LED礦燈恒流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計

李文靜 丁金華

(大連工業(yè)大學機械工程與自動化學院，遼寧大連 116034)

1 引言

礦燈是煤礦工人必備的井下照明燈具，發(fā)光二極管 (LED)由于具有一系列的優(yōu)點而成為新一代礦燈的首選光源。LED礦燈是一種煤礦井下作業(yè)礦工使用的新型防爆礦燈，采用先進的LED冷光源，具有安全可靠，維護簡便，節(jié)能等優(yōu)點。

電子電路要正常工作，電源必不可少，并且電源性能對電子設(shè)備的使用壽命、使用性能等影響很大，在很多應用直流電場合中，要求為驅(qū)動電路提供其輸出能從開始連續(xù)可調(diào)的直流電源［1］，實際上就是要求設(shè)計一個具有足夠調(diào)壓范圍和帶負載能力的恒流穩(wěn)壓電源電路。該電路的設(shè)計關(guān)鍵在于穩(wěn)壓電路和恒流電路的設(shè)計，其要求是所選器件和電路必須達到在較寬輸入電壓范圍內(nèi)輸出電壓穩(wěn)定且能夠適應所帶負載的啟動性能。此外，電路還必須簡單可靠，能夠輸出恒定的電流。

由于恒流穩(wěn)壓驅(qū)動和提高LED的光學效率是LED應用設(shè)計的兩個關(guān)鍵問題，所以巧妙的用LED恒流穩(wěn)壓驅(qū)動電路的采樣提高大功率LED的效率勢在必行。

2 礦燈應用現(xiàn)狀

我國礦燈的發(fā)展始于上個世紀60年代初，這些礦燈一直承續(xù)了幾十年，雖然經(jīng)過不斷改進，但在電源形式、光源、結(jié)構(gòu)、功能等方面并沒有多大的變化。現(xiàn)有礦燈本身存在的缺陷、礦燈生產(chǎn)中的質(zhì)量問題、電源性能的穩(wěn)定性等諸多因素成為導致我國煤礦頻發(fā)礦難事故的重要因素之一。

國外先進礦燈主要有如下特點:采用雙光源，一個光源燒壞后，可用輔助光源照明;采用阻燃耐脂肪酸電纜和防靜電塑料外殼;礦燈強度和耐沖擊性好;電源可靠性強。

3 恒流穩(wěn)壓電源電路

3.1 作用

該設(shè)計的恒流穩(wěn)壓電路用于驅(qū)動兩個3W的LED白光燈 (額定電壓 3.0～3.8V;額定電流700mA)，正常工作情況下，輸入電路的電壓為24V的直流或交流，但允許有一定的波動范圍，輸出為穩(wěn)定的直流電壓。

3.2 恒流穩(wěn)壓電源電路的組成部分

3.2.1 組成部分

輸入為已經(jīng)由50HZ，220V的單相交流電壓逆變好的24V交直流電壓，輸出為幾百毫安的直流電壓，總共由整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路和恒流電路組成，此過程整流電路將交流電壓變?yōu)槊}動的直流電壓，濾波電路將脈動直流電壓轉(zhuǎn)化成平滑的直流電壓，穩(wěn)壓電路清楚負載變化影響，恒流電路供給LED恒定的電流，保證礦燈正常工作。

3.2.2 整流電路

變壓器副邊電壓通過整流電路由交流轉(zhuǎn)換為直流電源電壓，即將正弦波電壓轉(zhuǎn)換成為一種單一方向的脈動電壓。但是這樣的電壓都含有較大的交流分量，為了減小電壓的脈動，需通過低通濾波電路，使輸出電壓平滑。理想情況下，應將交流量全部濾掉，使濾波電路的輸出電壓僅為直流電壓，然而由于濾波電路為無源電路，所以接入負載后勢必影響其濾波效果［2］，所以在這之前要加上一個橋式整流電路。

3.2.3 濾波電路

整流電路的輸出電壓雖然是單一的，但是脈動比較大，含有較大的諧波成分，因此，整流之后還需要利用濾波電路將脈動的直流電壓變成平滑的直流電壓。直流電源中采用的濾波電路都是無源電路，在理想情況下，濾波后只保留直流成分。電容濾波電路是最常見也是最簡單的濾波電路［2］。以單向橋式整流電容濾波為例進行分析，其電路如圖1，圖2所示。

