CN101427439A - 用于驱动光源、特别是led的紧急照明设备 - Google Patents

Abstract

一种用于驱动光源、特别是LED的紧急照明设备(1)，具有：能量存储单元(4)，用电源电压(U_in)来供电的充电电路(3)，用于在充电运行期间对能量存储单元(4)进行充电，其中该充电电路(3)具有电势隔离，以及在紧急照明运行期间通过能量存储单元(4)供电的驱动电路(5)，用于驱动光源。此外设置了控制单元(2)，该控制单元构建为：在充电运行期间监视电源电压(U_in)的状态，并且在识别出紧急状态时激活紧急照明运行，其中控制单元(2)借助在充电电路(3)的输出侧测量到的紧急照明设备(1)的工作参数来确定电源电压(U_in)的状态。

Description

用于驱动光源、特别是LED的紧急照明设备

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的紧急照明设备，该紧急照明设备设计用于驱动光源，特别是LED。

为了在较大的建筑物或者复合体中实现照明系统，紧急照明设备是不可或缺的，在通用电源故障的情况下，该紧急照明设备也提供足够的照明。当电源故障的情况下或者其他紧急情况下，只有仍然一如既往地照亮确定的相关空间或者区域时，才能够可靠地采取疏散措施或者救助措施。相应地，这种紧急照明设备特别是用于照亮逃生路径等等。

这种类型的紧急照明设备相应地具有能量存储单元、特别是电池或者蓄电池作为中央元件，该能量存储单元在正常运行或者充电运行期间通过通用的电源电压充电。为此，设计了充电电路，该电路在输入侧与电源电压相连，并且在充电运行期间持续地将能量输送给能量存储单元，该能量存储单元将能量进行存储。只有在出现紧急状态的情况下(该紧急状态由这种设备通过监视电源电压而通常独立地识别出)，才切换到紧急照明运行中，其中激活并驱动光源，为此(只要需要就)使用能量存储单元提供的能量。因为能量存储单元的存储容量自然是有限的，所以优选使用消耗较少能量的光源。相应地，这种紧急照明设备优选配备有气体放电灯，特别是发光管。自然，发光半导体形式的光源、特别是LED也越来越多地得到应用，因为这些光源也具有高的效率和相应地可以节能地使用。

电源电压的监视被进行以便能够及时地引起紧急照明运行。该监视通常通过控制单元来进行，该控制单元分析输送给它的信号并且借助这些信号来判断电源电压的状态。在已知的电路中，为此以显然的方式测量电源电压本身。然而，由此产生的问题是，用于确定电源电压状态的传感装置处于电网电势，并且必须与处于能量存储单元或者LED的电压水平的紧急照明设备的其他电路区域电流隔离。对此所需的电势隔离不仅昂贵，而且此外还要求紧急照明设备中的比较多的位置。

现在，本发明的任务是，提出一种紧急照明设备的改进的方案，其中避免了上述缺点。

该任务通过具有权利要求1所述特征的紧急照明设备来解决。本发明的有利的改进方案是从属权利要求的主题。

本发明的核心思想是，与已知的解决方案不同，电源电压现在仅仅被间接地监视，以便必要时引起紧急照明运行。为此，仅仅检测能量存储单元或者LED的电势的测量值，并且基于这些测量值借助其他的信息得出电源电压的状态。

根据本发明，相应地提出了一种紧急照明设备用于驱动光源、特别是LED，其中该紧急照明设备具有：

a)能量存储单元，

b)用电源电压来供电的充电电路，以便在紧急照明设备的充电运行期间对能量存储单元进行充电，其中该充电电路具有电势隔离，以及

c)在紧急照明运行期间通过能量存储单元供电的驱动电路，用于驱动光源，

其中该设备此外还具有控制单元，该控制单元构建为在充电运行期间监视电源电压的状态，并且在识别出紧急状态时激活紧急照明运行。在此，根据本发明设计了，控制单元借助在充电电路的输出侧所测量到的紧急照明设备的工作参数来确定电源电压的状态。

