CN104270872A - Led铁路信号灯驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了LED铁路信号灯驱动电路，它由主LED驱动电路、副LED驱动电路和开关电路组成，主LED驱动电路中设有由光敏电阻RL、第二电阻R2和运算放大器U1构成的光检测电路，主LED驱动电路中的第一脉冲宽度调制控制芯片DC1上的DIM管脚上电连接有第一电容C1，副LED驱动电路中的第二脉冲宽度调制控制芯片DC2上的DIM管脚上电连接有第二电容C2，第二电容C2两端并联有第三电阻R3，开关电路为一个双刀双掷继电器，本发明的有益效果为：本发明电路通过使用光检测电路，简化了电路设计；满足“故障倒向安全”的准则并能满足铁标中对于电磁兼容的要求。

Description

LED铁路信号灯驱动电路

技术领域

本发明涉及LED铁路信号灯，具体涉及一种LED铁路信号灯驱动电路。

背景技术

近年随着LED技术的发展，采用LED作为发光显示器件的铁路信号机也逐渐开始出现。目前主要采用多颗小功率显示级LED组成发光光盘和大功率LED构成的点式光源，分别称为发光盘式信号机构和点光源式信号机构。盘式及点光源式灯具机构的电气性能具有功耗低、工作电流小、无冲击电流、可靠性较高等特点，对传统双灯丝白炽灯具有很大的优越性。但在目前，盘式信号灯及点光源式LED信号灯具有巨大缺陷：

1、盘式信号灯具无法兼容现有供电及光学系统，需把供电及光学系统完整替换，因此成本高昂；

2、点光源式灯具能够兼容现有供电系统，但因体积略大，需对光学系统做部分改造，且目前市面没有能完整通过铁标电磁兼容要求的产品。

发明内容

本发明设计了一种点式LED驱动电路，其体积小，便于产品小型化，无需对现有供电、光学系统进行任何改造，且能满足铁标中对电磁兼容的要求。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种LED铁路信号灯驱动电路，它由主LED驱动电路、副LED驱动电路和开关电路组成，所述主LED驱动电路与副LED驱动电路共用第二输入端N，所述主LED驱动电路上的第一输入端Va通过功率电阻R1与开关电路电连接，所述副LED驱动电路上的第三输入端Vb与开关电路电连接；所述主LED驱动电路包括相互电连接的光检测电路和第一脉冲宽度调制控制芯片DC1，所述光检测电路包括光敏电阻RL、第二电阻R2和运算放大器U1，所述光敏电阻RL与第二电阻R2串联，所述光敏电阻RL与第二电阻R2的串联节点接入运算放大器U1的IN1-管脚，所述第一脉冲宽度调制控制芯片DC1上的DIM管脚上电连接有第一电容C1；所述副LED驱动电路包括第二脉冲宽度调制控制芯片DC2，所述第二脉冲宽度调制控制芯片DC2上的DIM管脚上电连接有第二电容C2，所述第二电容C2两端并联有第三电阻R3；所述开关电路为一个双刀双掷继电器，所述双刀双掷继电器上的第六管脚通过功率电阻R1接入第一输入端Va，所述双刀双掷继电器上的第三管脚接入第三输入端Vb，所述双刀双掷继电器上的第五管脚接入第三输入端N。

