便攜式低成本家用應急照明燈的設計與制作

陳兆杰

摘 要：應急照明是緊急情況下保障人員生命安全及消防救援工作順利進行的必要條件，本文針對家庭使用環境設計并制作了一款便攜式低成本應急照明燈。該燈以歐姆龍G5V-2為核心控制器，LED為光源，自動配置使用家用電和蓄電池進行供電。最終實現了應急照明、普通照明、移動照明3種工作模式，可以滿足家庭使用環境下的照明需求，具有較大的實用價值。

關鍵詞：應急照明；G5V-2繼電器；LED

中圖分類號：TU892 文獻標志碼：A

0 引言

應急照明是指正常照明電源失效時啟用的照明，它是緊急情況下保障人員生命安全及消防救援工作順利進行的必要條件。目前在市場上大部分的應急照明燈都是為公共場所照明逃生所設計的，體積較大且價格較貴，不適用于家庭環境。另一方面，LED光源因其低成本、低功耗、長壽命、小尺寸的特點而在目前的家用照明中廣泛使用。本文利用LED光源結合適當的驅動控制電路設計并制作出了便攜式低成本家用應急照明燈。該應急照明燈可以在停電時自動點亮起到應急照明的作用，同時可以隨身攜帶作為移動照明光源使用。

1 電路設計

應急照明燈最基本的功能就是在正常照明電源失效時自動點亮。在電路設計時就需要將“停電”這一事件處理為小燈點亮的觸發控制條件。由于我們設計的是家用應急照明燈，因此希望“停電”事件沒有發生時該燈可以作為普通照明裝置使用，即需要再增加一個人為控制燈亮滅的觸發條件，稱之為“普通照明”。“停電”和“普通照明”這兩個觸發控制條件在邏輯上構成“或”的關系。此外，手電筒等移動照明裝置也是家用環境下所必需的。為了使本文所設計的應急照明燈可以充當家用的移動照明裝置，電路設計中還需要應急照明控制開關，稱之為“應急使能”。因為移動照明模式下小燈與家用交流電路斷開，“停電”觸發條件會使小燈點亮。為了根據我們的需求控制小燈的亮滅，在移動照明時應關閉應急照明功能。“應急使能”和“停電”觸發控制在邏輯上構成“與”的關系。

在電路設計中不僅要考慮觸發控制條件，還要考慮小燈的成本問題。在電源供電成本方面，家用交流電的用電成本約為1元/kWh，而蓄電池的用電成本約為833元/kWh（以市場售價2.5元的7號堿性干電池為例計算，其電量約為3Wh）。由于蓄電池的用電成本遠高于家用交流電，因此應急照明燈的電源應優先使用家用交流電，僅當家用交流電無法供電時再啟用蓄電池供電。在光源成本方面，LED光源相對于傳統的白熾燈和日光燈具有低成本、低功耗、長壽命、小尺寸等顯著特點，因而本文選用可工作在2V～6V電壓下的LED照明模塊來實現。

綜合考慮以上兩點，本文選用歐姆龍G5V-2繼電器作為核心控制組件來設計應急照明電路。這種繼電器體積小、成本低，符合本設計低成本與便攜性的設計需求。G5V-2在功能上具有2路并行開關。本文將其中一路用于切換系統的供電電源，另一路用于產生“停電”觸發控制信號，應急照明燈的電路圖如圖1（a）所示。繼電器4號引腳與LED照明回路的供電輸入端（Vcc）相接，6號引腳與蓄電池電源（Vbb）相接，8號引腳與家用電電源（采用通用電壓轉換接頭將220V家用交流電轉換為5V直流電Vdd）相接。同時，繼電器電磁線圈（引腳1-引腳16）兩端分別接地和Vdd。當家用電未停電時（Vdd=5V），電磁線圈通電，4號與8號引腳相接，應急照明燈系統由家用電供電（Vcc=Vdd）；停電時（Vdd=0V），電磁線圈無電流通過，4號與6號引腳相接，系統由蓄電池（Vcc=Vbb）。從而實現了系統供電電源的切換。

另外，將11號引腳與供電輸入端連接、13號引腳與LED連接。僅當停電時（Vdd=0），11號與13號引腳接通，這一開關切換實現了“停電”觸發控制功能。同時，與11-13號引腳對并聯開關K1構成邏輯“或”，從而實現“普通照明”觸發控制；與LED燈直接串聯開關K2，用作系統的總體控制開關。配合使用開關K1與K2即可實現本設計所需的應急照明、普通照明、移動照明3種工作模式。

2 功能驗證

制作上述應急照明燈，需要先將圖1（a）中的電路原理圖轉換為印刷電路板（PCB）電路圖。本文采用計算機輔助制圖工具完成PCB電路圖的設計，結果如圖1（b）所示。隨后采用熱轉印方式制作PCB板，具體流程為：

（1）將圖1（b）中的PCB電路圖打印到熱轉印紙張上（普通打印機即可完成打印）。

（2）將熱轉印紙上印有電路圖的一面與覆銅板覆銅面貼緊，加熱通過高溫將熱轉印紙上的電路圖墨跡轉印到覆銅板上（熱轉印機或家用電熨斗即可完成熱轉印）。

（3）將該覆銅板放入三氯化鐵溶液中（可酌情加熱溶液來提升反應速度），待覆銅板上除墨跡以外的地方被全部被腐蝕后取出，用清水沖洗干凈并去除墨跡。完成PCB電路板的制作后，焊接上各個元器件即可完成整個應急照明燈的制作，如圖2（a）所示。

裝上電池并連接家用電電源，即可測試應急照明燈的功能，結果如圖2（b）所示。閉合開關K2：若家用電未停電，則應急照明燈將工作于“普通照明”模式，可根據需要閉合或斷開開關K1來控制LED燈亮滅；若家用電停電，則應急照明燈將工作于“應急照明”模式，LED燈自動點亮。由于家用電不具有便攜特性，因而在移動使用環境下必然會被斷開。此時斷開開關K1，應急照明燈則工作于“移動照明”模式下，可根據需要閉合或斷開開關K2來控制LED燈亮滅。

結論

綜上所述，本文利用歐姆龍G5V-2繼電器為核心控制器設計并制作了一款基于LED燈的低成本便攜式家用應急照明燈。該燈不僅可以在停電時起到應急照明的作用，還可以用于日常家庭環境的普通照明以及移動照明，具有較大的實用價值。而且該燈的設計中包括了一種電源切換電路，使得系統自動優先使用成本更低的家用電供電。這一設計可以推廣到其他設備的設計中，具有一定的指導意義。

參考文獻

[1]滿瑞，吳慶軒，李秋波.一種LED照明應急兩用的驅動電路設計[J].數字通信， 2012（2）：81-84.