TWI535331B - Light emitting diode protection circuit - Google Patents

Description

發光二極體保護電路

本發明係有關一種發光二極體保護電路，特別是指一種利用保險絲元件與放電保護元件來實現發光二極體之過電壓保護(Over Voltage Protection；OVP)、過電流保護(Over Current Protection；OCP)、過溫度保護(Over Temperature Protection；OTP)及雷擊保護(Lightning Protection)等多功能之保護電路。

現今世界的石油價格節節高升，能源與原物料的供應成為最重要的議題，如何節約電力以及節省耗材，是產業科技的關鍵目標，其中佔能源消耗很大比例的照明設備，成為節能的重要項目。目前，發光二極體比起傳統的白熾電燈泡與日光燈管來有許多的優點，如體積小(多顆、多種組合)、發熱量低(熱輻射少)、耗電量低(低電壓、低電流起動)、壽命長(10萬小時以上)、反應速度快(可高頻操作)、環保(耐震、耐衝擊不易破、廢棄物可回收、無污染)、可平面封裝和易開發成輕薄短小的產品等優點。因此，隨著發光二極體的亮度提升及成本下降，發光二極體用途也隨之增加，例如廣泛地應用在白光照明裝置、指示燈、車用信號燈、車用大燈、閃光燈、液晶顯示器之背光模組、投影機之光源、戶外顯示單元等。

目前大部分電器或電子產品所提供之電源都來自市電，其大多含有金屬等導電體以進行電源輸送，故遭受雷擊的可能非常大，其中雷擊除了將產生高電流外，高電壓往往亦是造成電器或電子產品破壞的主因。以發光二極體產品為例，發光二極體產品由交流驅動(市電)，於驅動期間易有瞬間高電壓(突波)所產生之瞬間大電流，進而傷害交流發光二極體，造成損壞或壽命縮短。因此，如何避免發光二極體產品遭受過電流、過電壓、突波、雷擊等因素的損害問題。

有鑑於此，本發明遂針對上述先前技術之缺失，提出一種發光二極體保護電路，以有效克服上述之該等問題。

本發明之主要目的在提供一種發光二極體保護電路，可有效避免應用發光二極體之電路因過電壓、過電流、過溫度或雷擊突波等因素所造成產品的損壞，進而提高產品的可靠度與使用壽命。

為達上述之目的，本發明提供一種發光二極體保護電路，包括一發光二極體模組；二保險絲元件，分別連接發光二極體模組，保險絲元件上之流過電流超過一保護電流值時，係呈現開路狀態，以切斷一大電流流過發光二極體模組；及一放電保護元件，係連接發光二極體模組、二第一保險絲元件，放電保護元件係提供發光二極體模組之一電流旁路路徑。

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

本發明之發光二極體保護電路係能夠操作於交流電源及直流電源之下，同時又能夠避免操作於交流電源及直流電源之下所造成的過電流、過電壓、過溫度及突波或雷擊之損害，在此先以操作於直流電源之下為例說明，如第1圖所示，為本發明操作於直流電源下之第一實施例，係應用於發光二極體照明、背光顯示等電子裝置之發光二極體保護電路。發光二極體保護電路包括一發光二極體模組10、二保險絲元件，其係為第一保險絲元件12及一第二保險絲元件14，以及一放電保護元件16。

其中發光二極體模組10包含複數個串接發光二極體(Light Emiting Doide；LED)以形成一發光二極體燈串、或並聯複數個發光二極體燈串。第一保險絲元件12之兩端分別連接一直流電源之正電壓端及發光二極體模組10之正極；第二保險絲元件14之兩端分別連接直流電源之負電壓端及發光二極體模組10之負極，其中第一保險絲元件12及第二保險絲元件14較佳係為可復式電子保險絲，又稱為高分子聚合物正溫度熱敏電阻(PTC)，是由聚合物與導電粒子等構成，在經過特殊加工後，導電粒子在聚合物中構成鏈狀導電通路。放電保護元件16之兩端分別連接直流電源之正電壓端及負電壓端。

當正常工作電流通過第一保險絲元件12及第二保險絲元件14時，可維持極低阻抗值而使得發光二極體模組10正常運作。當過電流與過電壓二者同時或任一情況單獨發生時，第一保險絲元件12與第二保險絲元件14於電流流過時，由於電流與電阻之關係(I²R)會產生熱(能量E=電流I×電壓V)，而產生的熱便會全部或部分發散至環境中；換言之，當大電流流過第一保險絲元件12，且超過一保護電流值時，第一保險絲元件12產生的熱就會大於發散出去的，即啟動保護狀態，係呈現開路狀態，據以切斷大電流流過發光二極體模組10，也就是說大電流所產生的熱量使聚合物迅速膨脹，也就切斷了導電粒子所構成的導電通路，可復式電子保險絲呈高阻狀態(開路狀態)，以達到發光二極體模組10免於損壞之功效。本發明使用可復式電子保險絲之優點在於：當電路中過電流(超溫狀態)消失後，聚合物冷卻，體積恢復正常，其中導電粒子又重新構成導電通路，又呈初始的低阻狀態，予以繼續使用。