更进一步的技术方案是，所述功率电阻R1的电阻值小于15Ω。

更进一步的技术方案是，所述第一电容C1的电容值为2.2uF。

更进一步的技术方案是，所述第二电容C2的电容值为22uF，所述第三电阻R3的电阻值为45KΩ。

更进一步的技术方案是，所述主LED驱动电路的输出端与主LED电连接、所述副LED驱动电路的输出端与副LED电连接。

本技术方案中，驱动电路有第一输入端Va、第二输入端N和第三输入端Vb，通过共用第二输入端N将驱动电路分为了主LED驱动电路和副LED驱动电路两个独立的输出电路，主LED驱动电路和副LED驱动电路分别设有一颗第一脉冲宽度调制控制芯片DC1和第二脉冲宽度调制控制芯片DC2，通过上述芯片用于在恒流模式中驱动主LED和副LED，在主LED驱动电路还设有一颗运算放大器U1，运算放大器U1的IN1-管脚连接在一个光敏电阻RL与固定电阻R2的中点，在主LED驱动电路正常驱动点亮主LED后，光敏电阻RL的阻值会急剧变小，运算放大器U1的IN1-管脚的电压会大幅下降，根据此变化，运算放大器U1可以判断主LED是否正常发光，若正常发光，运算放大器U1即可输出一个电平用于导通开关电路，开关电路将功率电阻R1接入第一输入端Va与第二输入端N之间，并将第三输入端Vb通过开关电路切断，这时副LED驱动电路不工作，若主LED未发光或发光强度低于某一个极低的值后，光敏电阻RL的阻值会恢复或降低很少，运算放大器U1的IN1-管脚的电压会升高超过设置的比较值，此时运算放大器U1可断开对开关电路控制，使功率电阻R1从第一输入端Va与第二输入端N之间断开，并将第三输入端Vb接通，这时副LED驱动电路正常工作。

本技术方案中通过设置光敏检测电路实现了对主LED驱动电路中主LED是否正常发光进行判断，通过设置开关电路实现了当主LED正常发光时，切断副灯回路，并将功率电阻R1接入主LED驱动回路，当主LED损坏不能正常发光时，恢复副LED驱动回路。

一般来说，电路中检测负载是否工作均是在电路中串联或并联电阻，通过检测电阻上的电压改变来检测负载是否正常。在LED的检测中，LED损坏有开路、短路两种损坏方式，因此需要两套检测电路，不利于产品的小型化，且因增加了元件数量，对电路可靠性也有一定的影响。因此本技术方案中通过采用光检测的方式对LED负载进行检测，检测原理如下：

运算放大器U1的IN1-管脚连接到光敏电阻RL与固定电阻R2的中间，光敏电阻RL在黑暗中，阻值在1MΩ以上，固定电阻R2阻值100KΩ以下，在没有光照到光敏电阻RL时，IN1-管脚的电压很低，仅为Vcc管脚电压的1％以下，而在有光照到光敏电阻RL表面时，光敏电阻RL的阻值仅为1KΩ～10KΩ，IN1-管脚的电压为Vcc管脚电压的90％～99％，运算放大器U1根据此变化可判断主LED是否正常工作。此检测方法电路简单，有利于产品小型化、轻量化。

开关电路采用一个双刀双掷继电器，这个继电器受运算放大器U1的控制可以对功率电阻R1以及第二输入端Vb的线路进行通/断操作，在连接上，功率电阻R1是“长断”模式工作，而副LED驱动电路的第二输入端Vb是“长闭”工作模式。这种接法意味着在实际的应用中，可以保证任何时候主灯损坏时，副灯是正常工作的，而电阻不被接入电路中，使电路功率小于某一个阀值，这种接法符合铁路产品要求的“故障倒向安全”的安全机制。

由于本驱动电路使用的是铁路信号灯，该灯是一种应用于室外的灯具，因此对于电磁兼容有严格的要求，特别是铁标(铁路行业标准)中要求的电快速瞬变脉冲群抗扰度以及浪涌冲击抗扰度两个要求具体实施起来有一定困难，传统的滤波方式在此电路应用中，能够有效过滤电快速瞬变脉冲群，但对浪涌冲击并不能干净过滤，且此方式体积大，无法应用于本电路。本电路通过控制第一脉冲宽度调制控制芯片DC1和第二脉冲宽度调制控制芯片DC2的DIM管脚的充电时间有效的满足了以上两个电磁兼容要求。

工作原理如下：

DIM管脚是一个内部通过约100KΩ上拉到5V的端口，此端口电压低于1.4V时，脉冲宽度调制控制芯片不工作，而高于1.4V时，脉冲宽度调制控制芯片才工作。根据电容充电公式：

Vt＝V0+(Vu-V0)*[1-exp(-t/RC)]

Vt—任意时刻t，电容上的电压值

V0—为电容上的初始电压值

Vu—电容充满终止电压值

在本电路中，对于第一脉冲宽度调制控制芯片DC1，内部初始电压为E＝5V，通过100KΩ的电阻向初始电压为0的2.2uF第一电容C1充电，充电极限为5V，可计算充电时间如下：

Vt＝E*[1-exp(-t/RC)]

—>t＝RCLn[E/(E-Vt)]

