JP6770412B2 - 電源装置 - Google Patents
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Description
電源装置100は、発電素子10が発電した電力を、負荷LDの端子T8に供給する。発電素子10が端子T1から出力する発電電力は、配線L1を流れる電流I1及び配線L2を流れる電流I2としてコンデンサ20に供給される。コンデンサ20は、発電素子10によって発電された電荷を蓄積する。コンデンサ20に蓄電された蓄電電力は、電流I11として電圧制御回路VRに供給される。コンデンサ20は、配線L3を介して接地される。ダイオード110は、発電素子10が発電しない時にコンデンサ20からの電流の逆流を防止する。タイマー回路TMは、負荷LDに電力を供給する間欠動作を時間によって制御する。論理積回路ANDは、電圧検出回路30の端子T3からの出力とタイマー回路TMからの出力との論理積を出力する。スイッチSWは、論理積回路ANDの出力によってオンオフされる。電圧制御回路VRは、負荷LDに供給される電圧を制御する。
ところで、図5に示す例では、コンデンサ20の蓄電電力によって負荷LDを動作させると、コンデンサ20の充電電圧が低下する。コンデンサ20の充電電圧が、負荷LDの最低動作電圧より低くなると、負荷LDは動作できなくなる。つまり、コンデンサ20の充電電圧が、負荷LDの最低動作電圧以上の場合にのみ、負荷LDは動作することができる。
すなわち、図5に示す例では、コンデンサ20の充電電圧が負荷LDの最低動作電圧未満になった場合にコンデンサ20に蓄電されている電力を、負荷LDの動作に用いることができない。つまり、上述の場合にコンデンサ20に蓄電されている電力は、無駄になってしまう。
そのため、図5に示す例では、無駄に蓄電される電力の分、コンデンサ20が無駄に体積を占有することになり、電源装置100の全体が大型化してしまう。また、コンデンサ20を大きくした場合には、コンデンサ20の放電後、負荷LDを動作できるまでコンデンサ20を充電する期間が長くなってしまう。
以下、図を参照して電源装置1の実施形態について説明する。
図1は、第1実施形態に係る電源装置1の機能構成の一例を示す図である。電源装置1は、蓄電部として機能するコンデンサ20と、電圧検出部として機能する電圧検出回路30と、昇圧部として機能する昇圧回路40とを備える。電源装置1は、発電素子10が発電した電力を、負荷LDに供給する。発電素子10とは、例えば、太陽電池、熱電気変換素子、電磁誘導による発電素子などである。発電素子10は、発電電圧Vgの起電力を有する。負荷LDとは、例えば、無線通信モジュールである。この一例の場合、電源装置1は、無線通信が可能な可搬型の装置に備えられ、太陽電池によって発電された電力を無線通信モジュールに供給する。
この一例において、発電素子10の発電電力は、負荷LDの消費電力よりも小さい。この場合、発電素子10の発電電力をそのまま負荷LDに供給しても、負荷LDは動作しない。電源装置1は、発電素子10の発電電力をコンデンサ20によって蓄電することにより、負荷LDが動作可能な電力を負荷LDに対して供給する。つまり、コンデンサ20は、負荷LDの電源として作用する。
ここで、コンデンサ20に蓄電される蓄電電力の電圧を「蓄電電圧Vc」とも記載する。コンデンサ20に電流I2が供給されることにより蓄電電圧Vcは、発電素子10の起電力の発電電圧Vgを上限として上昇する。
コンデンサ20に蓄電された蓄電電力は、配線L4を流れる電流I3及び配線L7を流れる電流I4として、昇圧回路40に供給される。コンデンサ20は、配線L3を介して接地される。
電圧検出回路30は、検出した蓄電電圧Vcがしきい値電圧以上になると、端子T3に昇圧動作許可信号I5を出力する。出力された昇圧動作許可信号I5は、配線L8を介して昇圧回路40に供給される。電圧検出回路30は、配線L6を介して接地される。
昇圧回路40とは、この一例では、昇圧チョッパ型の電圧変換回路である。なお、昇圧回路40とは、昇圧チョッパ型の電圧変換回路に限られず、例えば、チャージポンプ型の電圧変換回路であってもよい。
