JP2005253166A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 自然エネルギを利用して発電した微弱な電力で過大な負荷を駆動できる電源装置を提供する。
【解決手段】 電源装置は、太陽電池等の自然エネルギを利用して発電する発電素子ＧＥを含む電源１０の出力端子Ｔ１と接続されて、端子Ｔ２に電源１０から供給される電力を充電する容量ＳＣと、充電電力の放電を制御する電力制御回路１２と、所定の電圧を出力するレギュレータ１３とを備え、容量に充電された電力で負荷１４を駆動する。
【選択図】 図１

Description

本発明は電源装置に係り、特に微弱な発電電力を負荷に供給する電源装置に関する。

自然エネルギを利用した電源の従来例として、圧電素子を発信装置の電源として利用した自己発電型発信装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。これは、圧電素子が発電した電力を容量に充電し、その電力を用いることにより比較的高い電力を要する発信動作を行うものである。その動作原理の概略は以下の通りである。

容量の充電電圧を監視することにより、容量に信号を発信することができる電力を確保できたかどうかを判断し、確保できた場合は放電スイッチを介して電力を送信部に供給する。その後、発信終了時まで電力の供給は継続され、発信が終了すると効率よく電力を充電するために放電スイッチをオフし、電力の供給を停止するというものである。このような動作をする電源を構成することにより、圧電素子で発電された電力を効率よく活用して比較的高い電力を要する信号の発信をすることが可能となる。

特開２００３−１３３９７１号公報

前述した従来技術の電源装置は、圧電素子で発電された電力を用いて比較的高い電力を消費する負荷を駆動できる。しかしながら、この従来例の構成では電源の負荷である発信装置は、あらかじめ決められた動作をすることしか許されていない。なぜなら、この電源装置は、負荷が必要とするエネルギ確保の可否を容量の電圧が所定の電圧に達したかどうかで判断しているためである。従って、負荷は現時点で容量に存在するエネルギ量を知ることができないので、一度動作に必要なエネルギを確保した後に決まった動作を繰り返すことしかできず、センサネットシステムのような複雑な処理を行うシステムの電源装置としては使えない。

また、発信部の動作中に誤動作や環境の変化などの原因で電力消費量が増加して充電エネルギが不足した場合、発信部の動作は突然停止するためシステムの信頼性が損なわれるという問題もある。さらにこの場合、負荷は放電スイッチをオフするための信号も出力しないので、放電スイッチはオンした状態で固定される。よって、エネルギの充電時にも無駄な電力を消費するため、容量の充電効率が悪くなるという問題もある。

そこで、本発明の目的は、電力を蓄電容量に充電することにより、微弱な電源で大きな負荷を駆動できる信頼性の高い電源装置を提供することにある。

本発明の代表的手段の一例を示せば次の通りである。即ち、本発明に係る電源装置は、供給されるエネルギを充電する蓄電容量と、前記蓄電容量の充電電圧である第１及び第２の所定電圧に基づき前記蓄電容量に充電された充電エネルギの放電及び停止を制御する電力制御回路と、前記電力制御回路の制御により放電された前記充電エネルギを用いて所定の定電圧を負荷へ出力するレギュレータとを有し、
前記充電エネルギが前記第１の所定電圧以上の場合には、前記負荷を駆動するために前記充電エネルギの放電を可能とし、前記充電エネルギが前記第１の所定電圧よりも小さい前記第２の所定電圧以下の場合には、前記充電エネルギの前記負荷を駆動するための放電を停止することを特徴とするものである。

この場合、上記の電源装置において、前記蓄電容量に供給されるエネルギは、自然エネルギを利用して発電する発電素子と、前記発電素子の出力と接地電位との間に直列にカソード同士を接続したダイオードとツェナダイオードとを含んでなる前記発電素子への逆流を防ぐ保護回路とを有する電源から供給されるようにすれば好適である。

本発明によれば、自然エネルギを利用して発電した微弱な電力が充電される蓄電容量の充電エネルギにより、大な負荷を駆動できる電源装置を実現できる。また、発電量が不安定でも信頼性の高い電源装置を実現できる。

以下、本発明に係る電源装置の好適ないくつかの実施例について添付図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明に係る電源装置の第１の実施例の構成を示すブロック図であり、電源装置は、電源１０と、蓄電容量ＳＣと、電力制御回路１２と、レギュレータ１３とから構成され、負荷１４を駆動する。ここで、電源１０は、発電素子（ＧＥ）１００と保護回路１０１で構成されている。発電素子１００は、太陽、振動、温度差などの自然エネルギを利用して発電するものである。電源１０の出力端子Ｔ１と電力制御回路の端子Ｔ２との間を接続することにより、蓄電容量ＳＣに電源１０で発電された電気エネルギが蓄積される。以下、電源１０の出力端子Ｔ１と電力制御回路１２の端子Ｔ２との間は、接続されているものとして説明する。

