【００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、近年の半導体素子あるいは集積回路が低電圧でしかも小電流で動作するようになっていることから、交流電圧の供給を受けて低電圧に変換するための小型・軽量でしかも変換効率と力率が良く、低コストな小容量電源装置を実現するためのものである。
【００２】
【従来の技術】
図８は、従来の発光ダイオードを交流電圧で点灯するための構成図であり、１、２は交流電圧の接続端子、５はコンデンサ、２４ａ、２４ｂ、−−２４ｎは発光ダイオード、１０は整流用ダイオードである。
従来の構成図は、例えば、特開平０７−２７３３７１に記載された発光ダイオード駆動回路によるものであり、交流電圧の接続端子１と２との間に１００Ｖの交流電圧を印加し、コンデンサ５により発光ダイオード２４ａ、２４ｂ、−−２４ｎに流れる電流を制限する。整流用ダイオード１０は交流電圧を整流して発光ダイオード２４ａ、２４ｂ、−−２４ｎに直流電圧を印加するためのものである。従来の構成図は以上のように構成されているため、交流電圧のＯＮ／ＯＦＦや瞬断した時や雷サージなどが混入した時に発光ダイオードに過大な電流が流れあるいは過大な電圧が印加され、当該発光ダイオードが破損してしまうという重大な問題を抱えている。この問題は、コンデンサが電圧の急激な変化に対して短絡状態になるために起こることを実験で確かめている。すなわち、正の反サイクルでコンデンサが充電され、正の電圧の頂点で切り離され、負の頂点で再び接続されると発光ダイオードには交流電圧の２倍の電圧が印加されるめである。
また、交流電圧のＯＮ／ＯＦＦのタイミングによってはコンデンサ５に高電圧が帯電する場合があるため人体に危険な状態が生じ、また、コンデンサ５により電流を制限しているため電圧の変換効率は良いが、交流電圧に対する負荷力率が悪く電力供給に対して阻害要因となる等の問題点もあることが指摘されている。
上記の他に、交流電圧を直接整流して１１４Ｖの直流電圧を得てこれに直列に５〜６ＫΩの固定抵抗器と発光ダイオードを接続し電流を２０ｍＡ程度に制限する方法が採られているが、この場合、発光ダイオードに印加される電圧は２Ｖ程度であるため電力効率は０．０４Ｗ／２Ｗ＝２％と極端に低い値となる。
【００３】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる小容量電源装置は、電力損失の少ないコンデンサあるいはリアクタを用いて電流を制限する場合に、過電圧制限素子あるいは過電圧制限回路を接続しあるいは第二のコンデンサを挿入して交流電圧を分圧しあるいはこれらの組合せにより出力端子間に生じる過大な電圧を制限する手段を採用しており、小型化と低コスト化、および電力効率と力率を飛躍的に改善できるメリットがある。
【００４】
【作用】
この発明において、
請求項の第１項では、突入電流を制限するためのリアクタと電流を制限するためのコンデンサと過度な電圧を制限するための電圧制限素子を直列に接続することで、負荷に供給する電流と電圧を制限する。
請求項の第２項では、第二のコンデンサを接続して分圧することで負荷に供給される電圧を制限する。
請求項の第３項では、上記の他に、整流回路を介して第三のコンデンサを接続し、当該第三のコンデンサの端子間の電圧を出力端子に接続する。
請求項の第４項では、当該第一のコンデンサと第二のコンデンサが複数個設けられ、当該個別の第二のコンデンサの端子間に整流用ダイオードが接続され、当該複数の第二のコンデンサ間に出力端子が接続される。
請求項の第５項では、コンデンサに突入電流を制限するための固定抵抗器あるいはリアクタを接続し、コンデンサに蓄電した電荷を放電するための放電手段を接続する。
請求項の第６項では、当該複数のコンデンサが高誘電率の絶縁体を用いて積層コンデンサとして構成され、当該積層コンデンサをベースとして他の電気部品と共にハイブリッド回路に組立られ、当該ハイブリッド回路を樹脂製のケースに収納し、リード線あるいはプラグあるいは口金あるいは着脱可能な手段で交流電圧に接続する。
請求項の第７項では、負荷が交流の場合は１２Ｖ以下、直流の場合は±１２Ｖ以下の低電圧で動作する。
請求項の第８項では、負荷が発光ダイオードである。
請求項の第９項では、負荷が当該交流電圧に重畳され当該リアクタの両端に誘起する制御信号を受信して内部あるいは外部の装置を制御する。
請求項の第１０項では、電流を制限するコンデンサあるいは交流電圧を分圧するコンデンサがリアクタあるいはトランスとコンデンサあるいはリアクタとの組みあわせである。
【００５】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図１に従って説明する。図１において、１、２は交流電圧の入力端子、３、４は交流電圧の出力端子、５はコンデンサ、６はリアクタ、７は放電のための固定抵抗器、８は電圧制限素子である。
交流電圧の入力端子１と２の間に１００Ｖの交流電圧を印加すると、リアクタ６とコンデンサ５および電圧制限素子８を通じて交流電流が流れ、交流の出力端子３と４の間に例えば２Ｖ程度の低圧電圧が出力される。
交流電圧を入力端子１と２の間に印加すると、当該交流電圧のサイクルによってはいきなり高電圧が印加され、コンデンサ５が短絡状態となることから過度な突入電流が流れ、出力端子間に過大な電圧が出力される場合がある。過度な電量を防止するためリアクタ６が接続され、過大な電圧を防止するため電圧制限素子８が接続される。
また、遮断される交流電圧のサイクルによってはコンデンサ５に電荷が蓄積され帯電状態となる場合があるので、放電のための固定抵抗器７が接続される。
コンデンサ５の容量値は、負荷のに流れる最大電流をＩとし、交流入力電圧を１００Ｖ、交流出力電圧を２Ｖとすると、Ｃ＝Ｉ／（９８×ｊω）で近似される。例えば、電流を１０ｍＡに制限する場合にはＣ＝０．３μＦとなり、高耐圧のセラミックコンデンサを用いても４ｍｍ×３ｍｍ程度で小型化が可能となり、小型のケース内に収納できる大きさとなる。
ここで、従来のように抵抗器を用いて電流制限をした場合と電力効率を比較してみると、固定抵抗器だけで電流を制限するために１００Ｖの電圧を２Ｖまで下げると効率は２％になるのに対して、コンデンサ５で電圧を下げると効率を９８％程度まで改善することができる。