通过根据本发明的措施，保证了作用到电压供给上的紧急状态可以被一如既往地可靠识别，并且相应地可以引入紧急照明运行。然而，同时省去了在用于监视电源电压的装置和紧急照明设备的其他部件之间所需的电流隔离，使得整体上看，该设备可以成本更为低廉并且更为紧凑地实现。

优选的是，充电电路具有可控的开关以及变压器，其中充电电路特别是可以通过所谓的反激式(Flyback)转换器来形成。可控的开关通过紧急照明设备的控制单元来激励，其中在此可以特别是通过光学耦合器来进行激励。

电源电压的状态现在特别是在考虑由控制单元所选择的占空因数的情况下来确定，以便激励反激式转换器或者充电电路的开关。此外，为此考虑反激式转换器的次级电压，或者在其他开关网络部件拓扑中考虑能量存储单元的充电功率。该充电功率可以在充电运行期间、即在光源切断时以简单的方式通过控制单元来确定，因为为此要测量值的值、即能量存储电路的电压和电流与相同的基本电势有关，其中紧急照明设备的其他部件也位于该基本电势上。类似地也适用于在使用反激式转换器的情况下要测量的次级电压。在两种情况中，于是都可以省去现有技术中所需的测量装置和控制单元之间的电流隔离。

本发明的另一有利的改进方案涉及用于在紧急照明运行中驱动光源、特别是LED的措施。为此，驱动电路优选构建为开关调节器，并且相应地具有另一可控的开关，该开关又通过控制单元来激励。在此，开关的激励使得光源可以与能量存储单元的充电状态无关地以恒定的功率或者恒定的电流驱动。该措施具有特别的意义，因为能量存储单元的功率自然随着时间而降低，然而这不应当影响紧急照明设备的光强。

在使用LED作为光源的情况下，相应地又建议的是，检测确定灯功率的二极管电流，以便能够实现所追求的功率调节。然而根据本发明的一个特别有利的改进方案，设计了省去二极管电流的测量而替代地借助另外的参数来间接地测量或者估计光源的电流或者功率。特别地，优选仅仅确定施加在光源上的电压，并且随后由其他信息导出二极管电流，其中在此特别是考虑了驱动电路的功率损耗。借助事先确定的以及在控制单元中存储的校正表，于是可以无需直接测量二极管电流地确定光源的功率，使得可以通过控制单元来设置几乎恒定的光功率。光功率的调节在此特别是通过驱动电路的可控开关的相应定时(Taktung)来进行，因为通过这种方式可以以非常简单和灵巧的方式来设置驱动光源的功率。

此外也可以与开头所描述的间接监视电源的根据本发明的思想无关地利用在几乎恒定的功率情况下用于驱动光源的这种特别措施(其中省去了对电流的直接测量)。相应地，该思想也是另外的从属权利要求的主题。

以下将借助附图进一步阐述本发明。其中：

图1示意性地示出了根据本发明的紧急照明设备的第一实施例的电路图；

图2示出了紧急照明设备的第二实施例；

图3示出了用于基于在充电电路的输出侧所测量的工作参数来确定电源电压的视图；以及

图4示出了用于确定充电电路的次级功率的另一视图，其中为了间接确定光源功率而考虑该次级功率。

在图1中以简化的方式示出并且总体上以参考标记1表示的根据本发明的紧急照明设备在所示的实施例中被设计用于驱动作为紧急光源的LED。紧急照明设备1在输入侧连接到供电网络上，该供电网络提供电源电压U_in，并且具有控制单元2、充电电路3、电池或者蓄电池形式的能量存储单元4以及驱动电路5作为重要部件。在所示的第一实施例中，充电电路3通过所谓的反激式转换器形成，该转换器一方面具有带初级绕组n1和次级绕组n2的变压器T，以及另一方面具有可控的开关S1。借助已知的方式，可以通过开关S1的相应的交替的断开和闭合来将电源电压U_in提供的能量传输至反激式转换器3的次级侧和用于能量存储单元4的充电。在此，在开关S1的断开状态中进行能量传输，其中为此在反激式转换器3的输出侧此外设置有二极管D1。这种反激式电路由于其简单的构造和可靠的功能而多次使用在这种紧急照明设备中。

