FI120609B - Menetelmä ja järjestely turvavalaisimen yhteydessä - Google Patents

Description

Menetelmä ja järjestely turvavalalsimen yhteydessä

Keksinnön tausta

Keksintö liittyy turvavaiaisimiin ja erityisesti turvavaiaisimien käyttämiseen superkondensaattorin kanssa.

5 Julkisissa kiinteistöissä on lain mukaan oltava turvavalaistus mah dollisen sähkökatkoksen varalta, Nämä järjestelmät on määritelty standardeissa EN 1838 ja EN 50172. Käytännössä järjestelmät perustuvat akulla varmennettuihin järjestelmiin. Muunkinlaisia varasähkölähteitä käytetään, esimerkiksi sairaaloissa voi olla polttomoottorikäyttöinen varasähköjärjestelmä, 10 Varavaiaisimet toteutetaan yleisimmin loisteputkilta, koska niiden elinikä- ja vaiohyötysuhde on hyvä. Loisteputken yksi ongelma on niissä käytettävä elohopea. Varsinkin ovimerkkivalot ovat suuressa määrin toteutettu jo LEö:eiI!ä.

Turvavalaisirnissa käytettävien akkujen osalta on tapahtunut myös 15 voimakasta kehitystä. Lyijy- ja NiCd-akut sisältävät myös ympäristölle vaarallisia aineita. Yksi merkittävä energianvarastointitapa on myös kondensaattori. Tietotekniikan puskurointimulstien varaenergialähteenä käytetään nykyään lähes vain kondensaattoreita. Se onkin saanut kondensaattoriteollisuuden kehittään niin kutsuttuja superkondensaattoreita. Superkondensaattorit toimivat 20 kaksikerrostekniikalla ja ovat matalajännitieisiä isokapasitanssisia kondensaattoreita.

Nykytekniikalla on siis mahdollista pystyä eliminoimaan täysin myrkylliset aineet varavalaisimista. Tämä on mahdollista yhdistämällä LED-valoniähde ja superkondensaattorin edut.

25 Superkondensaattorit omaavat etuja, jotka tekevät niiden käyttämi sestä erittäin houkuttefevia turvavaiaistuksen yhteydessä. Kondensaattorin elinikä on noin 10 vuotta, mikä on noin kaksinkertainen nykyisin käytössä oleviin akkuihin nähden. Kondensaattorit voidaan myöskin ladata tarvittavaan jännitteeseen muutamassa minuutissa, mikä on murto-osa akkujen lataami-30 seen tarvittavasta ajasta.

Vastaavasti LED-valonlähteet ovat erittäin hyvin soveltuvia käytettäväksi turvavaloissa, LEDit kuluttavat virtaa toimiessaan erittäin vähän, joten niiden käyttäminen kondensaattorin yhteydessä on järkevää.

Julkaisussa US2QQ8/0044801 on esitetty periaate LEDien käyttämi-35 sestä yhdessä kondensaattorin kanssa. Julkaisussa esitetyllä ratkaisulla saa- 2 daan erittäin lyhytaikainen turvavaiaistus, sillä kondensaattorin jännite putoaa julkaisussa esitetyssä piirissä nopeasti.

Superkondensaattoreilla ei oie akkujen kennojännitteeseen verrattavissa olevaa jännitettä, vaan superkondensaattori voidaan periaatteessa la-5 data mielivaltaiseen jännitteeseen. Superkondensaattoreilla on kuitenkin jännite, johon se suositellaan ladattavaksi, ja jännitteet, jotka ovat suositeltua jännitettä suurempia pienentävät voimakkaasti kondensaattorin elinikää.

Superkondensaattoreiden lataaminen onkin suoritettava huolellisesti erityisesti turvavalaisimien tai vastaavien viranomaismääräykset toteuttavien ro valaisimien yhteydessä, jotta superkondensaattorjn elinikä olisi mahdoiiisi ruman pitkä, ja jotta kondensaattori olisi luotettavasti latautunut mahdollistaen siten turvavalaisimen käyttämisen normaalin syöttävän verkon katketessa.

Jos kondensaattoria ladataan jänniteohjattuna, jolloin latauslaite lataa kondensaattorin aseteltuun jännitteeseen, on latauslaitteen ja kondensaat-15 torin välisen kytkennän kunnon varmistaminen vaikeaa. Kun tavoiteltuun jännitteeseen ladatun kondensaattorin irrottaa latauslaitteesta, ei iatausvirrassa tai latauslaitteen tähtöjännitteessä tapahdu mitään muutosta. Tällöin latauslaitteen ja kondensaattorin välisen johdotuksen vikaantumista ei voida havaita.