ただし、本実施例では、電圧制限素子８が動作する場合には効率が下がることと力率が悪いのが欠点として残るが、力率については、通常の家電品がトランスあるいはモーターを用いているために無効電流が遅れ電流であるのに対してコンデンサ５を用いることで進み電流となるので、家庭内の全体の交流電源に対する力率の改善には役立つことになる。
また、印加された交流電圧に当該交流電圧の周波数より高い周波数の制御信号が重畳されている場合には、当該制御信号は当該リアクタ６の両端に顕著に誘起するので、当該制御信号を受信することで、内部あるいは外部の装置を制御あるいは表示させることができる等のメリットがある。
【００６】
図２に本発明の他の実施例を示し、１、２は交流電圧の入力端子、３、４は交流電圧の出力端子、５は第一のコンデンサ、６はリアクタ、７は放電のための固定抵抗器、８は電圧制限素子、９は第二のコンデンサである。
交流電圧の入力端子１と２の間に１００Ｖの交流電圧を印加すると、リアクタ６と第一のコンデンサ５および第二のコンデンサ９と電圧制限素子８を通じて交流電流が流れ、交流の出力端子３と４の間に例えば２Ｖ程度の低圧電圧が出力される。
交流電圧を入力端子１と２の間に印加すると、当該交流電圧のサイクルによってはいきなり高電圧が印加され、第一のコンデンサ５が短絡状態となることから過度な突入電流が流れ、出力端子間に過大な電圧が出力される場合がある。過度な電量を防止するためリアクタ６が接続され、過大な電圧を防止するため第二のコンデンサ９と電圧制限素子８が接続される。
また、遮断される交流電圧のサイクルによってはコンデンサ５に電荷が蓄積され帯電状態となる場合があるので、放電のための固定抵抗器７が接続される。
第一のコンデンサ５の容量値は、負荷に流れる最大電流をＩとし、交流入力電圧を１００Ｖ、交流出力電圧を２Ｖとすると、Ｃ＝Ｉ／（９８×ｊω）で近似される。例えば、電流を１０ｍＡに制限する場合にはＣ＝０．３μＦとなり、高耐圧のセラミックコンデンサを用いても４ｍｍ×３ｍｍ程度で小型化が可能となり、小型のケース内に収納できる大きさとなる。
第二のコンデンサ９は印加した交流電圧を第一のコンデンサ５との間で分圧し、電圧の変換効率を高めるとともに負荷力率を飛躍的に高める効果がある。交流入力端子１と２から見たインピーダンスＺは、Ｚ＝（（Ｒｌ×Ｃ２）／Ｃ１）＋１／（ｊωＣ１）で表せる。ここで、Ｒｌは出力端子３と４間に接続される負荷装置の抵抗値、Ｃ１は第一のコンデンサ５の容量値、Ｃ２は第二のコンデンサ９の容量値であり、（Ｃ２×Ｒｌ）＜＜１、Ｃ１＜＜Ｃ２が成立するものとする。
ここで、交流入力電圧を１００Ｖとし交流出力電圧を２ＶとするとＣ２／Ｃ１＝５０程度となるため、リアクタ６による若干の改善と合わせて、当該出力端子３、４間に接続する負荷の力率を１００％と仮定すると、本実施例の総合力率を９０％以上にまで改善することができる。
【００７】
図３に本発明の他の実施例を示し、１、２は交流電圧の入力端子、３、４は直流電圧の出力端子、５は第一のコンデンサ、６はリアクタ、７は放電のための固定抵抗器、９は第二のコンデンサ、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄは整流用のダイオード、１１は第三のコンデンサである。
交流電圧の入力端子１と２の間に１００Ｖの交流電圧を印加すると、リアクタ６と第一のコンデンサ５および第二のコンデンサ９を通じて交流電流が流れ、第二のコンデンサ９の両端に交流電圧が生じる。第二のコンデンサの両端に接続した整流用のダイオード１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄを介して出力端子３と４に直流電圧を出力する。
交流電圧を入力端子１と２の間に印加すると、当該交流電圧のサイクルによってはいきなり高電圧が印加され、第一のコンデンサ５が短絡状態となることから過度な突入電流が流れ、出力端子間に過大な電圧が出力される場合がある。過度な電量を防止するためリアクタ６が接続され、過大な電圧を防止するため第二のコンデンサ９および第三のコンデンサが接続される。
また、遮断される交流電圧のサイクルによっては第一のコンデンサ５に電荷が蓄積され帯電状態となる場合があるので、放電のための固定抵抗器７が接続される。
第一のコンデンサ５の容量値は、負荷に流れる最大電流をＩとし、交流入力電圧を１００Ｖ、交流出力電圧を２Ｖとすると、Ｃ＝Ｉ／（９８×ｊω）で近似される。例えば、電流を１０ｍＡに制限する場合にはＣ＝０．３μＦとなり、高耐圧のセラミックコンデンサを用いても４ｍｍ×３ｍｍ程度で小型化が可能となり、小型のケース内に収納できる大きさとなる。
第二のコンデンサ９は印加した交流電圧を第一のコンデンサとの間で分圧し、電圧の変換効率を高めるとともに負荷力率を飛躍的に高める効果がある。交流入力端子１と２から見たインピーダンスＺは、Ｚ＝Ｒｌ×（Ｃ２／Ｃ１）＋１／ｊωＣ１で表せる。ここで、Ｒｌは出力端子３と４間に接続される負荷装置の抵抗値、Ｃ１は第一のコンデンサ５の容量値、Ｃ２は第二のコンデンサ９の容量値である。
ここで、交流入力電圧を１００Ｖとし交流出力電圧を２ＶとするとＣ２／Ｃ１＝５０程度となるため、リアクタ６による若干の改善と合わせて、本実施例の力率を９０％以上にまで改善することができる。また、整流ダイオード１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄから構成される整流用ダイオードで整流し第三のコンデンサ１１によって直流電圧を端子３と４の間に出力することで、交流入力電圧をＯＮ／ＯＦＦするタイミングにより生じる過渡電圧を吸収できるメリットがある。
また、当該第三のコンデンサをスーパーキャパシタンスあるいは充電可能な蓄電池に置き換えても同様な効果が得られる。
【００８】
図４に本発明の他の実施例を示し、２１は交流電圧の接続端子、２２は口金、２３は透明あるいは半透明の樹脂製のケース、２４ａ、２４ｂは発光ダイオード、５は第一のコンデンサ、６はリアクタ、７は放電用固定抵抗器、８は過電圧制限素子、９は第二のコンデンサである。