圖1 橋式整流濾波電路Fig.1 The circuit of bridge rectifier filter

圖2 電路濾波曲線Fig.2 The curve of filter circuit

3.2.4 穩(wěn)壓電路

當負載電流變化時，由于整流濾波電路存在內(nèi)阻，輸出電壓將要變化;當電網(wǎng)電壓波動時，使整流濾波電路輸出的直流電壓不穩(wěn)定。為了獲得相對穩(wěn)定的直流電壓，我們在整流濾波之后通常還要接一個穩(wěn)壓電路。在小功率設(shè)備中常用的穩(wěn)壓電路有線性穩(wěn)壓電路、穩(wěn)壓管電路和開關(guān)型穩(wěn)壓電路等。其中穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路較簡單，但是帶負載能力差，一般只提供基準電壓［3］。開關(guān)型穩(wěn)壓電源效率較高，目前使用也比較多，但是電路比較復雜，而且價格比較貴。而且本次設(shè)計的要求不是很高，所以使用了圖3所示的最簡單的穩(wěn)壓電路。

圖3 穩(wěn)壓電路Fig.3 The circuit of stabilizing voltage

不過，由于UO=UDZ，負載承受的電壓過大，應選擇適合的集成穩(wěn)壓器來代替。由于有時電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定，會在24V左右有一定的波動范圍，所以初步選擇LM2576系列的開關(guān)穩(wěn)壓電源作為該電路的主要穩(wěn)壓器件。其中較為適合的是LM2576-12和LM2576-ADJ。

如果選用LM2576-12后面需要連接一個分壓電路而且輸出的電流比較大，容易將LED燈燒壞，而LM2576-ADJ可調(diào)，控制調(diào)試比較方便，經(jīng)過計算實驗可達到所需值。因而該設(shè)計選用LM2576-ADJ作為該電路主要的穩(wěn)壓器件。

3.2.5 恒流電路

輸出電阻起到一定的分壓作用，但是由于電阻允許消耗的功率受限，分到的電壓值較小，導致燈的兩端要承受很大的電壓從而使電流值很大，所以要限流，而加入反饋環(huán)節(jié)是解決限流問題最好的方法，如圖4所示。

圖4 恒流電路［4］Fig.4 The circuit of constant current［4］

由于礦燈對精度要求不算高，又需要盡量降低成本，所以本設(shè)計選用LM358來完成恒流電路部分，其電源VCC與LED燈電流輸入端相連。

3.3 工作原理

輸入電壓經(jīng)橋式整流濾波后，加入LM2576-ADJ輸入端1腳，由2腳輸出穩(wěn)定的電壓被LED燈和R1分壓，VR3=VR1，當電壓達到一定值時，由LM358和R2、R3組成的反饋回路的作用，電流為一恒值，兩個3W的LED燈正常工作，見圖5。

圖5 恒流穩(wěn)壓電路原理圖Fig.5 The principle diagram of circuit of constant current and regulator circuit

3.4 器件的選擇以及相關(guān)參數(shù)的計算

如圖6所示，RV是壓敏電阻，此處起保護電路的作用，因為電網(wǎng)電壓為220V，所以此處選用07K221。LM2576-ADJ的輸入電壓范圍是8V～40V。

圖6 整流濾波部分Fig.6 The part of rectifier and filter

設(shè)電路的輸入電壓直流為VI，交流為Vi，所以VI的范圍是8V～40V，設(shè)LM2576HV-ADJ的輸入電壓為 VADJ，則 VADJ=1.2Vi。所以

C1的選擇原則可按II×1000μF/A經(jīng)驗公式進行估算，即每輸出1A電流就對應于1000μF的電容量，有

C1=II×1000μF/A=1A ×1000μF/A=1000μF

因為LM2576-ADJ的輸入電壓范圍是8V～40V，所以選用電容量為1000μF，耐壓值為50V的電容。二極管D1～D4的最大整流電流IF和最高反向工作電壓VRM分別為:

