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Notlichtgerät zum Betreiben einer Lichtquelle, insbesondere einer LED - Dokument DE102006030655A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102006030655A1 25.10.2007
Titel Notlichtgerät zum Betreiben einer Lichtquelle, insbesondere einer LED
Anmelder TridonicAtco GmbH & Co. KG, Dornbirn, AT
Erfinder Rohner, Daniel, Wien, AT;
Mair, Alexander, Wien, AT
Vertreter Mitscherlich & Partner, Patent- und Rechtsanwälte, 80331 München
DE-Anmeldedatum 03.07.2006
DE-Aktenzeichen 102006030655
Offenlegungstag 25.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.10.2007
IPC-Hauptklasse H02J 9/06(2006.01)A, F, I, 20060703, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H05B 37/02(2006.01)A, L, I, 20060703, B, H, DE   
Zusammenfassung Ein Notlichtgerät (1) zum Betreiben einer Lichtquelle, insbesondere einer LED, weist eine Energiespeichereinheit (4), eine mit einer Netzversorgungsspannung (Uin) zu versorgende Ladeschaltung (3) zum Laden der Energiespeichereinheit (4) während eines Ladebetriebs, wobei die Ladeschaltung (3) eine Potentialtrennung aufweist, sowie eine während eines Notlichtbetriebs durch die Energiespeichereinheit (4) versorgte Treiberschaltung (5) zum Betreiben der Lichtquelle auf. Ferner ist eine Steuereinheit (2) vorgesehen, welche dazu ausgebildet ist, den Zustand der Netzversorgungsspannung (Uin) während des Ladebetriebs zu überwachen und bei Erkennen eines Notzustands den Notlichtbetrieb zu aktivieren, wobei die Steuereinheit (2) den Zustand der Netzversorgungsspannung (Uin) anhand von auf der Ausgangsseite der Ladeschaltung (3) gemessenen Betriebsgrößen des Notlichtgeräts (1) ermittelt.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Notlichtgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, welches zum Betreiben einer Lichtquelle, insbesondere einer LED vorgesehen ist.

Notlichtgeräte sind unerlässlich, um in größeren Gebäuden oder Komplexen Beleuchtungssysteme zu realisieren, welche auch im Falle des Ausfalls der allgemeinen Netzversorgung eine ausreichende Beleuchtung zur Verfügung stellen. Nur dann, wenn im Falle des Ausfalls der Stromversorgung oder anderen Notfällen bestimmte relevante Räumlichkeiten oder Bereiche nach wie vor ausgeleuchtet werden, können Evakuierungs- oder Hilfsmaßnahmen sicher durchgeführt werden. Dementsprechend werden derartige Notlichtgeräte insbesondere zum Ausleuchten von Fluchtwegen und dergleichen eingesetzt.

Notlichtgeräte der gattungsgemäßen Art weisen dementsprechend als zentrales Element eine Energiespeichereinheit, insbesondere eine Batterie bzw. einen Akkumulator auf, welche während eines Normal- bzw. Ladebetriebs durch die allgemeine Netzversorgungsspannung aufgeladen wird. Hierzu ist eine Ladeschaltung vorgesehen, welche eingangsseitig mit der Netzversorgungsspannung verbunden ist und während des Ladebetriebs der Energiespeichereinheit permanent Energie zuführt, welche diese speichert. Erst im Falle des Auftretens eines Notzustands, der von derartigen Geräten durch eine Überwachung der Netzversorgungsspannung üblicherweise selbständig erkannt wird, wird in einen Notlichtbetrieb gewechselt, in dem die Lichtquelle aktiviert und betrieben wird, wozu – sofern erforderlich – die von der Energiespeichereinheit zur Verfügung gestellte Energie genutzt wird. Da die Speicherkapazität der Energiespeichereinheit selbstverständlich begrenzt ist, werden vorzugsweise Lichtquellen eingesetzt, welche verhältnismäßig wenig Energie verbrauchen. Dementsprechend werden derartige Notlichtgeräte bevorzugt mit Gasentladungslampen, insbesondere Leuchtstoffröhren ausgestattet. Zunehmend finden allerdings auch Lichtquellen in Form von lichtemittierenden Halbleitern, insbesondere LEDs Verwendung, da auch diese Lichtquellen einen hohen Wirkungsgrad aufweisen und dementsprechend energiesparend eingesetzt werden können.