交流電圧の接続端子２１と口金２２との間に１００Ｖの交流電圧を印加すると、第一のコンデンサ５と第二のコンデンサ９により当該交流電圧が２Ｖ程度に分圧され、過電圧制限素子８により過電圧が制限されて、発光ダイオード２４ａ、２４ｂに順方向の直流電圧が交互に印加されるようになる。
なお、コンデンサ１２は交流電圧を分圧する他に、印加した交流電圧に重畳してサージ電圧がかかった時に当該サージ電圧が直接発光ダーオード４に加わるのを軽減する効果が生じる。
また、発光ダイオード２４ａ、２４ｂを組み合わせることで明るさを調節しあるいは色調の調節が可能となる。
【００９】
図５に本発明の他の実施例を示し、２１は交流電圧の接続端子、２２は口金、２３は透明あるいは半透明の樹脂製のケース、２４ａ、２４ｂは発光ダイオード、５は第一のコンデンサ、６はリアクタ、７は放電用固定抵抗器、９ａ、９ｂは第二のコンデンサ、１０ａ、１０ｂは整流用ダイオード、１１ａ、１１ｂは第三のコンデンサである。
交流電圧の接続端子２１と口金２２との間に１００Ｖの交流電圧を印加すると、第一のコンデンサ５と第二のコンデンサ９ａ、９ｂにより当該交流電圧が２．６Ｖ程度に分圧され、整流用のダイオード１４ａ、１４ｂで整流され、更に第三のコンデンサ１０ａ、１０ｂで平滑されて、発光ダイオード２４ａ、２４ｂに順方向の直流電圧が継続して印加される。
なお、第三のコンデンサ１０ａ、１０ｂは、整流した直流電圧のリップルを除くための平滑コンデンサであり、印加した交流電圧に重畳してサージ電圧がかかった時に当該サージ電圧が直接発光ダーオード２４ａ、２４ｂに加わるのを防止する他に、交流点灯の場合に生じるフリッカを防止する効果がある。
また、発光ダイオード２４ａ、２４ｂを組み合わせることで明るさを調節しあるいは色調の調節が可能となる。
【０１０】
図６に本発明の他の実施例を示し、１、２は交流電圧の入力端子、３ａ、３ｂはコンデンサの電極（出力端子を兼ねる）、２３は透明あるいは半透明の樹脂モールド、２４は発光ダイオード、５ａ、５ｂは第一のコンデンサ、６はリアクタ、７ａ、７ｂは放電用固定抵抗器、９ａ、９ｂは第二のコンデンサ、１０ａ、１０ｂは整流用ダイオード、３１は電気回路である。
図６（ａ）は本実施例の回路図であり、入力端子１と２の間にコンデンサ５ａ、９ａおよび５ｂ、９ｂが直列に接続されており交流電圧をそれぞれの容量の逆数比で分割している。コンデンサ９ａの端子間に印加される交流電圧は整流用ダイオード１０ａで整流されコンデンサ９ａの端子間に直流電圧が誘起し、同様にコンデンサ９ｂの端子間にも直流電圧が誘起する。
コンデンサ９ａと９ｂの端子間に誘起する直流電圧は極性が逆方向なので発光ダイオード２４には順方向の電流が流れ発光する。放電用の固定抵抗器７ａ、７ｂはコンデンサ５ａ、５ｂに蓄えられる電荷を放電するためのものであり、６は突入電流を抑制するためのリアクタである。
図６（ｂ）は本実施例の外観図であり、電極３ａ、３ｂと入力端子１との間でコンデンサ５ａと５ｂを構成し、電極３ａ、３ｂと入力端子２との間でコンデンサ９ａと９ｂを構成し、これらのコンデンサ５ａ、５ｂ、９ａ、９ｂが高誘電率のセラミックを利用して積層コンデンサを構成し一体となって電気回路３１を組み立てるためのベースとなっており、全体が透明あるいは半透明の樹脂モールド２３に覆われている。
図６（ｃ）は本実施例の電気回路３１の詳細図であり、入力端子１には固定抵抗器７ａと７ｂが接続されており、電極３ａには固定抵抗器７ａ、発光ダイオード２４、整流用ダイオード１０ａが接続されており、電極３ｂには固定抵抗器７ｂ、発光ダイオード２４、整流用ダイオード１０ｂが接続されており、入力端子２には整流用ダイオード１０ａと１０ｂが接続されている。
本実施例では以上のように構成されているため、コンデンサ５ａ、５ｂ、９ａ、９ｂが複合化され一体となっており、これらをベースにして電気回路３１が自動組立できることから、小型化と低コスト化が実現できるメリットがある。
なお、当該第一のコンデンサの容量が小さく突入電流が小さい場合には、突入電流を制限するためのリアクタの変わりに、リード線あるいは交流入力端子あるいは電極３ａ、３ｂに高抵抗の材料を用いることで代替しているが、突入電流が大きくなる場合には外部にリアクタを追加する必要がある。
また、絶縁体はセラミック以外の高誘電率のものを利用しても同様な効果が得られる。
また、複合コンデンサを用いる代わりに通常の積層型セラミックコンデンサを用いてプリント基板上にハイブリッド回路として組み立てることも可能である。
また、複合コンデンサを円筒状あるいは平板状あるいは角柱状に構成しても同様な効果が得られる。
また、入力端子はリード線、口金、あるいはＡＣプラグなどを用いることができる。
また、リアクタ６は、突入電流が小さい時には省略でき、コンデンサが短絡事故を起こした際に回路を切り離す役割を果たす素子に置き換えるか兼ねさせることができる。
【０１１】
図７に本発明の他の実施例を示し、１、２は交流電圧の入力端子、３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂはコンデンサの電極（出力端子を兼ねる）、２３は透明あるいは半透明の樹脂モールド、２４ａ、２４ｂは発光ダイオード、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄは第一のコンデンサ、６ａ、６ｂはリアクタ、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄは放電用固定抵抗器、９ａ、９ｂは第二のコンデンサ、１０ａ、１０ｂは整流用ダイオード、３１は電気回路である。
図７（ａ）は本実施例の回路図であり、入力端子１と２の間にコンデンサ５ａ、９ａ、５ｃ、および５ｂ、９ｂ、５ｄ、が直列に接続されており交流電圧をそれぞれの容量の逆数比で分割している。コンデンサ９ａの端子間に印加される交流電圧は整流用ダイオード１０ａで整流されコンデンサ９ａの端子間に直流電圧として誘起し、同様にコンデンサ９ｂの端子間にも直流電圧が誘起する。