Keksinnön lyhyt selostus 20 Keksinnön tavoitteena on siten kehittää turvavalaisinlaitteisto ja me netelmä siten, että yllä mainitut ongelmat saadaan ratkaistua. Keksinnön tavoite saavutetaan menetelmällä ja laitteistolla, joille on tunnusomaista se, mitä sanotaan itsenäisissä patenttivaatimuksissa. Keksinnön edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäisten patenttivaatimusten kohteena.

25 Keksintö perustuu siihen, että turvavaiolaitteiston energiavarastona toimivaa superkondensaattöria ladataan virtaohjattuna siten, että latauslaitteen annetaan syöttää virtaa vielä senkin jälkeen, kun kondensaattori on latautunut nimelliseen jännitteeseensä. Kondensaattorin rinnalle on järjestetty piiri, joka päästää lävitseen virtaa kondensaattorin jännitteen ollessa nimellisessä arvos-30 saan. Tällöin latauslaitteen ja kondensaattorin välisen yhteyden katkeaminen voidaan havaita latauslaitteessa latauslaitteen lähtöjännitteen nousemisena.

Keksinnön mukaisen menetelmän ja järjestelmän etuna on parantunut luotettavuus superkondensaattorin lataamisessa nimelliseen jännitteeseen.

Luotettavuus on parantunut sekä lataamisen tarkkuudessa tiettyyn jännittee-35 seen, kuin myös liittyen kytkennän toimivuuteen.

i 3

Kuvioiden lyhyt selostus

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yhteydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joista:

Kuvio 1 esittää yksinkertaistettua lohkokaaviota keksinnön mukai-5 sesta taitteesta;

Kuvio 2 esittää iatausvirtaa latauslaitteen lähtöjännitteen funktiona; Kuvio 3 esittää superkondensaattorin ja akun purkauskäyriä; ja Kuvio 4 esittää superkondensaattorin ja akun varauskäyriä.

Keksinnön yksityiskohtainen selostus 10 Kuviossa 1 on esitetty periaatteellisella tasolla lohkokaavio keksin nön mukaisesta turvavalaisimen laitteistosta. Turvavalaisin käsittää latauslaitteen 1, kuten esimerkiksi hakkurin, joka muodostaa latausvirran ie tuiojännit-teestä Uin. Tuiojännite voi olla verkkojännite tai tasajännite. Latausvirta le lataa energiavarastona toimivaa superkondensaattoria C siten, että superkonden-15 saattoa saavuttaa nimellisen jännitteensä, joka on esimerkiksi luokkaa noin 4V.

Superkondensaattorin rinnalle on kytketty kytkentä, joka päästää virtaa lävitseen superkondensaattorin oilessa latautuneena nimelliseen jännitteeseensä. Kuviossa tällaisena kytkentänä on esitetty Zener-diodin ja vastuksen muodostama piiri Dz- 20 Superkondensaattoriin on edelleen kytketty hakkuri 2, joka muodos taa kondensaattorin jännitteestä tarvittavan jännitteen valaistukseen käytettävän diodin 3 polttamiseksi. Hakkuri on esitetty kuviossa 1 siten, että se saa myös toisen tulon suoraan toiselta syöttävältä hakkurilta 4, joka toimii verkon toimiessa normaalisti. Tällöin valodiodia 3 syöttävä hakkuri sisältää välineet, 25 joilla vaihdetaan syöttöenergian lähdettä riippuen verkon tilasta.

Keksinnön mukaisesti latauslaite 1 syöttää superkondensaattoria virtaohjattuna, eli syöttää ennalta määritellyn suuruista virtaa superkonden-saattorilie tämän lataamiseksi. Virtaohjeen toteuttamiseksi latauslaitteen tulee säätää lähtöjännitettään siten, että lähtöjännite nousee ladattavan kondensaat-30 torin jännitteen noustessa virran syöttämiseksi,

Kun superkondensaattorin C jännite on noussut latausvirran vaikutuksesta ennalta määrättyyn kondensaattorin nimelliseen arvoon Unt5m. vastaa latauslaitteen lähtöjännite suunnilleen kondensaattorin jännitettä. Keksinnön mukaisesti latauslaite kuitenkin jatkaa virran lc syöttämistä myös sen jälkeen, 35 kun kondensaattori G on latautunut. Kun kondensaattori on latautunut, lataus- 4 virta siirtyy kulkemaan kondensaattorin rinnalle· kytketyn kytkennän D2 kautta.

Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisesti kytkentä, joka päästää lataus-virran lävitseen kondensaattorin G ollessa latautunut käsittää Zener-diodin.