図８と図９に、発電素子として太陽電池と振動を用いた場合のそれぞれの発電量ＰＷＲを示す。太陽電池と振動を用いた発電素子の寸法はそれぞれ、５３ｍｍ×５０ｍｍ、５０ｍｍ×３０ｍｍである。図８は太陽電池の発電量ＰＷＲ［μＷ］の照度ＩＬ［Ｌｘ］依存性を、図９は振動を用いた発電素子の発電量ＰＷＲ［μＷ］の振動振幅値ＡＭ［μｍ］依存性を示した図である。図８と図９から分かるように、このような自然エネルギを利用した発電素子の発電量は数百μＷ程度と微弱であり、また発電環境によって変動する。

例えば、太陽電池であれば照度ＩＬに応じて、振動であればその振幅値ＡＭに応じて発電量が変動するという性質がある。

保護回路１０１は、ダイオードＤとツェナダイオードＺＤで構成される。発電素子１００の出力は、ダイオードＤを介して電源１０の出力電圧ＶＤＣとして出力端子Ｔ１から外部へ出力されるため、外部からの電流の逆流を防止できる。また、保護回路１０１のツェナダイオードは出力電圧ＶＤＣと接地間に配置され、電圧ＶＤＣがツェナ電圧ＶＬＴ以上になることを防止している。

蓄電容量ＳＣは、電源１０から供給される電力を、負荷１４を動作させるための電力として蓄えておく容量である。電源１０から蓄電容量ＳＣに電力が供給されると出力電圧ＶＤＣ、すなわち充電電圧ＶＤＣは上昇し、負荷１４に対して充電エネルギを放電すれば充電電圧ＶＤＣは低下する。負荷１４が消費する電力や充電電圧ＶＤＣの電圧にもよるが、蓄電容量ＳＣとしては比較的容量が高く、等価抵抗の低いものが望ましい。

電力制御回路１２は、第１の所定電圧ＶＨを監視する電圧監視回路ＤＥＴ１と、第１の所定電圧より低い第２の所定電圧ＶＬを監視する電圧監視回路ＤＥＴ２と、電源スイッチＳＷ１と、電圧監視回路ＤＥＴ１，２の出力ＶＤＥＣが入力される２個のＮＡＮＤゲートＮ１，Ｎ２で構成されるスイッチ制御回路１２０とから構成される。

ここで、第２の所定電圧ＶＬは負荷１４を駆動するのに最低限必要な電圧値以上に設定される。電力制御回路１２は、蓄電容量ＳＣに充電された充電エネルギの放電を制御する回路である。蓄電容量ＳＣとレギュレータ１３との間に挿入された電源スイッチＳＷ１は、スイッチであれば特に限定するものではないが、本実施例ではＰＭＯＳＦＥＴを用いている。このＰＭＯＳスイッチは、ゲートに印加されるスイッチ制御回路１２０の制御信号ＶＣＬが、ロー（“Ｌ”）の時にオンし、ハイ（“Ｈ”）の時にオフする。

蓄電容量ＳＣの充電電圧ＶＤＣを電圧監視回路ＤＥＴ１と電圧監視回路ＤＥＴ２で監視し、充電電圧ＶＤＣが第１の所定電圧ＶＨ以上に充電されると、スイッチ制御回路１２０は制御信号ＶＣＬを“Ｌ”レベルに制御し、蓄電容量ＳＣに充電された充電エネルギを放電する。この後、充電電圧ＶＤＣが、第２の所定電圧ＶＬに減少するまで放電は継続され、充電電圧ＶＤＣがＶＬ以下になるとスイッチ制御回路１２０は制御信号ＶＣＬを“Ｈ”レベルに制御し、蓄電容量ＳＣの放電を停止する。

図１０は、電圧監視回路ＤＥＴ１，ＤＥＴ２の構成の一例である。電圧監視回路ＤＥＴ１，ＤＥＴ２は同じ回路構成であり、検出する電圧値ＶＨとＶＬを設定するための抵抗Ｒ３，Ｒ４の値が異なるだけであるので、電圧監視回路ＤＥＴ１について述べる。電圧監視回路ＤＥＴ１は、基準電圧ＶＲＥＦと抵抗Ｒ３とＲ４の接続ノードｎ３４の電圧、すなわち充電電圧ＶＤＣを抵抗Ｒ３とＲ４で分割した電圧とを比較する２つの比較回路ＣＭＰ１とＣＭＰ２、検出信号の振幅を充電電圧ＶＤＣレベルまで増幅するレベル変換回路ＬＶＣと、電圧監視回路が負荷の影響を受けないようにするためのＣＭＯＳインバータからなるバッファ回路ＢＵＦとで構成される。

このように構成される電圧監視回路ＤＥＴ１は、充電電圧ＶＤＣが（Ｒ３＋Ｒ４）ＶＲＥＦ／Ｒ４以上かどうかを判定する。したがって、第１の所定電圧ＶＨを検出するためには充電電圧ＶＤＣの電圧値がＶＨとなったときにノードｎ３４の電圧が基準電圧ＶＲＥＦと同じ電圧になるように、抵抗Ｒ３とＲ４の比を設定すればよい。