可控开关S1的激励通过紧急照明设备的控制单元2进行，其中该激励特别是通过光学耦合器6电流隔离地进行。控制单元2在此交替地激励开关S1，其中如下地计算开关S1的开关运行的所谓占空因数D1：

D1＝t_on1/(T-t_on1)

t_on1在此对应于开关的接通时间，而T表示开关S1的整个开关周期的总持续时间。

也可能的是，S1的激励涉及“自由振荡器”，并且通过光学耦合器6的占空因数影响“自由振荡器”的特征频率。

在紧急照明设备1的充电运行期间，通常仅仅充电电路3活动，以便持续地对电池4充电。只有对存在紧急状态的情况(该紧急情况特别是通过电源电压U_in偏离预先确定的额定值而标识)才引入紧急照明运行，其中驱动电路5被用于激励LED。构建为开关调节器的驱动电路5为此具有另一可控的开关S2、电感器L以及二极管D2。通过控制单元2交替地激励开关S2，通过这种方式将电流提供给LED，LED通过该电流而被驱动。通过控制单元2激励开关S2的占空因数在此可以改变，以便设置输送给LED的电流的大小以及由此设置驱动LED的功率的大小。通过这种方式，能够以非常灵巧的方式保证在波动的电池功率的情况下LED仍然以不变的亮度工作。

于是，紧急照明设备1的另一重要功能在于，通过判断电源电压U_in来识别是否存在紧急状态，以便必要时引起紧急照明运行。目前已公开的是，为此为充电电路3直接确定输入电压U_in的值，然而由于上面提及的原因而具有缺点。

根据本发明，因此现在省去了直接测量电源电压U_in。替代地设计了以间接的方式来确定电源电压U_in。特别地设计了，仅仅测量在充电电路3的次级侧的紧急照明设备1的工作参数的大小。

在根据图1的第一实施例中，为此测量在反向变换器或者反激式转换器3的次级侧的电压U_flb2，为此特别是无需电流隔离，因为该量处于与控制单元2相同的参考电势上，该控制单元分析测量值。如果现在已知该次级电压U_flb2的大小，则可以由此出发得出输入电压U_in的大小。在反激式转换器3的开关S1闭合的情况下，于是存在输入电压U_in和次级电压U_flb2之间的关联，该关联特别是与变压器T的两个绕组n1和n2之间的绕组匝比以及开关D1的占空因数相关。在可以简单测量的次级电压U_flb2和要监视的输入电压U_in之间的关联现在以数值表的形式存储在控制单元2中，使得控制单元在测量次级电压U_flb2之后能够以简单的方式确定输入电压U_in的大小，而无需直接对其进行测量。如果现在控制单元2确定所确定的输入电压U_in位于确定的额定值区域之外，则这指示是紧急状态，这又引起控制单元2引入紧急运行。

所描述的解决方案于是能够实现非常简单但是有效地监视通用的电源的状态。此外，图1所示的实施例的一个特别的优点是，能够与紧急照明LED是否接通无关地确定输入电压U_in的大小。于是二极管D1通过其阻塞作用引起次级电压U_flb2和电池电压U_Bat之间的隔离，使得驱动电路3的活动并不作用到上述确定输入电压U_in的过程。

图2示出了根据本发明的紧急照明设备的略为更通用的第二实施例。该实施例在其构造中基本上对应于图1所示的紧急照明设备1，然而现在充电电路3不是通过反激式转换器而是一般地通过如下电路装置形成：该电路装置具有电势隔离以及具有还是通过控制单元2激励的开关S1。

在这种通用的实施形式中，在输入电压U_in和充电电路3的输出侧的电压之间并非一定存在已知的关联。然而，在此也能够以间接的方式确定输入电压U_in的大小，但现在为此测量其他的工作变量。