Die Überwachung der Netzversorgungsspannung, welche also vorgenommen wird, um rechtzeitig einen Notlichtbetrieb veranlassen zu können, erfolgt üblicherweise durch eine Steuereinheit, welche ihr zugeführte Signale auswertet und anhand dieser Signale den Zustand der Netzversorgungsspannung beurteilt. Bei bekannten Schaltungen wird hierzu in naheliegender Weise die Netzversorgungsspannung selbst gemessen. Hieraus ergibt sich dann allerdings das Problem, dass die Sensorik zum Ermitteln des Zustands der Netzversorgungsspannung auf Netzpotential liegt und von den übrigen Schaltungsbereichen des Notlichtgeräts, welche auf dem Spannungsniveau der Energiespeichereinheit oder LED liegen, galvanisch getrennt werden muss. Die hierzu erforderliche Potentialtrennung ist nicht nur teuer, sondern beansprucht darüber hinaus auch verhältnismäßig viel Platz in dem Notlichtgerät.

Der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Konzept für ein Notlichtgerät anzugeben, bei dem die vorstehend beschriebenen Nachteile vermieden sind.

Diese Aufgabe wird durch ein Notlichtgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist, dass im Gegensatz zu bekannten Lösungen die Netzversorgungsspannung nunmehr lediglich indirekt überwacht wird, um gegebenenfalls einen Notlichtbetrieb zu veranlassen. Hierzu werden lediglich Messwerte auf dem Potential der Energiespeichereinheit oder LED erfasst und auf Basis dieser Messwerte mit Hilfe von weiteren Informationen auf den Zustand der Netzversorgungsspannung zurück geschlossen.

Erfindungsgemäß wird dementsprechend ein Notlichtgerät zum Betreiben einer Lichtquelle, insbesondere einer LED vorgeschlagen, wobei das Notlichtgerät aufweist:

  • • eine Energiespeichereinheit,
  • • eine mit einer Netzversorgungsspannung zu versorgende Ladeschaltung zum Laden der Energiespeichereinheit während eines Ladebetriebs des Notlichtgeräts, wobei die Ladeschaltung eine Potentialtrennung aufweist, sowie
  • • eine während eines Notlichtbetriebs durch die Energiespeichereinheit versorgte Treiberschaltung zum Betreiben der Lichtquelle,
wobei das Gerät ferner eine Steuereinheit aufweist, welche dazu ausgebildet ist, während des Ladebetriebs den Zustand der Netzversorgungsspannung zu überwachen und bei Erkennen eines Notzustands den Notlichtbetrieb zu aktivieren.

Hierbei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Steuereinheit den Zustand der Netzversorgungsspannung anhand von auf der Ausgangsseite der Ladeschaltung gemessenen Betriebsgrößen des Notlichtgeräts ermittelt.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist sichergestellt, dass ein sich auf die Spannungsversorgung auswirkender Notzustand nach wie vor zuverlässig erkannt werden und dementsprechend ein Notlichtbetrieb eingeleitet werden kann. Gleichzeitig aber entfällt die erforderliche galvanische Trennung zwischen den Mitteln zur Überwachung der Netzversorgungsspannung und den weiteren Komponenten des Notlichtgeräts, so dass das Gerät insgesamt gesehen kostengünstiger und kompakter realisiert werden kann.

Vorzugsweise weist die Ladeschaltung einen steuerbaren Schalter sowie einen Transformator auf, wobei die Ladeschaltung insbesondere durch einen sogenannten Flyback-Konverter gebildet sein kann. Der steuerbare Schalter wird durch die Steuereinheit des Notlichtgeräts angesteuert, wobei hier die Ansteuerung insbesondere über einen Optokoppler erfolgen kann.

Der Zustand der Netzversorgungsspannung wird nunmehr insbesondere unter Berücksichtigung des von der Steuereinheit gewählten Duty-Cycles zur Ansteuerung des Schalters des Flyback-Konverters bzw. der Ladeschaltung ermittelt. Ferner wird hierzu die Sekundärspannung des Flyback-Konverters bzw. bei anderen Schaltnetzteil-Topologien die Ladeleistung für die Energiespeichereinheit berücksichtigt. Diese Ladeleistung kann während des Ladebetriebs, also bei ausgeschalteter Lichtquelle, in einfacher Weise durch die Steuereinheit ermittelt werden kann, da die hierzu zu messenden Werte, nämlich Spannung und Strom der Energiespeicherschaltung sich auf das gleiche Basispotential beziehen, auf dem auch die weiteren Komponenten des Notlichtgeräts liegen. Gleiches gilt auch für die im Falle der Verwendung des Flyback-Konverters zu messende Sekundärspannung. In beiden Fällen kann also die beim Stand der Technik erforderliche galvanische Trennung zwischen den Messeinrichtungen und der Steuereinheit entfallen.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf die Maßnahmen zum Betreiben der Lichtquelle, insbesondere der LED während des Notlichtbetriebs. Hierzu ist die Treiberschaltung vorzugsweise als Schaltregler ausgebildet und weist dementsprechend einen weiteren steuerbaren Schalter auf, welcher wiederum durch die Steuereinheit angesteuert wird. Die Ansteuerung der Schalters ist dabei derart, dass die Lichtquelle unabhängig vom Ladezustand der Energiespeichereinheit mit einer konstanten Leistung oder konstantem Strom betrieben werden kann. Diese Maßnahme ist von besonderer Bedeutung, da die Leistung der Energiespeichereinheit selbstverständlich im Laufe der Zeit sinkt, was sich allerdings nicht auf die Lichtintensität des Notlichtgeräts auswirken sollte.