Edullisesti Zener-diodin kanssa sarjaan on lisäksi kytketty vastus. Zener-· 5 diodien tunnettuna ominaisuutena on vastasuuntaisen jännitteen rajaaminen tiettyyn arvoon. Toisin sanoen Zener-diodi alkaa johtaa virtaa tietyn jännitteen ylittyessä. Valitsemalla superkondensaattori ja Zener-diodi siten, että näiden jännitearvot vastaavat mahdollisimman hyvin toisiaan, päästään tilanteeseen, jossa superkondensaattorin jännitteen noustessa nimelliseen arvoonsa, siirtyy 10 rinnalle kytketty Zener-diodi johtavaan tilaan. Zener-diodin kanssa sarjaan kytkettyä vastusta tarvitaan kulkevan virran rajoittamiseen ja tehon poistamiseen piiristä.

Kuviossa 4 on esitetty havainnollisuuden vuoksi käytettävän superkondensaattorin latauskäyrä 41 nimelliseen jännitteeseen Un0m käytettäessä 15 vakiovirtaa lataamiseen. Kuviosta 4 ilmenee, kuinka kondensaattorin jännite nousee tasaisesti kohti nimellistä arvoa. Kuviossa 4 on esitetty vertailun vuoksi myös normaalin akun latauskäyrä 42, kun lataaminen suoritetaan vakiojännitteellä. Vakiojännitelataaminen on merkittävästi hitaampaa kuin kondensaattorin lataamiseen käytettävä virtaohjattu lataus.

20 Zener-diodikytkennän tilalla voidaan luonnollisesti käyttää jotain muuta, mahdollisesti jännitemittaukseen ja aktiiviseen kytkinkomponenttiin perustuvaa piiriä, joka päästää virtaa lävitseen superkondensaattorin jännitteen noustessa nimelliseen arvoonsa.

Ehdoton edellytys kuvion 1 piirin toiminnalle on se, että latausiait-25 teen 1 ja superkondensaattorin C välinen kytkentä on kunnossa. Keksinnön mukaisesti tämän yhteyden kunto voidaan havaita latauslaitteen jännitteestä.

Kuten edellä mainittiin, latauslaitteen lähtöjännite seuraa ladattavan superkondensaattorin jännitettä. Jos tämä lähtöjännite kuitenkin nousee epätavallisen korkeaan arvoon, eli yli normaalin toiminta-alueen, on kondensaattoria syöttä-30 vä piiri vikaantunut. Nostamalla lähtöjännitettä latauslaite yrittää saada tavoitellun suuruista virtaa kulkemaan kondensaattorille. Piirin ollessa poikki virtaa ei j kuitenkaan saada .kulkemaan, ja lähtöjännite nousee. Koska latauslaite: syöttää virtaa jatkuvasti kondensaattorille ja tämän rinnalle muodostetulle kytkennälle, voidaan edellä mainittu vikaantuminen havaita milloin hyvänsä hakkurin saa-35 dessa sisääntuiojännitteen Uin ja tuottaessa latausvirtaa ic.

5

Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisesti energiavarastona toimivan'superkondensaattorin lataaminen suoritetaan siten, että Iatausvirran lp suuruutta pienennetään latauksen loppuvaiheessa. Latausvirtaa pienennetään siksi, että superkondensaattoreiden elinikä pienenee ympäristön lämpötilan 5 kasvaessa. Lämmöksi superkondensaattorin rinnalla muutettavan tehon tulee olla mahdollisimman pieni, jotta superkondensaattori säilyttää toimintakykynsä mahdollisimman pitkään. Koska latauslaitteen iähtöjännite nousee yhdessä ladattavan superkondensaattorin jännitteen kanssa, voidaan virtaohjeen pienentäminen toteuttaa vasteellisena latauslaitteen iähtöjännitteen nousemiselle laid helle kondensaattorin nimellistä jännitettä Unom. Tämä raja voi olla esimerkiksi 90% kondensaattorin nimellisestä jännitteestä Un0m·

Kuviossa 2 on esitetty esimerkinomainen kaavio iatausvirran lc suuruudesta kondensaattorin jännitteen Uc funktiona. Latauksen aäuksi kondensaattorin jännitteen ollessa pieni merkittävästi alle nimellisen jännitteen Unom, 15 lataukseen käytetään virtaa U, jonka suuruus on ennalta määritelty. Kun latauslaitteessa havaitaan Iähtöjännitteen nouseminen kondensaattorin jännitteen noustessa, latausvirtaa pienennetään toiseen ennalta määriteltyyn arvoon h. Latauslaite säilyttää tämän pienemmän arvonsa myös silloin, kun iatausvirta ei enää kasvata superkondensaattorin jännitettä. Tällöin superkondensaattorin 20 epätoivottava lämpeneminen on pienempää kuin toimittaessa suuremmalla virralla.

