TWI823430B - 具有主動式溫度保險絲之防止藍光溢漏led電路結構 - Google Patents

Abstract

一種具有主動式溫度保險絲之防止藍光溢漏的LED電路結構，包含：一上部電路，具有LED及熱敏電阻串聯於LED並感測LED周圍的溫度；一下部電路並聯上部電路，具有二極體； LED及二極體具有相同電流傳導方向；藉由本發明的實施，當溫度在過熱條件時，熱敏電阻會降低通過LED的電流，造成LED的光通量熄滅，使的LED的藍光溢漏降低或停止。

Description

具有主動式溫度保險絲之防止藍光溢漏LED電路結構

本發明為一種具有主動式溫度保險絲之防止藍光溢漏的LED電路結構，特別是一種應用照明之具有主動式溫度保險絲之防止藍光溢漏的LED電路結構。

由於在高能源效率、快速反應、可接受的演色性、長使用壽命、及低成本的優勢，固態照明已經逐漸取代白熾燈泡。白光可由幾種不同的方式來產生，例如雙色、三色、四色來組成。其中以雙色由於簡單、有效率，廣泛被使用；在這方法中白光是由藍色發光晶元發出的藍光與黃色螢光混合產生的。這種的白光光源通常被稱為螢光轉換的白光LED，英文簡記為 pc W-LED。

螢光轉換的白光LED (pc W-LED)在正常使用下，有2個主要的產生熱的來源:一為藍光晶元的發光效能(efficacy),另一為螢光粉的轉換效率，包含其自身的量子效率及Stoke損耗。第一種熱的產生源是注入電子流進入藍光LED晶元發出藍光光子的轉換效率。這從電功率到光通量的轉換效率可以高達70%，約30%的電功率就會轉變成熱能。

第二種熱的產生源是屬於螢光粉範疇，也就是晶元激發與再發射波長的差異所造成的Stoke損耗有關。若激發的藍光與黃色發射光波長分別為450奈米與550奈米，波長的轉換效率約為82%。

也就是約有18%的能量在這個過程轉變成熱能。尤其，若未能維持正常條件，會產生大量的熱，這是因為在藍光LED的晶元與螢光粉之間產生了支配性的非輻射轉換。這就是眾所週知pc W-LED螢光轉換的白光LED無法避免的問題，在輸出白光的品質上造成許多負面的效應，諸如色溫CCT增高、光的顏色偏差、發光效能降低及機械性能的降低等。

一個關於熱效應相對嚴重的問題是使用pc W-LED螢光轉換的白光LED燈具時，其帶有藍光的光會被使用者看到。由於黃光的熱衰率較藍光來的快，使得藍光B對黃光Y的光通比值(B/Y比)增加，造成輸出光的色彩變成偏藍(對應到相當高的色溫CCT，有可能高於10000 絕對溫標)。雖然使用儀器很容易偵測出偏藍的光線，但是人眼卻不易察覺。所以，一旦藍光溢出，使用者的眼睛會暴露在藍光下而沒有任何警告。

圖1A 及 圖1B顯示，在正常與不正常條件下 pc W-LED螢光轉換的白光LED之溫度特性，及在過熱下藍光與黃光的B/Y比值。當過熱發生在 201 範圍，在藍光LED晶元及黃色螢光粉附近，pc W-LED螢光轉換的白光LED 200 溫度變得比正常條件時來的高很多。更近一步，由於不同色光的熱衰速率不同，使得藍光B對黃光Y的光通比值在過熱條件時的(B/Y比)會高於正常條件時的(B/Y比)。許多研究已經考慮到pc W-LED螢光轉換白光LED的熱管理。

最近有關藍光傷害的報告已經指出 : 在高劑量或長時間的藍光曝露會造成人眼視網膜組織不可逆的傷害。對使用白光LED的小孩，這個風險更高。所以，防止或解決藍光傷害的需求變得相當迫切，特別是在基於LED提升生活品質的SSL過程。此外，過曝於帶藍光的隱性風險外(以人眼的生理安全考慮)，也會有視覺的不舒服感；也就是改變全日週期，近而影響人類的睡眠。

