JP6589581B2 - 非常用照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば停電などの非常時に用いられる非常用照明装置に関する。

非常用照明装置は、非常時の電源として蓄電池を搭載している。非常時には、この蓄電池を電源として非常用光源を点灯し照明を確保する。通常、蓄電池の電圧よりも非常用光源を点灯するための電圧の方が高いため、昇圧回路を用いて非常用光源を点灯するのが一般的である。近年、非常用光源にＬＥＤを用いることが増えてきており、一定の出力に制御することで、有効点灯期間中一定以上の照度を確保するようにしている。

特許文献１には、ＬＥＤの順方向電流（ＩＦ）を一定に制御し順方向電圧（ＶＦ）の過電圧リミッタを設け、スイッチング動作を制御することで、同時に過電流を防止する技術が開示されている。

特開２００６−０８５９９３号公報

非常用照明装置の負荷ＬＥＤを出力定電力制御する場合、負荷ＬＥＤの順方向電圧ＶＦが低下すると順方向電流ＩＦが上昇してしまう。そこで、過電流リミッタを設け順方向電流ＩＦの過度な上昇を防止することが考えられる。しかしながら、非常時の電源として設けられた蓄電池の電圧（入力電圧）が低下した場合に、蓄電池からの流入(入力)電流が上昇し、コンバータ回路等の回路部品の発熱が増大してしまうという問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、蓄電池からの入力電圧が低下した場合に回路部品の発熱が増大することを防止できる非常用照明装置を提供することを目的とする。

本願の発明に係る非常用照明装置は、入力電圧を検知する入力電圧検出回路と、該入力電圧を変圧し負荷に印加するＤＣＤＣコンバータ回路と、該負荷の順方向電圧と順方向電流を検知し、該負荷が定電力制御されるように、該ＤＣＤＣコンバータ回路を制御するコントロール回路と、該順方向電圧が予め定められた過電流リミッタ閾値以下になると、該順方向電流の増加を抑制するリミッタ回路と、を備え、該リミッタ回路は、該入力電圧検出回路により該入力電圧が予め定められた値まで低下したことが検知されたときに、該過電流リミッタ閾値を高くすることを特徴とする。

本発明によれば、蓄電池からの入力電圧が低下したときに、負荷の順方向電流ＩＦの増加を防ぐので、回路部品の発熱を抑制できる。

実施の形態に係る非常用照明装置の回路図である。 第３抵抗素子の接続点電位と順方向電流の関係を示すグラフである。 入力電圧が低下したときに過電流リミッタ閾値を変更することを示す図である。 実施の形態に係る非常用照明装置の簡略図である。 比較例に係る非常用照明装置の簡略図である。

本発明の実施の形態に係る非常用照明装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態．
図１は、実施の形態に係る非常用照明装置の回路図である。蓄電池１０１の電圧はＶｂａｔであり、非常用照明装置の入力電圧である。蓄電池１０１には、入力電圧を検知する入力電圧検出回路１０２が接続されている。入力電圧検出回路１０２は、入力電圧を分圧する２つの第１抵抗素子Ｒ１、Ｒ２を備えている。入力電圧検出回路１０２は、２つの直列に接続された第１抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の接続点にカソードが接続されたダイオードＤ１を備えている。ダイオードＤ１のアノードは抵抗素子Ｒ３に接続されている。

蓄電池１０１には、入力電圧を変圧し複数のＬＥＤが直列に接続されたＬＥＤモジュールで構成された負荷４０１に印加するＤＣＤＣコンバータ回路２０１が接続されている。ＬＥＤは直列でなく直並列、並列に接続してもよい。ＤＣＤＣコンバータ回路２０１は昇圧回路で構成されている。ＤＣＤＣコンバータ回路２０１は、ＤＣＤＣコンバータ回路２０１に接続されたコントロール回路２０２からの駆動信号によりスイッチング素子Ｑ１がオンオフして制御される。コントロール回路２０２は、負荷４０１が定電力制御されるように、ＤＣＤＣコンバータ回路２０１のスイッチング素子Ｑ１を制御する。コントロール回路２０２は、専用のハードウェアであっても、メモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ、中央演算装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、ＤＳＰともいう）であってもよい。
ＤＣＤＣコンバータ回路２０１は、前述のスイッチング素子Ｑ１、インダクタＩｄ、ダイオードＤｄ及びコンデンサＣｄを備えている。スイッチング素子Ｑ１のドレインは、インダクタＩｄとダイオードＤｄのアノードの間に接続されている。スイッチング素子Ｑ１がオンになるとインダクタＩｄにエネルギが蓄えられる。そして、スイッチング素子Ｑ１がオフになるとインダクタＩｄのエネルギによりコンデンサＣｄが充電される。