Kuviossa 1 esitetty hakkuri 2 muodostaa superkondensaattorin jännitteestä tarvittavan jännitteen turvavaiaisimen valonlähteenä toimivan LEDin polttamiseksi. Tämä hakkuri tai suuntaaja on tyypillisesti jännitettä nostava 25 hakkuri, sillä superkondensaattorin jännite laskee nopeasti LEDin kynnysjännit-teen ULed alle. Hakkuri 2 voi toimia myös jännitettä laskevasti, jolloin kondensaattorin jännitteen ollessa suuri, jännitettä pienennetään. Kun kondensaattorin jännite pienenee LED-valoniähteen syöttämisen myötä hakkuri alkaa puolestaan nostamaan jännitettä.

30 Kuviossa 3 on esitetty esimerkki tyypillisestä kondensaattorin pur- kauskäyrästä, eli kondensaattorin napajännite 31 ajan funktiona, kun kondensaattorista otetaan vakiovirta. Kuten kuviosta ilmenee, kondensaattorin jännite 31 laskee nopeasti arvoon, joka ei riitä LEDin kynnysjännitteen ULeo ylittämiseen. Vertailun vuoksi kuviossa 3 on esitetty myös vastaava purkauskäyrä 32 35 kun käytössä on akku. Kuviosta nähdään, kuinka akku säilyttää kennojännitet- i ta vastaavan jännitteen siten, että jännitettä ei tarvitse nostaa LEDin polttami- 6 seksi. Käyttämällä jännitettä nostavaa hakkuria superkondensaattorin yhteydessä saadaan muodostettua turvavalaisin, jolla LEDiä voidaan polttaa esimerkiksi yhden tunnin ajan.

Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisesti hakkuri 2 toimii vir-5 taohjattuna, :eli syöttää LED-valonlähteelle tietyn suuruista virtaa. Tällöin hak-kuria ohjataan siten, että se säätää iähtöjärinitettään LED-valonlähteelle halutun virran aikaansaamiseksi.

Kuviossa 1 on esitetty LEDiä 3 syöttävä hakkuri 2 siten, että se saa kaksi sisääntuloa. Normaalitilanteessa, kun syöttävä verkko tai muu jännite on 10 käytettävissä, hakkuria 2 syötetään laitteella 4, joka muodostaa syöttävän verkon tai muun vastaavan jännitteestä hakkurille 2 soveltuvaa jännitettä. Kuvion 1 suoritusmuodossa latauslaite 1 on kytketty laitteeseen 4 tämän syöttämiseksi, ja mainittu laite 4 on esimerkiksi suuntaaja, joka muodostaa vakiojännitteen hakkurille 2, Tällaisessa järjestelyssä laite 4 voi edelleen sisältää välineet, jot-15 ka kytkevät latauslaitteen 1 jännitteen suoraan LEDiile 3. On selvää, että vaihtaminen normaalin verkon ja superkondensaatioriin varautuneen energian välillä voidaan suorittaa lukuisin eri tavoin. Tähän syötön vaihtamiseen voidaan käyttää erilaisia kytkentöjä, vaihtokytkimiä, reieitä ja vastaavia, eikä esillä oleva keksintö poikkea aikaisemmista turvavaiöjen kytkennöistä.

20 Verkon toimiessa ja turvavaion ollessa opaskäytössä voidaan LEDiä polttaa kirkkaammin kuin sähkökatkon aikana. Tällöin valaisin havaitaan helpommin ympäristön valotason ollessa suurempi. Sähkökatkon aikana LEDiä voidaan polttaa himmeämmin, sillä erottuvuus on sähkökatkon aikana parempi, ja samalla turvavalaisimen käyttöaikaa voidaan entisestään pidentää.

25 Kuviossa 1 keksintöä on esitetty viitaten ainoastaan yhteen LED- valoniähteeseen. On kuitenkin selvää, että LEDejä voi olla useampia. Vastaavasti superkondensaattoreita voi olla useampia kytkettynä rinnan ja/tai sarjaan.

Sarjaan kytkettyinä kuliakin superkondensaattoriila tulee olla oma virranvalvon-ta, ja vastaavasti rinnan kytkettyinä superkondensaattont vaativat kokonaisvir-30 ran valvonnan sekä ylijännitteenvaivonnan.

Alati ammattilaiselle on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksinnön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritusmuodot eivät siten rajoitu yiiä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihde!- i ia patenttivaatimusten puitteissa.