本發明是一種具有主動式溫度保險絲防止藍光溢漏LED電路結構。如本發明所揭露的技術，當在過熱溫度條件時，會降低通過該pc W-LED的電流。結果會造成輸出的白光重大地降低，導致熄滅防止藍光溢漏。使用者可以主動地防止曝露在過熱LED的近藍光照明。更進一步，消光的燈具也可以提醒使用者需更換此帶有藍光外溢的燈具。

本發明是提供一種具有主動式溫度保險絲防止藍光溢漏LED電路結構，包含有：一上部電路，上部電路具有：至少一LED；及一熱敏電阻，串聯於至少一個LED並感測至少一LED附近周圍的溫度；一下部電路其並聯於該上部電路並具有至少一個二極體；其中至少一個LED及至少一個二極體具有相同電流傳導方向；當溫度在過熱條件時，熱敏電阻會降低通過至少一個LED的電流，造成至少一個LED的光通量熄滅，使得至少一LED的藍光溢漏被降低或停止。

本發明的實施至少會產生下列的優點： 1. 正熱係數 (PTC)熱敏電阻可以做為熱感知元件，用以偵測造成藍光外溢之過熱狀態。 2. 能有效的防止藍光外溢。 3. 能抑制輸出光通量中的藍光外溢，因此防止使用LED的人眼曝露於帶有藍光的照明。 4. 消光的燈具也可以提醒使用者需更換此帶有藍光外溢的燈具。 5. 本發明的解決方案不但對人眼的生理安全有意義，而且對提升使用螢光粉轉換白光 pc W-LED的生活品質有幫助。 6. 此外，本發明的電路可以低成本、簡單、有效率的整合進LED的元件。

參考圖2，一般來說，藍光外溢與溫度可關聯性，可以從色溫CCT與溫度清楚的看到。圖2顯示，當白光LED發生過熱時，的結果指出在pc W-LED螢光轉換的，演色性的效果將會受到嚴重的影響。CCT會從6500 K升高至相當高的數值，(會高過8000 K，甚至達到12000 K)，造成帶有藍光的光。LED晶粒的溫度會顯示非常高的數值約180 C∘~  240 C∘。

當輸出的白光變成帶藍色的白光時，LED燈具應當不要在使用，以避免對人眼的傷害，這個LED燈具也應該更新。所以，尋找一個方法，類似保險絲概念，當出現LED的藍光外溢時，立即終止pcW-LED螢光轉換的白光LED運作，是一項防止藍光照明環境的負面效應的選項。當不易察覺的藍光一旦發生外溢，本實施例是基於LED晶粒溫度與CCT的藍光特徵來減低外溢藍光。

參考圖3、圖4A、及圖4B，本實施例是一種具有主動式溫度保險絲100 之防止藍光溢漏LED電路，包含有一上部電路10，及一下部電路20。

一上部電路10串聯至少一個LED110 及一熱敏電阻R ₁₁。LED可以是pc W-LED螢光轉換的白光LED。這至少一個LED 110近一步可能是多數個pc W-LED串聯或並聯在一起。這熱敏電阻R ₁₁是正熱係數 (PTC) 熱敏電阻串聯至少一個LED 110 及感知附近至少一個LED的溫度。

下部電路20 並聯於上部電路10並具有至少一個二極體210 ；至少一個LED 110 及至少一個二極體210 具有相同電流傳導方向。至少一個二極體210可能是至少一個非輻射二極體或至少一個發光二極體LED。至少一個發光二極體LED 210可以進一步是多數個串聯或並聯的二極體。下部電路20能進一步包含一阻抗元件R ₂₁即定額電阻。該阻抗元件R ₂₁與至少一個二極體 210 係以串聯方式的聯結。

防止藍光溢漏LED電路100 的電流與電壓的關係，可以表示為 (1) 及 (2)