同様に、電圧監視回路ＤＥＴ２の場合は、第２の所定電圧ＶＬを検出するように抵抗Ｒ３とＲ４の比を設定すればよい。

図１１は基準電圧ＶＲＥＦを発生する基準電圧発生回路の一例を示す回路図である。電流源Ｉ１と、３個のＮＰＮトランジスタＱ１〜Ｑ３と、３本の抵抗Ｒ５〜Ｒ７とから構成される公知のバンドギャップリファレンス回路であり、充電電圧ＶＤＣと接地間に挿入されて、定電圧ＶＲＥＦを出力する。なお、基準電圧発生回路は各回路の近傍にそれぞれ設けても良いし、配線抵抗により電圧降下が無視できる場合には１個の基準電圧発生回路から各回路へ基準電圧ＶＲＥＦを供給してもよい。

レギュレータ１３は、基準電圧ＶＲＥＦを一方の入力とし、抵抗Ｒ１とＲ２の接続ノードｎ１２の電圧を他方の入力として負帰還接続する非反転増幅回路で構成されるシリーズレギュレータである。非反転増幅回路は、基準電圧ＶＲＥＦを（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２倍に増幅する。従って、レギュレータ１３は出力電圧ＶＲＥＧとして、（Ｒ１＋Ｒ２）ＶＲＥＦ／Ｒ２を出力する。

負荷１４は、蓄電容量ＳＣに充電された電力を消費する負荷である。本実施例では、図７に示すようなセンサネットシステムにおける無線（ＲＡＤ）、マイクロプロセッサ（ＭＰＲＯ）、センサ（ＳＥＮＳ）の各機能を備えたセンサネット端末を想定しているが、特にこれに限定するものではない。図７は、センサネットシステムの構成図である。センサネットシステムは、無数に存在する自律動作端末（ＳＥＮＳＴＭ）が情報を検出し、基地局（ＢＳＴ）と通信することにより、その情報がネットワーク（ＮＴＷＫ）に直結され、処理が行われるというものである。センサネット端末はあらゆる場所に設置されるため電源の確保が課題である。そこで、微弱ではあるが自然エネルギを利用した電源が盛んに開発されている。

本実施例での負荷であるセンサネット端末１４は情報をセンシングし、マイクロプロセッサにて処理し、基地局（ＢＳＴ）と情報を通信するものである。このセンサネット端末１４は複数の動作モード（ＯＰ＿ＭＯＤ）を持っている。

図１２はセンサネット端末１４の動作モードと消費電力ＰＷＲ＿Ｃを示している。動作モードによって消費電力は大きく変動し、通信（ＴＸ）モード、信号処理（ＳＧ）、センシング（ＳＥＮ）モード、等の幾つかの動作モードでは電源１０が発電する電力よりも遥かに大きな電力を消費する。

しかしながら、大部分の時間はタイマ動作（ＴＭ）モード、遮断（ＳＨＴ）モードなどの低電力なモードで動作しており、極わずかな時間だけ信号処理や通信といった大きな電力を消費するモードで動作する。このようにセンサネット端末１４は複数の動作モードを持ち、動作モードによって大きく消費電力が異なり、間欠的に大きな電力を消費するモードで動作することを特徴としている。

次に、本実施例の動作を説明する。
図２に、本実施例の蓄電容量ＳＣの充電電圧ＶＤＣ、スイッチ制御回路１２０の出力である制御信号ＶＣＬ、レギュレータ１３の出力電圧ＶＲＥＧの動作波形を示す。尚、図２において、横軸は時間であり、ＳＴは発電素子１００による発電量ＰＷＲが強の場合、ＷＫは発電量ＰＷＲが弱の場合を示している。また、ＰＳＳは電力供給源から電力が供給されている期間を示し、この場合は蓄電容量ＳＣから充電エネルギが供給されている期間を示している。

時刻Ａで、電源１０での発電が開始される。ここで、発電量ＰＷＲは強（ＳＴ）の状態である。蓄電容量ＳＣが充電されるにつれて充電電圧ＶＤＣは上昇する。充電電圧ＶＤＣが第１の所定電圧ＶＨに達するまでは、電力制御回路１２内の電源スイッチＳＷ１を制御する制御信号ＶＣＬは“Ｈ”となり、電源スイッチＳＷ１はオフ状態であり、負荷１４へは電力ＰＷＲは遮断されて供給されないので、動作モードＯＰ＿ＭＯＤは遮断モードＳＨＴである。

時刻Ｂで、充電電圧ＶＤＣが第１の所定電圧ＶＨに達すると、制御信号ＶＣＬは“Ｌ”となり、電源スイッチＳＷ１がオンして蓄電容量ＳＣに充電されたエネルギが放電され、レギュレータ１３は所定の定電圧ＶＲＥＧを負荷へ出力する。電力が供給されるとセンサネット端末１４は、短時間だけ電力消費の大きなモードで動作する間欠動作を開始する。動作開始後、動作モードに応じて電力を消費し、それに伴い充電電圧ＶＤＣは低下していく。図２の例では、時刻Ｂ−Ｃ間で信号処理ＳＧを、時刻Ｃ−Ｄ間で通信ＴＸを行い、負荷１４の消費電力に応じて充電電圧ＶＤＣが低下している。