ＤＣＤＣコンバータ回路２０１で生成された電力が負荷４０１に印加される。負荷４０１の順方向電圧はＶＦであり、順方向電流はＩＦである。ＤＣＤＣコンバータ回路２０１のコンデンサＣｄにはリミッタ回路３０１が接続されている。リミッタ回路３０１は、順方向電圧ＶＦが予め定められた値（過電流リミッタ閾値）以下になると、順方向電流ＩＦの増加を抑制する回路である。

リミッタ回路３０１は、ベースバイアス抵抗Ｒ８、ＮＰＮトランジスタＱ２、シャントレギュレータＩＣ２、及び２つの直列に接続された第２抵抗素子Ｒ４、Ｒ５を備えている。リミッタ回路３０１のＮＰＮトランジスタＱ２のコレクタとベースバイアス抵抗Ｒ８との接続点が、ＤＣＤＣコンバータ回路２０１のコンデンサＣｄの正極と接続されている。ＮＰＮトランジスタＱ２のベースにシャントレギュレータＩＣ２のカソードが接続されている。第２抵抗素子Ｒ４、Ｒ５の接続点とシャントレギュレータＩＣ２のリファレンスとの接続点に、ダイオードＤ１のアノードが抵抗素子Ｒ３を介して接続されている。ＮＰＮトランジスタＱ２のエミッタに第２抵抗素子Ｒ４が接続されている。ベースバイアス抵抗Ｒ８は、ＮＰＮトランジスタＱ２のベースとシャントレギュレータＩＣ２のカソードの接続点と、ＮＰＮトランジスタＱ２のコレクタ間に接続されている。

負荷４０１に並列に２つの直列に接続された第３抵抗素子Ｒ６、Ｒ７が接続されている。２つの第３抵抗素子Ｒ６、Ｒ７の接続点に、ＮＰＮトランジスタＱ２のエミッタが接続されている。コントロール回路２０２は、ＦＢ（Ｆｅｅｄ Ｂａｃｋ）端子を備えている。このＦＢ端子は、負荷４０１を構成するＬＥＤのカソード側に接続されている。したがって、コントロール回路２０２は、ＦＢ端子を介して、負荷４０１の順方向電圧ＶＦと順方向電流ＩＦを検知することができる。負荷４０１の電流検出抵抗Ｒ９がＬＥＤのカソードと接続され、このカソードと電流検出抵抗Ｒ９の接続点とＦＢ端子の間には、電流入力抵抗Ｒ１０と電流／電圧入力抵抗Ｒ１１が直列に接続されている。

次に、非常用照明装置の動作を説明する。ＤＣＤＣコンバータ回路２０１（スイッチング回路）により、蓄電池１０１の電圧Ｖｂａｔを、負荷４０１を点灯するために必要な順方向電圧ＶＦに変圧する。そして、負荷４０１に印加されている順方向電圧ＶＦと順方向電流ＩＦを、コントロール回路２０２に加算帰還し定電力制御を実現している。なお、別の方法で負荷４０１の順方向電圧ＶＦと順方向電流ＩＦとを乗算帰還とした定電力制御を実現してもよい。このように、負荷４０１は定電力制御される。

リミッタ回路３０１は、上記の加算または乗算前の順方向電圧ＶＦの帰還ルートに接続されている。リミッタ回路３０１は、順方向電圧ＶＦが低下した場合に、順方向電流ＩＦが過度に上昇することを防止する回路である。

リミッタ回路３０１は、順方向電圧ＶＦが温度変化等により低下した場合に、順方向電流をある閾値以下に保つように動作する。例えば、リミッタ回路３０１のカソード電圧Ｖｋが１０Ｖ、ＮＰＮトランジスタＱ２のベース−エミッタ間電圧Ｖｂｅが０．６Ｖと設定とする。

