JP7208588B2

JP7208588B2 - 電源装置および誘導灯

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Publication number: JP7208588B2
Application number: JP2019064137A
Authority: JP
Inventors: 剛加藤; 隆志岩本; 朋和宇佐美
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2023-01-19
Anticipated expiration: 2039-03-28
Also published as: JP2020166959A

Description

本発明の実施形態は、外部電源の非入力時に二次電池からの出力により負荷に給電する電源装置およびこれを備えた誘導灯に関する。

従来、避難通路等の案内表示を行うための照明装置として、誘導灯がある。誘導灯は、商用交流電源等の外部電源が入力される常時には、外部電源からの電力により負荷であるＬＥＤ等の光源を点灯させるとともに二次電池を充電し、停電等による外部電源の遮断時、つまり外部電源の非入力時である非常時には、充電された二次電池からの電力により光源を点灯させる。このような構成の場合、常時の点灯用の常時点灯回路と、二次電池の充電回路と、非常時の点灯用の非常時点灯回路とがそれぞれ別個の構成として設けられ、動作シーケンスにて各々の回路を個別に動作させるため、回路構成が複雑化する。

特開２００９－５４５０９号公報

本発明が解決しようとする課題は、構成を簡素化できる電源装置およびこれを備えた誘導灯を提供することである。

実施形態の電源装置は、絶縁型の第一電力変換回路と、充電回路と、第二電力変換回路と、を具備する。第一電力変換回路は、外部電源を入力とする。充電回路は、第一電力変換回路からの出力を変換し二次電池を充電する。第二電力変換回路は、第一電力変換回路の出力側に接続され、外部電源の入力時および非入力時のそれぞれにおいて負荷に給電する。また、第二電力変換回路は、少なくとも一つのスイッチング素子と、このスイッチング素子のスイッチングを制御することで電圧変換回路を構成する制御部と、スイッチング素子のスイッチング周期毎に電流が蓄積されるインダクタと、を備え、外部電源の入力時には第一電力変換回路からの出力を変換して負荷に給電し、外部電源の非入力時には二次電池からの出力を変換して負荷に給電する。制御部は、インダクタに蓄積される電流が連続モードと、臨界モードと、不連続モードと、のいずれかの動作モードとなるようにスイッチング素子のスイッチングを制御し、第一電力変換回路の出力電圧または二次電池の電圧と負荷の電圧との比率による昇圧比に応じて動作モードを選択する。

本発明によれば、第一電力変換回路の出力側に接続された第二電力変換回路が、外部電源の入力時および非入力時のそれぞれにおいて負荷に給電するため、構成を簡素化することが期待できる。

一実施形態を示す電源装置を備える誘導灯の回路図である。

以下、一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１において、11は照明装置としての誘導灯を示す。誘導灯11は、電源装置12に対し、負荷である光源13を備える負荷モジュールである光源モジュール14が着脱可能である。光源13としては、電球や発光素子等を用いることができるが、本実施形態では例えば固体光源である発光素子としてのＬＥＤが用いられ、例えばこれら光源13が直列に接続されて構成されている。なお、光源13としては、ＬＥＤに代えて、有機ＥＬ素子、あるいは無機ＥＬ素子等を用いてもよい。

電源装置12は、第一電力変換回路15と、バックアップ電源である蓄電池、すなわち二次電池(バッテリ)16と、充電回路17と、第二電力変換回路18と、を備えている。二次電池16は、複数の直流電源を直列に接続した充電可能なバッテリパックであり、外部電源である商用交流電源ｅの遮断時に、光源13を所定の光束で所定の時間以上点灯状態を維持できる容量を有している。二次電池16としては、例えばニッケル水素電池等が用いられる。図１においては、２つのセルを有するものとして示しているが、これに限られず、１つ、または３つ以上のセルを有するものでもよい。