時刻Ｄ以降、負荷１４はタイマ動作ＴＭに入る。タイマ動作は消費電力が小さいため、充電電圧ＶＤＣは回復していくが、保護回路１０１によりツェナ電圧ＶＬＴ以上には上昇しない。

時刻Ｇ以降では、発電環境の変化により電源１０の発電量ＰＷＲが低下し弱（ＷＫ）の状態である。そのため、負荷１４が信号処理モードＳＧと通信モードＴＸの間欠的な動作を続けるに従って充電電圧ＶＤＣは徐々に低下していく。

時刻Ｐでは、遂に第２の所定電圧ＶＬまで低下してしまう。充電電圧ＶＤＣがＶＬ以下になると、再び制御信号ＶＣＬは“Ｈ”を出力して電源スイッチＳＷ１をオフ状態にし、蓄電容量ＳＣに充電されたエネルギの放電を停止する。一度、電源スイッチＳＷ１がオフすると充電電圧ＶＤＣが再び第１の所定電圧ＶＨ以上に充電される時刻Ｑになるまで、オフ状態を継続し、電源１０が発生する電力は充電にのみ充てられる。

このように電源１０で自然エネルギを用いて発電した電力を蓄電容量ＳＣに充電し、充電電圧を第１の所定電圧ＶＨと第２の所定電圧ＶＬの２電圧で監視して蓄電容量ＳＣの負荷１４への放電をヒステリシス制御することにより、負荷回路の動作エネルギを効率よく十分に確保できる。従って、微弱な電源を用いて消費電力が過大な負荷を駆動できる電源装置が実現できる。

本実施例では、例えば発電素子として太陽電池を、蓄電容量として２２ｍＦ程度の容量を用いた場合に、蓄電容量の電圧は３．５〜５Ｖ程度に制御され、レギュレータの出力として３Ｖ程度の電圧を得ることができるので、５分毎に１００ｍｓの期間、数１０ｍＷの電力を消費する間欠動作を行うようなセンサネットシステムのセンサネット端末用に好適な電源装置を提供できる。

なお、図２では消費電力の大きい動作モードであるセンシング動作を省略して説明したが、センシングモード、信号処理モード、送信モードとを一組とした連続動作が間欠して動作を行う場合にも、同様に説明でき、その場合には消費電力が増えるので、間欠動作間隔が同じであれば、その分充電電圧ＶＤＣが第２の所定電圧ＶＬ以下になる時刻が早くなる。

図３は、本発明に係る電源装置の第２の実施例の構成を示すブロック図である。図３では電源と電力制御回路は端子が無く直接接続されているものとして図示してあるが、図１のように端子間を接続する構成としても良いことは勿論である。後述する図５の第３実施例においても同様である。

ここで、図１と対応する部分には同一参照符号を付し、その重複説明を省略する。すなわち、本実施例における電源装置は、蓄電容量ＳＣに充電されたエネルギの放電を制御する電力制御回路３２と負荷３４を除いて、第１の実施例と同様の構成である。

電力制御回路３２を構成する第２の所定電圧を監視する電圧監視回路ＤＥＴ２の検出電圧ＶＬ’は、負荷３４を駆動するのに最低限必要な電圧ＶＬよりも高い電圧である。

スイッチ制御回路３２０は、実施例１のスイッチ制御回路１２０と異なり、ＮＡＮＤゲートＮ３と遅延回路Ｄが追加され、ＮＡＮＤゲートＮ３の出力により電源スイッチＳＷ１を制御すると共に、ＮＡＮＤゲートＮ１の出力が蓄電電力の状態を示すＶＣＨＧ信号として、センサネット端末である負荷３４のマイクロプロセッサＭＰＲＯへ送信される構成となっている。

ＶＣＨＧ信号は、“Ｈ”で充電エネルギが確保されているという状態を示し、“Ｌ”で充電エネルギが減少または枯渇しているという状態を示す。電力制御回路３２は、蓄電容量ＳＣの充電電圧ＶＤＣを電圧監視回路ＤＥＴ１とＤＥＴ２で監視し、充電電圧ＶＤＣが第１の所定電圧ＶＨ以上に充電されると、スイッチ制御回路３２０はＶＣＨＧ信号を“Ｌ”から“Ｈ”へ変化させ、蓄電容量ＳＣに充電エネルギが十分に確保されたことを負荷３４へ出力する。

