LED矿灯恒流稳压电源电路设计

李文静 丁金华

(大连工业大学机械工程与自动化学院，辽宁大连 116034)

1 引言

矿灯是煤矿工人必备的井下照明灯具，发光二极管 (LED)由于具有一系列的优点而成为新一代矿灯的首选光源。LED矿灯是一种煤矿井下作业矿工使用的新型防爆矿灯，采用先进的LED冷光源，具有安全可靠，维护简便，节能等优点。

电子电路要正常工作，电源必不可少，并且电源性能对电子设备的使用寿命、使用性能等影响很大，在很多应用直流电场合中，要求为驱动电路提供其输出能从开始连续可调的直流电源［1］，实际上就是要求设计一个具有足够调压范围和带负载能力的恒流稳压电源电路。该电路的设计关键在于稳压电路和恒流电路的设计，其要求是所选器件和电路必须达到在较宽输入电压范围内输出电压稳定且能够适应所带负载的启动性能。此外，电路还必须简单可靠，能够输出恒定的电流。

由于恒流稳压驱动和提高LED的光学效率是LED应用设计的两个关键问题，所以巧妙的用LED恒流稳压驱动电路的采样提高大功率LED的效率势在必行。

2 矿灯应用现状

我国矿灯的发展始于上个世纪60年代初，这些矿灯一直承续了几十年，虽然经过不断改进，但在电源形式、光源、结构、功能等方面并没有多大的变化。现有矿灯本身存在的缺陷、矿灯生产中的质量问题、电源性能的稳定性等诸多因素成为导致我国煤矿频发矿难事故的重要因素之一。

国外先进矿灯主要有如下特点:采用双光源，一个光源烧坏后，可用辅助光源照明;采用阻燃耐脂肪酸电缆和防静电塑料外壳;矿灯强度和耐冲击性好;电源可靠性强。

3 恒流稳压电源电路

3.1 作用

该设计的恒流稳压电路用于驱动两个3W的LED白光灯 (额定电压 3.0～3.8V;额定电流700mA)，正常工作情况下，输入电路的电压为24V的直流或交流，但允许有一定的波动范围，输出为稳定的直流电压。

3.2 恒流稳压电源电路的组成部分

3.2.1 组成部分

输入为已经由50HZ，220V的单相交流电压逆变好的24V交直流电压，输出为几百毫安的直流电压，总共由整流电路、滤波电路、稳压电路和恒流电路组成，此过程整流电路将交流电压变为脉动的直流电压，滤波电路将脉动直流电压转化成平滑的直流电压，稳压电路清楚负载变化影响，恒流电路供给LED恒定的电流，保证矿灯正常工作。

3.2.2 整流电路

变压器副边电压通过整流电路由交流转换为直流电源电压，即将正弦波电压转换成为一种单一方向的脉动电压。但是这样的电压都含有较大的交流分量，为了减小电压的脉动，需通过低通滤波电路，使输出电压平滑。理想情况下，应将交流量全部滤掉，使滤波电路的输出电压仅为直流电压，然而由于滤波电路为无源电路，所以接入负载后势必影响其滤波效果［2］，所以在这之前要加上一个桥式整流电路。

3.2.3 滤波电路

整流电路的输出电压虽然是单一的，但是脉动比较大，含有较大的谐波成分，因此，整流之后还需要利用滤波电路将脉动的直流电压变成平滑的直流电压。直流电源中采用的滤波电路都是无源电路，在理想情况下，滤波后只保留直流成分。电容滤波电路是最常见也是最简单的滤波电路［2］。以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图1，图2所示。

图1 桥式整流滤波电路Fig.1 The circuit of bridge rectifier filter

图2 电路滤波曲线Fig.2 The curve of filter circuit

3.2.4 稳压电路

当负载电流变化时，由于整流滤波电路存在内阻，输出电压将要变化;当电网电压波动时，使整流滤波电路输出的直流电压不稳定。为了获得相对稳定的直流电压，我们在整流滤波之后通常还要接一个稳压电路。在小功率设备中常用的稳压电路有线性稳压电路、稳压管电路和开关型稳压电路等。其中稳压管稳压电路较简单，但是带负载能力差，一般只提供基准电压［3］。开关型稳压电源效率较高，目前使用也比较多，但是电路比较复杂，而且价格比较贵。而且本次设计的要求不是很高，所以使用了图3所示的最简单的稳压电路。

图3 稳压电路Fig.3 The circuit of stabilizing voltage

不过，由于UO=UDZ，负载承受的电压过大，应选择适合的集成稳压器来代替。由于有时电网电压不稳定，会在24V左右有一定的波动范围，所以初步选择LM2576系列的开关稳压电源作为该电路的主要稳压器件。其中较为适合的是LM2576-12和LM2576-ADJ。

如果选用LM2576-12后面需要连接一个分压电路而且输出的电流比较大，容易将LED灯烧坏，而LM2576-ADJ可调，控制调试比较方便，经过计算实验可达到所需值。因而该设计选用LM2576-ADJ作为该电路主要的稳压器件。