リミッタ回路３０１の動作について説明する。
１．負荷４０１の順方向電圧ＶＦが予め定められた値より大きい場合
Ｖｋ−Ｖｂｅ＝１０−０．６=９．４Ｖを過電流リミッタ閾値１と呼ぶ。第３抵抗素子Ｒ６、Ｒ７の接続点電位が過電流リミッタ閾値１を超えている場合は、第２抵抗素子Ｒ４、Ｒ５の接続点電位がシャントレギュレータＩＣ２のリファレンス電圧を超えてしまい、シャントレギュレータＩＣ２は第３抵抗素子Ｒ６、Ｒ７の接続点電位を低下させようとする。しかし、トランジスタＱ２がＮＰＮトランジスタであるため、第３抵抗素子Ｒ６を介して電流を吸い込むことができないため、第３抵抗素子Ｒ６、Ｒ７の接続点電位を低下させることができない。従って、負荷４０１の順方向電圧ＶＦが予め定められた値より大きい場合、すなわち第３抵抗素子Ｒ６、Ｒ７の接続点電位が過電流リミッタ閾値１を超えている場合、コントロール回路２０２のＦＢ端子には順方向電圧ＶＦと順方向電流ＩＦとを加算した信号が帰還され、定電力制御が実行される。

図２は、第３抵抗素子Ｒ６、Ｒ７の接続点電位と順方向電流ＩＦの関係を示すグラフである。上記のとおり、第３抵抗素子Ｒ６、Ｒ７の接続点電位が過電流リミッタ閾値１を超えている場合、図２の実線で示される定電力制御を実現する。

２．負荷４０１の順方向電圧ＶＦが予め定められた値以下の場合
一方、第３抵抗素子Ｒ６、Ｒ７の接続点電位が、Ｖｋ−Ｖｂｅ＝９．４Ｖ（過電流リミッタ閾値１）以下になると、第２抵抗素子Ｒ４、Ｒ５の接続点電位がシャントレギュレータＩＣ２のリファレンス電圧に満たなくなる。そのため、シャントレギュレータＩＣ２はリファレンス電圧を保持しようと、第３抵抗素子Ｒ６、Ｒ７の接続点電位を９．４Ｖの値を保つよう一定制御する。順方向電圧ＶＦが下がり続けたとしても、第３抵抗素子Ｒ６、Ｒ７の接続点電位が一定のため順方向電流ＩＦは増加しない。

したがって、第３抵抗素子Ｒ６、Ｒ７の接続点電位が過電流リミッタ閾値１以下になると、図２の一点鎖線で示される過電流抑制制御を実現する。このように、リミッタ回路３０１により、負荷４０１の順方向電圧ＶＦが低下した場合における順方向電流ＩＦの増加を抑制することができる。

本発明の実施の形態に係る非常用照明装置は、上記のリミッタ回路３０１の動作を前提としつつ、蓄電池１０１の電圧Ｖｂａｔ（入力電圧）の低下時に順方向電流ＩＦが過電流となることを抑制するものである。具体的には、リミッタ回路３０１は、入力電圧Ｖｂａｔ検出回路１０２により入力電圧Ｖｂａｔが予め定められた値まで低下したことが検知されたときに、過電流リミッタ閾値を高くする。このことについて、詳しく説明する。

図３は、入力電圧Ｖｂａｔが低下したときに過電流リミッタ閾値を変更することを示す図である。丸１で示す時点では、第３抵抗素子Ｒ６、Ｒ７の接続点電位が過電流リミッタ閾値１より大きく、負荷４０１が定電力制御される。そして、蓄電池１０１の入力電圧Ｖｂａｔが入力電圧検出回路１０２の閾値まで低下した場合、リミッタ回路３０１の過電流リミッタ閾値１を過電流リミッタ閾値２に変更する。即ち、丸１から丸２へ遷移する。これにより、順方向電圧ＶＦが高い値で過電流となることを抑制する。