また、制御信号ＶＣＬを“Ｈ”から“Ｌ”へ変化させることで電源スイッチＳＷ１をオンさせて蓄電容量ＳＣに蓄電された充電エネルギを放電する。引き続き放電は継続され、充電電圧ＶＤＣが第２の所定電圧ＶＬ’にまで減少するとＶＣＨＧ信号を“Ｌ”に制御し、負荷３４へ蓄電電力が減少したことを示す警告信号を送る。そして、スイッチ制御回路３２０内の遅延回路Ｄで設定された時間後、制御信号ＶＣＬを“Ｈ”に制御して蓄電容量ＳＣの充電エネルギの放電を停止する。遅延回路Ｄの遅延時間は、警告信号送信後に負荷３４で行われる終了処理に要する以上の時間に設定される。

負荷３４は、第１の実施例と同じ構成の負荷にＶＣＨＧ信号を入力として追加したものである。負荷３４は、ＶＣＨＧ信号が“Ｈ”の場合、蓄電容量ＳＣの充電エネルギが供給され、通信や信号処理などの動作を間欠的に行う。蓄電容量ＳＣに充電されたエネルギが減少し、“Ｌ”レベルのＶＣＨＧ信号が入力されると、負荷３４は動作モードを変更し、あらかじめ決められた動作を終了動作として行う。また、基地局へ停止信号を送信し、ネットワークシステムの安定度を増すこともできる。これらの動作を終えると電源が遮断されるのを待つ。

なお、遅延回路Ｄとしては、例えばインバータを縦列接続した構成の遅延回路を用いることができるが、これに限るものではなく、他の構成の遅延回路を用いても良い。

次に、本実施例の動作を説明する。
図４に、本実施例の蓄電容量ＳＣの充電電圧ＶＤＣ、スイッチ制御回路３２０のＶＣＨＧ信号と制御信号ＶＣＬ、レギュレータ１３の出力電圧ＶＲＥＧの動作波形を示す。図４において、横軸は時間であり、ＳＴは発電素子１００による発電量ＰＷＲが強の場合、ＷＫは発電量が弱の場合を示している。また、ＰＳＳは電力供給源から電力が供給されている期間を示し、この場合は蓄電容量ＳＣから充電エネルギが供給されている期間を示している。

時刻Ａで、電源１０の発電が開始され、発電量ＰＷＲは強（ＳＴ）の状態である。蓄電容量ＳＣが充電されるにつれて充電電圧ＶＤＣは上昇する。充電電圧ＶＤＣが第１の所定電圧ＶＨに達するまでは、電力制御回路３２内の電源スイッチＳＷ１を制御する制御信号ＶＣＬは“Ｈ”であり、電源スイッチＳＷ１はオフ状態となっていて負荷３４へは電力ＰＷＲは遮断されて供給されないので、動作モードＯＰ＿ＭＯＤは遮断モードＳＨＴである。また、充電エネルギの情報を示すＶＣＨＧ信号は“Ｌ”を出力する。

時刻Ｂで、充電電圧ＶＤＣがＶＨに達すると制御信号ＶＣＬは“Ｌ”となり、電源スイッチＳＷ１がオンして蓄電容量ＳＣに充電されたエネルギが放電され、電力が供給されるので、レギュレータ１３は所定の電圧ＶＲＥＧを負荷３４へ出力する。同時にＶＣＨＧ信号は“Ｈ”となり、蓄電容量ＳＣの充電エネルギが十分に確保されたことを負荷３４へ送信する。電力が供給され、ＶＣＨＧ信号が“Ｈ”になると負荷であるセンサネット端末３４は、短時間だけ電力消費の大きなモードで動作する間欠動作を開始する。動作開始後、動作モードに応じて電力を消費し、それに伴い充電電圧ＶＤＣは低下していく。図４の例では、時刻Ｂ−Ｃ間で信号処理モードＳＧを、時刻Ｃ−Ｄ間で通信モードＴＸの動作を行い、負荷３４の消費電力に応じて充電電圧ＶＤＣが低下している。

時刻Ｄ以降、センサネット端末３４はタイマ動作ＴＭに入る。タイマ動作は消費電力が小さいため、充電電圧ＶＤＣは回復していくが保護回路１０１によりツェナ電圧ＶＬＴ以上には上昇しない。

時刻Ｇ以降では、発電環境の変化により電源１０の発電量ＰＷＲが低下し弱（ＷＫ）の状態である。そのため、センサネット端末が間欠的な動作を続けるに従って充電電圧ＶＤＣは徐々に低下していき、時刻Ｍでは遂に第２の所定電圧ＶＬ’まで低下してしまう。充電電圧ＶＤＣが第２の所定電圧ＶＬ’に低下すると、スイッチ制御回路３２０はＶＣＨＧ信号を“Ｌ”とし、センサネット端末３４へ充電エネルギが減少したことを警告する。このＶＣＨＧ信号を受けて、センサネット端末は時刻Ｍ−Ｎ間であらかじめ設定されている終了動作ＥＮを行う。

ＶＣＨＧ信号が“Ｈ”から“Ｌ”へ変化した後、スイッチ制御回路３２０の遅延回路Ｄで作り出される所定の時間後、制御信号ＶＣＬは“Ｈ”となり、電源スイッチ３２０がオフされ、蓄電容量ＳＣの放電は停止されて動作モードは遮断モードＳＨＴとなる。