Im Falle der Nutzung einer LED als Lichtquelle wäre es dementsprechend wiederum naheliegend, den Diodenstrom selbst, der die Lichtleistung bestimmt, zu erfassen, um die angestrebte Leistungsregelung zu ermöglichen. Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist allerdings vorgesehen, dass die Messung des Diodenstroms entfällt und stattdessen der Strom bzw. die Leistung der Lichtquelle anhand anderer Parameter indirekt gemessen bzw. abgeschätzt wird. Insbesondere wird vorzugsweise lediglich die an der Lichtquelle anliegende Spannung ermittelt und dann der Diodenstrom aus weiteren Informationen abgeleitet, wobei hierbei insbesondere die Verlustleistung der Treiberschaltung berücksichtigt wird. Mittels zuvor bestimmter und in der Steuereinheit hinterlegter Abgleichtabellen kann dann ohne eine direkte Messung des Diodenstroms die Leistung der Lichtquelle bestimmt werden, so dass eine nahezu konstante Lichtleistung durch die Steuereinheit eingestellt werden kann. Die Regelung der Lichtleistung erfolgt hierbei insbesondere durch eine entsprechende Taktung des steuerbaren Schalters der Treiberschaltung, da auf diesem Wege in sehr einfacher und eleganter Weise die Leistung, mit der die Lichtquelle betrieben wird, eingestellt werden kann.

Diese besondere Maßnahme zum Betreiben der Lichtquelle bei einer nahezu konstanten Leistung, wobei auf eine direkte Messung des Stroms verzichtet wird, kann im Übrigen auch unabhängig von dem eingangs beschriebenen erfindungsgemäßen Gedanken der indirekten Überwachung der Netzversorgung genutzt werden. Dementsprechend ist dieser Gedanke auch Gegenstand eines weiteren unabhängigen Anspruchs.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

1 schematisch das Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Notlichtgeräts;

2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Notlichtgeräts;

3 eine Grafik zur Ermittlung der Netzversorgungsspannung auf Basis von an der Ausgangsseite der Ladeschaltung gemessenen Betriebsparametern und

4 eine weitere Grafik zur Ermittlung der Sekundärleistung der Ladeschaltung, welche zur indirekten Bestimmung der Lichtquellenleistung berücksichtigt wird.

Das in 1 in vereinfachter Weise dargestellte und allgemein mit dem Bezugszeichen 1 versehene erfindungsgemäße Notlichtgerät ist im dargestellten Ausführungsbeispiel zum Betreiben einer LED als Notlichtquelle vorgesehen. Das Notlichtgerät 1 ist eingangsseitig an ein Stromversorgungsnetz angeschlossen, welches eine Netzversorgungsspannung Uin zur Verfügung stellt, und weist als wesentliche Komponenten eine Steuereinheit 2, eine Ladeschaltung 3, eine Energiespeichereinheit 4 in Form einer Batterie bzw. eines Akkumulators sowie eine Treiberschaltung 5 auf. Die Ladeschaltung 3 ist im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel durch einen sog. Flyback-Konverter gebildet, der einerseits einen Transformator T mit einer Primärwicklung n1 und einer Sekundärwicklung n2 sowie andererseits einen steuerbaren Schalter S1 aufweist. In bekannter Weise kann durch ein entsprechendes abwechselndes Öffnen und Schließen des Schalter S1 die von der Netzversorgungsspannung Uin zur Verfügung gestellte Energie auf die Sekundärseite des Flyback-Konverters 3 übertragen und zum Aufladen der Energiespeichereinheit 4 genutzt werden. Die Energieübertragung findet dabei im geöffneten Zustand des Schalters S1 statt, wobei hierzu auf der Ausgangsseite des Flyback-Konverters 3 ferner eine Diode D1 vorgesehen ist. Derartige Flyback-Schaltungen finden aufgrund ihres einfachen Aufbaus und ihrer zuverlässigen Funktion in derartigen Notlichtgeräten vielfach Verwendung.