此外，當突波、雷擊發生時，瞬間高壓所產生的大電流會直接竄進直流電源之正電壓端(如發生正向雷擊的現象)，或自地端竄進直流電源之負電壓端(如發生負向雷擊的現象)，由於放電保護元件16之兩端分別連接直流電源之正電壓端及負電壓端，放電保護元件16未啟動時，為高電阻狀態，而當過電壓發生時，可於瞬間轉換成低電阻狀態，故作為大電流放電路徑，據以提供發光二極體模組10之一電流旁路(bypass)路徑，如此可達到發光二極體模組10完善的保護。其中放電保護元件16較佳係為微型放電管(BLSA)，它兼有陶瓷氣體放電管和半導體過壓保護器的優點：絕緣電阻高、極間電容小、放電電流較大(最大達3 kA)、雙向對稱性、反應速度快(不存在衝擊擊穿的滯後現象)、性能穩定可靠、導通後電壓較低，此外還有直流擊穿電壓高(最高達5000V)、體積小、壽命長等優點。

如第2圖所示，為本發明操作於直流電源下之第二實施例，其與第1圖之差異僅在於放電保護元件16之連接方式不同，故在此謹說明差異點，可一併參考第1圖之第一實施例，在此就不再贅述。其中第二實施例與第一實施例差異在於：放電保護元件16之一端係連接於第一保險絲元件12與發光二極體模組10之正極之間，另一端係連接直流電源之負電壓端。此目的在於：當正向雷擊的現象發生時，瞬間高壓所產生的大電流流過第一保險絲元件12，由於第一保險絲元件12上的流過電流大於保護電流值，即啟動保護狀態，由於第一保險絲元件12之電阻值對溫度變化的反應相當敏銳，大電流所造成的高溫，會使電阻值會瞬間彈跳至一高電阻狀態，直接限制大電流流至發光二極體模組10，藉以保護輸入電壓在發光二極體模組10可承受的電壓範圍內。此外，若正向雷擊所產生的瞬間高壓讓第一保險絲元件12啟動保護前，就竄經發光二極體模組10之路徑上時，此時可藉由放電保護元件16直接將大電流部分進行放電，一部分直接引入至地端，可有效地吸收電路中產生的高電壓。

再如第3圖所示，為本發明操作於直流電源下之第三實施例，其與第1圖之差異僅在於放電保護元件16之連接方式不同，故在此謹說明差異點，可一併參考第1圖之第一實施例，在此就不再贅述。其中第三實施例與第一實施例差異在於：放電保護元件16之一端係連接於第一保險絲元件12與發光二極體模組10之正極之間，另一端係連接於第二保險絲元件14與發光二極體模組10之負極之間。不管是正或負向雷擊發生時，瞬間高壓所產生的大電流會直接竄進直流電源之正電壓端或負電壓端，此時，第一保險絲元件12或第二保險絲元件14上的流過電流大於保護電流值，即啟動保護狀態。舉例來說，當發生正向雷擊時，第一保險絲元件12係呈開路狀態，除非第一保險絲元件12反應速度不及大電流瞬間竄進速度而未啟動保護動作時，則由放電保護元件16進行大電流放電，剩餘微弱電流再流經第二保險絲元件14，使其產生的熱發散於環境中，藉以避免發光二極體模組10受過電壓或過電流之損壞。當發生負向雷擊時，第二保險絲元件14係呈開路狀態，除非第二保險絲元件14反應速度不及大電流瞬間竄進速度而未啟動保護動作時，則由放電保護元件16進行大電流放電，剩餘微弱電流再流經第一保險絲元件12，使其產生的熱發散於環境中，藉以避免發光二極體模組10受過電壓或過電流之損壞。

上述操作於直流電源下之第一保險絲元件12亦可使用一般保險絲，目的在於：可復式電子保險絲使用負溫時，過電流保護會隨溫度降低而提高，故效能較差，因此可使用一般保險絲以彌補於負溫下可復式電子保險絲之特性缺失。

