便携式低成本家用应急照明灯的设计与制作

陈兆杰

摘 要：应急照明是紧急情况下保障人员生命安全及消防救援工作顺利进行的必要条件，本文针对家庭使用环境设计并制作了一款便携式低成本应急照明灯。该灯以欧姆龙G5V-2为核心控制器，LED为光源，自动配置使用家用电和蓄电池进行供电。最终实现了应急照明、普通照明、移动照明3种工作模式，可以满足家庭使用环境下的照明需求，具有较大的实用价值。

关键词：应急照明；G5V-2继电器；LED

中图分类号：TU892 文献标志码：A

0 引言

应急照明是指正常照明电源失效时启用的照明，它是紧急情况下保障人员生命安全及消防救援工作顺利进行的必要条件。目前在市场上大部分的应急照明灯都是为公共场所照明逃生所设计的，体积较大且价格较贵，不适用于家庭环境。另一方面，LED光源因其低成本、低功耗、长寿命、小尺寸的特点而在目前的家用照明中广泛使用。本文利用LED光源结合适当的驱动控制电路设计并制作出了便携式低成本家用应急照明灯。该应急照明灯可以在停电时自动点亮起到应急照明的作用，同时可以随身携带作为移动照明光源使用。

1 电路设计

应急照明灯最基本的功能就是在正常照明电源失效时自动点亮。在电路设计时就需要将“停电”這一事件处理为小灯点亮的触发控制条件。由于我们设计的是家用应急照明灯，因此希望“停电”事件没有发生时该灯可以作为普通照明装置使用，即需要再增加一个人为控制灯亮灭的触发条件，称之为“普通照明”。“停电”和“普通照明”这两个触发控制条件在逻辑上构成“或”的关系。此外，手电筒等移动照明装置也是家用环境下所必需的。为了使本文所设计的应急照明灯可以充当家用的移动照明装置，电路设计中还需要应急照明控制开关，称之为“应急使能”。因为移动照明模式下小灯与家用交流电路断开，“停电”触发条件会使小灯点亮。为了根据我们的需求控制小灯的亮灭，在移动照明时应关闭应急照明功能。“应急使能”和“停电”触发控制在逻辑上构成“与”的关系。

在电路设计中不仅要考虑触发控制条件，还要考虑小灯的成本问题。在电源供电成本方面，家用交流电的用电成本约为1元/kWh，而蓄电池的用电成本约为833元/kWh（以市场售价2.5元的7号碱性干电池为例计算，其电量约为3Wh）。由于蓄电池的用电成本远高于家用交流电，因此应急照明灯的电源应优先使用家用交流电，仅当家用交流电无法供电时再启用蓄电池供电。在光源成本方面，LED光源相对于传统的白炽灯和日光灯具有低成本、低功耗、长寿命、小尺寸等显著特点，因而本文选用可工作在2V～6V电压下的LED照明模块来实现。

综合考虑以上两点，本文选用欧姆龙G5V-2继电器作为核心控制组件来设计应急照明电路。这种继电器体积小、成本低，符合本设计低成本与便携性的设计需求。G5V-2在功能上具有2路并行开关。本文将其中一路用于切换系统的供电电源，另一路用于产生“停电”触发控制信号，应急照明灯的电路图如图1（a）所示。继电器4号引脚与LED照明回路的供电输入端（Vcc）相接，6号引脚与蓄电池电源（Vbb）相接，8号引脚与家用电电源（采用通用电压转换接头将220V家用交流电转换为5V直流电Vdd）相接。同时，继电器电磁线圈（引脚1-引脚16）两端分别接地和Vdd。当家用电未停电时（Vdd=5V），电磁线圈通电，4号与8号引脚相接，应急照明灯系统由家用电供电（Vcc=Vdd）；停电时（Vdd=0V），电磁线圈无电流通过，4号与6号引脚相接，系统由蓄电池（Vcc=Vbb）。从而实现了系统供电电源的切换。

另外，将11号引脚与供电输入端连接、13号引脚与LED连接。仅当停电时（Vdd=0），11号与13号引脚接通，这一开关切换实现了“停电”触发控制功能。同时，与11-13号引脚对并联开关K1构成逻辑“或”，从而实现“普通照明”触发控制；与LED灯直接串联开关K2，用作系统的总体控制开关。配合使用开关K1与K2即可实现本设计所需的应急照明、普通照明、移动照明3种工作模式。

2 功能验证

制作上述应急照明灯，需要先将图1（a）中的电路原理图转换为印刷电路板（PCB）电路图。本文采用计算机辅助制图工具完成PCB电路图的设计，结果如图1（b）所示。随后采用热转印方式制作PCB板，具体流程为：

（1）将图1（b）中的PCB电路图打印到热转印纸张上（普通打印机即可完成打印）。

（2）将热转印纸上印有电路图的一面与覆铜板覆铜面贴紧，加热通过高温将热转印纸上的电路图墨迹转印到覆铜板上（热转印机或家用电熨斗即可完成热转印）。

（3）将该覆铜板放入三氯化铁溶液中（可酌情加热溶液来提升反应速度），待覆铜板上除墨迹以外的地方被全部被腐蚀后取出，用清水冲洗干净并去除墨迹。完成PCB电路板的制作后，焊接上各个元器件即可完成整个应急照明灯的制作，如图2（a）所示。

装上电池并连接家用电电源，即可测试应急照明灯的功能，结果如图2（b）所示。闭合开关K2：若家用电未停电，则应急照明灯将工作于“普通照明”模式，可根据需要闭合或断开开关K1来控制LED灯亮灭；若家用电停电，则应急照明灯将工作于“应急照明”模式，LED灯自动点亮。由于家用电不具有便携特性，因而在移动使用环境下必然会被断开。此时断开开关K1，应急照明灯则工作于“移动照明”模式下，可根据需要闭合或断开开关K2来控制LED灯亮灭。

结论

综上所述，本文利用欧姆龙G5V-2继电器为核心控制器设计并制作了一款基于LED灯的低成本便携式家用应急照明灯。该灯不仅可以在停电时起到应急照明的作用，还可以用于日常家庭环境的普通照明以及移动照明，具有较大的实用价值。而且该灯的设计中包括了一种电源切换电路，使得系统自动优先使用成本更低的家用电供电。这一设计可以推广到其他设备的设计中，具有一定的指导意义。

参考文献

[1]满瑞，吴庆轩，李秋波.一种LED照明应急两用的驱动电路设计[J].数字通信， 2012（2）：81-84.