昇圧回路40は、昇圧動作許可信号I5が「昇圧許可」を示す場合、昇圧動作をする。この場合、昇圧回路40にコンデンサ20から供給される蓄電電力は、昇圧されて端子T7から出力される。ここで、昇圧回路40の昇圧動作によって昇圧された電力を「昇圧電力」とも記載する。
つまり、昇圧回路40が出力する出力電力には、非昇圧電力と、昇圧電力とがある。
昇圧回路40は、配線L9を介して接地される。負荷LDは、配線L13を介して接地される。
ここで、昇圧回路40の動作の概要を説明する。蓄電電圧Vcが低く、昇圧回路40の最低動作電圧に達していない場合には、電圧検出回路30は、「昇圧不許可」を示す昇圧動作許可信号I5を出力する。この場合、昇圧回路40は、昇圧動作を行わない。昇圧回路40の端子T5(電源端子)には、電圧が蓄電電圧Vc相当の電力、すなわち非昇圧電力が供給される。
発電素子10の発電により蓄電電圧Vcが上昇し、昇圧回路40の最低動作電圧に達すると、昇圧回路40は昇圧動作可能な状態になる。ただし、電圧検出回路30が「昇圧不許可」を示す昇圧動作許可信号I5を出力している間は、昇圧回路40は昇圧動作を行わない。
昇圧電力が負荷LDに供給されると、負荷LDに供給された昇圧電力は消費される。上述したようにこの一例では、発電素子10の発電電力は、負荷LDの消費電力よりも小さい。このため、仮に発電素子10が発電を継続していた場合であっても、負荷LDによって昇圧電力が消費されると、コンデンサ20に蓄電されている蓄電電力が減少する。なお、発電素子10が発電していない場合には、負荷LDによって昇圧電力が消費されると、コンデンサ20に蓄電されている蓄電電力がより大きく減少する。
コンデンサ20に蓄電されている蓄電電力が減少すると、蓄電電圧Vcが低下する。
次に、図2を参照して昇圧回路40の具体例について説明する。
図2は、本実施形態の昇圧回路40の回路構成の一例を示す図である。なお、図1と同一の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。
昇圧回路40は、昇圧チョッパ回路41と、制御回路42と、抵抗43−1と抵抗43−2とを有するブリーダ抵抗43と、出力コンデンサ44とを備える。
制御回路42は、ブリーダ抵抗43及び端子T424を介して出力電力の電圧監視を行い、昇圧動作を行っている場合の出力電力(つまり昇圧電力)の電圧を一定値に制御する。
出力コンデンサ44は、出力電力の電圧値を安定化する。
次に、図3を参照して電源装置1の動作の具体例について説明する。
図3は、本実施形態の電源装置1の動作波形の一例を示す図である。なお、同図において横軸は時刻tを示す。また同図(A)の縦軸は発電素子10の発電電圧Vgを示す。同図(B)の縦軸はコンデンサ20の蓄電電圧Vcを示す。同図(C)の縦軸は昇圧動作許可信号I5の電位を示す。同図(D)の縦軸は昇圧回路40の出力電力の電圧、つまり出力電圧Vlを示す。
この時刻t0から時刻t1においては、昇圧動作許可信号I5は低電位(Lo)、すなわち昇圧不許可であるから、昇圧回路40は昇圧動作をしない。したがって、時刻t0から時刻t1において、出力電圧Vlは、蓄電電圧Vcに一致する。
ここで、電圧V2とは、昇圧動作の開始しきい値電圧である。電圧V3とは、昇圧回路40の最低動作電圧である。電圧検出回路30のしきい値電圧は、昇圧回路40の最低動作電圧以上に設定されている。
以降、昇圧動作許可信号I5が「昇圧許可」を示す間、昇圧回路40の昇圧動作によって出力電圧Vlは一定値(電圧V5)に保たれる。この一例では、時刻t1から時刻t4まで、出力電圧Vlは一定値(電圧V5)に保たれる。
この一例では、時刻t1から時刻t2までは発電素子10が発電を継続している。時刻t2以降、発電素子10は発電をしない。したがって、この一例では、時刻t1から時刻t2までは蓄電電圧Vcが比較的緩やかに低下し、時刻t2以降は蓄電電圧Vcが比較的急激に低下する。
つまり、昇圧回路40が蓄電電圧Vcを動作電源として昇圧動作をしている場合には、負荷LDの動作可能時間は、時刻t1から時刻t3までである。
このことは、本実施形態の電源装置1によれば、昇圧回路40が出力電圧Vlを動作電源としない場合に比べて、コンデンサ20に蓄電されている蓄電電力をより多く利用することができることを示している。