在此，一方面涉及电池电压U_bat，而另一方面涉及电池电流I_bat。两个量又可以被比较简单地、即没有电流隔离地确定，因为它们还是与控制单元2一样位于相同的参考电势，其中该控制单元分析这些测量量。

基于充电电路3的开关S1的已知的占空因数D1以及这两个测量量U_bat和I_bat，于是可以确定输入电压U_in，因为该输入电压与这三个已知量具有一定关系。图3的图表明了这一点，该图示出了充电电路3的次级功率P_flb2与开关S1的占空因数D1关联的不同的特性曲线。这些特性曲线例如在制造紧急照明设备时被确定，并且仍以表的形式存储在控制单元2中。可以看出的是，这些特性曲线特别是也与输入电压U_in相关。如果现在已知充电电路3的次级功率P_flb2以及占空因数D1，则同样如在图1的例子中那样可以得出输入电压U_in的大小。

在图3所示的例子中，于是确定了占空因数D1和充电电路3的次级功率P_flb2的已知组合与哪个特性曲线一致，其中该次级功率P_flb2在去激活的驱动电路5中对应于电池电压U_bat和电池电流I_bat的乘积。在所示的测量值情况下，例如该值位于针对输入电压U_in为220V的特性曲线上，这对应于通用电源的正常状态。然而，如果所确定的值处于例如对应于输入电压U_in为140V或者280V的特性曲线上，则控制单元2又将这解释为在电源中存在故障，并且相应地引入紧急状态。

在所示的两个实施例中，于是能够可靠并且无需直接测量输入电压U_in地确定电源正常与否。然而在图2的例子中的局限是，所描述的输入电压U_in的确定仅仅在驱动电路5关断的状态中才可能。而在图1的例子中并没有这种限制(如已经提及的那样)。然而，原则上控制单元2在识别出故障的情况下引起驱动电路5的激活，并且相应地引起LED的接通。

在激活驱动电路5之后，可以以前面描述的方式来高频激励开关S2，以便用所希望的功率驱动LED。为了在这种情况下保证LED的功率恒定，需要识别LED电压U_led以及LED电流I_led，以便实现调节。然而根据一个特别有利的改进方案，仅仅测量LED电压U_led，而电流I_led或者由此得到的功率P_led通过控制单元2间接确定，这在下面要进一步阐述。

为了能够间接确定二极管电流I_led，现在至少测量如下量：电池电压U_bat、电池电流I_bat以及(在图1的例子的情况下)次级电压U_flb2，以及附加地测量LED电压U_led。由此，于是可以计算另外的、对于调节LED电流I_led所需的信息，然而为此还需要其他信息，这些信息不是通过实际值测量而采集的，而是作为数值表存储在控制单元2中。

第一数值表是上面已经提及的在图1的例子中关于在占空因数D1、次级电压Uf_lb2以及输入电压U_in之间的关联的信息，或者在图2的更为一般的例子中关于在占空因数D1、电池电压U_bat、电池电流I_bat以及输入电压U_in之间的关联的信息。此外，为了确定二极管电流也必须已知驱动电路5的功率损耗P_lost，该功率取决于所测量的LED电压U_led和同样测量的电池电压U_bat之间的差，于是适用：

P_lost＝f(U_led-U_bat)

最后，所需的第三信息是在驱动电路激活情况下存在的充电电路3的次级功率P_flb2，该次级功率是占空因数D1、输入电压U_in以及电池电压U_bat的函数。在图4中示出了这些量之间的关系，其中可以看出的是，充电电路3的次级功率P_flb2主要与输入电压U_in以及开关S1的占空因数D1相关，然而此外也会由于电池电压U_bat而改变。

如果现在基于前面描述的措施(必要时在图2的例子中首先在驱动电路5断开的情况下)确定输入电压U_in，则可以根据图4中的关联也在驱动电路5激活的情况下确定充电电路3的次级功率P_flb2。于是，已知的是所测量的量：电池电压U_bat、电池电流I_bat、必要时的次级电压U_flb2以及LED电压U_led、开关S1的通过控制单元预先给定的占空因数D1，以及借助存储的数值表确定的其他量：输入电压U_in、充电电路3的次级功率P_flb2以及驱动电路5的功率损耗P_lost。