コンデンサ９ａと９ｂの端子間に誘起する直流電圧は極性が逆方向なので発光ダイオード２４ａと２４ｂには順方向の電流が流れ発光する。放電用の固定抵抗器７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄはコンデンサ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄに蓄えられる電荷を放電するためのものであり、６ａ、６ｂは突入電流を抑制するためのリアクタである。
図７（ｂ）は本実施例の外観図であり、電極３ａ、３ｂと入力端子１との間でコンデンサ５ａと５ｂを構成し、電極３ａ、３ｂと入力端子２との間でコンデンサ９ａと９ｂを構成し、これらのコンデンサ５ａ、５ｂ、９ａ、９ｂが高誘電率のセラミックを利用して積層コンデンサを構成し一体となって電気回路３１を組み立てるためのベースとなっており、全体が透明あるいは半透明の樹脂モールド２３に覆われている。
図７（ｃ）は本実施例の電気回路３１の詳細図であり、入力端子１には固定抵抗器７ａと７ｂが接続されており、電極３ａには固定抵抗器７ａ、発光ダイオード２４ａ、整流用ダイオード１０ａが接続されており、電極３ｂには固定抵抗器７ｂ、発光ダイオード２４ａ、整流用ダイオード１０ｂが接続されており、電極４ａには整流用ダイオード１０ａ、固定抵抗器７ｃ、発光ダイオード２４ｂが接続されており、電極４ｂには整流用ダイオード１０ｂ、固定抵抗器７ｄ、発光ダイオード２４ｂが接続されており、入力端子２には固定抵抗器７ａと７ｂが接続されている。
本実施例では以上のように構成されているため、コンデンサ５ａ、５ｂ、９ａ、９ｂ、５ｃ、５ｄが複合化され一体となっており、これらをベースにして電気回路３１が自動組立できることから、小型化と低コスト化が実現できるメリットがある。
なお、当該第一のコンデンサの容量が小さく突入電流が小さい場合には、突入電流を制限するためのリアクタの変わりに、リード線あるいは交流入力端子あるいは電極３ａ、３ｂおよび４ａ、４ｂに高抵抗の材料を用いることで代替しているが、突入電流が大きくなる場合には外部にリアクタを追加する必要がある。
また、絶縁体はセラミック以外の高誘電率のものを利用しても同様な効果が得られる。
また、複合コンデンサを用いる代わりに通常の積層型セラミックコンデンサを用いてプリント基板上にハイブリッド回路として組み立てることも可能である。
また、複合コンデンサを円筒状あるいは平板状あるいは角柱状に構成しても同様な効果が得られる。
また、入力端子はリード線、口金、あるいはＡＣプラグなどを用いることができる。
また、リアクタ６ａ、６ｂは、いずれか一方あるいは突入電流が小さい時には両方を省略でき、コンデンサが短絡事故を起こした際に回路を切り離す役割を果たす素子に置き換えるか兼ねさせることができる。
【０１２】
以上の説明では、交流電圧の分圧にコンデンサを用いたが、２個のチョークコイルを直列に接続したもの、あるいはトランスで分圧した交流電圧を更にコンデンサあるいはリアクタを用いて分圧する等の方法でも同様な効果が得られる。
また、突入電流を抑制するためのリアクタの変わりに固定抵抗器あるいはポリスイッチあるいはバリスター等の電流制限素子を用いることもできる。
また、発光ダイオードの数あるいは色調の組合せあるいは他の発光手段との組合せあるいは整流用ダイオードとの組合せは上記実施例に限定されるものでなく、数と接続の方向、色調等色々な組合せが考えられる。
また、発光ダイオードの代わりに、印加する交流電圧より低い電圧で点灯する発光素子を用いても同様な効果が得られる。
また、上記の実施例では負荷として発光ダイオードを接続する場合について述べたが、交流電圧を給電する電線を通じて伝送する信号によって出力端子への接続をＯＮ／ＯＦＦ制御するなどの制御手段を含む装置等、小容量の電源装置として応用するすることができる。
また、サージ電圧による発光ダイオードの破損防止には、バリスタ、ゼナーダイオード、その他の過電圧防止素子が有効である。
また、近年実用化が進んでいる面実装の超小型部品を用いることで微小なプリント基板上に実装できることから、装置全体の小型化が可能である。
また、過電圧制限素子の変わりに定電圧回路を接続しても同様な効果が得られる。
【０１３】
【発明の効果】
本発明は、上記のように構成されているため、回路構成が簡単で、小型で低コストな、しかも電力効率と力率の良い小容量の電源装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。
【図２】本発明の他の実施例である。
【図３】本発明の他の実施例である。
【図４】本発明の他の実施例である。
【図５】本発明の他の実施例である。
【図６】本発明の他の実施例である。
【図７】本発明の他の実施例である。
【図８】従来の実施例を示す構成図である。
【符号の説明】
１、２ 交流電圧の入力端子
３、４ 交流あるいは直流電圧の出力端子
５、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ 第一のコンデンサ（電流制限用）
６、６ａ、６ｂ リアクタ
７、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ 放電用固定抵抗器
８ 過電圧制限素子
９、９ａ、９ｂ 第ニのコンデンサ（分圧用）
１０ａ、１０ｂ 整流用ダイオード
１１ａ、１１ｂ 第三のコンデンサ（平滑用）
２１ 交流電圧の接続端子
２２ 口金
２３ バルブあるいは樹脂ケースあるいは樹脂モールド
２４、２４ａ、２４ｂ 発光ダイオード
３１ 電気回路[0101]
[Industrial applications]
The present invention provides a small and light-weight semiconductor device or integrated circuit that is operated at a low voltage and with a small current, and is supplied with an AC voltage to convert the voltage to a low voltage. This is intended to realize a low-cost, small-capacity power supply with a good power factor.
