JP7288240B2 - 電源装置および非常灯 - Google Patents

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非常灯に関する。

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、誘導灯や非常灯がある。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ているため、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非常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、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。第二電力変換回路は、外部電源の入力時に第一電力変換回路からの出力を変換し二次電池を充電し、外部電源の非入力時には二次電池からの出力を変換し負荷に給電する。第一電力変換回路は、負荷である光源の点灯電圧よりも低い電圧を出力する。第二電力変換回路は、同期整流型であり、外部電源の入力時には第一電力変換回路から得られた電圧を降圧制御して二次電池を充電し、外部電源の非入力時には二次電池から得られた電圧を昇圧制御して負荷である光源に供給する。

本発明によれば、第二電力変換回路によって、外部電源の入力時には二次電池を充電し、外部電源の非入力時には負荷に給電できるため、構成を簡素化することが期待できる。

第１の実施形態の電源装置を備える誘導灯の外部電源の入力時の動作を示す回路図である。 同上誘導灯の外部電源の非入力時の動作を示す回路図である。 第２の実施形態の電源装置を備える非常灯の外部電源の入力時および非入力時の動作を示す回路図である。

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は照明装置である。照明装置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、第二電力変換回路17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および図２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、照明装置11は、本実施形態において、誘導灯である。すなわち、照明装置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、第一電力変換回路15によって商用交流電源ｅからの電圧を変換し光源13に供給して光源13を点灯させるとともに第二電力変換回路17によって第一電力変換回路15からの出力を変換して二次電池16を充電し、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、第二電力変換回路17によって二次電池16からの出力を変換し光源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。照明装置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。照明装置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。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の二次側に整流手段である第二整流手段27と、平滑手段である第二平滑手段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出力側として第二電力変換回路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。第二整流手段27は、ダイオード等の半波整流手段が用いられる。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。

本実施形態においては、第一電力変換回路15の出力側に、光源モジュール14と第二電力変換回路17とが接続される。すなわち、本実施形態の第一電力変換回路15は、商用交流電源ｅの入力時である常時に光源13に給電し、光源13を点灯させる常時点灯回路として作用する。光源モジュール14の低圧側には、切換手段である第一スイッチ31と電流検出手段である第一電流検出抵抗32との直列回路と、切換手段である第二スイッチ33と電流検出手段である第二電流検出抵抗34との直列回路と、が並列に接続されている。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と第一電流検出抵抗32との接続点が第一電力変換回路15の制御部である第一制御部35に対し絶縁された状態で接続される。第一制御部35は、第一電流検出抵抗32により検出した、光源13に流れる電流に応じてスイッチ手段26のスイッチングを制御する。第一制御部35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、本実施形態では第一スイッチ31と第一電流検出抵抗32との接続点に対して絶縁された状態で接続される。

第二電力変換回路17は、商用交流電源ｅの入力時である常時には、第一電力変換回路15の出力を入力として二次電池16を充電する充電回路として作用する。さらに、第二電力変換回路17は、商用交流電源ｅの非入力時である非常時には、二次電池16からの出力を入力として光源13に給電する非常時点灯回路として作用する。

本実施形態において、第二電力変換回路17は、同期整流型の電力変換回路である。また、第二電力変換回路17は、対をなすスイッチング素子を備えるスイッチング回路である。本実施形態において、第二電力変換回路17は、第一電力変換回路15の出力側に対し直列に接続された第一スイッチング素子41と第二スイッチング素子42とを備える。つまり、第二電力変換回路17は、ハーフブリッジ型のインバータ回路である。また、第二スイッチング素子42と並列に、インダクタ43を介して出力コンデンサ44が接続され、さらに、出力コンデンサ44の出力側に二次電池16と電流検出手段である第三電流検出抵抗45との直列回路が接続されている。

スイッチング素子41，42としては、例えばＮ－ｃｈのＭＯＳＦＥＴが好適に用いられる。これらスイッチング素子41，42は、第二電力変換回路17の制御部である第二制御部46によりスイッチングされる。第二制御部46は、第二スイッチ33と第二電流検出抵抗34との接続点、および、二次電池16と第三電流検出抵抗45との接続点と接続される。第二制御部46は、商用交流電源ｅの入力時には、第三電流検出抵抗45により検出した二次電池16の充電電流に応じて少なくとも第一スイッチング素子41のスイッチングを制御する。また、第二制御部46は、商用交流電源ｅの非入力時には、第二電流検出抵抗34により検出した、光源13に流れる電流に応じて少なくとも第二スイッチング素子42のスイッチングを制御する。

そして、上記の照明装置11は、図１に示す商用交流電源ｅの入力時、すなわち常時、換言すれば照明装置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、第一電力変換回路15において、第一制御部35が第一電流検出抵抗32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、光源13に流れる電流が一定となるようにスイッチ手段26をスイッチングする。このように、光源13の電流を一定とすることで、第一電力変換回路15の出力電圧V1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、第一電力変換回路15が定電圧源として作用する。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13の順方向電圧(降下電圧)Vfと略等しく設定される(V1≒Vf)。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。また、第二電力変換回路17において、第二制御部46が第三電流検出抵抗45を介して二次電池16の充電電流を検出し、この充電電流が一定となるように、高電位側の第一スイッチング素子41を充電電流に応じてスイッチングする。低電位側の第二スイッチング素子42は、第二制御部46によりオン期間が高電位側の第一スイッチング素子41に同期して設定されてスイッチングされる、または、寄生ダイオード成分によるフライホイール動作をする。第一スイッチング素子41がオンのときの電流の流れを矢印I1、第一スイッチング素子41がオフのときの電流の流れを矢印I2で示す。この結果、第二電力変換回路17が降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、二次電池16の電圧V2より大きく設定される(V1＞V2)。このとき、第二制御部46において、充電電流の目標値を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。