根据以下的关系，这些量的得知又能够实现首先确定在充电电路3的次级侧的电流I_flb2：

I_flb2＝P_flb2/U_bat

最后，也可以按照以下方程计算LED电流I_led和LED功率P_led：

I_led＝(P_flb2-U_bat＊I_bat-P_lost)/U_led

P_led＝P_flb2-U_bat＊I_bat-P_lost

两个方程都适用于充电电路3一如既往地活动的情况，即至少还有一定的电流供给可供使用。例如当在其他方面引起紧急照明运行时，情况可以如此。而对于电流供给完全故障并且紧急照明运行仅仅通过电池来维持的情况，适用以下简化的方程：

I_led＝(U_bat*I_bat-P_lost)/Uled

P_led＝U_bat＊I_bat-P_lost

最后，LED电流的当前实际值I_led以及当前功率P_led可以以间接方式确定并且用于调节。相应的计算通过控制单元2来进行。

这种间接确定对于调节所需的实际值的优点是，可以省去测量紧急照明设备的附加的工作参数，这又导致设备的进一步简化。因为在此总归可以部分地动用为了确定输入电压而已经确定的或者测量到的参数，所以LED电流的这种间接确定是开头所描述的间接确定输入电压的思想的一个特别有利的改进方案。然而，针对光源的相应的间接的电流和功率确定也可以用在其他没有实现根据本发明的第一思想的设备中。例如，这种方式尤其是在如下的紧急照明设备中是有意义的：在这些紧急照明设备中，替代或者补充于电流供给的监视，也可以在其他方面用信号表示紧急状态。于是，在根据本发明的紧急照明设备中，例如也可以通过独立的控制输入端来传输例如火警报警器或者其他控制装置的紧急信号，以便通过外部信号来引起紧急运行。

最后，另一改进方案涉及前面提及的以及存储在控制单元中的数值表，对于间接确定输入电压和二极管电流需要该数值表。

如已经提及的那样，这种数值表已经在制造紧急照明设备时被存储在控制单元中。然而对此替代地或者补充地也可能的是，将这些信息在事后写入或者在稍后的时刻来更新。为此，例如可以使用设置在紧急照明设备中的数字接口，该接口通常用于用故障信号(Fehlersignalisierung)以及监视。借助这种接口，现在可以通过使用扩展的指令集将新的数值表写入控制单元中。这种新信息的事后写入例如是有意义的，以便预先给定输入电压的新的额定值或者容差值，或者将用于确定不是直接测量的量的信息与所连接的电池匹配。由此，于是可以在任何时候使紧急照明设备在其性能方面与新的情况匹配。

总体上看，由此通过本发明提供了一种新型的紧急照明设备，该设备的特征在于其可以简单和成本低廉地实现的构造，并且仍然能够实现以可靠的方式通过监视通用的电源确定紧急情况。此外，通过二极管电流的有利的调节确保了超出紧急运行的持续时间的恒定的光输出。

Claims (19)

