JP2007129887A - Dynamo lighting set for bicycle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、主に発光ダイオード(Light Emitting Diode、以下LEDと称する)を光源とする、自転車用発電ランプ等の、小形発電機の発電および点灯駆動回路に関する。 The present invention relates to a power generation and lighting drive circuit for a small generator such as a bicycle power generation lamp mainly using a light emitting diode (hereinafter referred to as LED) as a light source.
LEDを発光源とした自転車用の照明機器類は多種多様のものが市販されている。その背景として、最近の白色発光LED(以下、白色LEDと称する)や電球色発光LED(以下、電球色LEDと称する)の実用化と普及による。しかしながら、その点灯方法は、乾電池類と電流制限用の抵抗器または定電流ダイオードを組み合わせた簡易的なものが多い。 A wide variety of lighting devices for bicycles using LEDs as the light source are commercially available. As the background, it is due to the practical use and spread of recent white light emitting LEDs (hereinafter referred to as white LEDs) and light bulb color light emitting LEDs (hereinafter referred to as light bulb color LEDs). However, there are many simple lighting methods combining dry batteries and a current limiting resistor or a constant current diode.
自転車用発電ランプにLEDを使用するには、発電機からの交流電流を直流電流に変換してLEDに供給する必要がある。
図1に、代表的な点灯回路の一例を示す。ダイオードブリッジDBと平滑コンデンサと過電圧保護用の定電圧ダイオードZD1による整流回路と、定電流ダイオードCRDと抵抗器R3による電流制限回路で構成されている。LEDは4個を直列接続の2並列回路でLED発光ユニットを構成している。In order to use an LED for a bicycle power generation lamp, it is necessary to convert an alternating current from the generator into a direct current and supply it to the LED.
FIG. 1 shows an example of a typical lighting circuit. The rectifier circuit includes a diode bridge DB, a smoothing capacitor, a constant voltage diode ZD1 for overvoltage protection, and a current limiting circuit including a constant current diode CRD and a resistor R3. An LED light emitting unit is constituted by two parallel circuits in which four LEDs are connected in series.
図1の回路では、白熱電球のように、走行速度に応じて発光強度が強くなる様な自然な感じは得られない。その様な現象は、順電流頁Fと発光強度は概ね比例するものの、一定の順電圧VF以下では実用発光に寄与する順電流IFが流れずに発光しないこと、一定の順電圧VFを超えると順電流IFが急激に増加する、というLEDの基本特性が禍して制御を困難にしている。 In the circuit of FIG. 1, the natural feeling that the light emission intensity increases according to the traveling speed cannot be obtained unlike the incandescent light bulb. In such a phenomenon, although the forward current page F and the light emission intensity are generally proportional, the forward current IF that contributes to practical light emission does not flow and does not emit light below a certain forward voltage VF, and when a certain forward voltage VF is exceeded. The basic characteristic of the LED that the forward current IF increases rapidly makes control difficult.
図2に、白色LEDの順電圧VF対順電流IF特性の代表的な一例を示す。
LED1個に対して順電圧VFが概ね3.0Vに達しないと実用的に発光しない。そして僅か0.5V増加すると標準順電流(IF=約20mA)に達し、それ以上の電圧と電流は制限する必要がある。この特性から、LEDに印加される順電圧VFと発光強度は比例関係にないことがわかる。そして、この特性は、自転車の速度とLEDの発光強度が比例しないことに繋がる。これはLED1個の場合であるから、複数個使用する場合は各電圧値は複数倍になる。FIG. 2 shows a typical example of the forward voltage VF vs. forward current IF characteristic of the white LED.
If the forward voltage VF does not reach approximately 3.0V for one LED, it does not emit light practically. When the voltage increases by only 0.5 V, the standard forward current (IF = about 20 mA) is reached, and further voltage and current need to be limited. From this characteristic, it can be seen that the forward voltage VF applied to the LED and the light emission intensity are not in a proportional relationship. This characteristic leads to the fact that the speed of the bicycle and the light emission intensity of the LED are not proportional. Since this is a case of one LED, when a plurality of LEDs are used, each voltage value becomes a plurality of times.