[0092]
[Prior art]
FIG. 8 is a configuration diagram for lighting a conventional light emitting diode with an AC voltage. Reference numerals 1 and 2 denote AC voltage connection terminals, 5 denotes a capacitor, 24a, 24b, --24n denotes a light emitting diode, and 10 denotes a rectifier. It is a diode.
The conventional configuration diagram is based on, for example, a light emitting diode drive circuit described in JP-A-07-273371. An AC voltage of 100 V is applied between the AC voltage connection terminals 1 and 2, and a capacitor 5 emits light. The current flowing through the diodes 24a, 24b, -24n is limited. The rectifying diode 10 rectifies an AC voltage and applies a DC voltage to the light emitting diodes 24a, 24b, --24n. Since the conventional configuration is configured as described above, an excessive current flows or an excessive voltage is applied to the light emitting diode when the AC voltage is turned ON / OFF, when there is an instantaneous interruption, or when a lightning surge is mixed in, There is a serious problem that the light emitting diode is damaged. Experiments have shown that this problem occurs because the capacitor is short-circuited to sudden changes in voltage. That is, when the capacitor is charged in the positive anti-cycle, disconnected at the peak of the positive voltage, and connected again at the peak of the negative voltage, a voltage twice the AC voltage is applied to the light emitting diode.
Depending on the ON / OFF timing of the AC voltage, the capacitor 5 may be charged with a high voltage, which may cause a dangerous condition to the human body. In addition, since the current is limited by the capacitor 5, the voltage conversion efficiency is high. However, it has been pointed out that there is also a problem that the load power factor with respect to the AC voltage is poor and this becomes a hindrance factor to power supply.
In addition to the above, a method has been adopted in which the AC voltage is directly rectified to obtain a DC voltage of 114 V, and a fixed resistor of 5 to 6 KΩ and a light emitting diode are connected in series with the DC voltage to limit the current to about 20 mA. In this case, since the voltage applied to the light emitting diode is about 2 V, the power efficiency is an extremely low value of 0.04 W / 2 W = 2%.
[0093]
[Means for Solving the Problems]
The small-capacity power supply device according to the present invention connects an overvoltage limiting element or an overvoltage limiting circuit or inserts a second capacitor to divide an AC voltage when limiting the current using a capacitor or a reactor with small power loss. Means for limiting an excessive voltage generated between the output terminals due to compression or a combination thereof is adopted, and there are advantages that the size and cost can be reduced, and the power efficiency and the power factor can be dramatically improved.
[0093]
[Action]
In the present invention,
According to the first aspect of the present invention, the current supplied to the load is reduced by connecting in series a reactor for limiting the inrush current, a capacitor for limiting the current, and a voltage limiting element for limiting the excessive voltage. Limit the voltage.
According to the second aspect of the present invention, the voltage supplied to the load is limited by connecting and dividing the second capacitor.
In a third aspect of the present invention, in addition to the above, a third capacitor is connected via a rectifier circuit, and a voltage between the terminals of the third capacitor is connected to an output terminal.
In a fourth aspect of the present invention, a plurality of the first capacitors and a plurality of the second capacitors are provided, a rectifying diode is connected between the terminals of the individual second capacitors, and Is connected to an output terminal.
According to a fifth aspect of the present invention, a fixed resistor or a reactor for limiting an inrush current is connected to the capacitor, and discharging means for discharging the electric charge stored in the capacitor is connected.
In the sixth aspect, the plurality of capacitors are configured as a multilayer capacitor using an insulator having a high dielectric constant, and are assembled into a hybrid circuit together with other electric components based on the multilayer capacitor. And connected to an AC voltage by a lead wire, a plug, a base or detachable means.
According to the seventh aspect of the present invention, when the load is AC, the operation is performed at a low voltage of 12 V or less, and when the load is DC, the operation is performed at a low voltage of ± 12 V or less.
In claim 8, the load is a light emitting diode.
In a ninth aspect of the present invention, a load is superimposed on the AC voltage and a control signal induced at both ends of the reactor is received to control an internal or external device.
In a tenth aspect of the present invention, the capacitor for limiting the current or the capacitor for dividing the AC voltage is a combination of a reactor or a transformer and a capacitor or a reactor.
[0056]
【Example】
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 1, 1 and 2 are AC voltage input terminals, 3 and 4 are AC voltage output terminals, 5 is a capacitor, 6 is a reactor, 7 is a fixed resistor for discharging, and 8 is a voltage limiting element.
When an AC voltage of 100 V is applied between the AC voltage input terminals 1 and 2, an AC current flows through the reactor 6, the capacitor 5 and the voltage limiting element 8, and a low voltage of, for example, about 2 V is applied between the AC output terminals 3 and 4. A voltage is output.
When an AC voltage is applied between the input terminals 1 and 2, a high voltage is suddenly applied depending on the cycle of the AC voltage, and an excessive rush current flows because the capacitor 5 is short-circuited. Voltage may be output. A reactor 6 is connected to prevent an excessive amount of electricity, and a voltage limiting element 8 is connected to prevent an excessive voltage.