例えば、放電基準電圧＝６．６Ｖ、Ｒ１＝２２ｋΩ、Ｒ２＝３．０ｋΩ、Ｄ１のＶＦ＝０．６Ｖ、シャントレギュレータＩＣ２のリファレンス電圧Ｖｒｅｆ＝１．２５Ｖとする。

Ａ．蓄電池１０１の電圧Ｖｂａｔ（入力電圧）が高い時(Ｖｂａｔ>５．４Ｖ)
Ｖｂａｔ＊Ｒ２/(Ｒ１＋Ｒ２)>０．６５Ｖの時、ダイオードＤ１は非導通であり第２抵抗素子Ｒ４、Ｒ５で設定した電圧で順方向電圧ＶＦが制御され、順方向電圧ＶＦと順方向電流ＩＦの加算帰還により定電力制御される。この制御は、前述した第３抵抗素子Ｒ６、Ｒ７の接続点電位が過電流リミッタ閾値１を超えている場合の制御と同じである。

Ｂ．蓄電池１０１の電圧Ｖｂａｔ（入力電圧）が低い時(Ｖｂａｔ≦５．４Ｖ)
Ｖｂａｔ＊Ｒ２/(Ｒ１＋Ｒ２)≦０．６５の時、ダイオードＤ１は導通し第２抵抗素子Ｒ４、Ｒ５の接続点電圧が低下した分だけ、第３抵抗素子Ｒ６、Ｒ７の接続点電位が上昇する。第３抵抗素子Ｒ６、Ｒ７の接続点電位が上昇すると、コントロール回路２０２は順方向電圧ＶＦが上昇したと認識し、定電力制御により順方向電流ＩＦは減少する。

蓄電池１０１からの入力電圧が低く、ダイオードＤ１が導通している限り、順方向電圧ＶＦの擬似的な上昇が維持されるので、定電力制御により順方向電流ＩＦが低い値に保たれる。このことは、図３において、過電流リミッタ閾値１を、過電流リミッタ閾値１より高い値である過電流リミッタ閾値２に変更することと等価である。

上記のように入力電圧検出回路１０２により過電流リミッタ閾値を変更した場合の順方向電流ＩＦは、入力電圧検出回路１０２が無い場合の順方向電流ＩＦより小さい。小さい電流値に制限することで、蓄電池１０１からの流入(入力)電流が減少し、回路部品の発熱の増大を抑制することができる。

ところで、リミッタ回路３０１と入力電圧検出回路１０２が無い場合、蓄電池１０１の電圧Ｖｂａｔの放電末期にはＬＥＤ負荷の温度が自己発熱により上昇しているため、順方向電圧ＶＦは低下している。出力定電力制御の場合、順方向電圧ＶＦが低下すると順方向電流ＩＦは上昇し、ＤＣＤＣコンバータ回路２０１の温度は上昇する。併せて、蓄電池１０１の電圧Ｖｂａｔの放電末期における定電力制御では、蓄電池１０１の電圧Ｖｂａｔが低下した分だけ蓄電池１０１からＤＣＤＣコンバータ回路２０１への流入(入力) 電流が上昇するため、ＤＣＤＣコンバータ回路２０１の温度が上昇してしまう。これらの２つの理由で、蓄電池１０１の放電末期には、ＤＣＤＣコンバータ回路２０１の温度が上昇する。

しかし、本発明の実施の形態に係る非常用照明装置によれば、入力電圧検出回路１０２と、過電流を防止するリミッタ回路３０１を上記のとおり組み合わせて用いることで、ＤＣＤＣコンバータ回路２０１などの回路部品の温度上昇を抑制できる。具体的には、以下のメリットを得ることができる。

ａ 蓄電池１０１の電圧Ｖｂａｔと負荷４０１の順方向電圧ＶＦが低下した場合に、過度な温度上昇を抑制できる。
ｂ 蓄電池１０１から回路への流入(入力)電流を抑制できる。
ｃ 入力電圧検出回路１０２は少ない部品点数で構成できる。リミッタ回路３０１と入力電圧検出回路１０２を組み合わせることで、第１抵抗素子Ｒ１、Ｒ２及び第２抵抗素子Ｒ４、Ｒ５の定数の設定によりリミッタ回路３０１の閾値と、リミッタ回路３０１で制御される順方向電流ＩＦを容易に調整することができる。
ｄ 蓄電池１０１の電圧Ｖｂａｔが低下した時に出力を低減させるため、電源投入時などの電圧Ｖｂａｔが上昇する際には、徐々に電流が増える動作となる。即ち、ソフトスタートとなる。
ｅ 蓄電池１０１の電圧Ｖｂａｔが低下し、リミッタ回路３０１により順方向電流ＩＦが制限されても、負荷４０１を完全に消灯させていないため、避難誘導時間を延長することができる。
ｆ リミッタ回路３０１の保護動作により、回路を停止させることが無いため、保護回路の誤動作によって負荷４０１が消灯する恐れがない。