接續，更進一步說明本發明操作於交流電源之下的實施例，如第4圖所示，為本發明操作於交流電源下之第四實施例，係應用於發光二極體照明、背光顯示等電子裝置之發光二極體保護電路。發光二極體保護電路包括一發光二極體模組10、二保險絲元件，其係為第一保險絲元件12及一第二保險絲元件14，以及一放電保護元件16。發光二極體模組10包含並聯複數個串接第一極性發光二極體18與複數個串接第二極性發光二極體20，且此些第一極性發光二極體18與此些第二極性發光二極體20的極性相反。第一保險絲元件12之兩端分別連接一交流電源之正電壓參考點及發光二極體模組10，第二保險絲元件14之兩端分別連接交流電源之負電壓端及發光二極體模組10放電保護元件16之兩端分別連接交流電源之正電壓參考點及負電壓端。

在此先說明電路為正常運作狀態時之實施方式，當交流電流輸入之正電壓參考點為正向時，且為正常工作電流時，則電流依序通過第一保險絲元件12及發光二極體模組10之此些第一極性發光二極體18，第一保險絲元件12此時是維持極低阻抗值，使此些第一極性發光二極體18得以正常運作(正常點燈)。當交流電流輸入之正電壓參考點為負向時，且為正常工作電流時，則電流依序通過第二保險絲元件 14及發光二極體模組10之此些第二極性發光二極體20，第二保險絲元件14此時是維持極低阻抗值，使此些第二極性發光二極體20得以正常運作。

換言之，當過電流與過電壓二者同時或任一情況單獨發生時，由於交流電源為交替驅動此些第一極性發光二極體18及此些第二極性發光二極體20，故第一保險絲元件12與第二保險絲元件14於大電流流過，且超過一保護電流值時，第一保險絲元件12與第二保險絲元件14所產生的熱就會大於發散出去的，此時分別啟動保護狀態，係呈現開路狀態，據以切斷大電流流過發光二極體模組10，請同時參考第5圖，為本發明過電流保護後所量測之示波器波形圖，據以達到發光二極體模組10免於損壞之功效。當電路中過電流消失後，第一保險絲元件12與第二保險絲元件14又呈初始的低阻狀態，予以繼續擔任過電壓與過電流的保護功用。

此外，當突波、雷擊發生時，瞬間高壓所產生的大電流會直接竄進交流電源之正參考電壓點(如發生正向雷擊的現象)，或自地端竄進交流電源之負電壓端(如發生負向雷擊的現象)，由於放電保護元件16之兩端分別連接交流電源之正電壓參考點及負電壓端，放電保護元件16未啟動時，為高電阻狀態，而當過電壓發生時，可於瞬間轉換成低電阻狀態，故作為大電流放電路徑，據以提供發光二極體模組10之一電流旁路路徑，請同時參閱第6圖，為本發明過電壓保護後所量測之示波器波形圖，由圖中可得知，放電保護元件16執行電流放電後，電流趨向於零，如此可達到發光二極體模組10完善的保護。

如第7圖所示，為本發明操作於交流電源下之第五實施例，其與第4圖之差異僅在於放電保護元件16之連接方式不同，故在此謹說明差異點，可一併參考第4圖之第四實施例，在此就不再贅述。其中第五實施例與第四實施例差異在於：放電保護元件16之一端係連接於第一保險絲元件12與發光二極體模組10之間，另一端係連接交流電源之負電壓端。此目的在於：當正向雷擊的現象發生時，瞬間高壓所產 生的大電流流過第一保險絲元件12，由於第一保險絲元件12上的流過電流大於保護電流值，即啟動保護狀態，會使電阻值會瞬間彈跳至一高電阻狀態，直接限制大電流流至發光二極體模組10之此些第一極性發光二極體18；此時，此些第二極性發光二極體20會因流竄其中之電流而運作，隨之等電路中過電流消失後，再由交流電源交替驅動此些第一極性發光二極體18與此些第二極性發光二極體20，如此可有效保護輸入電壓在發光二極體模組10可承受的電壓範圍內。此外，若正向雷擊所產生的瞬間高壓讓第一保險絲元件12啟動保護前，就竄經發光二極體模組10之路徑上時，此時可藉由放電保護元件16直接將大電流部分進行放電，一部分直接引入至地端，可有效地吸收電路中產生的高電壓。

