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智能LED照明系统的设计与分析

发表时间：2021/6/8 来源：《基础教育课程》2021年6月作者：马丽娅1 段婧彤1 白淼1 闻自浩1孙志宇2

[导读] 本设备可以在照明系统因故熄灭后，在紧急情况下提供照明，是建筑物内安全保障体系的重要组成部分。应急照明系统对人员疏散、消防救援工作，重要生产、工作的继续运行都有着重要的作用，目前应急照明系统采用传统照明疏散灯，在实际生活中依然存在弊端，因此通过本课题对其进行改进。

1.吉林北华大学理学院马丽娅1 段婧彤1 白淼1 闻自浩1 132013
2.吉林化工学院材料科学与工程学院孙志宇2 132022

摘要：本设备可以在照明系统因故熄灭后，在紧急情况下提供照明，是建筑物内安全保障体系的重要组成部分。应急照明系统对人员疏散、消防救援工作，重要生产、工作的继续运行都有着重要的作用，目前应急照明系统采用传统照明疏散灯，在实际生活中依然存在弊端，因此通过本课题对其进行改进。
关键词：驱动电源；智能控制；应急照明
        引言：随着当前我国经济水平的快速提升，人们对当前社会安全体系的要求也逐渐提高，应急照明系统在一些人员密集场地，如学校、商场、医院、火车站等公共场所起着十分重要的作用，在突发情况下，它的存在既保障了人身安全，又能够使消防和疏散工作得以顺利进行。
        目前，公共场所普遍都只是采用市电AC220V供电的日光灯照明，一旦停电，将无法继续照明，尽管在楼道、走廊安装了应急灯，为人员撤离提供暂时的照明，但也存在不同程度的问题，不但无法进行工作和学习，甚至会直接威胁到人员生命和财产安全。
        根据GB50034-2004建筑照明设计标准第3.1.2条规定：照明种类可分为正常照明、应急照明、值班照明、警卫照明和障碍照明。应急照明又包括以下三种类型：备用照明、疏散照明、安全照明。其中备用照明为本课题所研究主要内容，且由于教育事业的稳步发展，使得人们把更多聚焦于学校，更多关注紧急状况发生后人员生命安全情况，因此本课题的主要研究范围在教学楼。该应急系统旨在教室停电的情况下，能够继续提供正常照明，使工作、学习和生活顺利进行，对人身和财产安全加以保障。
        我们将原有的照明设备进行改进，通过对电路的绘制，电子元器件的安装，应急电路的整体调试、对教室等公共场所照明系统进行设计及分析。
        一、设计原理
        现有的应急照明装置大部分是安装在走廊和消防通道，平时24小时直连在正常的市电电路中，处于长时间的充电状态，且设备中不存在防止过充的保护电路；还有少部分是通过发电机发电，对正常的照明设备进行供电，而且在照明过程中只能开启少部分光源。
        根据上述情况，对其进行改进，本课题通过四个12V7Ah的蓄电池组对日常照明设备进行供电，对现有的电路进行以下几个部分的改装:
        （一）LED驱动电源
        该驱动电源目的是点亮LED光源，通过滤波、整流，再转换成高频交流电压使照明设备正常工作，保证了该照明设备的功率因数超过现有设备的功率因数，最高可达到0.98，而市面现有照明设备的功率因数大约在0.4～0.5。