一方、図２に示す商用交流電源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、第二電力変換回路17において、第二制御部46が第二電流検出抵抗34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、低電位側の第二スイッチング素子42をスイッチングする。高電位側の第一スイッチング素子41は、低電位側の第二スイッチング素子42に同期して第二制御部46によりスイッチングされる、または、ダイオード成分のみの利用により、二次電池16の電圧を、光源13が点灯する電圧まで昇圧する。第二スイッチング素子42がオンのときの電流の流れを矢印I3、第二スイッチング素子42がオフのときの電流の流れを矢印I4で示す。この結果、第二電力変換回路17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V2は、光源13の順方向電圧Vfより小さく設定される(Vf＞V2)。

このように、第１の実施形態によれば、第二電力変換回路17を用いて二次電池16の充電と放電による昇圧動作とを成立させ、この第二電力変換回路17によって、商用交流電源ｅの入力時には二次電池16を充電し、商用交流電源ｅの非入力時には光源13を点灯させることができるため、電源装置12の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。特に、照明装置11が誘導灯である場合には、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。

本実施形態では、電源装置12が、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と略等しく、かつ、二次電池16の電圧V2よりも大きくなるように第一電力変換回路15を第一制御部35により制御することで、商用交流電源ｅの入力時と非入力時とのそれぞれにおいて光源13を点灯させる誘導灯に好適に用いることができる。

次に、第２の実施形態について図３を参照して説明する。上記第１の実施形態と同様の構成および作用については、同一符号を付してその説明を省略する。

本実施形態において、照明装置11は、非常灯である。すなわち、本実施形態の照明装置11は、電源装置12において、商用交流電源ｅの入力時、二次電池16を充電し、商用交流電源ｅの非入力時、二次電池16の電力を用いて光源13を点灯させる。なお、図３において、第一電力変換回路15の入力側の回路は、第１の実施形態と同様に雑音防止回路21、第一整流手段22、および、第一平滑手段23を備えるものであるから、説明をより明確にするために図示を省略している。

照明装置11は、第１の実施形態と異なり、商用交流電源ｅの入力時に光源13を点灯しないので、電源装置12において、第一電力変換回路15の出力側には、第一制御部35が第一電力変換回路15の出力電圧をフィードバック制御するために、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、本実施形態では第一電力変換回路15の出力電圧V1を検出する電圧検出手段としての分圧手段である分圧抵抗51，52の直列回路が光源モジュール14すなわち光源13と並列に接続されている。分圧抵抗51，52の中点が第一制御部35に接続されている。また、光源モジュール14、すなわち光源13の低圧側には、第二制御部46が光源13に流れる電流を検出するために電流検出手段である電流検出抵抗54が接続され、この電流検出抵抗54と光源13との接続点が第二制御部46に接続されている。

そして、上記の照明装置11は、商用交流電源ｅの入力時、すなわち常時、換言すれば照明装置11が商用交流電源ｅにより動作されているときには、第一電力変換回路15において、第一制御部35が分圧抵抗51，52を介して出力電圧V1を検出し、この出力電圧V1が目標電圧となるようにスイッチ手段26をスイッチングする。このとき、出力電圧V1を光源13の順方向電圧Vfよりも小さくなるように制御することで(Vf＞V1)、光源13は点灯せず消灯状態を保持する。第二電力変換回路17の動作は、第１の実施形態と同様であるから、説明を省略する。

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、第一電力変換回路15は動作しない。また、第二電力変換回路17において、第二制御部46が電流検出抵抗54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、低電位側の第二スイッチング素子42をスイッチングする。高電位側の第一スイッチング素子41は、低電位側の第二スイッチング素子42に同期して第二制御部46によりスイッチングされる、または、ダイオード成分のみの利用により、二次電池16の電圧を、光源13が点灯する電圧まで昇圧する。この結果、第二電力変換回路17が昇圧チョッパ回路として作用する。

このように、第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、第二電力変換回路17を用いて二次電池16の充電と放電による昇圧動作とを成立させ、この第二電力変換回路17によって、商用交流電源ｅの入力時には二次電池16を充電し、商用交流電源ｅの非入力時には光源13を点灯させることができるため、構成を簡素化でき、照明装置11を非常灯として用いることができる。

本実施形態では、電源装置12が、第一電力変換回路15の出力電圧V1が順方向電圧Vfよりも小さく、かつ、二次電池16の電圧V2よりも大きくなるように第一電力変換回路15を第一制御部35により制御することで、商用交流電源ｅの非入力時にのみ光源13を点灯させる非常灯に好適に用いることができる。

なお、上記各実施形態において、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。

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 第二電力変換回路
ｅ 外部電源である商用交流電源

Claims (2)

1. 外部電源を入力とする絶縁型の第一電力変換回路と；
   前記外部電源の入力時に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し、前記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負荷に給電する第二電力変換回路と；を具備し、
   前記第一電力変換回路は、負荷である光源の点灯電圧よりも低い電圧を出力し、
   前記第二電力変換回路は、同期整流型であり、前記外部電源の入力時には前記第一電力変換回路から得られた電圧を降圧制御して二次電池を充電し、前記外部電源の非入力時には前記二次電池から得られた電圧を昇圧制御して負荷である光源に供給する
   ことを特徴とする電源装置。
2. 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非常灯。

Images