在總注入電流I，上部電路電流I ₁，及下部電路電流I ₂分別是整個防止藍光溢漏LED電路，上部電路10 及下部電路20的電流。R ₁是熱敏電阻R ₁₁的電阻值且與溫度相依；R ₂是阻抗元件R ₂₁的電阻值；V _D是至少一個二極體210例如是IN5408 二極體之總電壓降，V _LED是至少一個LED 110即pc W-LED的電壓，其中選用IN5408 二極體，是由於它容許大電流通過，即可高達3安培電流。

基於方程式(1)及方程式(2)的關係，可以解方程式得I ₁與I ₂如下： (3) (4)

參考圖3到圖5，應用具有主動式溫度保險絲之防止藍光溢漏LED電路結構100 ，固定的參數包括 pc W-LED 110的電壓V _LED是 3.1V，阻抗元件R ₂₁的電阻R ₂是1.3 Ω，總注入LED晶元的電流I是0.5A；可變的變數包含熱敏電阻Ｒ ₁₁的電阻R ₁及V _D是6個二極體210的總電壓降。熱敏電阻Ｒ ₁₁的電阻R ₁可以從圖4A的電阻－溫度曲線獲得。每個二極體diode 210的電壓降可使用圖4Ｂ的IN5408的電流-電壓(I-V)曲線得出。

在正常條件下，沒有產生過熱；所以，電路中的溫度與正熱係數 (PTC)熱敏電阻R ₁₁在溫度低於120C∘的區域。這時(PTC)熱敏電阻R ₁₁只工作在低電阻的模態。故，電路中總注入電流I沒有受到影響。因此，電流只在上部電路10流動，下部電路20沒有電流流動。

在過熱狀態的不正常條件下，這過熱的熱量將pc W-LED 110周圍的溫度提高，超過120 C∘，此時PTC熱敏電阻R ₁₁作動在高電阻的模態工作。這時PTC熱敏電阻R ₁₁的電阻R ₁會呈現指數地增加，對通過上部電路10的電流I ₁造成一個巨大的障礙。所以，pc W-LED 110的上部電流I ₁被限制而導向到流經下部電路20的電流I ₂，然後下部電路I ₂快速增加，同時上部電流I ₁相對應的快速減少。最後，pc W-LED 110的上部電流I ₁就降低，pc W-LED 110的輸出光通量也就重大的被抑制，因此造成pc W-LED 110的光通量被熄滅，LED溢漏的藍光也就被降低或停止。

所以，當LED相關的輸出光通量會被重大的抑制，即可防範使用LED燈具的人眼曝露在偏藍光照射。結果，具有主動溫度保險絲之防止藍光溢漏LED電路結構100會消光。再者，這個消光狀態的LED燈具也會提醒使用者更換此會有藍光溢漏的LED燈具。本實施例的解決方案不但對人眼的生理安全有意義，而且對提升使用螢光粉轉換白光 pc W-LED的光線品質有幫助。

參考圖6A到6D，當嚴重的LED過熱情況發生，在LED 110 附近的溫度快速增加，PTC熱敏電阻R ₁₁也被加熱。當PTC熱敏電阻R ₁₁偵測到溫度超過設定工作溫度，高阻抗模式被啟動，同時降低上部電路10流經螢光粉轉換白光 pc W-LED 110 電路的上部電流I ₁，如圖6A所示。同時，被降低的上部電流I ₁被轉換到包含有固定電阻R ₂₁及非輻射二極體210的下部電路20，並造成的下部I ₂電流增加，如圖6A所示。就因為降低了上部電路10的上部電流I ₁，LED的光通量大幅地、快速地被壓抑，如圖6B所示。當過熱的情況獲得控制，螢光粉轉換白光 pc W-LED 110 附近的溫度不再增加，如圖6C所示。

以光譜更詳細來說明注入pc W-LED 110電流前/後，光通量被壓制、熄滅的光成分，如圖6D所示。在時間點1秒及83秒，當PCT熱敏電阻R11在低阻抗模式及上部電流I ₁沒有降低。由於83秒處的光譜低於 1秒處的光譜，造成藍光和黃光的熱猝滅。又在87秒處的光譜顯示相對83秒處的光譜有重大的壓制效果。如圖6A所示，由於大量的降低上部電路10的上部電流I ₁，輸出的光譜顯示光通量受到重大的壓抑。由於是PCT熱敏電阻R ₁₁持續在高阻抗模式下工作，上部電流I ₁保持很低，導致在100秒、201秒、300秒處的光譜與87秒出的光譜相同。這說明PCT熱敏電阻R ₁₁壓抑含藍光光通量的工作良好有效。