そして、誘導灯11は、商用交流電源ｅの入力時である常時において、電源装置12が、商用交流電源ｅを電源として、この商用交流電源ｅの電圧を変換した第一電力変換回路15からの出力により充電回路17によって二次電池16を充電するとともに第一電力変換回路15からの出力を第二電力変換回路18によって変換し光源13に供給して光源13を点灯させ、商用交流電源ｅの非入力時である非常時または停電時(遮断時)には、二次電池16を電源として、この二次電池16からの出力を第二電力変換回路18によって変換し光源13に供給して光源13を点灯させることにより、避難口の位置や避難方向を的確に知らせ、誘導を行うものである。誘導灯11は、例えば天井面や垂直な壁面等の設置面に取り付けられたり、床面に埋め込まれたりして設置される。

第一電力変換回路15は、商用交流電源ｅを入力側とする。本実施形態において、第一電力変換回路15は、商用交流電源ｅが整流された電圧を入力とする。第一電力変換回路15は、商用交流電源ｅの入力時、入力された交流電圧を定電流制御、定電圧制御、または定電力制御する。第一電力変換回路15は、商用交流電源ｅ側からのノイズを除去するフィルタ回路である雑音防止回路21と、商用交流電源ｅからの交流電圧を整流する整流手段である第一整流手段22と、第一整流手段22の出力を平滑する平滑手段である第一平滑手段23と、を介して商用交流電源ｅと電気的に接続されている。つまり、第一電力変換回路15には、直流電圧が入力される。雑音防止回路21は、図示しないが、例えば電源ライン間に接続されたバリスタおよびコンデンサと、コモンモードチョーク等と、を備えている。雑音防止回路21の出力側に第一整流手段22が接続されている。第一整流手段22は、ダイオードブリッジ等の全波整流手段が用いられる。第一整流手段22の出力側に第一平滑手段23が接続されている。第一平滑手段23は、電解コンデンサ等の平滑素子が用いられる。

また、第一電力変換回路15は、二次電池16側と商用交流電源ｅ側とを絶縁している。誘導灯11では二次電池16を充電するため、安全性を考慮し、第一電力変換回路15が商用交流電源ｅに対し絶縁されていることが好ましい。本実施形態において、第一電力変換回路15は、絶縁型のフライバックコンバータである。また、第一電力変換回路15は、少なくとも一つのスイッチ手段を有するスイッチング回路である。第一電力変換回路15は、スイッチングトランス25を備え、スイッチングトランス25の一次側にスイッチ手段26が接続され、スイッチングトランス25の二次側に充電回路17と、第二平滑手段28と、が接続されている。スイッチングトランス25の一次側が第一平滑手段23の出力側に接続され、一次側に対し所定の巻数比に設定された二次側が充電回路17に接続される。本実施形態において、スイッチングトランス25により、第一電力変換回路15が受電電圧を降圧して出力するようになっている。スイッチ手段26は、例えばＩＰＤ回路等が用いられる。スイッチ手段26は、制御部である第一制御部29によりスイッチングが制御される。第一制御部29は、フォトカプラ等を用い、スイッチングトランス25の二次側に対して絶縁された状態で接続される。本実施形態において、第一制御部29は、例えばスイッチングトランス25の二次側の電気的特性をフィードバックする検出回路と接続されて、第一電力変換回路15の出力電圧V1が所定の一定電圧となるようにスイッチ手段26のスイッチングを制御する。また、第二平滑手段28は、電解コンデンサ等の平滑素子が用いられる。

