便攜式低成本家用應(yīng)急照明燈的設(shè)計(jì)與制作

陳兆杰

摘 要：應(yīng)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(jìn)行的必要條件，本文針對(duì)家庭使用環(huán)境設(shè)計(jì)并制作了一款便攜式低成本應(yīng)急照明燈。該燈以歐姆龍G5V-2為核心控制器，LED為光源，自動(dòng)配置使用家用電和蓄電池進(jìn)行供電。最終實(shí)現(xiàn)了應(yīng)急照明、普通照明、移動(dòng)照明3種工作模式，可以滿足家庭使用環(huán)境下的照明需求，具有較大的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急照明；G5V-2繼電器；LED

中圖分類號(hào)：TU892 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

應(yīng)急照明是指正常照明電源失效時(shí)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(jìn)行的必要條件。目前在市場上大部分的應(yīng)急照明燈都是為公共場所照明逃生所設(shè)計(jì)的，體積較大且價(jià)格較貴，不適用于家庭環(huán)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(diǎn)而在目前的家用照明中廣泛使用。本文利用LED光源結(jié)合適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)并制作出了便攜式低成本家用應(yīng)急照明燈。該應(yīng)急照明燈可以在停電時(shí)自動(dòng)點(diǎn)亮起到應(yīng)急照明的作用，同時(shí)可以隨身攜帶作為移動(dòng)照明光源使用。

1 電路設(shè)計(jì)

應(yīng)急照明燈最基本的功能就是在正常照明電源失效時(shí)自動(dòng)點(diǎn)亮。在電路設(shè)計(jì)時(shí)就需要將“停電”這一事件處理為小燈點(diǎn)亮的觸發(fā)控制條件。由于我們設(shè)計(jì)的是家用應(yīng)急照明燈，因此希望“停電”事件沒有發(fā)生時(shí)該燈可以作為普通照明裝置使用，即需要再增加一個(gè)人為控制燈亮滅的觸發(fā)條件，稱之為“普通照明”。“停電”和“普通照明”這兩個(gè)觸發(fā)控制條件在邏輯上構(gòu)成“或”的關(guān)系。此外，手電筒等移動(dòng)照明裝置也是家用環(huán)境下所必需的。為了使本文所設(shè)計(jì)的應(yīng)急照明燈可以充當(dāng)家用的移動(dòng)照明裝置，電路設(shè)計(jì)中還需要應(yīng)急照明控制開關(guān)，稱之為“應(yīng)急使能”。因?yàn)橐苿?dòng)照明模式下小燈與家用交流電路斷開，“停電”觸發(fā)條件會(huì)使小燈點(diǎn)亮。為了根據(jù)我們的需求控制小燈的亮滅，在移動(dòng)照明時(shí)應(yīng)關(guān)閉應(yīng)急照明功能。“應(yīng)急使能”和“停電”觸發(fā)控制在邏輯上構(gòu)成“與”的關(guān)系。

在電路設(shè)計(jì)中不僅要考慮觸發(fā)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(jià)2.5元的7號(hào)堿性干電池為例計(jì)算，其電量約為3Wh）。由于蓄電池的用電成本遠(yuǎn)高于家用交流電，因此應(yīng)急照明燈的電源應(yīng)優(yōu)先使用家用交流電，僅當(dāng)家用交流電無法供電時(shí)再啟用蓄電池供電。在光源成本方面，LED光源相對(duì)于傳統(tǒng)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(diǎn)，因而本文選用可工作在2V～6V電壓下的LED照明模塊來實(shí)現(xiàn)。

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

另外，將11號(hào)引腳與供電輸入端連接、13號(hào)引腳與LED連接。僅當(dāng)停電時(shí)（Vdd=0），11號(hào)與13號(hào)引腳接通，這一開關(guān)切換實(shí)現(xiàn)了“停電”觸發(fā)控制功能。同時(shí)，與11-13號(hào)引腳對(duì)并聯(lián)開關(guān)K1構(gòu)成邏輯“或”，從而實(shí)現(xiàn)“普通照明”觸發(fā)控制；與LED燈直接串聯(lián)開關(guān)K2，用作系統(tǒng)的總體控制開關(guān)。配合使用開關(guān)K1與K2即可實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)所需的應(yīng)急照明、普通照明、移動(dòng)照明3種工作模式。

2 功能驗(yàn)證

制作上述應(yīng)急照明燈，需要先將圖1（a）中的電路原理圖轉(zhuǎn)換為印刷電路板（PCB）電路圖。本文采用計(jì)算機(jī)輔助制圖工具完成PCB電路圖的設(shè)計(jì)，結(jié)果如圖1（b）所示。隨后采用熱轉(zhuǎn)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(zhuǎn)印紙張上（普通打印機(jī)即可完成打?。?/p>

（2）將熱轉(zhuǎn)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(zhuǎn)印紙上的電路圖墨跡轉(zhuǎn)印到覆銅板上（熱轉(zhuǎn)印機(jī)或家用電熨斗即可完成熱轉(zhuǎn)?。?/p>

（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(yīng)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(gè)元器件即可完成整個(gè)應(yīng)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(yīng)急照明燈的功能，結(jié)果如圖2（b）所示。閉合開關(guān)K2：若家用電未停電，則應(yīng)急照明燈將工作于“普通照明”模式，可根據(jù)需要閉合或斷開開關(guān)K1來控制LED燈亮滅；若家用電停電，則應(yīng)急照明燈將工作于“應(yīng)急照明”模式，LED燈自動(dòng)點(diǎn)亮。由于家用電不具有便攜特性，因而在移動(dòng)使用環(huán)境下必然會(huì)被斷開。此時(shí)斷開開關(guān)K1，應(yīng)急照明燈則工作于“移動(dòng)照明”模式下，可根據(jù)需要閉合或斷開開關(guān)K2來控制LED燈亮滅。

結(jié)論

綜上所述，本文利用歐姆龍G5V-2繼電器為核心控制器設(shè)計(jì)并制作了一款基于LED燈的低成本便攜式家用應(yīng)急照明燈。該燈不僅可以在停電時(shí)起到應(yīng)急照明的作用，還可以用于日常家庭環(huán)境的普通照明以及移動(dòng)照明，具有較大的實(shí)用價(jià)值。而且該燈的設(shè)計(jì)中包括了一種電源切換電路，使得系統(tǒng)自動(dòng)優(yōu)先使用成本更低的家用電供電。這一設(shè)計(jì)可以推廣到其他設(shè)備的設(shè)計(jì)中，具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]滿瑞，吳慶軒，李秋波.一種LED照明應(yīng)急兩用的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[J].數(shù)字通信， 2012（2）：81-84.