図1の回路の場合、発電機出力が概ね8.5V(rms)以下では実用的に発光せず、光り始めてから約10V(rms)を超えると過電流状態になる。つまり、一定の走行速度を超えるまでは発光せず、光り始めると急速に明るさを増して許容電流値を超えてしまう。例えば所定の速度を基準とすると、85%以下の速度域では実用的な発光が得られず、それ以上になると急に明るくなる。そして100%を超えた速度域では、定電圧ダイオードや定電流ダイオードそして抵抗器等によって発電したエネルーギーを最終的には熱として発散させる必要がある。 In the case of the circuit of FIG. 1, when the generator output is approximately 8.5 V (rms) or less, light is not practically emitted, and when it exceeds about 10 V (rms) after starting to shine, an overcurrent state occurs. That is, it does not emit light until it exceeds a certain traveling speed, and when it starts to shine, the brightness increases rapidly and exceeds the allowable current value. For example, on the basis of a predetermined speed, practical light emission cannot be obtained at a speed range of 85% or less, and when it exceeds that, the brightness suddenly becomes brighter. In the speed range exceeding 100%, it is necessary to finally dissipate the energy generated by the constant voltage diode, the constant current diode, and the resistor as heat.
実用的には、LEDの順電流IFが従来の電球より絶対的に少ない事やLEDのコスト高によって小出力の範囲に留まっている事、等が幸いして、発電機の無負荷高電圧に助けられて、定電流ダイオードCRDや抵抗器R3との組み合わせによる発熱発散、等で対応が可能であった。何れにしても発電機の出力を有効に活用しているとは言い難いもので、過剰な発電負荷を要求し、走行抵抗を増やしていた。 Practically, fortunately, the forward current IF of the LED is absolutely smaller than that of the conventional light bulb and the low cost of the LED is due to the high cost of the LED. With the help, it was possible to cope with heat dissipation by combining with the constant current diode CRD and the resistor R3. In any case, it is difficult to say that the output of the generator is effectively utilized, requiring an excessive power generation load and increasing the running resistance.
図2に示すLEDの順電圧VF対順電流IF特性は、乾電池使用時に於いても多大な損失を生じさせる。極端な表現をすれば、一個の白色LEDを光らせるためには1.5Vの乾電池が最低3個が必要になり、そのうちの2個は発光を始めるための電圧を維持する事に費やされるのである。そして、直列接続された電池は3個同時に交換することが必要である。その膨大な損失の対策には、IC等の電子回路を組み込んだ高価な昇圧型コンバーター等を必要とし、効率と信頼性の問題そしてスイッチングノイズの問題等が付随した。 The forward voltage VF vs. forward current IF characteristic of the LED shown in FIG. 2 causes a great loss even when using a dry battery. In extreme terms, a minimum of three 1.5V batteries are needed to illuminate a single white LED, two of which are spent maintaining the voltage to start emitting light. . And it is necessary to replace three batteries connected in series at the same time. To deal with the enormous loss, an expensive step-up converter incorporating an electronic circuit such as an IC is required, which is accompanied by problems of efficiency and reliability, a problem of switching noise, and the like.
携帯型発電機を組み込んだ照明機器の場合にも問題を有していた。LEDを点灯させるには所定の回転数以上で発電機を駆動する必要があり、従来の白熱電球が減光点灯していた減速発電領域に於いてLEDは発光しないという問題が生じていた。従来の白熱電球のように、機械的入力に比例して発光強度が得られるという自然な感じは得られなかった。そして何より、人力で発電機を高速回転させるのは大変な作業で、高速になるほど機械的駆動損失が増大して効率を低下させていた。その対応策として、二次電池等に急速充電させた後に、その二次電池を電源として点灯制御回路を介して点灯させていた。 There was also a problem in the case of lighting equipment incorporating a portable generator. In order to light the LED, it is necessary to drive the generator at a predetermined number of revolutions or more, and there has been a problem that the LED does not emit light in the decelerated power generation region where the conventional incandescent light bulb is dimmed. Unlike conventional incandescent bulbs, the natural feeling that light emission intensity was obtained in proportion to mechanical input could not be obtained. Above all, manually rotating the generator at high speed is a difficult task, and the higher the speed, the greater the mechanical drive loss and the lower the efficiency. As a countermeasure, after a secondary battery or the like is rapidly charged, the secondary battery is turned on via a lighting control circuit as a power source.