ここで遅延回路の遅延時間は、センサネット端末３４の終了処理に要する時間、蓄電容量ＳＣ、および第２の所定電圧ＶＬ’から決定される。一度、電源スイッチ３２０がオフすると、充電電圧ＶＤＣが再び第１の所定電圧ＶＨ以上に充電される時刻Ｏになるまで、オフの状態を継続し、電源１０が発生する電力は蓄電容量ＳＣの充電にのみ充てられる。

このように自然エネルギを用いて発電した電源１０から供給される電力を容量に充電し、充電電圧を第１及び第２の所定電圧ＶＨとＶＬ’の２電圧で監視して容量の負荷への放電をヒステリシス制御することにより、負荷回路の動作エネルギを効率よく十分に確保できる。

さらに、本実施例では、充電エネルギが減少したことを警告する信号を備えていることによって、充電エネルギが枯渇する前に動作モードを変更し、終了動作としてあらかじめ決められた動作を行うことができる。

また、センサネット端末である負荷回路は、基地局に停止信号を送信することも可能になるため、安定なネットワークシステムを実現できる。したがって、微弱な電源を用いて消費電力が過大な負荷を駆動できる電源装置を実現でき、また電源の発電量が不安定な場合の電源装置の信頼性を高めることできる。

図５は本発明に係る電源装置の第３の実施例の構成を示すブロック図である。本実施例における電源装置は、電力制御回路５２を除いて、第１の実施例と同様の構成である。

ここで、図１と対応する部分には同一参照符号を付し、その重複説明を省略する。すなわち、電力制御回路５２内に新たに第２の電源スイッチＳＷ２と補助電源ＶＢＡＴが追加され、スイッチ制御回路５２０からは２つのスイッチ制御信号ＶＣＬとＶＣＬＢが出力される構成となっている。

電力制御回路５２は、蓄電容量ＳＣに充電されたエネルギの放電を制御する。第１の電源スイッチＳＷ１、及び第２の電源スイッチＳＷ２は、スイッチであれば特に限定するものではないが、ＰＭＯＳＦＥＴを用いて実現しており、ゲート電圧が“Ｌ”の時にオンし、“Ｈ”の時にオフする。スイッチ制御回路５２０は、電源スイッチＳＷ１を制御する制御信号ＶＣＬと電源スイッチＳＷ２を制御するＶＣＬＢ信号を出力する。ＶＣＬＢ信号は、制御信号ＶＣＬの反転信号である。従って、常に電源スイッチＳＷ１とＳＷ２のどちらか一方だけがオンしている。

電力制御回路５２は、蓄電容量ＳＣの充電電圧ＶＤＣを電圧監視回路ＤＥＴ１とＤＥＴ２で監視し、充電電ＶＤＣが第１の所定電圧ＶＨ以上に充電されると、スイッチ制御回路５２０は制御信号ＶＣＬを“Ｈ”から“Ｌ”へ変化させ、蓄電容量ＳＣに充電された充電エネルギを放電する。

この後、充電電圧ＶＤＣが第２の所定電圧ＶＬに減少するまで放電は継続され、充電電圧ＶＤＣがＶＬ以下になると、スイッチ制御回路５２０は制御信号ＶＣＬを、“Ｌ”から“Ｈ”へ制御し、蓄電容量ＳＣの放電を停止する。制御信号ＶＣＬの反転信号であるＶＣＬＢ信号を用いて補助電源ＶＢＡＴからの電力供給を制御しているので、蓄電容量ＳＣからの放電が電源スイッチＳＷ１により遮断されている場合は、レギュレータ１３へは電源スイッチＳＷ２により補助電源ＶＢＡＴから電力が供給される。

次に、本実施例の動作を説明する。
図６に本実施例の充電電圧ＶＤＣ、制御信号ＶＣＬ、レギュレータ出力電圧ＶＲＥＧの動作波形を示す。尚、図６において、横軸は時間であり、ＳＴは発電素子１００による発電量ＰＷＲが強の場合、ＷＫは発電量が弱の場合を示している。また、ＰＳＳは電力供給源から電力が供給されている期間を示し、この場合は蓄電容量ＳＣおよび補助電源ＶＢＡＴからエネルギが供給されている期間を示している。
本実施例では、負荷１４に常に電力が供給されるため、短時間だけ電力消費の大きなモードで動作することを特徴とする間欠動作を常に行っている。

