，而于50℃下的允许通过电流降为约50mA，趋近于该LED22工作电流，故可选用PTC元件B再根据LED限流电阻值计算需要的PTC元件B的颗数。

申言之，本发明的限流元件21具有随温度增加提升其电阻值的特性，该限流电阻21于一LED正常工作温度(例如室温)时的电阻值趋近或等于限流电阻值。当LED22逐渐升温至大于该LED正常工作温度的一异常温度时，该限流元件21允许通过的电流将逐渐下降至低于该LED工作电流。基此，本发明的限流元件21除基本的限流功能外，也可即时因应LED温度调整其通过电流，而具备电流调整功效。

传统上普遍应用于LED作限流保护的正温度系数元件(PTC)的阻抗皆非常低，在温度保护上PTC元件必须上升至触发临界温度时，因电阻提升才有明显的限流。此结果比较像是电池应用上的热断流(thermalcut-off)，由于上升至临界温度时的阻抗变化极大，LED的亮暗变化也就非常明显，这种现象在照明安全性上尤其是汽車电子应用上是不允许照明灯彻底关闭的。

参照图5的电流与温度关系图，例如使用单颗的PTC元件23，其于室温25℃下的电阻值为2Ω，此时可通过的电流为(6V-3.8V)/2Ω＝1.1A。若PTC元件23于100℃的异常温度时的电阻值增加3倍至6Ω，此时可通过的电流为(6V-3.8V)/6Ω＝0.37A＝370mA，如曲线a所示。因此仍可通过高于该发光二极管工作电流50mA，故到达异常温度时LED仍会持续升温，直到温度达到触发临界温度时才大幅降低流通电流，故无法达到如本发明前述的即时调整LED温度的功能。若选择22颗室温下电阻为2Ω的PTC元件23，故串联后的限流元件可为44Ω，可通过电流为(6V-3.8V)/44Ω＝0.05A＝50mA，约等于LED22的工作电流。若该电阻在100℃时阻抗提升3倍为132Ω，故可通过的电流为(6V-3.8V)/132Ω＝0.017A＝17mA，如曲线b所示。曲线b的电流下降速度约等同于曲线a。此时PTC元件23尚未升至触发临界温度(假设为110℃)，但已明显有效达成限流效果。另外，如选用单颗44Ω的PTC元件，单颗高电阻的PTC元件代表其材料中导电通路相较于2Ω者很少。因此当通以相同电流时，2Ω的PTC元件可允许大部分的电流通过，缓慢增加其电阻值；但单颗44Ω的PTC元件以微观角度看，因无法允许大部分电流通过，使得其温度将急遽升高，而很快即发生触发，而更进一步几乎阻断电流通过，如曲线c所示。申言之，由于单颗44Ω的PTC元件本身的高电阻，在相同的电流通过下，PTC元件的发热量将快速增加，使得元件温度提升的速度将远快于使用单颗2Ω或2Ω×22的电路设计。因此使用44Ω的单颗元件设计将会提前达到触发温度，使LED产生明显的亮暗变化。

就照明应用而言，LED22常采用多颗，将点光源形成条列或阵列形式。以下关于多颗LED22的应用如图3及图4所示。

图3所示为本发明第二实施例的LED装置30，其串联多个LED22形成LED组件25的实施方式。LED装置30包含串接多个LED22的LED组件25以及限流元件21，其中该LED组件25及限流元件21形成串联结构，并连接至电源电压Vcc。限流元件21包含串联的多个PTC元件23。假设LED22的个数有n个，此时限流电阻值为：

基此，可依如第一实施例的计算方式，选择合适的PTC元件数目作为限流元件，其中限流元件具有随温度增加提升其电阻值的特性，该限流元件于一LED正常工作温度时的电阻值趋近或等于该限流电阻值。当该LED逐渐升温至一异常温度时，该限流元件允许通过的电流将逐渐下降至低于该LED工作电流。

图4所示为本发明第三实施例的LED装置40，其包含形成并联的LED22，其连接至电源电压Vcc。限流元件21包含串联的多个PTC元件23，且各该限流元件21串联一LED22。本实施例相当于将多个图2所示的限流元件21及LED22的串联结构进行并联，藉此提供多颗LED的应用。类似地，也可将多个图3所示的限流元件21及LED组件25的串联结构进行并联，提供更广泛的应用。