この様なLEDの特性を起因とする欠点を解消する方法として、LEDが光り始める順電圧VFを直流電源で供給し、実際に駆動発光させる電圧と順電流IFを交流電力で供給する方法が、本出願人より特許出願されている(特許文献1参照)。また、要約された内容が技術雑誌に掲載されている(非特許文献1参照)
図3は、その基本回路である。変圧器または変成器T1の二次巻線を共用する直流閉回路と交流閉回路の組み合わせで成り立っている。直流閉回路は、LEDを微弱発光させる順電流IFを供給する直流電源を基に、Batt(+)、R2、D3、T1二次巻線、R1、LED、Batt(−)で構成されている。交流閉回路は、T1の二次巻線を基に、T1二次巻線、R1、LED、C1及びD1で構成されている。 FIG. 3 shows the basic circuit. It consists of a combination of a DC closed circuit and an AC closed circuit that share the secondary winding of the transformer or transformer T1. The DC closed circuit is composed of a Batt (+), R2, D3, T1 secondary winding, R1, LED, and Batt (-) based on a DC power supply that supplies a forward current IF that causes the LED to emit light weakly. . The AC closed circuit includes a T1 secondary winding, R1, LED, C1, and D1 based on the T1 secondary winding.
直流電源からの電流は高抵抗値のR2とD3により、LEDが微弱発光する程度の微弱順電流IFを供給する。閉回路はLEDの微弱発光時の順電圧VF(以下、発光開始電圧VFoと称する)で充電されることになり、コンデンサC1も発光開始電圧VFoで充電されて交流電流を供給する為の電荷を蓄える。一般的に、白色LEDの微弱発光が確認できる電圧は約2.5V前後であるから、以下、発光開始電圧VFo≒2.5V/個として説明を行う。 The current from the DC power supply supplies a weak forward current IF that causes the LED to emit weak light by means of the high resistance values R2 and D3. The closed circuit is charged with a forward voltage VF (hereinafter referred to as a light emission start voltage VFo) at the time of weak light emission of the LED, and the capacitor C1 is also charged with the light emission start voltage VFo and has a charge for supplying an alternating current. store. In general, the voltage at which the weak light emission of the white LED can be confirmed is about 2.5V, so the following description will be made assuming that the light emission start voltage VFo≈2.5V / piece.
直流電圧と交流電圧の重畳は、変圧器または変成器T1の二次巻線で行われる。直流電圧と交流電圧の重畳された昇圧側の半サイクル分がLEDの整流作用によってLEDに流れて発光する。重畳による降圧側の半サイクル分は、バイパス用の逆流ダイオードD1に流れ、LEDに流れた電荷相当分をC1に戻す働きをする。 The superimposition of the DC voltage and the AC voltage is performed by the secondary winding of the transformer or transformer T1. A half cycle on the boosting side where the DC voltage and the AC voltage are superimposed flows to the LED by the rectifying action of the LED and emits light. The half-cycle portion on the step-down side due to the superposition flows to the reverse current diode D1 for bypass, and functions to return the charge equivalent amount that has flowed to the LED to C1.
このコンデンサC1の作用により直流電源からの供給電流は、LEDを微弱発光させて待機する分の供給能力で良く、電源容量は小さくて済む。実際には、各部の直流抵抗分等で消費する分を補給する必要があるが、その働きは主発光用の電流を供給することではない。 Due to the action of the capacitor C1, the supply current from the DC power supply may be a supply capacity for waiting for the LED to emit light weakly, and the power supply capacity may be small. Actually, it is necessary to replenish the portion consumed by the DC resistance of each part, but its function is not to supply the current for main light emission.
図3の回路は半サイクル毎の点灯動作をするので、発電機の低回転時の低出力電圧等では、ちらつきを感じる場合がある。その対策として、図4の回路が提案されている。二組の二次巻線と順方向ダイオードD2の整流作用によって、LEDに対して交互に電流を供給するので、ちらつきが改善される。 Since the circuit in FIG. 3 performs a lighting operation every half cycle, flicker may be felt at a low output voltage or the like when the generator is rotating at a low speed. As a countermeasure, the circuit of FIG. 4 has been proposed. The rectifying action of the two sets of secondary windings and the forward diode D2 provides alternating current to the LED, thus improving flicker.
図4の回路では直流電源部分を、倍電圧整流回路に置き換えて、交流入力だけで済むようになっている。整流ダイオードD4と整流平滑コンデンサC4から成る倍電圧整流回路は、一次側の交流電圧を入力として速やかに直流電圧を立ち上げ、発光開始電圧VFoを確保する。 In the circuit of FIG. 4, the DC power supply portion is replaced with a voltage doubler rectifier circuit so that only an AC input is required. A voltage doubler rectifier circuit composed of a rectifier diode D4 and a rectifying / smoothing capacitor C4 promptly raises a DC voltage by using an AC voltage on the primary side as input, and secures a light emission start voltage VFo.