Die Ansteuerung des steuerbaren Schalters S1 erfolgt durch die Steuereinheit 2 des Notlichtgeräts, wobei die Ansteuerung insbesondere galvanisch getrennt über einen Optokoppler 6 erfolgt. Die Steuereinheit 2 steuert hierbei den Schalter S1 alternierend an, wobei sich der sog. Duty-Cycle D1 für den Schaltbetrieb des Schalters S1 wie folgt berechnet: D1 = ton1/(T – ton1) ton1 entspricht hierbei der Einschaltzeit des Schalters, während T die Gesamtdauer eines vollständigen Schaltzyklus für den Schalter S1 bezeichnet.

Denkbar ist auch, dass es sich bei der Ansteuerung von S1 um einen ,Freischwinger' handelt und über den Duty-cycle vom Optokoppler 6 die Eigenfrequenz des ,Freischwinger' beeinflusst wird.

Während eines Ladebetriebs des Notlichtgeräts 1 ist üblicherweise ausschließlich die Ladeschaltung 3 aktiv, um die Batterie 4 dauerhaft aufzuladen. Erst für den Fall, dass ein Notzustand vorliegt, der insbesondere durch Abweichungen in der Netzversorgungsspannung Uin von vorbestimmten Soll-Werten gekennzeichnet ist, wird ein Notlichtbetrieb eingeleitet, in dem die Treiberschaltung 5 dazu genutzt wird, die LED anzusteuern. Die als Schaltregler ausgebildete Treiberschaltung 5 weist hierzu einen weiteren steuerbaren Schalter S2, eine Induktivität L sowie eine Diode D2 auf. Durch alternierendes Ansteuern des Schalters S2 durch die Steuereinheit 2 wird auf diese Weise der LED ein Strom zur Verfügung gestellt, über welchen diese betrieben wird. Das Tastverhältnis, mit dem der Schalter S2 durch die Steuereinheit 2 angesteuert wird, kann dabei variiert werden, um die Höhe des der LED zugeführten Stroms und damit die Leistung, bei welcher die LED betrieben wird, einzustellen. Auf diese Weise kann in sehr eleganter Weise sichergestellt werden, dass auch bei schwankender Batterieleistung die LED trotz allem mit gleichbleibender Helligkeit betrieben wird.

Eine erste wesentliche Funktion des Notlichtgeräts 1 besteht also darin, durch Beurteilung der Netzversorgungsspannung Uin zu erkennen, ob ein Notzustand vorliegt, um ggf. einen Notlichtbetrieb zu veranlassen. Bislang war es bekannt, hierzu unmittelbar den Wert der Eingangsspannung Uin für die Ladeschaltung 3 zu bestimmen, was allerdings aus den zuvor genannten Gründen mit Nachteilen verbunden ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird deshalb nunmehr auf eine direkte Messung der Netzversorgungsspannung Uin verzichtet. Stattdessen ist vorgesehen, diese auf indirektem Wege zu ermitteln. Insbesondere ist vorgesehen, das lediglich Größen von Betriebsparametern des Notlichtgeräts 1 auf der Sekundärseite der Ladeschaltung 3 gemessen werden.

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 wird hierzu die auf der Sekundärseite des Sperrwandlers bzw. Flyback-Konverters 3 anliegende Spannung Uflb2 gemessen, wozu insbesondere keine galvanische Trennung erforderlich ist, da diese Größe auf dem gleichen Bezugspotential liegt, wie die Steuereinheit 2, welchen den Messwert auswertet. Ist nun die Höhe dieser Sekundärspannung Uflb2 bekannt, so kann ausgehend hiervon auf die Höhe der Eingangsspannung Uin zurückgeschlossen werden. Bei eingeschaltetem Schalter S1 des Flyback-Konverters 3 besteht nämlich ein Zusammenhang zwischen Eingangsspannung Uin und Sekundärspannung Uflb2, der insbesondere von dem Wicklungsverhältnis zwischen den beiden Wicklungen n1 und n2 des Transformators T sowie von dem Duty-Cycle des Schalters D1 abhängig ist. Dieser Zusammenhang zwischen der einfach zu messenden Sekundärspannung Uflb2 und der zu überwachenden Eingangsspannung Uin ist nunmehr in Form einer Wertetabelle in der Steuereinheit 2 hinterlegt, so dass diese nach Messung der Sekundärspannung Uflb2 in einfacher Weise die Höhe der Eingangsspannung Uin bestimmen kann, ohne diese direkt messen zu müssen. Stellt nun die Steuereinheit 2 fest, dass die ermittelte Eingangsspannung Uin außerhalb bestimmter Sollwert-Bereiche liegt, so deutet dies auf einen Notzustand hin, was die Steuereinheit 2 wiederum dazu veranlassen wird, einen Notbetrieb einzuleiten.