In addition, depending on the cycle of the AC voltage to be cut off, electric charge may be accumulated in the capacitor 5 to be in a charged state. Therefore, the fixed resistor 7 for discharging is connected.
Assuming that the maximum current flowing through the load is I, the AC input voltage is 100 V, and the AC output voltage is 2 V, the capacitance value of the capacitor 5 is approximated by C = I / (98 × jω). For example, when the current is limited to 10 mA, C = 0.3 μF, and even if a high-withstand-voltage ceramic capacitor is used, the size can be reduced to about 4 mm × 3 mm, and the size can be accommodated in a small case.
Here, when comparing the power efficiency with the case where the current is limited using a resistor as in the past, when the voltage of 100 V is reduced to 2 V in order to limit the current only with the fixed resistor, the efficiency is 2%. On the other hand, if the voltage is reduced by the capacitor 5, the efficiency can be improved to about 98%.
However, in the present embodiment, when the voltage limiting element 8 operates, the efficiency is reduced and the power factor is poor. However, as for the power factor, ordinary home appliances use a transformer or a motor. Therefore, the reactive current is a lagging current, whereas the use of the capacitor 5 results in a leading current, which is useful for improving the power factor for the entire AC power supply in the home.
When a control signal having a frequency higher than the frequency of the AC voltage is superimposed on the applied AC voltage, the control signal is remarkably induced at both ends of the reactor 6 and the control signal is received. Thus, there is an advantage that an internal or external device can be controlled or displayed.
[0086]
FIG. 2 shows another embodiment of the present invention, wherein 1 and 2 are AC voltage input terminals, 3 and 4 are AC voltage output terminals, 5 is a first capacitor, 6 is a reactor, and 7 is a discharge terminal. A fixed resistor, 8 is a voltage limiting element, and 9 is a second capacitor.
When an AC voltage of 100 V is applied between the AC voltage input terminals 1 and 2, an AC current flows through the reactor 6, the first capacitor 5, the second capacitor 9, and the voltage limiting element 8, and the AC output terminal 3 For example, a low voltage of about 2 V is output during the period 4.
When an AC voltage is applied between the input terminals 1 and 2, a high voltage is suddenly applied depending on the cycle of the AC voltage, and an excessive rush current flows because the first capacitor 5 is short-circuited. May output an excessive voltage. A reactor 6 is connected to prevent an excessive amount of electricity, and a second capacitor 9 and a voltage limiting element 8 are connected to prevent an excessive voltage.
In addition, depending on the cycle of the AC voltage to be cut off, electric charge may be accumulated in the capacitor 5 to be in a charged state. Therefore, the fixed resistor 7 for discharging is connected.
The capacitance value of the first capacitor 5 is approximated by C = I / (98 × jω), where I is the maximum current flowing through the load, the AC input voltage is 100 V, and the AC output voltage is 2 V. For example, when the current is limited to 10 mA, C = 0.3 μF, and even if a high-withstand-voltage ceramic capacitor is used, the size can be reduced to about 4 mm × 3 mm, and the size can be accommodated in a small case.
The second capacitor 9 divides the applied AC voltage between the second capacitor 9 and the first capacitor 5 to increase the voltage conversion efficiency and dramatically increase the load power factor. The impedance Z seen from the AC input terminals 1 and 2 can be expressed as Z = ((R1 × C2) / C1) + 1 / (jωC1). Here, Rl is the resistance value of the load device connected between the output terminals 3 and 4, C1 is the capacitance value of the first capacitor 5, C2 is the capacitance value of the second capacitor 9, and (C2 × R1) << 1, C1 << C2 shall hold.
Here, assuming that the AC input voltage is 100 V and the AC output voltage is 2 V, C2 / C1 = approximately 50, so that the power factor of the load connected between the output terminals 3 and 4 together with the slight improvement by the reactor 6 Is assumed to be 100%, the total power factor of this embodiment can be improved to 90% or more.
007
FIG. 3 shows another embodiment of the present invention, wherein 1 and 2 are input terminals for AC voltage, 3 and 4 are output terminals for DC voltage, 5 is a first capacitor, 6 is a reactor, and 7 is a discharge terminal. A fixed resistor, 9 is a second capacitor, 14a, 14b, 14c, 14d are rectifying diodes, and 11 is a third capacitor.
When an AC voltage of 100 V is applied between the AC voltage input terminals 1 and 2, an AC current flows through the reactor 6, the first capacitor 5 and the second capacitor 9, and the AC voltage is applied to both ends of the second capacitor 9. Occurs. A DC voltage is output to output terminals 3 and 4 via rectifying diodes 14a, 14b, 14c, and 14d connected to both ends of the second capacitor.
When an AC voltage is applied between the input terminals 1 and 2, a high voltage is suddenly applied depending on the cycle of the AC voltage, and an excessive rush current flows because the first capacitor 5 is short-circuited. May output an excessive voltage. A reactor 6 is connected to prevent an excessive amount of electricity, and a second capacitor 9 and a third capacitor are connected to prevent an excessive voltage.
Also, depending on the cycle of the AC voltage to be cut off, the charge may be accumulated in the first capacitor 5 and become charged, so that the fixed resistor 7 for discharging is connected.
The capacitance value of the first capacitor 5 is approximated by C = I / (98 × jω), where I is the maximum current flowing through the load, the AC input voltage is 100 V, and the AC output voltage is 2 V. For example, when the current is limited to 10 mA, C = 0.3 μF, and even if a high-withstand-voltage ceramic capacitor is used, the size can be reduced to about 4 mm × 3 mm, and the size can be accommodated in a small case.
The second capacitor 9 divides the applied AC voltage between the second capacitor 9 and the first capacitor, thereby improving the voltage conversion efficiency and dramatically increasing the load power factor. The impedance Z seen from the AC input terminals 1 and 2 can be expressed by Z = R1 × (C2 / C1) + 1 / jωC1. Here, Rl is the resistance value of the load device connected between the output terminals 3 and 4, C1 is the capacitance value of the first capacitor 5, and C2 is the capacitance value of the second capacitor 9.
