Здравствуйте.
На светодиод будут подаваться импульсы тока различной, заранее неизвестной амплитуды и длительности (от 20 мкс до 20 мс).
Надо, чтобы при большой вероятности перегрева кристалла защита отрубала ток.
Простейшая защита на интеграторе не учитывает тепловую модель рассеяния тепла из-за последовательности импульсов.
Что надо добавить в схему, чтобы это учесть? См. приложенную картинку.
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

напрашивается двойное интегрирование. постоянные времени должны согласоваться с обоими ступенями тепловой модели соответственно: первый интегратор (более "быстрый") и учитывает энергию одного импульса, а второй (более "медленный") подключен к выходу первого для учета суммарной энергии серии импульсов.
выходы обоих через ИЛИ на схему отключения.

для подстройки времени заряда-разряда емкости делается заряд через два последовательных резистора, один из которых шунтируется диодом в нужную сторону.
если еще дальше подумать, то наверное можно как-нибудь приспособить NTC-резистор для учета окружающей температуры.

На самом деле, Вы сами уже все сделали, нарисовав достаточно хорошее приближение для тепловой модели.
Rt переход-корпус - это сопротивление параллельно емкости интегратора, имитирующей теплоемкость кристалла. Последовательно с этой RC-цепочкой включится емкость, имитирующая теплоемкость корпуса - которая, в свою очередь, шунтируется сопротивлением, имитирующим теплоотвод в окружающую среду. Примерно так.
Однако не стоит забывать омическую составляющую напряжения на диоде - т.е. что напряжение зависит от тока.

Решая подобную задачу, я делал на аналоговом умножителе AD633 произведение тока на напряжение, а на выходе просто RC-цепочка на землю, а емкость шунтирована "тепловым сопротивлением в среду".