Die beschriebene Lösung ermöglicht also eine sehr einfache aber effektive Überwachung des Zustands der allgemeinen Stromversorgung. Ferner besteht ein besonderer Vorteil des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels darin, dass die Höhe der Eingangsspannung Uin unabhängig davon bestimmt werden kann, ob die Notlicht-LED eingeschaltet ist oder nicht. Die Diode D1 bewirkt nämlich durch ihre Sperrwirkung eine Trennung zwischen Sekundärspannung Uflb2 und Batteriespannung UBat, so dass sich die Tätigkeit der Treiberschaltung 3 nicht auf den vorbeschriebenen Vorgang der Bestimmung der Eingangsspannung Uin auswirkt.

Ein zweites, etwas allgemeineres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Notlichtgeräts ist in 2 dargestellt. Dieses entspricht in seinem Aufbau im Wesentlichen dem in 1 gezeigten Notlichtgerät 1, allerdings ist nunmehr die Ladeschaltung 3 nicht durch einen Flyback-Konverter sondern generell durch eine Schaltungsanordnung gebildet, welche eine Potentialtrennung sowie einen wiederum durch die Steuereinheit 2 angesteuerten Schalter S1 aufweist.

Bei dieser allgemeineren Ausführungsform besteht nicht zwangläufig ein bekannter Zusammenhang zwischen der Eingangsspannung Uin und der Spannung auf der Ausgangsseite der Ladeschaltung 3. Dennoch kann auch hier die Höhe der Eingangsspannung Uin auf indirektem Wege bestimmt werden, wobei hierzu nunmehr allerdings andere Betriebsgrößen gemessen werden.

Es handelt sich hierbei einerseits um die Batteriespannung Ubat sowie andererseits um den Batteriestrom Ibat. Beide Größen können wiederum verhältnismäßig einfach, also ohne galvanische Trennung bestimmt werden, da sie wiederum ebenso wie die Steuereinheit 2, welche diese Messgrößen auswertet, auf dem gleichen Bezugspotential liegen.

Auf Basis dieser beiden Messgrößen Ubat und Ibat sowie des bekannten Duty-Cycles D1 für den Schalter S1 der Ladeschaltung 3 kann dann die Eingangsspannung Uin bestimmt werden, da diese mit den drei bekannten Größen in einer Beziehung steht. Dies verdeutlicht die Grafik von 3, welche unterschiedliche Kennlinien der Sekundärleistung Pflb2 der Ladeschaltung 3 in Abhängigkeit von dem Duty-Cycle D1 für den Schalter S1 zeigt. Diese Kennlinien werden beispielsweise bei der Herstellung des Notlichtgeräts ermittelt und wiederum in Form einer Tabelle in der Steuereinheit 2 hinterlegt. Es ist erkennbar, dass diese Kennlinien insbesondere auch von der Eingangsspannung Uin abhängig sind. Sind nunmehr also der Duty-Cycle D1 sowie die Sekundärleistung Pflb2 der Ladeschaltung 3 bekannt, so kann ebenso wie bei dem Beispiel von 1 auf die Höhe der Eingangsspannung Uin zurück geschlossen werden.

Im dargestellten Beispiel von 3 wird also ermittelt, mit welcher Kennlinie die bekannte Kombination aus Duty-Cycle D1 und Sekundärleistung Pflb2 der Ladeschaltung 3, welche bei deaktivierter Treiberschaltung 5 dem Produkt aus Batteriespannung Ubat und Batteriestrom Ibat entspricht, übereinstimmt. Bei den dargestellten Messwerten beispielsweise liegt dieser Wert auf der Kennlinie für eine Eingangsspannung Uin von 220 Volt, was einem ordnungsgemäßen Zustand der allgemeinen Netzversorgung entspricht. Würde allerdings der ermittelte Wert auf einer Kennlinie liegen, die beispielsweise einer Eingangsspannung Uin von 140 Volt oder 280 Volt entspricht, so würde dies die Steuereinheit 2 wiederum dahingehend interpretieren, dass ein Fehler in der Netzversorgung vorliegt und dementsprechend einen Notzustand einleiten.

In beiden gezeigten Ausführungsbeispielen kann also zuverlässig und ohne das Erfordernis einer direkten Messung der Eingangsspannung Uin festgestellt werden, ob die Netzversorgung in Ordnung ist oder nicht. Eine Einschränkung bei dem Beispiel von 2 besteht allerdings darin, dass die beschriebene Bestimmung der Eingangsspannung Uin nur im ausgeschalteten Zustand der Treiberschaltung 5 möglich ist. Bei dem Beispiel von 1 hingegen besteht diese Einschränkung – wie bereits erwähnt – nicht. Grundsätzlich allerdings wird die Steuereinheit 2 im Falle des Erkennens eines Fehlers eine Aktivierung der Treiberschaltung 5 und dementsprechend ein Einschalten der LED veranlassen.