Here, when the AC input voltage is 100 V and the AC output voltage is 2 V, C2 / C1 = approximately 50, so that the power factor of the present embodiment is improved to 90% or more together with the slight improvement by the reactor 6. be able to. Further, the AC input voltage is turned ON / OFF by rectifying by a rectifying diode composed of the rectifying diodes 14a, 14b, 14c, and 14d and outputting a DC voltage between the terminals 3 and 4 by the third capacitor 11. There is a merit that a transient voltage generated by timing can be absorbed.
Similar effects can be obtained by replacing the third capacitor with a supercapacitance or a rechargeable storage battery.
[0098]
FIG. 4 shows another embodiment of the present invention, in which 21 is an AC voltage connection terminal, 22 is a base, 23 is a transparent or translucent resin case, 24a and 24b are light emitting diodes, and 5 is a first capacitor. , 6 is a reactor, 7 is a fixed resistor for discharge, 8 is an overvoltage limiting element, and 9 is a second capacitor.
When an AC voltage of 100 V is applied between the connection terminal 21 of the AC voltage and the base 22, the AC voltage is divided to about 2 V by the first capacitor 5 and the second capacitor 9, and the overvoltage limiting element 8 sets the overvoltage. Is limited, and a forward DC voltage is alternately applied to the light emitting diodes 24a and 24b.
The capacitor 12 not only divides the AC voltage, but also has the effect of reducing the surge voltage that is directly applied to the light emitting diode 4 when the surge voltage is applied to the applied AC voltage.
Further, by combining the light emitting diodes 24a and 24b, the brightness can be adjusted or the color tone can be adjusted.
[0099]
FIG. 5 shows another embodiment of the present invention, in which 21 is a connection terminal for AC voltage, 22 is a base, 23 is a transparent or translucent resin case, 24a and 24b are light emitting diodes, and 5 is a first capacitor. , 6 are reactors, 7 is a fixed resistor for discharging, 9a and 9b are second capacitors, 10a and 10b are rectifying diodes, and 11a and 11b are third capacitors.
When an AC voltage of 100 V is applied between the connection terminal 21 of the AC voltage and the base 22, the AC voltage is divided to about 2.6 V by the first capacitor 5 and the second capacitors 9 a and 9 b, and the rectification voltage is reduced. Rectified by the diodes 14a and 14b, and further smoothed by the third capacitors 10a and 10b, and a forward DC voltage is continuously applied to the light emitting diodes 24a and 24b.
The third capacitors 10a and 10b are smoothing capacitors for removing the ripple of the rectified DC voltage, and when the surge voltage is applied to the applied AC voltage, the surge voltage is directly applied to the light emitting diodes 24a and 24b. In addition to preventing flickering, it has the effect of preventing flicker that occurs in the case of AC lighting.
Further, by combining the light emitting diodes 24a and 24b, the brightness can be adjusted or the color tone can be adjusted.
[0102]
FIG. 6 shows another embodiment of the present invention. Reference numerals 1 and 2 denote input terminals for AC voltage, 3a and 3b denote electrodes (also serving as output terminals) of capacitors, 23 denotes a transparent or translucent resin mold, and 24 denotes light emission. Diodes 5a and 5b are first capacitors, 6 is a reactor, 7a and 7b are fixed resistors for discharging, 9a and 9b are second capacitors, 10a and 10b are rectifying diodes, and 31 is an electric circuit.
FIG. 6A is a circuit diagram of the present embodiment, in which capacitors 5a, 9a and 5b, 9b are connected in series between input terminals 1 and 2 to divide an AC voltage by a reciprocal ratio of respective capacitances. ing. The AC voltage applied between the terminals of the capacitor 9a is rectified by the rectifying diode 10a, and a DC voltage is induced between the terminals of the capacitor 9a, and a DC voltage is similarly induced between the terminals of the capacitor 9b.
Since the DC voltage induced between the terminals of the capacitors 9a and 9b has a reverse polarity, a forward current flows through the light emitting diode 24 to emit light. The fixed resistors 7a and 7b for discharging are for discharging electric charges stored in the capacitors 5a and 5b, and 6 is a reactor for suppressing an inrush current.
FIG. 6B is an external view of this embodiment, in which capacitors 5a and 5b are formed between the electrodes 3a and 3b and the input terminal 1, and a capacitor 9a is formed between the electrodes 3a and 3b and the input terminal 2. 9b, and these capacitors 5a, 5b, 9a, 9b constitute a multilayer capacitor using a ceramic having a high dielectric constant and serve as a base for integrally assembling the electric circuit 31, and the whole is transparent. Alternatively, it is covered with a translucent resin mold 23.
FIG. 6C is a detailed view of the electric circuit 31 according to the present embodiment. The fixed resistors 7a and 7b are connected to the input terminal 1, and the fixed resistor 7a, the light emitting diode 24, and the rectifier are connected to the electrode 3a. The electrode 3b is connected to the fixed resistor 7b, the light emitting diode 24, and the rectifier diode 10b. The input terminal 2 is connected to the rectifier diodes 10a and 10b.
In the present embodiment, since the configuration is as described above, the capacitors 5a, 5b, 9a, and 9b are combined and integrated, and the electric circuit 31 can be automatically assembled based on these components. There is an advantage that cost can be realized.
When the capacity of the first capacitor is small and the inrush current is small, use a high-resistance material for the lead wire, the AC input terminal, or the electrodes 3a and 3b instead of the reactor for limiting the inrush current. However, if the inrush current becomes large, it is necessary to add an external reactor.
The same effect can be obtained by using an insulator having a high dielectric constant other than ceramic.
Instead of using a composite capacitor, it is also possible to assemble a hybrid circuit on a printed circuit board using an ordinary multilayer ceramic capacitor.
Similar effects can be obtained even if the composite capacitor is formed in a cylindrical shape, a flat plate shape, or a prismatic shape.
As the input terminal, a lead wire, a base, an AC plug, or the like can be used.