この図4の回路では、入力電圧が約1.4V(rms)前後からLEDが発光開始する。この約1.4Vという値は、倍電圧整流された電圧が直流閉回路の全ての順電圧降下分を上回り、LEDに微弱電流が流れて微弱発光を始める電圧に相当する。従って、D4、D3、D2の順電圧降下特性が発光開始電圧に影響する。LEDを複数個直列に接続する場合は、整流ダイオードの順電圧降下の比率が相対的に下がり、4個を直列接続した場合は概ね4.0V前後から発光開始する。もし、図3の回路のように個別の直流電源で発光開始電圧VFoを維持させた場合では、交流入力電圧のほぼ0Vから比例して発光する。 In the circuit of FIG. 4, the LED starts to emit light when the input voltage is about 1.4 V (rms). This value of about 1.4 V corresponds to a voltage at which the double voltage rectified voltage exceeds all the forward voltage drops of the DC closed circuit, a weak current flows through the LED, and weak light emission starts. Therefore, the forward voltage drop characteristics of D4, D3, and D2 affect the light emission start voltage. When a plurality of LEDs are connected in series, the ratio of the forward voltage drop of the rectifier diode is relatively lowered, and when four LEDs are connected in series, light emission starts from about 4.0V. If the light emission start voltage VFo is maintained by an individual DC power source as in the circuit of FIG. 3, light is emitted in proportion to the AC input voltage of approximately 0V.
しかし、これらの回路は直流電圧と交流電圧の重畳に変圧器や変成器の二次巻線を利用しているために、大きく重くなるという問題が残っていた。商用電源の交流入力に対しては、降圧を兼ねて変圧器を使用する合理性があるものの、発電機を有する自転車用発電ランプや発電機を内蔵する携帯型機器に於いては、発電機の巻線と変圧器や変成器巻線の機能が重複していた。 However, since these circuits use a secondary winding of a transformer or a transformer to superimpose a DC voltage and an AC voltage, there remains a problem that the circuit becomes large and heavy. Although there is a rationality to use a transformer as a step-down converter for AC input of commercial power, in a bicycle generator lamp with a generator or a portable device with a built-in generator, The function of winding and transformer or transformer winding was duplicated.
前項の問題に鑑み、自転車用発電ランプの様に、LEDを光源として、発電機を内蔵または組み合わせて使用する照明機器類に於いて、発電機の有する巻線を活用して直流電圧と交流電圧の重畳を行い、従来の重畳用変圧器または変成器を排除することによって点灯回路の簡素化と小形軽量化を促進し、総合効率を高めて発電負荷の低減を行うと共に、高品質の照明光を提供することを課題とする。 In light of the problem in the previous section, lighting devices such as bicycle power generation lamps that use LEDs as a light source and built-in or combined with a generator can utilize the windings of the generator to make a DC voltage and an AC voltage. By superimposing and eliminating the conventional superposition transformer or transformer, the lighting circuit is simplified and reduced in size and weight, the overall efficiency is increased and the power generation load is reduced. It is an issue to provide.
本発明は、発電機に備わる発電コイルを、直流の発光開始電圧VFoと発光駆動用交流電圧の重畳に使用する。更に、3個の発電コイルを組み合わせて位相角120度の三相交流発電を行う。三相交流を整流し合成することで、途切れることのない電圧及び電流をLEDに供給し、チラツキの少ない照明光を提供する。更に整流し合成後の出力線間に平滑コンデンサを設けることによって、ほぼ脈動のない高品質な照明光を提供する。 In the present invention, the power generation coil provided in the generator is used to superimpose the DC light emission start voltage VFo and the light emission drive AC voltage. Further, three-phase AC power generation with a phase angle of 120 degrees is performed by combining three power generation coils. By rectifying and synthesizing the three-phase alternating current, an uninterrupted voltage and current are supplied to the LED to provide illumination light with less flicker. Further, by providing a smoothing capacitor between the rectified and combined output lines, high-quality illumination light with almost no pulsation is provided.
圧電素子による発電器を除いた一般的な小形発電機は、その基本構成として永久磁石と発電コイルを有している。その発電コイルの巻線を、従来回路の二次巻線の代わりに重畳巻線として利用することができる。共に巻線内を通過する磁束の変化によって電圧を発生させる。変圧器等の一次巻線に印加される交流電流と鉄芯による磁束の変化を、発電機では回転する永久磁石の磁極性の変化で置き換えることができる。 A general small power generator excluding a power generator using a piezoelectric element has a permanent magnet and a power generating coil as its basic configuration. The winding of the generator coil can be used as a superposed winding instead of the secondary winding of the conventional circuit. Both generate a voltage by changing the magnetic flux passing through the winding. The change in magnetic flux due to the alternating current applied to the primary winding of the transformer or the like and the iron core can be replaced by the change in the magnetic polarity of the rotating permanent magnet in the generator.