35

Claims (10)

1. 7 Pate n ttl va ati m u kset
2. 1. Turvavaiaisin, jonka laitteisto käsittää yhden tai useamman LED-vaSonlähteen (3) turvavalaistuksen tuottamiseksi, 5 superkondensaattorin (C)s joka on sovitettu syöttämään yhtä tai use ampaan LED-valonlähdettä (3), latauslaitteen (1), joka on sovitettu lataamaan superkondensaattoria (C) tälle määriteltyyn nimelliseen jännitteeseen, jolloin latauslaite (1) on sovitettu lataamaan superkondensaationa virtaohjattuna, tunnettu siitä, että lö turvavalaisimen laitteisto käsittää lisäksi välineet (Dz) latauslaitteen tuottaman Iatausvirran oikosulkemiseksi superkondensaattorin ohitse superkondensaattorin saavutettua nimellisen jännitteensä, jolloin latauslaite (1) on edelleen sovitettu havaitsemaan latausjännitteen nousemisen indikaationa latauslaitteen (1) ja kondensaattorin (C) välisen kytis kennän vikaantumiselle.
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen turvavaiaisin, tunnettu siitä, että välineet latauslaitteen tuottaman ylimääräisen Iatausvirran oikosulkemiseksi käsittää Zener-diodin, joka on kytketty turvavalaisimen superkondensaattorin (C) rinnalle.
4. 3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen turvavaiaisin, t u n n et tu siitä, että välineet latauslaitteen tuottaman ylimääräisen Iatausvirran oikosulkemiseksi käsittää lisäksi vastuksen, joka on kytketty Zener-diodin kanssa sarjaan.
5. 4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen turvavaiaisin, tunnet tu siitä, että välineet latauslaitteen tuottaman ylimääräisen Iatausvirran oikosulkemi- 25 seksi käsittää kondensaattorin jännitettä määrittävän elimen ja tälle vasteelli-sena toimivan aktiivisen kytkinlaitteen, joka on sovitettu ohjaamaan ylimääräisen Iatausvirran superkondensaattorin ohitse.
6. 5. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 1 - 4 mukainen turvavaiaisin, tu n n ett u siitä, että turvavaiaisin käsittää lisäksi hakkurin (2), joka on 30 sovitettu muodostamaan superkondensaattorin jännitteestä LED-valonJähteen kynnysjännitettä suuremman jännitteen LED-valöniähteeile,
7. 6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen turvavaiaisin, tu n n e 11 u siitä, että hakkuri (2) on sovitettu syöttämään LED-valonlähdettä virtaohjattuna, edullisesti käyttäen vakiovirtaa. 35 7, Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 1 - 6 mukainen turvavaiai sin, tu n n ettu siitä, että latauslaite on sovitettu pienentämään Iatausvirran 8 suuruutta latauslaitteen la htöjä n n ittee n kasvaessa lähelle superkondensaatto- rin nimellistä jännitettä.
8. 8. Menetelmä turvavaläisimen yhteydessä, jonka turvavalaisimen laitteisto käsittää yhden tai useamman LED-valonlähteen turvavalaistuksen 5 tuottamiseksi, superkondensaattorin yhden tai useamman LED-valonlähteen syöttämiseksi ja latauslaitteen superkondensaattonn lataamiseksi tälle määriteltyyn nimelliseen jännitteeseen, jolloin menetelmässä ladataan latauslaitteella superkondensaattoria virtaohjattuna, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää lisäksi vaiheet joissa, 10 oikosuljetaan ylimääräinen latausvirta superkondensaattorin ohitse superkondensaattorin saavutettua nimellisen jännitteensä, ja havaitaan latauslaitteen ja kondensaattorin välisen kytkennän vikaantuminen iatausjänhitteen nousemisesta,
9. 9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 15 että menetelmä käsittää lisäksi vaiheen, jossa muodostamaan superkonden- saattorih jännitteestä LED-valonlähteen kynnysjänniiettä suurempi jännite LED-valonlähteelle.
10. 10. Patenttivaatimuksen 8 tai 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että superkondensaattorin lataaminen käsittää vaiheet, joissa 20 muodostetaan ensimmäisen virtaohjeen (h) mukainen latausvirta (lc) superkondensaattorin lataamiseksi, havaitaan latauslaitteen lähtöjännitteen kasvaminen lähelle superkondensaattorin nimellisiä jännitettä {Unom), muodostetaan toisen virtaohjeen (l?) mukainen latausvirta (lc) su-25 perkondensaattorin lataamiseksi, jolloin toinen virtaohje on pienempi kuin ensimmäinen virtaohje. 9