3.2.5 恒流电路

输出电阻起到一定的分压作用，但是由于电阻允许消耗的功率受限，分到的电压值较小，导致灯的两端要承受很大的电压从而使电流值很大，所以要限流，而加入反馈环节是解决限流问题最好的方法，如图4所示。

图4 恒流电路［4］Fig.4 The circuit of constant current［4］

由于矿灯对精度要求不算高，又需要尽量降低成本，所以本设计选用LM358来完成恒流电路部分，其电源VCC与LED灯电流输入端相连。

3.3 工作原理

输入电压经桥式整流滤波后，加入LM2576-ADJ输入端1脚，由2脚输出稳定的电压被LED灯和R1分压，VR3=VR1，当电压达到一定值时，由LM358和R2、R3组成的反馈回路的作用，电流为一恒值，两个3W的LED灯正常工作，见图5。

图5 恒流稳压电路原理图Fig.5 The principle diagram of circuit of constant current and regulator circuit

3.4 器件的选择以及相关参数的计算

如图6所示，RV是压敏电阻，此处起保护电路的作用，因为电网电压为220V，所以此处选用07K221。LM2576-ADJ的输入电压范围是8V～40V。

图6 整流滤波部分Fig.6 The part of rectifier and filter

设电路的输入电压直流为VI，交流为Vi，所以VI的范围是8V～40V，设LM2576HV-ADJ的输入电压为 VADJ，则 VADJ=1.2Vi。所以

C1的选择原则可按II×1000μF/A经验公式进行估算，即每输出1A电流就对应于1000μF的电容量，有

C1=II×1000μF/A=1A ×1000μF/A=1000μF

因为LM2576-ADJ的输入电压范围是8V～40V，所以选用电容量为1000μF，耐压值为50V的电容。二极管D1～D4的最大整流电流IF和最高反向工作电压VRM分别为:

所以二极管D1～D4可以选用1N4007。

如图7所示，续流二极管D5的选择，正向额定电流必须大于负载电流，耐压值必须大于LM2576-ADJ的输出电压，所以选用1N5822。

贮能电感的计算，按以下公式计算。

其中VI为LM2576-ADJ输入不稳定的直流，IOmin为开关稳定器输出电流的最小值［5］，f为开关管工作频率，所以选用100μH的铁芯电感。

输出端滤波电容C2的计算，按以下公式计算

图7 稳压恒流部分Fig.7 The part of constant voltage and constant current

其中△Vo为开关稳定器输出电压纹波分量［5］，所以选用电容量为1000μF，耐压值为25V的电容。

已知 LM2576-ADJ反馈端的基准电压 Vref=1.23V，设 R1、R2、R3两端的电压分别为 V1、V2、V3，有

假定LED灯的工作电流ILED=750mA，流经R1的电流I1，则I1=ILED，所以

因为流经R1的电流值较大，会有较大的功耗，暂定阻值为1Ω，有

因考虑到它的安全性和可靠性，R1暂选用1Ω的电阻。所以

所以R2选用68Ω，R3选用110Ω或R2选75Ω，R3选 110Ω。但由于 R2选 68Ω 时负载电流Io=760mA过大，考虑功率和安全起见选用第二组，R2=75Ω，R3=110Ω。

3.5 恒流稳压电路的性能指标及测试 (见表1)

稳压电源的技术指标分为两种:一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数 (或电压调整率)、输出电阻 (或电流调整率)、纹波电压 (纹波系数)及温度系数。

另一种是特性指标，包括允许输入电压、输出电压、输入电流、输出电流及输出电压调节范围等。

表1 直流输入时电路输入、输出电压，输入、输出电流测试Table 1 The test of input and output voltage，input and output current test by DC input

由于LM2576-ADJ的输入电压范围是8～40V，所以只需测在此范围内的参数，由测试可知，当输入电压为13V时，通过负载LED灯的电流以及其两端的电压恒定，所以该电路的应用范围为13～40V，但40V已达到LM2576-ADJ的极限，在极限边缘应用范围稍有变动时器件容易烧毁，因此选定该电路的输入电压应用范围为13～38V。

4 结论

本文设计的一种驱动新型的LED矿灯的恒流稳压电路，该电路性能良好，能够满足矿井的使用要求。其驱动电路输入电压经桥式整流滤波后，加入LM2576-ADJ输入端，由输出端输出稳定的电压被LED灯和 R1分压，当电压达到一定值时，由LM358和电阻组成的反馈回路的作用，电流为一恒值，驱动两个3W的LED灯正常工作。该电路的输入电压允许一定的波动范围，可以使LED灯在非正常的输入电压情况下也可以正常工作。随着LED光源技术的进步与发展，生产成本会进一步下降，该矿灯的电源电路将会得到广泛的应用。

［1］田大垒，关荣锋，王杏.新型LED矿灯的设计与仿真［J］.煤矿机电，2007，6:46～48.

［2］童诗白，华成英等.模拟电子技术基础 ［M］.北京:高等教育出版社，2006:515～531.

［3］I.M.戈特利布.稳压电源 ［M］.北京:科学出版社，1993.

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

［5］杨智敏，侯传教，刘霞.单片式开关稳压器LM2576-ADJ及其应用［J］.移动电源与车辆，2004，1:33～34.