充電回路17は、二次電池16の充電電流を設定する電流設定手段である抵抗30と、二次電池16とが直列に接続されて構成されている。充電回路17は、抵抗30により設定された充電電流によって二次電池16を定電流で充電する定電流回路である。また、充電回路17には、抵抗30と二次電池16との接続点に、切換手段である第一スイッチ31が接続されている。また、抵抗30と第一スイッチ31とに対し、切換手段である第二スイッチ33が並列に接続されている。第二スイッチ33は、第一スイッチ31と二次電池16との接続点に接続されている。第一スイッチ31は、商用交流電源ｅの入力時にオンされ、第二スイッチ33は、商用交流電源ｅの非入力時、すなわち二次電池16の放電時にオンされる。つまり、第一スイッチ31と第二スイッチ33とは、商用交流電源ｅの入力と非入力とに応じて選択的に切り替えられる選択手段を構成している。第一スイッチ31は、充電回路17から二次電池16を切り離す手段である。充電回路17と第一スイッチ31および第二スイッチ33とにより、充放電回路が構成されている。

また、本実施形態においては、第一電力変換回路15の出力側に、第二電力変換回路18が接続される。第二電力変換回路18は、商用交流電源ｅの入力時と非入力時とに拘らず、光源13に給電する点灯回路(常時点灯回路および非常時点灯回路)として作用する。第二電力変換回路18は、少なくとも一つのスイッチング素子41と、このスイッチング素子41のスイッチングを制御する制御部である第二制御部42と、を備えた電力変換回路である。本実施形態において、第二電力変換回路18は、昇圧回路である。昇圧回路の例として、本実施形態では昇圧チョッパ回路が用いられる。すなわち、第二電力変換回路18は、第二平滑手段28の出力側にインダクタ43とスイッチング素子41との直列回路が接続されるとともに、スイッチング素子41に対して並列に、第二整流手段44と平滑手段である第三平滑手段45との直列回路が接続される。第二整流手段44は、ダイオード等の半波整流手段が用いられる。第三平滑手段45は、電解コンデンサ等の平滑素子が用いられる。そして、第二電力変換回路18の出力側に、光源モジュール14が接続される。光源モジュール14の低圧側には、光源13に流れる電流を検出する電流検出手段である電流検出抵抗46が接続される。

第二制御部42は、光源モジュール14、すなわち光源13と電流検出抵抗46との接続点と接続される。第二制御部42は、商用交流電源ｅの入力時、非入力時に拘らず、電流検出抵抗46により検出した、光源13に流れる電流に応じてスイッチング素子41のスイッチングを制御する。

そして、上記の誘導灯11は、商用交流電源ｅの入力時、すなわち常時、換言すれば誘導灯11が商用交流電源ｅにより動作されているときには、電源装置12において、第一スイッチ31がオンされて第二スイッチ33がオフされ(図中の実線に示す)、第一電力変換回路15において、第一制御部29が、第一電力変換回路15の出力電圧V1が所定の定電圧となるようにスイッチ手段26をスイッチングする。充電回路17においては、この第一電力変換回路15からの出力電圧V1が定電圧であることにより、抵抗30によって設定される定電流の充電電流で二次電池16を充電する。このとき、第一制御部29により第一電力変換回路15の出力を、抵抗30により設定される二次電池16の充電電流が目標値となるように制御することにより、追加のスイッチ部品等を用いることなく充電電流を可変することができる。つまり、トランジスタのスイッチ等を用いて二次電池16の限流抵抗を切り換えることで充電開始からの時間カウントによって二次電池16の充電電流を可変させる従来例と比較して、簡素な構成で二次電池16の充電電流を可変できる。また、第二電力変換回路18においては、第二制御部42が電流検出抵抗46を介して光源モジュール14、すなわち光源13に流れる電流を検出し、この電流が一定となるようにスイッチング素子41をスイッチングし、第二整流手段44および第三平滑手段45を介して光源モジュール14、すなわち光源13に給電する。この結果、第二電力変換回路18が昇圧チョッパ回路として作用する。すなわち、本実施形態において、第一電力変換回路15の出力電圧V1は、光源12の順方向電圧(降下電圧)Vfより小さく設定される(Vf＞V1)。このように、光源13の電流を一定とすることで、第二電力変換回路18の出力電圧V2が光源13、本実施形態ではＬＥＤの順方向電圧Vfと略一定になるように制御され、第二電力変換回路18が定電圧源として作用する。なお、順方向電圧Vfとは、個々の光源13の順方向電圧を加算した電圧である。