図４は、本発明の実施の形態に係る非常用照明装置の簡略図である。蓄電池１０１の電圧を検出する入力電圧検出回路１０２が設けられている。放電基準電圧以下のある電圧で蓄電池１０１の電圧Ｖｂａｔを検出し、リミッタ回路３０１の過電流リミッタ閾値を変更することで、順方向電圧ＶＦが低下しなくても順方向電流ＩＦを制限し、流入(入力)電流を低下させてＤＣＤＣコンバータ回路２０１の回路部品への熱的ストレスを抑制する。

図５は、比較例に係る非常用照明装置の簡略図である。比較例の非常用照明装置には、入力電圧検出回路がない。この場合、出力側の電力をある程度抑制することは出来るが、定電力制御のため、蓄電池１０１の電圧Ｖｂａｔが減少すると、蓄電池１０１からの流入(入力)電流が上昇し、ＤＣＤＣコンバータ回路２０１の回路部品の発熱が増大してしまう。非常用照明装置は非常時(停電時等)に蓄電池の電圧がある閾値(放電基準電圧)に減少するまで、一定の時間以上点灯しなければならないことが技術基準で定められている。放電基準電圧まで点灯を継続できていればその後は点灯している必要はない。放電基準電圧以下における過度なＤＣＤＣコンバータ回路の動作はＤＣＤＣコンバータ回路への熱的ストレスの原因となる。

比較例では、蓄電池１０１の電圧が低下すると、出力定電力制御により蓄電池１０１からの流入(入力)電流が増加し、回路部品の発熱が増大してしまう。しかし、本発明の実施の形態に係る非常用照明装置によれば、蓄電池１０１の電圧低下を検出する入力電圧検出回路１０２を追加することで、リミッタ回路３０１の過電流リミッタ閾値を変更し蓄電池１０１からの流入(入力)電流を制限するので、発熱の増大を抑制することができる。

本発明の実施の形態に係る非常用照明装置は、その特徴を失わない範囲で様々な変形が可能である。

１０１ 蓄電池、 １０２ 入力電圧検出回路、 ２０１ ＤＣＤＣコンバータ回路、 ２０２ コントロール回路、 ３０１ リミッタ回路、 ４０１ 負荷

Claims (4)

1. 入力電圧を検知する入力電圧検出回路と、
   前記入力電圧を変圧し負荷に印加するＤＣＤＣコンバータ回路と、
   前記負荷の順方向電圧と順方向電流を検知し、前記負荷が定電力制御されるように、前記ＤＣＤＣコンバータ回路を制御するコントロール回路と、
   前記順方向電圧が予め定められた過電流リミッタ閾値以下になると、前記順方向電流の増加を抑制するリミッタ回路と、を備え、
   前記リミッタ回路は、前記入力電圧検出回路により前記入力電圧が予め定められた値まで低下したことが検知されたときに、前記過電流リミッタ閾値を高くすることを特徴とする非常用照明装置。
2. 前記入力電圧検出回路は、
   前記入力電圧を分圧する２つの第１抵抗素子と、
   前記２つの第１抵抗素子の接続点にカソードが接続されたダイオードと、を備え、
   前記ダイオードのアノードが前記リミッタ回路に接続されたことを特徴とする請求項１に記載の非常用照明装置。
3. 前記リミッタ回路は、
   ＮＰＮトランジスタと、
   前記ＮＰＮトランジスタのベースにカソードが接続されたシャントレギュレータと、
   前記ＮＰＮトランジスタのエミッタに接続された２つの第２抵抗素子と、を備え、
   前記ダイオードのアノードは前記２つの第２抵抗素子の接続点と前記シャントレギュレータのリファレンスとの接続点に接続されたことを特徴とする請求項２に記載の非常用照明装置。
4. 前記負荷に並列に接続された２つの第３抵抗素子を備え、
   前記ＮＰＮトランジスタのエミッタは、前記２つの第３抵抗素子の接続点に接続されたことを特徴とする請求項３に記載の非常用照明装置。

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