1.一种用于驱动光源、特别是LED的紧急照明设备(1)，其中该紧急照明设备(1)具有：

●能量存储单元(4)，

●用电源电压(U_in)来供电的充电电路(3)，用于在充电运行期间对能量存储单元(4)进行充电，其中该充电电路(3)具有电势隔离，以及

●在紧急照明运行期间通过能量存储单元(4)供电的驱动电路(5)，用于驱动光源，

其中所述设备(1)还具有控制单元(2)，该控制单元构建为：在充电运行期间监视电源电压(U_in)的状态，并且在识别出紧急状态时激活紧急照明运行，

其特征在于，

控制单元(2)基于在充电电路(3)的输出侧测量到的紧急照明设备(1)的工作参数来确定电源电压(U_in)的状态。

2.根据权利要求1所述的紧急照明设备，其特征在于，

充电电路(3)具有可控的开关(S1)，该可控的开关(S1)通过控制单元(2)来激励。

3.根据权利要求2所述的紧急照明设备，其特征在于，

开关(S1)的激励通过光学耦合器(6)来进行。

4.根据权利要求2或3所述的紧急照明设备，其特征在于，

充电电路(2)具有变压器(T)。

5.根据权利要求4所述的紧急照明设备，其特征在于，

充电电路(3)通过反激式转换器来形成。

6.根据权利要求5所述的紧急照明设备，其特征在于，

控制单元(2)在考虑到用于激励开关(S1)的占空因数(D1)以及反激式转换器的所测量到的次级电压(U_flb2)的情况下确定电源电压(U_in)的状态。

7.根据权利要求2至5中的任一项所述的紧急照明设备，其特征在于，

控制单元(2)在考虑到用于激励开关(S1)的占空因数(D1)以及能量存储单元(4)的充电功率(P_flb2)的情况下确定电源电压(U_in)的状态。

8.根据权利要求7所述的紧急照明设备，其特征在于，

控制单元(2)通过测量流过能量存储单元(4)的电流(I_bat)以及能量存储单元(4)上的电压(U_bat)来确定能量存储单元(4)的充电功率(P_flb2)。

9.根据权利要求6至8中的任一项所述的紧急照明设备，其特征在于，

控制单元(2)通过将已知的或者所测量的工作参数与存储在控制单元(2)中的数值表比较来确定电源电压(U_in)。

10.根据上述权利要求中的任一项所述的紧急照明设备(1)，其特征在于，

驱动电路(5)构建为开关调节器，并且具有通过控制单元(2)激励的可控的开关(S2)。

11.根据权利要求10所述的紧急照明设备，其特征在于，

控制单元(2)激励驱动电路(5)，使得光源与能量存储单元(4)的充电状态无关地以恒定的功率(P_led)或者恒定的电流(I_led)驱动。

12.根据权利要求11所述的紧急照明设备，其特征在于，

控制单元(2)间接确定输送给光源的电流(I_led)的大小。

13.一种用于驱动光源、特别是LED的紧急照明设备，其中该紧急照明设备(1)具有：

●能量存储单元(4)，以及

●在紧急照明运行期间通过能量存储单元(4)供电的驱动电路(5)，用于驱动光源，

其中所述设备(1)还具有控制单元(2)，该控制单元激励驱动电路(5)，使得光源与能量存储单元(4)的充电状态无关地以恒定的功率(P_led)或者恒定的电流(I_led)被驱动，

其特征在于，

控制单元(2)间接确定输送给光源的电流(I_led)的大小，用于调节功率(P_led)。

14.根据权利要求12或13所述的紧急照明设备，其特征在于，

控制单元(2)基于施加在光源上的电压(U_led)计算输送给光源的电流(I_led)的大小。

15.根据权利要求14所述的紧急照明设备，其特征在于，

控制单元(2)在计算输送给光源的电流(I_led)时考虑驱动电路(5)的功率损耗(P_lost)。

16.根据权利要求15所述的紧急照明设备，其特征在于，

通过将紧急照明设备(1)的所测量的工作参数与存储在控制单元(2)中的数值表比较来确定驱动电路(5)的功率损耗(P_lost)。

17.根据权利要求15或16所述的紧急照明设备，其特征在于，

控制单元(2)在计算输送给光源的电流(I_led)时，还考虑所述充电电路(3)或者能量存储单元(4)的充电电路(3)的次级功率(P_f1b2)。

18.根据权利要求17所述的紧急照明设备，其特征在于，

通过将紧急照明设备(1)的所测量的工作参数与存储在控制单元(2)中的另一数值表进行比较来确定充电电路(3)的次级功率(P_flb2)。

19.根据权利要求9、16或18所述的紧急照明设备，其特征在于，

该设备具有用于接收外部信息的接口，用于对存储在控制单元(2)中的数值表进行编程和/或更新。

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