一方、商用交流電源ｅの非入力時、すなわち非常時、換言すれば停電時には、電源装置12において、第一電力変換回路15は動作しない。また、第一スイッチ31がオフされて第二スイッチ33がオンされることで(図中の破線に示す)、二次電池16が第二電力変換回路18に放電する。第二電力変換回路18において、第二制御部42が電流検出抵抗46を介して光源モジュール14、すなわち光源13に流れる電流を検出し、この電流が一定となるようにスイッチング素子41をスイッチングし、第二整流手段44および第三平滑手段45を介して光源モジュール14、すなわち光源13に給電する。この結果、第二電力変換回路18が昇圧チョッパ回路として作用する。すなわち、本実施形態において、二次電池16の電圧V3は、光源13の順方向電圧Vfより小さく設定される(Vf＞V3)。

このように、一実施形態によれば、第一電力変換回路15の出力側に接続された第二電力変換回路18が、商用交流電源ｅの入力時および非入力時のそれぞれにおいて光源13に給電するため、商用交流電源ｅの入力時に光源13に給電する回路と、商用交流電源ｅの非入力時に光源13に給電する回路と、をそれぞれ備える従来例と比較して、構成を簡素化できる。したがって、小型で廉価な電源装置12を提供できる。

第二電力変換回路18は、少なくとも一つのスイッチング素子41と制御部42とにより電圧変換回路を構成するので、第一電力変換回路15からの出力と二次電池16からの出力との昇圧比を第二制御部42によるスイッチング素子41のスイッチング制御によって容易に可変できる。したがって、第二電力変換回路18は、商用交流電源ｅの入力時には第一電力変換回路15からの出力を変換して光源13に給電し、商用交流電源ｅの非入力時には二次電池16からの出力を変換して光源13に給電することで、第二電力変換回路18のみで商用交流電源ｅの入力時および非入力時のそれぞれにおいて光源13に給電する構成を容易に実現できる。

本実施形態の場合には、商用交流電源ｅの非入力時、第二電力変換回路18が昇圧チョッパ回路として作用するため、第一電力変換回路15の出力電圧V1が、光源13の順方向電圧Vfよりも小さく、かつ、二次電池16の電圧V3よりも大きい場合に有効な構成となる。

また、第二制御部42は、スイッチング素子41のスイッチング周期毎にインダクタ43に蓄積される電流が連続モードと、臨界モードと、不連続モードとのいずれかとなるようにスイッチング素子41のスイッチングを制御する。ここで、誘導灯11は、品種により非常時に光源13を３０分点灯させるものや６０分点灯させるもの、光源13の明るさが異なるもの等があるため、二次電池16の充電電圧や光源13を点灯させるための電圧が異なる。そのため、第二制御部42は、これら動作モードから、第一電力変換回路15の出力と二次電池16の充電電圧と負荷13の電圧との関係により、二次電池16と光源13との組み合わせに応じて最もロスが少ないモードを選択する。つまり、これら動作モードは、第一電力変換回路15の出力電圧V1または二次電池16の電圧V3と、光源13の順方向電圧Vfとの比率、すなわち昇圧比に応じて選択される。例えば二次電池16がニッケル水素電池である場合、セル当たりの公称電圧は１．２Ｖ程度であり、２つのセルを直列接続して使用した場合であっても電圧V3は２．４Ｖ程度である。一方、光源13がＬＥＤである場合、１つの光源13当たりの順方向電圧は３Ｖ程度であるため、複数の光源13を直列接続した光源モジュール14の場合には、十分な昇圧比を稼ぐ必要がある。このように大きい昇圧比が必要である場合、第二制御部42が、インダクタ43に蓄積される電流が不連続モードとなるようにスイッチング素子41のスイッチングを制御することで、スイッチング素子41のオン期間が少なくても高い昇圧比を稼ぐことができる。このように、第二制御部42の動作モードにより昇圧比を切り換えることが可能であるため、昇圧チョッパ回路の巻線をトランス化して磁気結合により昇圧比を稼ぐ従来例のように、巻線部品の大型化や複雑化を抑制できる。