所以二極管D1～D4可以選用1N4007。

如圖7所示，續(xù)流二極管D5的選擇，正向額定電流必須大于負載電流，耐壓值必須大于LM2576-ADJ的輸出電壓，所以選用1N5822。

貯能電感的計算，按以下公式計算。

其中VI為LM2576-ADJ輸入不穩(wěn)定的直流，IOmin為開關(guān)穩(wěn)定器輸出電流的最小值［5］，f為開關(guān)管工作頻率，所以選用100μH的鐵芯電感。

輸出端濾波電容C2的計算，按以下公式計算

圖7 穩(wěn)壓恒流部分Fig.7 The part of constant voltage and constant current

其中△Vo為開關(guān)穩(wěn)定器輸出電壓紋波分量［5］，所以選用電容量為1000μF，耐壓值為25V的電容。

已知 LM2576-ADJ反饋端的基準電壓 Vref=1.23V，設(shè) R1、R2、R3兩端的電壓分別為 V1、V2、V3，有

假定LED燈的工作電流ILED=750mA，流經(jīng)R1的電流I1，則I1=ILED，所以

因為流經(jīng)R1的電流值較大，會有較大的功耗，暫定阻值為1Ω，有

因考慮到它的安全性和可靠性，R1暫選用1Ω的電阻。所以

所以R2選用68Ω，R3選用110Ω或R2選75Ω，R3選 110Ω。但由于 R2選 68Ω 時負載電流Io=760mA過大，考慮功率和安全起見選用第二組，R2=75Ω，R3=110Ω。

3.5 恒流穩(wěn)壓電路的性能指標及測試 (見表1)

穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標分為兩種:一種是質(zhì)量指標，用來衡量輸出直流電壓的穩(wěn)定程度，包括穩(wěn)壓系數(shù) (或電壓調(diào)整率)、輸出電阻 (或電流調(diào)整率)、紋波電壓 (紋波系數(shù))及溫度系數(shù)。

另一種是特性指標，包括允許輸入電壓、輸出電壓、輸入電流、輸出電流及輸出電壓調(diào)節(jié)范圍等。

表1 直流輸入時電路輸入、輸出電壓，輸入、輸出電流測試Table 1 The test of input and output voltage，input and output current test by DC input

由于LM2576-ADJ的輸入電壓范圍是8～40V，所以只需測在此范圍內(nèi)的參數(shù)，由測試可知，當輸入電壓為13V時，通過負載LED燈的電流以及其兩端的電壓恒定，所以該電路的應用范圍為13～40V，但40V已達到LM2576-ADJ的極限，在極限邊緣應用范圍稍有變動時器件容易燒毀，因此選定該電路的輸入電壓應用范圍為13～38V。

4 結(jié)論

本文設(shè)計的一種驅(qū)動新型的LED礦燈的恒流穩(wěn)壓電路，該電路性能良好，能夠滿足礦井的使用要求。其驅(qū)動電路輸入電壓經(jīng)橋式整流濾波后，加入LM2576-ADJ輸入端，由輸出端輸出穩(wěn)定的電壓被LED燈和 R1分壓，當電壓達到一定值時，由LM358和電阻組成的反饋回路的作用，電流為一恒值，驅(qū)動兩個3W的LED燈正常工作。該電路的輸入電壓允許一定的波動范圍，可以使LED燈在非正常的輸入電壓情況下也可以正常工作。隨著LED光源技術(shù)的進步與發(fā)展，生產(chǎn)成本會進一步下降，該礦燈的電源電路將會得到廣泛的應用。

［1］田大壘，關(guān)榮鋒，王杏.新型LED礦燈的設(shè)計與仿真［J］.煤礦機電，2007，6:46～48.

［2］童詩白，華成英等.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) ［M］.北京:高等教育出版社，2006:515～531.

［3］I.M.戈特利布.穩(wěn)壓電源 ［M］.北京:科學出版社，1993.

［4］LM358，LM258， LM2904， LM2904V.MOTOROLA ANALOG DEVICE DATA ，1996:2.

［5］楊智敏，侯傳教，劉霞.單片式開關(guān)穩(wěn)壓器LM2576-ADJ及其應用［J］.移動電源與車輛，2004，1:33～34.