次に図4を参照して本発明の第2実施形態について説明する。なお、上述した第1実施形態の構成及び動作と同一のものについては同一の符号を付してその説明を省略する。第2実施形態の昇圧回路140は、副昇圧回路45を備える点において、第1実施形態の昇圧回路40と異なる。
コンデンサ46は、端子T453に接続されており、副昇圧回路45が昇圧した電力を蓄電する。
副昇圧回路45は、コンデンサ46の蓄電電圧に基づいて、端子T454(スイッチ制御端子)の出力を切り替える。制御回路142を起動するのに必要な電力がコンデンサ46に溜まっていない場合には、副昇圧回路45は、トランジスタスイッチ47をオフ状態にする。これにより、コンデンサ46に蓄電されている電力は、制御回路142に出力されない。副昇圧回路45の動作電圧は、昇圧回路140の動作電圧よりも低い。
制御回路142を起動するのに必要な電力がコンデンサ46に溜まった場合には、副昇圧回路45は、電流I9によってトランジスタスイッチ47をオン状態にする。これにより、コンデンサ46に蓄電された電力は、電流I10として制御回路142に出力される。トランジスタスイッチ47がオン状態になることにより、制御回路142が昇圧動作を開始する。
ダイオード49は、トランジスタスイッチ47がオン状態になることによりコンデンサ46から放電された電力が、負荷LD側に流れ込むことを阻止する。制御回路142が起動した後、出力端子T7に発生する昇圧電力の一部は、ダイオード49を介して制御回路142の電源端子T421に供給される。
コンデンサ48は、制御回路142の電源電圧を安定化する。
一方、本実施形態の昇圧回路140によると、昇圧回路140に供給される蓄電電圧Vcが制御回路142の昇圧動作の最低動作電圧未満であっても、制御回路142が昇圧動作を開始することができる。つまり、昇圧回路140によると、蓄電電圧Vcを制御回路142の昇圧動作の最低動作電圧未満に低減することができる。
昇圧回路140の昇圧動作の最低動作電圧を、0.5〜0.6[V]程度にすることは一般的に困難である。昇圧回路140の昇圧動作の最低動作電圧が、例えば、1.0[V]である場合、第1実施形態の回路構成であると、蓄電電圧Vcが比較的低い電気二重層キャパシタをコンデンサ20として選定することができない。
一方、本実施形態の回路構成であれば、副昇圧回路45を備えているため、蓄電電圧Vcが比較的低い電気二重層キャパシタをコンデンサ20として選定したとしても、制御回路142の昇圧動作の最低動作電圧以上に、蓄電電圧Vcを昇圧することができる。
つまり、本実施形態の昇圧回路140によれば、蓄電電圧Vcが比較的低い電気二重層キャパシタなどをコンデンサ20として選定することができる。電気二重層キャパシタは、他の種類のキャパシタに比べて容量が大きいため、より多くの電荷を蓄電することができる。すなわち、本実施形態の昇圧回路140によれば、負荷LDの動作時間をより長くすることができる。
Claims (3)
- 発電素子の発電電力を蓄電する蓄電部と、
前記蓄電部から供給される蓄電電力から、当該蓄電電力の電圧よりも電圧が高い昇圧電力を生成し、生成した前記昇圧電力を負荷に供給する昇圧部と、
前記蓄電部の蓄電電圧が上昇して前記昇圧部の最低動作電圧以上の電圧になると、前記昇圧部の昇圧動作を許可する昇圧動作許可信号を前記昇圧部に出力する電圧検出部と、
を備え、
前記昇圧部は、
前記電圧検出部から前記昇圧動作許可信号が出力されると、前記蓄電部から供給される前記蓄電電力によって昇圧動作を開始するとともに、当該昇圧動作によって生成される前記昇圧電力を動作電源として動作する
電源装置。 - 前記電圧検出部の消費電力は、前記昇圧部の消費電力よりも少ない
請求項1に記載の電源装置。 - 前記蓄電部から供給される前記蓄電電力から、当該蓄電電力の電圧よりも電圧が高く、かつ前記昇圧部の最低動作電圧以上の電圧である第2昇圧電力を生成し、生成した前記第2昇圧電力を前記昇圧部の動作電源として供給する第2昇圧部
をさらに備える請求項1又は請求項2に記載の電源装置。
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