さらに、巻線を利用し、商用交流電源ｅの入力時に、商用交流電源ｅからの電力を変換して光源13に直接給電する従来例の構成の場合、巻線の巻数比が光源13の順方向電圧に依存し、かつ、充電回路用に別の巻線を設けているため、光源13の種類による順方向電圧の相違や二次電池16の種類に応じて巻線の仕様を設計する必要があり、同一部品を利用して異なる複数種類の負荷や二次電池に対応することが困難である。これに対し、本実施形態によれば、第一電力変換回路15と第二電力変換回路18とをそれぞれスイッチング回路としたことで、それぞれの電力変換回路15，18でのスイッチング制御によって、仕様が異なる複数の部品を用意することなく、異なる複数種類の光源13(負荷)や二次電池16に対応可能となる。

本実施形態の誘導灯11は、例えば商用交流電源ｅの入力時に光源13を点灯させる回路と、商用交流電源ｅの入力時に二次電池16を充電する回路と、商用交流電源ｅの非入力時に光源13を点灯させる回路と、をそれぞれ備える従来の構成と比較して、構成を簡素化でき、有効となる。

なお、上記一実施形態において、第二電力変換回路18は、昇圧回路に限られず、降圧回路としてもよいし、昇降圧回路としてもよい。すなわち、第二電力変換回路18は、その入力側の第一電力変換回路15の出力電圧V1と光源13の順方向電圧Vfとの大小に応じて、昇圧または降圧を設定するようにしてもよい。例えば第一電力変換回路15の出力電圧V1が光源13の順方向電圧Vfよりも大きい場合、第二電力変換回路18は、降圧回路としてもよい。また、第二電力変換回路18は、昇圧チョッパ回路に限られず、フライバック回路やＳＥＰＩＣ等を用いてもよい。

また、外部電源は、商用交流電源ｅとしたが、例えば商用交流電源ｅ、雑音防止回路21、第一整流手段22および第一平滑手段23までを有する直流電源等としてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

11 誘導灯
12 電源装置
13 負荷である光源
15 第一電力変換回路
16 二次電池
17 充電回路
18 第二電力変換回路
41 スイッチング素子
42 制御部である第二制御部
43 インダクタ
ｅ外部電源である商用交流電源

Claims

外部電源を入力とする絶縁型の第一電力変換回路と；
前記第一電力変換回路からの出力を変換し二次電池を充電する充電回路と；
前記第一電力変換回路の出力側に接続され、外部電源の入力時および非入力時のそれぞれにおいて負荷に給電する第二電力変換回路と；を具備し、
前記第二電力変換回路は、少なくとも一つのスイッチング素子と、このスイッチング素子のスイッチングを制御することで電圧変換回路を構成する制御部と、前記スイッチング素子のスイッチング周期毎に電流が蓄積されるインダクタと、を備え、前記外部電源の入力時には前記第一電力変換回路からの出力を変換して前記負荷に給電し、外部電源の非入力時には前記二次電池からの出力を変換して前記負荷に給電し、
前記制御部は、前記インダクタに蓄積される電流が連続モードと、臨界モードと、不連続モードと、のいずれかの動作モードとなるように前記スイッチング素子のスイッチングを制御し、前記第一電力変換回路の出力電圧または前記二次電池の電圧と負荷の電圧との比率による昇圧比に応じて前記動作モードを選択する
ことを特徴とする電源装置。
請求項１記載の電源装置と；
負荷である光源と；
を具備することを特徴とする誘導灯。