Further, the reactor 6 can be omitted when the inrush current is small, and can be replaced with an element that plays a role of disconnecting a circuit when a short circuit occurs in the capacitor.
[0111]
FIG. 7 shows another embodiment of the present invention. Reference numerals 1 and 2 denote AC voltage input terminals, 3a, 3b, 4a and 4b denote capacitor electrodes (also serving as output terminals), and 23 denotes a transparent or translucent resin mold. , 24a, 24b are light emitting diodes, 5a, 5b, 5c, 5d are first capacitors, 6a, 6b are reactors, 7a, 7b, 7c, 7d are discharge fixed resistors, 9a, 9b are second capacitors, 10a and 10b are rectifying diodes, and 31 is an electric circuit.
FIG. 7A is a circuit diagram of the present embodiment. Capacitors 5a, 9a, 5c, and 5b, 9b, 5d are connected in series between input terminals 1 and 2 so that an AC voltage is supplied to each capacitor. Is divided by the reciprocal ratio. The AC voltage applied between the terminals of the capacitor 9a is rectified by the rectifying diode 10a and induced as a DC voltage between the terminals of the capacitor 9a. Similarly, a DC voltage is induced between the terminals of the capacitor 9b.
Since the DC voltage induced between the terminals of the capacitors 9a and 9b has a reverse polarity, a forward current flows through the light emitting diodes 24a and 24b to emit light. The fixed resistors for discharging 7a, 7b, 7c and 7d are for discharging electric charges stored in the capacitors 5a, 5b, 5c and 5d, and the reactors 6a and 6b are for suppressing inrush current.
FIG. 7B is an external view of this embodiment, in which capacitors 5a and 5b are formed between the electrodes 3a and 3b and the input terminal 1, and a capacitor 9a is formed between the electrodes 3a and 3b and the input terminal 2. 9b, these capacitors 5a, 5b, 9a, and 9b constitute a base for forming a multilayer capacitor using a ceramic having a high dielectric constant and integrally assembling the electric circuit 31, and the whole is transparent. Alternatively, it is covered with a translucent resin mold 23.
FIG. 7C is a detailed view of the electric circuit 31 of the present embodiment. The fixed resistors 7a and 7b are connected to the input terminal 1, and the fixed resistor 7a, the light emitting diode 24a, and the rectifier are connected to the electrode 3a. The electrode 3b is connected to the fixed resistor 7b, the light emitting diode 24a, and the rectifying diode 10b. The electrode 4a is connected to the rectifying diode 10a, the fixed resistor 7c, and the light emitting diode 24b. The rectifying diode 10b, the fixed resistor 7d, and the light emitting diode 24b are connected to the electrode 4b, and the fixed resistors 7a and 7b are connected to the input terminal 2.
In this embodiment, since the configuration is as described above, the capacitors 5a, 5b, 9a, 9b, 5c, and 5d are combined and integrated, and the electric circuit 31 can be automatically assembled based on these components. There is an advantage that downsizing and cost reduction can be realized.
When the capacity of the first capacitor is small and the inrush current is small, instead of the reactor for limiting the inrush current, a high-resistance resistor is connected to the lead wire or the AC input terminal or the electrodes 3a, 3b and 4a, 4b. The alternative is to use a material, but if the inrush current increases, it is necessary to add an external reactor.
The same effect can be obtained by using a high dielectric constant insulator other than ceramic.
Instead of using a composite capacitor, it is also possible to assemble a hybrid circuit on a printed circuit board using an ordinary multilayer ceramic capacitor.
Similar effects can be obtained even if the composite capacitor is formed in a cylindrical shape, a flat plate shape, or a prismatic shape.
As the input terminal, a lead wire, a base, an AC plug, or the like can be used.
Either or both of the reactors 6a and 6b can be omitted when the rush current is small, and can be replaced with an element that plays a role of disconnecting the circuit when a short circuit occurs in the capacitor.
[0122]
In the above description, a capacitor is used for dividing the AC voltage. However, a method in which two choke coils are connected in series, or a method in which the AC voltage divided by a transformer is further divided by using a capacitor or a reactor. However, a similar effect can be obtained.
Also, a current limiting element such as a fixed resistor, a polyswitch, or a varistor can be used instead of the reactor for suppressing the inrush current.
Further, the combination of the number or the color tone of the light emitting diodes, the combination with the other light emitting means, or the combination with the rectifying diode is not limited to the above embodiment, and various combinations such as the number, the connection direction, the color tone and the like can be considered. Can be
Further, a similar effect can be obtained by using a light emitting element which emits light at a voltage lower than the applied AC voltage instead of the light emitting diode.
In the above embodiment, the case where the light emitting diode is connected as the load has been described. However, a device including control means such as ON / OFF control of connection to the output terminal by a signal transmitted through an electric wire supplying an AC voltage, etc. , And can be applied as a small-capacity power supply device.
In addition, a varistor, a zener diode, and other overvoltage protection elements are effective for preventing the light emitting diode from being damaged by the surge voltage.
In addition, by using a surface-mounted ultra-small component that has been put into practical use in recent years, it can be mounted on a minute printed circuit board, so that the entire device can be reduced in size.
Similar effects can be obtained by connecting a constant voltage circuit instead of the overvoltage limiting element.
[0113]
【The invention's effect】
Since the present invention is configured as described above, a small-capacity power supply device with a simple circuit configuration, small size, low cost, and good power efficiency and power factor can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is another embodiment of the present invention.
FIG. 3 is another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is another embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a configuration diagram showing a conventional example.
[Explanation of symbols]
1, 2 AC voltage input terminal 3, 4 AC or DC voltage output terminal 5, 5a, 5b, 5c, 5d First capacitor (for current limiting)
6, 6a, 6b Reactor 7, 7a, 7b, 7c, 7d Discharge fixed resistor 8 Overvoltage limiting element 9, 9a, 9b Second capacitor (for voltage division)
10a, 10b Rectifier diodes 11a, 11b Third capacitor (for smoothing)
21 AC voltage connection terminal 22 Base 23 Valve or resin case or resin mold 24, 24a, 24b Light emitting diode 31 Electric circuit