時刻Ａで、発電が開始され、発電量ＰＷＲは強（ＳＴ）の状態である。蓄電容量ＳＣが充電されるにつれて充電電圧ＶＤＣは上昇する。
時刻Ｂで、充電電圧ＶＤＣが第１の所定電圧ＶＨに達するまでは電力制御回路５２内の電源スイッチＳＷ１を制御する信号ＶＣＬは“Ｈ”、電源スイッチＳＷ２を制御する信号ＶＣＬＢは“Ｌ”となり、電源スイッチＳＷ１はオフし、ＳＷ２はオンしている。従って、時刻Ｂまでは補助電源ＶＢＡＴからレギュレータ１３を通して電力が負荷１４へ供給され、電源１０から供給される電力は蓄電容量ＳＣに充電される。時刻Ｂで充電電圧ＶＤＣが第１の所定電圧ＶＨに達すると制御信号ＶＣＬは“Ｌ”、ＶＣＬＢ信号は“Ｈ”となり、電源スイッチＳＷ２がオフして補助電源ＶＢＡＴからの電力供給が停止すると同時に電源スイッチＳＷ１がオンして蓄電容量ＳＣに充電された充電エネルギが放電され、レギュレータ１３を通して電力が負荷１４へ供給される。負荷１４のセンサネット端末は、動作モードに応じた電力を消費する。蓄電容量ＳＣの電力が負荷１４へ供給されている期間は、消費電力に応じて充電電圧ＶＤＣは低下していく。図６の例では、時刻Ｂ−Ｃ間で信号処理ＳＧを、Ｃ−Ｄ間で通信ＴＸを行い、負荷１４の消費電力に応じて充電電圧ＶＤＣが低下している。

時刻Ｄ以降、センサネット端末はタイマ動作ＴＭに入る。タイマ動作は消費電力が小さいため、充電電圧ＶＤＣは回復していくが保護回路１０１によりツェナ電圧ＶＬＴ以上には上昇しない。

時刻Ｇ以降では、発電環境の変化により電源１０の発電量ＰＷＲが低下し、弱（ＷＫ）の状態である。そのため、センサネット端末が間欠的な動作を続けるに従って充電電圧ＶＤＣは徐々に低下していく。

時刻Ｐでは、遂に第２の所定電圧ＶＬまで低下してしまう。充電電圧ＶＤＣがＶＬ以下になると、再び制御信号ＶＣＬは“Ｈ”を出力して電源スイッチＳＷ１をオフし、蓄電容量ＳＣの放電を停止する。同時に、ＶＣＬＢ信号は“Ｌ”を出力して電源スイッチＳＷ２をオンし、補助電源ＶＢＡＴから負荷１４へ電力を供給する。一度、充電電圧ＶＤＣがＶＬ以下になると、充電電圧ＶＤＣが再びＶＨ以上に充電される時刻Ｑになるまで、補助電源ＶＢＡＴが負荷を駆動する電力を供給し、電源１０が発生する電力は蓄電容量ＳＣの充電にのみ充てられる。

このように自然エネルギを用いて発電した電力を容量に充電し、充電電圧をＶＬとＶＨの２電圧で監視して蓄電容量から負荷への放電をヒステリシス制御することにより、負荷回路の動作エネルギを効率よく十分に確保できる。さらに、充電された電力が減少して負荷を駆動できなくなった場合、接続されている補助電源から電力が供給されるため、負荷回路を常に動作させることが可能である。したがって、微弱な電源を用いて消費電力が過大な負荷を駆動できる電源装置を実現できる。また、電源の発電量が不安定な場合でも常に負荷へ電力を供給できる。本実施例は補助電源を備えたことにより負荷への給電が停止することがないため、情報を常に保持する必要がある用途に適用できる。

本発明に係る電源装置の第１の実施例の構成を示すブロック図。 第１の実施例の電源装置の回路動作を示す波形図。 本発明に係る電源装置の第２の実施例の構成を示すブロック図。 第２の実施例の電源装置の回路動作を示す波形図。 本発明に係る電源装置の第３の実施例の構成を示すブロック図。 第３の実施例の電源装置の回路動作を示す波形図。 センサネットシステムの構成図。 太陽電池を利用した場合の発電量の照度依存性を示す図。 振動エネルギを利用した場合の発電量の振動振幅依存性を示す図。 本発明に係る電源装置の電圧監視回路の構成の一例を示す回路図。 本発明に係る電源装置で用いる基準電圧発生回路の一例を示す回路図。 センサネット端末の各動作モードの消費電力を示す図。

符号の説明

１０…電源、１２，３２，５２…電力制御回路、１４…負荷、１００…発電素子（ＧＥ）、１０１…保護回路、１２０，３２０，５２０…スイッチ制御回路、ＡＭ…振動振幅値、ＢＳＴ…基地局、ＢＵＦ…バッファ、Ｄ…ダイオード、ＤＥＴ１，ＤＥＴ２…電圧監視回路、Ｉ１…電流源、ＩＬ…照度、ＬＶＣ…レベル変換回路、ＭＰＲＯ…マイクロプロセッサ、ＭＮＧＳＶ…管理サーバ、ｎ１２，ｎ３４…ノード、Ｎ１〜Ｎ３…ＮＡＮＤゲート、ＮＴＷＫ…ネットワーク、ＯＰ＿ＭＯＤ…動作モード、ＰＳＳ…電力供給源、ＰＷＲ…発電量、ＰＷＲ＿Ｃ…消費電力、Ｑ１〜Ｑ３…ＮＰＮトランジスタ、Ｒ１〜Ｒ７…抵抗、ＲＡＤ…無線、ＳＣ…蓄電容量、ＳＥＮ…センシング、ＳＥＮＳ…センサ、ＳＥＮＳＴＭ…センサネット端末、ＳＧ…信号処理、ＳＷ１，ＳＷ２…電源スイッチ、Ｔ１，Ｔ２…端子、ＴＸ…通信、ＶＢＡＴ…補助電源、ＶＣＬＢ…反転制御信号、ＶＣＬ…制御信号、ＶＲＥＦ…基準電圧、ＶＤＣ…充電電圧、ＶＤＥＣ…電圧監視回路出力、ＶＲＥＧ…レギュレータ出力、ＺＤ…ツェナダイオード。