再如第8圖所示，為本發明操作於交流電源下之第六實施例，其與第4圖之差異僅在於放電保護元件16之連接方式不同，故在此謹說明差異點，可一併參考第4圖之第四實施例，在此就不再贅述。其中第六實施例與第四實施例差異在於：放電保護元件16之一端係連接於第一保險絲元件12與發光二極體模組10之間，另一端係連接於第二保險絲元件14與發光二極體模組10之間。不管是正或負向雷擊發生時，瞬間高壓所產生的大電流會直接竄進直流電源之正參考電壓點或負電壓端，此時，第一保險絲元件12或第二保險絲元件14上的流過電流大於保護電流值，即啟動保護狀態。舉例來說，當發生正向雷擊時，第一保險絲元件12係呈開路狀態，除非第一保險絲元件12反應速度不及大電流瞬間竄進速度而未啟動保護動作時，則由放電保護元件16進行大電流放電，剩餘微弱電流再流經第二保險絲元件14，使其產生的熱發散於環境中，藉以避免發光二極體模組10受過電壓或過電流之損壞。當發生負向雷擊時，第二保險絲元件14係呈開路狀態，除非第二保險絲元件14反應速度不及大電流瞬間竄進速度而未啟動保護動作時，則由放電保護元件16進行大電流放電，剩餘微弱電流再流經第一保險絲元件12，使其產生的熱發散於環境中，藉以避免發光 二極體模組10受過電壓或過電流之損壞。

綜上所述，本發明利用保險絲元件與放電保護元件來實現發光二極體之過電壓、過電流、過溫度及雷擊保護等多功能之保護電路。

唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。故即凡依本發明申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

10‧‧‧發光二極體模組

12‧‧‧第一保險絲元件

14‧‧‧第二保險絲元件

16‧‧‧放電保護元件

18‧‧‧第一極性發光二極體

20‧‧‧第二極性發光二極體

第1圖為本發明操作於直流電源下之第一實施例。

第2圖為本發明操作於直流電源下之第二實施例。

第3圖為本發明操作於直流電源下之第三實施例。

第4圖為本發明操作於交流電源下之第四實施例。

第5圖為本發明過電流保護後所量測之示波器波形圖。

第6圖為本發明過電壓保護後所量測之示波器波形圖。

第7圖為本發明操作於交流電源下之第五實施例。

第8圖為本發明操作於交流電源下之第六實施例。

10．．．發光二極體模組

12．．．第一保險絲元件

14．．．第二保險絲元件

16．．．放電保護元件

Claims (8)

1. 一種發光二極體保護電路，包括：一發光二極體模組；二保險絲元件，分別連接該發光二極體模組，該保險絲元件上之流過電流超過一保護電流值時，係呈現開路狀態，以切斷一大電流流過該發光二極體模組，且流過電流消失後，該保險絲元件又呈初始的低阻狀態，該二保險絲元件係為可復式電子保險絲；及一放電保護元件，其為微型放電管，係連接該發光二極體模組、該二保險絲元件，當過電壓發生時，該放電保護元件轉換成低電阻狀態，並提供該發光二極體模組之一電流旁路路徑，且該放電保護元件執行大電流放電後，電流趨向於零。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體保護電路，其中該二保險絲元件分別為一第一保險絲元件及一第二保險絲元件，該第一保險絲元件之兩端分別連接一直流電源之正電壓端及該發光二極體模組之正極，該第二保險絲元件之兩端分別連接該直流電源之負電壓端及該發光二極體模組之負極，該放電保護元件之兩端分別連接該直流電源之該正電壓端及該負電壓端。
3. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體保護電路，其中該放電保護元件之一端係連接於該第一保險絲元件與該發光二極體模組之該正極之間，另一端係連接該直流電源之該負電壓端。
4. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體保護電路，其中該放電保護元件之一端係連接於該第一保險絲元件與該發光二極體模組之該正極之間，另一端係連接於該第二保險絲元件與該發光二極體模組之該負極之間。
5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體保護電路，其中該發光二極體模操作於一交流電源之下時，係包含並聯複數個第一極性發光二極體與第二極性發光二極體，且該些第一極性發光二極體與該些第二極性發光二極體的極性相反。
6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體保護電路，其中該二保險絲元件分別為一第一保險絲元件及一第二保險絲元件，該第一保險絲元件之兩端分別連接一交流電源之正電壓參考點及該發光二極體模組，該第二保險絲元件之兩端分別連接該交流電源之負電壓端及該發光二極體模組，該放電保護元件之兩端分別連接該交流電源之該正電壓參考點及該負電壓端。
7. 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體保護電路，其中該放電保護元件之一端係連接於該第一保險絲元件與該發光二極體模組之間，另一端係連接該交流電源之該負電壓端。
8. 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體保護電路，其中該放電保護元件之一端係連接於該第一保險絲元件與該發光二極體模組之間，另一端係連接於該第二保險絲元件與該發光二極體模組之間。