惟上述發明說明係用以說明本發明之各實施例特點，非限定本創作之專利範圍。雖然本發明以上述實施例來揭露，並不表示僅限於此實施例。其目的在使熟習該技術者能瞭解本發明之內容並據以實施，而非限定本創作之專利範圍，故凡其他未脫離本發明所揭示之精神而完成之等效修飾或修改，仍應包含在以下所述之申請專利範圍中。

B:藍光

Y:黃光

100:具有主動式溫度保險絲之防止藍光溢漏LED電路

10:上部電路

20:下部電路

110:LED

R₁₁:熱敏電阻

210:二極體

R₂₁:阻抗元件

I:總注入電流

I₁:上部電路電流

I₂:下部電路電流

參考下列實施例的詳細描述及伴隨的圖式說明可以了解本發明的結構及技術方法，並實現上訴的發明目的： [圖1A]為一在正常溫度條件下的藍光黃光的(B/Y比值)圖； [圖1B]為一在過熱溫度條件下的藍光黃光的(B/Y比值)圖； [圖2]顯示溫度與分別由T型熱電偶及光譜儀測得的光學性質圖； [圖3]顯示本發明一個實施例，具有主動式溫度保險絲防藍光外溢的 LED電路結構； [圖4A]正熱係數 (PTC)熱敏電阻的阻抗元件與溫度之關聯； [圖4B]顯示非輻射二極體的電流-電壓(I-V)特性圖； [圖5]正熱係數 (PTC)熱敏電阻的溫度感知顯示上部電流與下部電流的改變； [圖6A]顯示上部電流降低與下部電流上升的關聯； [圖6B]上部電流的改變造成光通量大量的、快速的受到壓制； [圖6C]顯示過熱受到妥善的控制及LE的溫度不再上升； [圖6D]顯示電流注入pc W-LED螢光轉換的白光LED前、後，輸出光通  量的光譜。

100:具有主動式溫度保險絲之防止藍光溢漏LED電路

10:上部電路

20:下部電路

110:LED

R₁₁:熱敏電阻

210:二極體

R₂₁:阻抗元件

I:總注入電流

I₁:上部電路電流

I₂:下部電路電流

Claims (8)

1. 一種具有主動式溫度保險絲之防止藍光溢漏的LED電路結構，包含：一上部電路，該上部電路具有：至少一LED；及一熱敏電阻，串聯於該至少一LED並感測該至少一LED周圍的一溫度；一下部電路其並聯於該上部電路並具有至少一二極體；其中該至少一LED及該至少一個二極體具有相同電流傳導方向；當該溫度在過熱條件時，該熱敏電阻會降低通過該至少一LED的電流，造成該至少一LED的光通量熄滅，使得該至少一LED的藍光溢漏被降低或停止；其中該熱敏電阻是正熱係數的熱敏電阻。
2. 如請求項1所述之防止藍光溢漏的LED電路結構，其中至少一個LED是螢光轉換的白光LED(pc W-LED)。
3. 如請求項1所述之防止藍光溢漏的LED電路結構，其中該至少一LED是多數個螢光轉換的白光LED(pc W-LED)相互串聯或並聯。
4. 如請求項1所述之防止藍光溢漏的LED電路結構，其中該至少一個二極體是非輻射型的二極體。
5. 如請求項1所述之防止藍光溢漏的LED電路結構，其中該至少一個二極體是一發光二極體。
6. 如請求項1所述之防止藍光溢漏的LED電路結構，其中該 至少一個二極體是由多數個二極體相互串聯或並聯。
7. 如請求項1所述之防止藍光溢漏的LED電路結構，其中該下部電路更包含一個阻抗元件，其串聯於該至少一二極體。
8. 如請求項7所述之防止藍光溢漏的LED電路結構，其中該該阻抗元件是一固定的電阻。

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