—>t＝100KΩ*2.2*10-6*Ln[5/(5-5)]

由上式可见，完全充满电容，Vt接近E，时间无穷大；当t＝RC时，第一电容C1电压＝0.63E；当t＝2RC时，第一电容C1电压＝0.86E；当t＝3RC时，第一电容C1电压＝0.95E；当t＝4RC时，第一电容C1电压＝0.98E；当t＝5RC时，第一电容C1电压＝0.99E；可见，经过3～5个RC后，充电过程基本结束；在本式中，3个周期约0.66s。实际中，第一脉冲宽度调制控制芯片DC1的DIM管脚电压超过1.4V即开始正常工作，根据以上公式，可大约计算第一脉冲宽度调制控制芯片DC1工作时间延迟约为0.1s左右。

对于第二脉冲宽度调制控制芯片DC2来说，工作延迟约为1s，这样的延迟可保证第一脉冲宽度调制控制芯片DC1正常工作，且将第二输入端Vb断开。此外，第二脉冲宽度调制控制芯片DC2中，DIM管脚与第二电容C2并联的第三电阻R3，可将第二电容C2冲上的电荷快速释放，保证第二电容C2不会因反复的浪涌而积累电荷，使得第二脉冲宽度调制控制芯片DC2的DIM管脚的电压上升超过1.4V，使第二脉冲宽度调制控制芯片DC2误工作。

本技术方案中第一电容的电容值为2.2uF、第二电容的电容值为22uF，第三电阻的电阻值为45KΩ，均是可以通过实际试验测试的组合之一。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明通过使用光检测电路检测LED工作状态，极大程度简化了电路设计，且更加可靠；2、此电路开关电路接法使用“电阻长断、副灯长闭”，实现了“故障倒向安全”的要求；3、主/副驱动中DIM脚充放电时间的差异，配合开关电路中第三管脚的连接，可满足铁标中电快速瞬变脉冲群抗扰度以及浪涌冲击抗扰度两个实验要求。

附图说明

图1为本发明一种实施例的LED铁路信号灯驱动电路原理图。

如图1所示，其中对应附图标记名称为：

101主LED驱动电路，102副LED驱动电路，103开关电路、104光检测电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述。

如图1所示，LED铁路信号灯驱动电路，它由主LED驱动电路101、副LED驱动电路102和开关电路103组成，所述主LED驱动电路101与副LED驱动电路102共用第二输入端N，所述主LED驱动电路101上的第一输入端Va通过功率电阻R1与开关电路103电连接，所述副LED驱动电路102上的第二输入端Vb与开关电路103电连接；所述主LED驱动电路101包括相互电连接的光检测电路104和第一脉冲宽度调制控制芯片DC1(优选为安森美公司生产的型号为NCL30160的芯片)，所述光检测电路104包括光敏电阻RL、第二电阻R2和运算放大器U1(优选为安森美公司生产的型号为NCS1002的运算放大器，所述光敏电阻RL与第二电阻R2串联，所述光敏电阻RL与第二电阻R2的串联节点接入运算放大器U1的IN1-管脚，所述第一脉冲宽度调制控制芯片DC1上的DIM管脚上电连接有第一电容C1；所述副LED驱动电路包括第二脉冲宽度调制控制芯片DC2，所述第二脉冲宽度调制控制芯片DC2(优选为安森美公司生产的型号为NCL60160的芯片)上的DIM管脚上电连接有第二电容C2，所述第二电容C2两端并联有第三电阻R3；所述开关电路103为一个双刀双掷继电器(优选为松下公司生产的型号为JW2SN-DC12V的继电器)，所述双刀双掷继电器上的第六管脚6通过功率电阻R1接入第一输入端Va，所述双刀双掷继电器上的第三管脚3接入第二输入端Vb，所述双刀双掷继电器上的第五管脚5接入第三输入端N，所述功率电阻R1的电阻值小于15Ω(优选为，电阻值10Ω)，所述第一电容C1的电容值为2.2uF，所述第二电容C2的电容值为22uF，所述第三电阻R3的电阻值为45KΩ，所述主LED驱动电路101的输出端与主LED电连接、所述副LED驱动电路102的输出端与副LED电连接。