Claims (8)

1. 供給されるエネルギを充電する蓄電容量と、
   前記蓄電容量の充電電圧である第１及び第２の所定電圧に基づき前記蓄電容量に充電された充電エネルギの放電及び停止を制御する電力制御回路と、
   前記電力制御回路の制御により放電された前記充電エネルギを用いて所定の電圧を負荷へ出力するレギュレータとを有し、
   前記充電エネルギが前記第１の所定電圧以上の場合には、前記負荷を駆動するために前記充電エネルギの放電を可能とし、前記充電エネルギが前記第１の所定電圧よりも小さい前記第２の所定電圧以下の場合には、前記充電エネルギの前記負荷を駆動するための放電を停止することを特徴とする電源装置。
2. 請求項１に記載の電源装置において、
   前記蓄電容量に供給されるエネルギは、
   自然エネルギを利用して発電する発電素子と、
   前記発電素子の出力と接地電位との間に直列にカソード同士を接続したダイオードとツェナダイオードとを含んでなる前記発電素子への逆流を防ぐ保護回路とを有する電源から供給されることを特徴とする電源装置。
3. 請求項１に記載の電源装置において、
   前記電力制御回路は、
   前記蓄電容量と前記レギュレータとの間に設けられた第１電源スイッチと、
   前記第１の所定電圧を検出する第１電圧監視回路と、
   前前記第１の所定電圧より低い第２の所定電圧を検出する第２電圧監視回路と、
   前記第１及び第２の電圧監視回路の出力に基づき前記第１電源スイッチを制御するスイッチ制御回路とを有し、
   前記スイッチ制御回路は、前記第１電圧監視回路の検出信号に基づき前記第１電源スイッチをオン状態にして前記充電エネルギの放電を開始させ、前記第２の電圧監視回路の検出信号に基づき前記第１電源スイッチをオフ状態にして前記充電エネルギの放電を停止するように前記第１電源スイッチを制御することを特徴とする電源装置。
4. 請求項３に記載の電源装置において、
   前記スイッチ制御回路は、
   前記第２の電圧監視回路の前記第２の所定電圧検出信号に基づき前記充電エネルギが減少したことを示す警告信号を前記負荷へ送信する手段と、所定の時間後に前記第１電源スイッチをオフする手段とをさらに具備することを特徴とする電源装置。
5. 請求項１に記載の電源装置において、
   前記電力制御回路は、
   補助電源と
   前記補助電源と前記レギュレータとの間に設けられた第２の電源スイッチとをさらに具備し、
   前記スイッチ制御回路は、
   前記第１電圧監視回路の検出信号に基づき前記第２電源スイッチをオフすると共に前記第１電源スイッチをオンして前記充電エネルギを放電させ、その後、前記第２監視回路の検出信号に基づいて前記第１電源スイッチをオフして放電を停止させると共に前記第２電源スイッチをオンして前記補助電源からエネルギを前記レギュレータへ供給するように第１及び第２電源スイッチを制御することを特徴とする電源装置。
6. 請求項１に記載の電源装置において、
   前記負荷は、所定のデータを検出するセンサと、信号を処理するマイクロプロセッサと、前記データを送受信する無線回路とを備え、消費電力が大きく異なる複数の動作モードを持ち、大部分の時間はわずかな電力しか消費しない小電力モードで動作し、間欠的に短期間だけ前記大きく電力を消費する大電力モードで動作することを特徴とする電源装置。
7. 請求項４に記載の電源装置において、
   前記負荷は、所定のデータを検出するセンサと、信号を処理するマイクロプロセッサと、前記データを送受信する無線回路とを備え、消費電力が大きく異なる複数の動作モードを持ち、大部分の時間はわずかな電力しか消費しない小電力モードで動作し、間欠的に短期間だけ前記大きく電力を消費する大電力モードで動作する負荷であって、
   前記スイッチ制御回路が出力する前記警告信号が入力されると、前記負荷の動作中の動作モードを変更し、あらかじめ決められた処理を行うことを特徴とする電源装置。
8. 請求項７に記載の電源装置において、
   前記負荷は前記スイッチ制御回路が出力する前記警告信号が入力されると、基地局へ停止信号を発信することを特徴とする電源装置。

Images