Nach Aktivieren der Treiberschaltung 5 kann dann in der zuvor beschriebenen Weise der Schalter S2 hochfrequent angesteuert werden, um die LED mit einer gewünschten Leistung zu betreiben. Um in diesem Fall sicherzustellen, dass die Leistung der LED konstant ist, wäre es erforderlich, sowohl die LED-Spannung Uled als auch den LED-Strom Iled zu kennen, um eine Regelung zu ermöglichen. Gemäß einer besonderes vorteilhaften Weiterbildung wird allerdings lediglich die LED-Spannung Uled gemessen und der Strom Iled bzw. die sich damit ergebende Leistung Pled durch die Steuereinheit 2 indirekt ermittelt, was nachfolgend näher erläutert werden soll.

Um den Diodenstrom Iled indirekt bestimmen zu können, werden nunmehr zumindest die Größen Batteriespannung Ubat, Batteriestrom Ibat und – Falle des Beispiels von 1 – Sekundärspannung Uflb2 sowie zusätzlich die LED-Spannung Uled gemessen. Hieraus können dann die weiteren Informationen, welche zur Regelung des LED-Stroms Iled benötigt werden, berechnet werden, wozu allerdings noch weitere Informationen erforderlich sind, welche nicht durch Istwert-Messungen erfasst werden, sondern als Wertetabellen in der Steuereinheit 2 hinterlegt sind.

Die erste Wertetabelle ist die bereits oben erwähnte Information hinsichtlich des Zusammenhangs zwischen Duty-Cycle D1, Sekundärspannung Uflb2 und Eingangsspannung Uin bei dem Beispiels von 1 bzw. zwischen Duty-Cycle D1, Batteriespannung Ubat, Batteriestrom Ibat und Eingangsspannung Uin bei dem allgemeineren Beispiel von 2. Ferner muss zum Ermitteln des Diodenstroms auch die Verlustleistung Plost der Treiberschaltung 5 bekannt sein, welche von der Differenz zwischen der gemessenen LED-Spannung Uled und der ebenfalls gemessenen Batteriespannung Ubat abhängig ist, so dass gilt: Plost = ⨍(Uled – Ubat)

Die dritte benötigte Information schließlich ist die im Falle einer aktivierten Treiberschaltung vorliegende Sekundärleistung Pflb2 der Ladeschaltung 3, welche eine Funktion des Duty-Cycles D1, der Eingangsspannung Uin sowie der Batteriespannung Ubat ist. Der Zusammenhang zwischen diesen Größen ist in 4 dargestellt, wobei erkennbar ist, dass die Sekundärleistung Pflb2 der Ladeschaltung 3 primär von der Eingangsspannung Uin und dem Duty-Cycle D1 für den Schalter S1 abhängig ist, darüber hinaus allerdings auch noch auf Grund der Batteriespannung Ubat variieren kann.

Ist nun aufgrund der zuvor beschriebenen Maßnahmen die Eingangsspannung Uin (ggf. bei dem Beispiel von 2 zunächst bei abgeschalteter Treiberschaltung 5) ermittelt worden, so kann anhand des Zusammenhangs in 4 auch bei aktivierter Treiberschaltung 5 die Sekundärleistung Pflb2 der Ladeschaltung 3 ermittelt werden. Bekannt sind dann also die gemessenen Größen Batteriespannung Ubat, Batteriestrom Ibat, ggf. Sekundärspannung Uflb2 und LED-Spannung Uled, der durch die Steuereinheit vorgegebene Duty-Cycle D1 für den Schalter S1, sowie die anhand der hinterlegten Wertetabellen bestimmten weiteren Größen Eingangsspannung Uin, Sekundärleistung Pflb2 der Ladeschaltung 3 sowie Verlustleistung Plost der Treiberschaltung 5.

Die Kenntnis dieser Größen wiederum ermöglicht gemäß dem folgenden Zusammenhang zunächst die Bestimmung des Stroms Iflb2 auf der Sekundärseite der Ladeschaltung 3: Iflb2 = Pflb2/Ubat

Schließlich können auch der LED-Strom Iled und die LED-Leistung Pled nach folgenden Gleichungen berechnet werden: Iled = (Pflb2 – Ubat·Ibat – Plost)/UledPled = Pflb2 – Ubat·Ibat – Plost

Beide Gleichungen gelten für den Fall, dass die Ladeschaltung 3 nach wie vor aktiv ist, also zumindest noch eine gewisse Stromversorgung zur Verfügung steht. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn ein Notlichtbetrieb anderweitig veranlasst wurde. Für den Fall hingegen, dass die Stromversorgung vollständig ausfällt und der Notlichtbetrieb ausschließlich durch die Batterie aufrechterhalten wird, gelten die vereinfachten Gleichungen: Iled = (Ubat·Ibat – Plost)/Uled Pled = Ubat·Ibat – Plost

Letztendlich können also der aktuelle Ist-Wert des LED-Stroms Iled sowie die aktuelle Leistung Pled auf indirektem Wege ermittelt und zur Regelung genutzt werden. Die entsprechenden Berechnungen werden durch die Steuereinheit 2 durchgeführt.