本发明的工作原理如下：

驱动电路有第一输入端Va、第二输入端N和第三输入端Vb，通过共用第二输入端N将驱动电路分为了主LED驱动电路101和副LED驱动电路102两个独立的输出电路，主LED驱动电路101和副LED驱动电路102分别设有一颗第一脉冲宽度调制控制芯片DC1和第二脉冲宽度调制控制芯片DC2，通过上述芯片用于在恒流模式中驱动主LED和副LED，在主LED驱动电路101还设有一颗运算放大器U1，运算放大器U1的IN1-管脚连接在一个光敏电阻RL与固定电阻R2的中点，在主LED驱动电路101正常驱动点亮主LED后，光敏电阻RL的阻值会急剧变小，运算放大器U1的IN1-管脚的电压会大幅下降，根据此变化，运算放大器U1可以判断主LED是否正常发光，若正常发光，运算放大器U1即可输出一个电平用于导通开关电路103，开关电路103将功率电阻R1接入第一输入端Va与第二输入端N之间，并将第三输入端Vb断开，这时副LED驱动电路不工作，若主LED未发光或发光强度低于某一个极低的值后，光敏电阻RL的阻值会恢复或降低很少，运算放大器U1的IN1-管脚的电压会升高超过设置的比较值，此时运算放大器U1可断开对开关电路103控制，使功率电阻R1从第一输入端Va与第二输入端N之间断开，并将第三输入端Vb接通，这时副LED驱动电路正常工作，通过设置光敏检测电路104实现了对主LED驱动电路101中主LED是否正常发光进行判断，通过设置开关电路103实现了当主LED正常发光时，切断副灯回路，并将功率电阻R1接入主LED驱动电路101，当主LED损坏不能发光时，恢复副LED驱动电路工作，

本电路中开关电路使用“电阻长断、副灯长闭”的接法设计，可最大程度的保证主LED损坏时副LED灯亮，实现了“故障倒向安全”的要求。

以上具体实施方式对本发明的实质进行详细说明，但并不能对本发明的保护范围进行限制，显而易见地，在本发明的启示下，本技术领域普通技术人员还可以进行许多改进和修饰，需要注意的是，这些改进和修饰都落在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种LED铁路信号灯驱动电路，它由主LED驱动电路(101)、副LED驱动电路(102)和开关电路(103)组成，所述主LED驱动电路(101)与副LED驱动电路(102)共用第二输入端N，所述主LED驱动电路(101)上的第一输入端Va通过功率电阻R1与开关电路(103)电连接，所述副LED驱动电路(102)上的第二输入端Vb与开关电路(103)电连接；

所述主LED驱动电路(101)包括相互电连接的光检测电路(104)和第一脉冲宽度调制控制芯片DC1，所述光检测电路(104)包括光敏电阻RL、第二电阻R2和运算放大器U1，所述光敏电阻RL与第二电阻R2串联，所述光敏电阻RL与第二电阻R2的串联节点接入运算放大器U1的IN1-管脚，所述第一脉冲宽度调制控制芯片DC1上的DIM管脚上电连接有第一电容C1；

所述副LED驱动电路包括第二脉冲宽度调制控制芯片DC2，所述第二脉冲宽度调制控制芯片DC2上的DIM管脚上电连接有第二电容C2，所述第二电容C2两端并联有第三电阻R3；

所述开关电路(103)为一个双刀双掷继电器，所述双刀双掷继电器上的第六管脚(6)通过功率电阻R1接入第一输入端Va，所述双刀双掷继电器上的第三管脚(3)接入第二输入端Vb，所述双刀双掷继电器上的第五管脚(5)接入第三输入端N。

2.根据权利要求1所述的LED铁路信号灯驱动电路，其特征在于所述功率电阻R1的电阻值小于15Ω。

3.根据权利要求1所述的LED铁路信号灯驱动电路，其特征在于所述第一电容C1的电容值为2.2uF。

4.根据权利要求1所述的LED铁路信号灯驱动电路，其特征在于所述第二电容C2的电容值为22uF，所述第三电阻R3的电阻值为45KΩ。

5.根据权利要求1所述的LED铁路信号灯驱动电路，其特征在于所述主LED驱动电路(101)的输出端与主LED电连接、所述副LED驱动电路(102)的输出端与副LED电连接。