综上所述，本发明具有以下特征及优点，可有效解决LED高热的问题：

(1)本发明的限流行为主要落在PTC元件触发临界温度之前，可使PTC元件寿命增长，LED亮暗变化也较不明显。

(2)本发明利用串联PTC元件放大电阻倍率，只需通过极小电流，即可依压降辨识温度变化，也可应用于较低温度的监控，或是辨识较小温度区间变化的需求。

(3)本发明使PTC元件对温度变化的反应更加敏锐，且直接安装在电源回路上，限流的反应直接且快速，相较于温度感测后再交由IC作限流的设计，更加简单、更节省成本。

(4)本发明除了限流的好处外，仍保有过电流的特性，是集合“限流”、“过温”、“过电流”、“控温”、“监控”等多功能保护的元件。

(5)本发明的应用广度大增，PTC元件将不再因LED装置发热至高温后的才作动保护，反而提前在装置可容许的最高温度时，即主动为装置作调节的动作。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而熟悉本项技术的人士仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示者，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为以下的申请专利范围所涵盖。

Claims (14)

1.一种发光二极管装置，包括：

一发光二极管组件，该发光二极管组件对应一限流电阻值，且包含至少一发光二极管，该发光二极管具有发光二极管顺向电压及发光二极管工作电流；以及

一限流元件，由串联的多个正温度系数元件所组成，该多个正温度系数元件具有感测该发光二极管温度的功能，且电气串联至该发光二极管组件；

其中限流元件具有随感测温度增加提升其电阻值的特性，该限流元件于一发光二极管正常工作温度时的电阻值趋近或等于该限流电阻值，当该发光二极管逐渐升温至一异常温度时，该限流元件允许通过的电流将逐渐下降至低于该发光二极管工作电流，且该多个正温度系数元件仍未达到触发临界温度：

其中该发光二极管组件连接一电源电压，且该发光二极管组件包含n个发光二极管，其中n为正整数，且当n≧2，该n个发光二极管串联，该限流电阻值＝(电源电压－n×发光二极管顺向电压)/发光二极管工作电流。

2.根据权利要求1所述的发光二极管装置，其中该正温度系数元件于该发光二极管正常工作温度下的允许通过的电流趋近或等于该发光二极管工作电流。

3.根据权利要求1所述的发光二极管装置，其中该触发临界温度大于等于70℃。

4.根据权利要求1所述的发光二极管装置，其中该触发临界温度大于异常温度约10～35℃。

5.根据权利要求1所述的发光二极管装置，其中该异常温度大于等于60℃。

6.根据权利要求1所述的发光二极管装置，其中该限流元件于该发光二极管正常工作温度时的电阻值小于该限流电阻值。

7.根据权利要求1所述的发光二极管装置，其中该限流元件于该发光二极管正常工作温度时的电阻值相较于该限流电阻值的差异在正负30％以内。

8.根据权利要求1所述的发光二极管装置，其中该限流元件与发光二极管组件的距离小于5公分。

9.一种限流元件，应用于一发光二极管组件，该发光二极管组件对应一限流电阻值，且包含至少一发光二极管，该发光二极管具有发光二极管顺向电压及发光二极管工作电流，该限流元件由以下所组成：

多个正温度系数元件，其彼此串联且电气串联至该发光二极管组件，且具有感测该发光二极管温度的功能；

其中限流元件具有随感测温度增加提升其电阻值的特性，该限流元件于一发光二极管正常工作温度时的电阻值趋近或等于该限流电阻值，当该发光二极管逐渐升温至一异常温度时，该限流元件允许通过的电流将逐渐下降至低于该发光二极管工作电流，且该多个正温度系数元件仍未达到触发临界温度；

其中该发光二极管组件连接一电源电压，且该发光二极管组件包含n个发光二极管，其中n为正整数，且当n≧2，该n个发光二极管串联，该限流电阻值＝(电源电压－n×发光二极管顺向电压)/发光二极管工作电流。

10.根据权利要求9所述的限流元件，其中该正温度系数元件于该发光二极管正常工作温度下的允许通过的电流趋近或等于该发光二极管工作电流。

11.根据权利要求9所述的限流元件，其中该触发临界温度大于等于70℃。

12.根据权利要求9所述的限流元件，其中该异常温度大于等于60℃。

13.根据权利要求9所述的限流元件，其中该限流元件于该发光二极管正常工作温度时的电阻值相较于该限流电阻值的差异在正负30％以内。

14.根据权利要求9所述的限流元件，其中该限流元件是利用印刷电路板技术形成的单一元件。