Der Vorteil dieser indirekten Bestimmungen der zur Regelung erforderlichen Istwerte besteht darin, dass auf eine Messung eines zusätzlichen Betriebsparameters des Notlichtgeräts verzichtet werden kann, was wiederum zu einer weiteren Vereinfachung des Geräts insgesamt führt. Da hierbei ohnehin zum Teil auf bereits zur Bestimmung der Eingangsspannung ermittelte bzw. gemessene Parameter zurückgegriffen werden kann, stellt diese indirekte Bestimmung des LED-Stroms also eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des eingangs beschriebenen Gedankens der indirekten Bestimmung der Eingangspannung dar. Allerdings könnte eine entsprechende indirekte Strom- und Leistungsbestimmung für die Lichtquelle auch bei anderen Geräten zum Einsatz kommen, bei denen der erste erfindungsgemäße Gedanke nicht verwirklicht ist. Beispielsweise ist diese Vorgehensweise u.a. bei Notlichtgeräten sinnvoll, bei denen ein Notzustand alternativ oder ergänzend zur Überwachung der Stromversorgung auch anderweitig signalisiert werden kann. So könnte bei dem erfindungsgemäßen Notlichtgerät beispielsweise auch über einen separaten Steuereingang ein Notsignal z.B. von einem Feuermelder oder einer anderen Steuereinrichtung übermittelt werden, um durch ein externes Signal einen Notlichtbetrieb zu veranlassen.

Eine andere Weiterbildung schließlich betrifft die zuvor erwähnten und in der Steuereinheit hinterlegten Wertetabellen, welche zur indirekten Bestimmung der Eingangsspannung und des Dioden-Stroms erforderlich sind. Wie bereits erwähnt wurde, können diese Wertetabellen bereits bei der Herstellung des Notlichtgeräts in der Steuereinheit gespeichert werden. Alternativ oder ergänzend hierzu wäre es allerdings auch denkbar, diese Informationen nachträglich einzuschreiben bzw. zu einem späteren Zeitpunkt zu aktualisieren. Hierfür könnte z.B. ein in dem Notlichtgerät vorgesehenes digitales Interface genutzt werden, welches üblicherweise zur Fehlersignalisierung und Überwachung genutzt wird. Mit Hilfe dieses Interfaces könnten nunmehr unter Nutzung eines erweiterten Befehlssatzes neue Wertetabellen in die Steuereinheit eingeschrieben werden. Dieses nachträgliche Einschreiben neuer Informationen ist beispielsweise sinnvoll, um neue Soll- bzw. Tolleranzwerte für die Eingangsspannung vorzugeben oder auch die Informationen zur Ermittlung der nicht direkt gemessenen Größen an die angeschlossene Batterie anzupassen. Hierdurch kann also das Notlichtgerät hinsichtlich seines Verhaltens jederzeit an neue Umstände angepasst werden.

Insgesamt gesehen wird somit durch die vorliegende Erfindung ein neuartiges Notlichtgerät bereitgestellt, welches sich durch seinen einfachen und kostengünstig zu realisierenden Aufbau auszeichnet und trotz allem in zuverlässiger Weise die Feststellung eines Notfalles durch Überwachung der allgemeinen Netzversorgung ermöglicht. Darüber hinaus ist durch die vorteilhafte Regelung des Diodenstroms eine konstante Lichtabgabe über die Dauer eines Notbetriebs hinweg sichergestellt.


Anspruch[de]
Notlichtgerät (1) zum Betreiben einer Lichtquelle, insbesondere einer LED, wobei das Notlichtgerät (1) aufweist:

• eine Energiespeichereinheit (4),

• eine mit einer Netzversorgungsspannung (Uin) zu versorgende Ladeschaltung (3) zum Laden der Energiespeichereinheit (4) während eines Ladebetriebs, wobei die Ladeschaltung (3) eine Potentialtrennung aufweist, sowie