图1 LED驱动电源原理框图
        （二）智能控制电路
        在蓄电池供电过程中，随着蓄电池的电压逐渐降低，DC36V20W直流电子镇流器依然保持恒功率输出，保证LED光源亮度及流明系数不发生改变，极大地保证了停电后工作学习对照明设备的需求。
        （三）充电、放电、异常状态保护装置
        1.在电路运行中，蓄电池的使用寿命大大降低的主要原因是:蓄电池电量及电压大幅度降低。因此在电路过放电保护装置中，当电压低于33V时，启动声光报警装置，提醒建筑内人员尽快疏散；
        2.在市电AC220V恢复供应后，切换电路控制开关，启动充电电路，对已消耗的蓄电池组进行稳定高效充电，同时对蓄电池组加以保护，保证充满后不再继续充电，自动切断充电电路，避免蓄电池组由于过度充电而报废，无法继续使用，从而延长了蓄电池组的使用寿命。
        3.在系统使用过程中，照明设备会出现不同情况的异常现象，如：光源损坏或漏气时，异常保护电路会终止系统运转，保护系统电路，直至光源恢复正常。
        二、与传统应急照明设备的比较
        传统的消防应急灯具只是安装在走廊或者消防通道，当市电停电后起到疏散人员撤离的作用。经过对大部分的传统应急照明设备的观察，85%的应急照明灯具都是直接连在市电电路中，处于长时间的充电状态。久而久之，应急照明设备的蓄电池使用寿命会大大削减。在应急照明设备响应的过程中，随着电压的逐渐降低，灯具的输出功率也随之降低，照明亮度持续减弱，续航能力严重不足。
本课题研究的教室应急照明设备弥补了传统应急照明设备的不足。首先，市电供电电路和蓄电池应急照明系统的供电电路间，采用智能切换设备，在日常照明的过程中不会对蓄电池组产生任何的影响。        其次，该系统在日常的使用过程中，依赖于系统中的电路保护模块，不会对蓄电池组产生过充、过放等永久性的不可逆转的损伤。最后，电路中具有智能控制模块，加入了声控、光控、红外感应控制，在白天或室内没有人的时候，该套应急照明系统不响应，大大减少了电能的流失。
        三、设计电路概念图及电路情况分析
        3.1供电设备
        一、蓄电池采用四个12V7AH免维护蓄电池串联，具有节省空间，便于安装的特点。免维护蓄电池由于其特殊的结构，对电解液消耗极小，它还具有耐震、耐高温等特点。
        本系统采用的独立式48V蓄电池供电。在不改变公共场所中现有照明灯具和布局的情况下，加上本系统后就可以实现平时LED驱动电源由市电220V供电而点亮，只有当停电时，通过本系统的市电检测控制电路切换到蓄电池给驱动电源供电，自动启动本系统来继续提供照明，而且保证LED的亮度保持不变，不影响工作和学习。
        3.2智能充电电路
        智能充电器：采用48V智能3段式恒流、恒压、涓流充电方式。
        1、智能充电器：采用智能高频开关电源技术，使用优质电子器件，具有体积小、重量轻、高效充电的优点，确保蓄电池充电充足而不出现过充、欠充情况，极大延长蓄电池的使用周期。
        2、具有限压保护：充电器的输出电压不会超过设定电池的最大充电电压。当市电AC220V电源恢复后，会自动切断应急照明系统，改由市电正常照明，同时对蓄电池重新充电，使电池始终处于满电状态。
        3、限流保护：充电器输出电流不会超过设定的电池最大充电电流。
        4、具有短路、反接保护功能。
        3.3智能控制电路：
        智能控制及蓄电池充电、放电保护电路：
        由市电断电检测、室内有人检测、及光控电路构成。使直流供电照明系统更智能、更节能、更稳定可靠；避免蓄电池过度充电、欠充电及过度放电断电保护等，从而延长蓄电池的使用寿命。
        当市电停电时，系统中的红外感应和光控装置会根据室内的光线强弱以及室内是否有人员而判断是否继续照明；当室内无人时自动关断照明系统，做到更智能、更节能。在蓄电池投入使用时，通过对蓄电池电压检测及控制电路来实现蓄电池欠压声、光报警，提示现场人员尽快撤离，并设有过放电断电保护，不会因为过度放电而损坏蓄电池。
        3.4LED驱动电源的设计
        1、LED驱动电源电路的设计:
        采用高效节能电路和输出36V恒压的设计，使用优质集成电路及电子元件，确保质量好，价格低，性能稳定可靠。
        2、优点：
        1）使设计电路更加高效节能，效率可达89%以上；
        2）使用电压范围宽（AC35V—250V之间可以正常使用）；
        3）具有恒压36V输出，确保在电池电压逐渐下降时LED光源的亮度保持不变；
        4）适用温度范围宽，在-20℃---- +60℃之间可以正常使用；
        5) 具有异常状态保护功能，确保在过载、短路、过压、过温时处于自动保护状态，从而大大延长LED驱动电源的使用寿命。

图3智能LED照明系统原理框图
以上就是通过对现有应急照明设备的研究和分析，进而加以改进，设计出本套适用于教室、图书馆等公共场所的智能照明系统，通过对设备的研制、安装、调试，发现该套设备与现有的应急照明设备相比具有明显的优势，可以进行广泛推广使用，满足现在人们对安全系数提高的要求，对生命、财产、工作、学习都加以保障。
参考文献
[1]赵双. 应急照明浅谈[J]. 科技信息, 2013(17):341-341.
[2]乔瑞祥. 浅谈火灾应急照明与疏散指示标志设计、施工选用与维护[J]. 黑龙江科技信息, 2013(17):210-210.
[3]梁健锋;大功率LED照明系统及其驱动电源设计[D];华南理工大学;2011年。