• eine während eines Notlichtbetriebs durch die Energiespeichereinheit (4) versorgte Treiberschaltung (5) zum Betreiben der Lichtquelle,

wobei das Gerät (1) ferner eine Steuereinheit (2) aufweist, welche dazu ausgebildet ist, den Zustand der Netzversorgungsspannung (Uin) während des Ladebetriebs zu überwachen und bei Erkennen eines Notzustands den Notlichtbetrieb zu aktivieren,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Steuereinheit (2) den Zustand der Netzversorgungsspannung (Uin) anhand von auf der Ausgangsseite der Ladeschaltung (3) gemessenen Betriebsgrößen des Notlichtgeräts (1) ermittelt.
Notlichtgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeschaltung (3) einen steuerbaren Schalter (S1) aufweist, welcher durch die Steuereinheit (2) angesteuert wird. Notlichtgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung des Schalters (S1) über einen Optokoppler (6) erfolgt. Notlichtgerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeschaltung (2) einen Transformator (T) aufweist. Notlichtgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeschaltung (3) durch einen Flyback-Konverter gebildet ist. Notlichtgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) den Zustand der Netzversorgungsspannung (Uin) unter Berücksichtigung eines Duty-Cycles (D1) zur Ansteuerung des Schalters (S1) sowie der gemessenen Sekundärspannung (Uflb2) des Flyback-Konverters ermittelt. Notlichtgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) den Zustand der Netzversorgungsspannung (Uin) unter Berücksichtigung eines Duty-Cycles (D1) zur Ansteuerung des Schalters (S1) sowie der Ladeleistung (Pflb2) für die Energiespeichereinheit (4) ermittelt. Notlichtgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) die Ladeleistung (Pflb2) für die Energiespeichereinheit (4) durch Messung des durch die Energiespeichereinheit (4) fließenden Stroms (Ibat) sowie der daran anliegenden Spannung (Ubat) bestimmt. Notlichtgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) die Netzversorgungsspannung (Uin) durch Vergleich bekannter bzw. gemessener Betriebsgrößen mit einer in der Steuereinheit (2) hinterlegten Wertetabelle bestimmt. Notlichtgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltung (5) als Schaltregler ausgebildet ist und einen durch die Steuereinheit (2) angesteuerten steuerbaren Schalter (S2) aufweist. Notlichtgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) die Treiberschaltung (5) derart ansteuert, dass die Lichtquelle unabhängig vom Ladezustand der Energiespeichereinheit (4) mit einer konstanten Leistung (Pled) oder konstantem Strom (Iled) betrieben wird. Notlichtgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) die Höhe des der Lichtquelle zugeführten Stroms (Iled) indirekt ermittelt. Notlichtgerät zum Betreiben einer Lichtquelle, insbesondere einer LED, wobei das Notlichtgerät (1) aufweist:

• eine Energiespeichereinheit (4) sowie

• eine während eines Notlichtbetriebs durch die Energiespeichereinheit (4) versorgte Treiberschaltung (5) zum Betreiben der Lichtquelle,

wobei das Gerät (1) ferner eine Steuereinheit (2) aufweist, welche die Treiberschaltung (5) derart ansteuert, dass die Lichtquelle unabhängig vom Ladezustand der Energiespeichereinheit (4) mit einer konstanten Leistung (Pled) oder konstantem Strom (Iled) betrieben wird.

dadurch gekennzeichnet,

dass die Steuereinheit (2) zur Regelung der Leistung (Pled) die Höhe des der Lichtquelle zugeführten Stroms (Iled) indirekt ermittelt.
Notlichtgerät nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) die Höhe des der Lichtquelle zugeführten Stroms (Iled) anhand der an der Lichtquelle anliegenden Spannung (Uled) berechnet. Notlichtgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) bei der Berechnung des der Lichtquelle zugeführten Stroms (Iled) die Verlustleistung (Plost) der Treiberschaltung (5) berücksichtigt. Notlichtgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Verlustleistung (Plost) der Treiberschaltung (5) durch Vergleich gemessener Betriebsgrößen des Notlichtgeräts (1) mit einer in der Steuereinheit (2) hinterlegten Wertetabelle erfolgt. Notlichtgerät nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) bei der Berechnung des der Lichtquelle zugeführten Stroms (Iled) ferner die Sekundärleistung (Pflb2) der bzw. einer Ladeschaltung (3) für die Energiespeichereinheit (4) berücksichtigt. Notlichtgerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Sekundärleistung (Pflb2) der Ladeschaltung (3) durch Vergleich gemessener Betriebsgrößen des Notlichtgeräts (1) mit einer weiteren in der Steuereinheit (2) hinterlegten Wertetabelle erfolgt. Notlichtgerät nach einem der Ansprüche 9, 16 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein Interface zum Empfangen externer Informationen zur Programmierung und/oder Aktualisierung der in der Steuereinheit (2) hinterlegten Wertetabelle(n) aufweist.






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