図5に本発明の基本回路を示す。以下、図を参照して説明する。
発電機の回転する4極の永久磁石MGの周囲に発電コイルL1、L2、L3を60度間隔で設置し、直流電源用発電コイルL4を任意の角度で設置している。L4は発光開始電圧VFoを速やかに確保する目的で、他の発電コイルより細い巻線を多く巻いて低速走行時のVFoを確保する。L4の供給電流は数mAで済むため巻数を増やすことによる電圧の確保が容易なために、ダイオードブリッジDBと平滑コンデンサC5による全波整流回路で直流電源部を構成している。この直流電源部は倍電圧整流回路でも構わない。FIG. 5 shows a basic circuit of the present invention. Hereinafter, description will be given with reference to the drawings.
The power generation coils L1, L2, and L3 are installed at intervals of 60 degrees around the four-pole permanent magnet MG rotating by the generator, and the DC power generation coil L4 is installed at an arbitrary angle. L4 secures VFo during low-speed traveling by winding many windings thinner than other power generating coils for the purpose of promptly securing the light emission start voltage VFo. Since the supply current of L4 is only a few mA, it is easy to secure a voltage by increasing the number of turns, so that a DC power supply unit is configured by a full-wave rectifier circuit including a diode bridge DB and a smoothing capacitor C5. The DC power supply unit may be a voltage doubler rectifier circuit.
直流電源部の電圧は電流制限抵抗器R2と電流逆流防止ダイオードD3を介して、L1〜L3の巻線と直流遮断コンデンサC1を発光開始電圧VFoで充電する。図5の回路例では、一般的な白色LEDの発光開始電圧VEoは2.4〜2.5V/個であるから、約10Vで充電されて微弱発光状態を維持する。 The voltage of the DC power supply unit charges the windings L1 to L3 and the DC blocking capacitor C1 with the light emission start voltage VFo through the current limiting resistor R2 and the current backflow prevention diode D3. In the circuit example of FIG. 5, the light emission start voltage VEo of a general white LED is 2.4 to 2.5 V / piece, so it is charged at about 10 V and maintains a weak light emission state.
図6に、図5の回路による、各発電コイルの出力電圧を発光開始電圧VFoと重ね合わせた電圧波形の模式図を示す。
図7に、順方向ダイオードD2によって合成されて、LED発光ユニットLu2に印加される電圧波形の模式図を示す。FIG. 6 is a schematic diagram of a voltage waveform obtained by superimposing the output voltage of each power generation coil on the light emission start voltage VFo by the circuit of FIG.
FIG. 7 shows a schematic diagram of a voltage waveform synthesized by the forward diode D2 and applied to the LED light emitting unit Lu2.
実用発光電力は、点灯用交流電圧を発生する発電コイルL1〜L3で供給され、C1に充電された発光開始電圧VFo≒10Vが発電動作の基準電圧となる。L1〜L3の発電能力は、LEDの標準順電流IFと直列接続数によって設定する必要がある。一般的な白色LEDの標準順電流IFは約20mA、標準順電圧VFは3.5〜3.6V程度であるから、L1〜L3の定格発電能力は定格電流=40mA(rms)、定格電圧=4.5〜6V(rms)、約0.24VAとなる。 Practical light emission power is supplied by the power generation coils L1 to L3 that generate the alternating current voltage for lighting, and the light emission start voltage VFo≈10V charged in C1 is the reference voltage for the power generation operation. The power generation capacity of L1 to L3 needs to be set according to the standard forward current IF of the LED and the number of series connections. Since the standard forward current IF of a general white LED is about 20 mA and the standard forward voltage VF is about 3.5 to 3.6 V, the rated power generation capacity of L1 to L3 is rated current = 40 mA (rms), rated voltage = 4.5 to 6 V (rms), about 0.24 VA.
L1〜L3で発電された交流電圧は、10Vの発光開始電圧VFoを基準にして重畳され、昇圧側の半サイクルが順方向ダイオードD2を通ってLED発光ユニットLu2に電流を流す。降圧側の半サイクルはバイパス用の逆流ダイオードD1を通って、LEDを光らせた電荷をC1に戻して再充電する。 The AC voltage generated by L1 to L3 is superimposed on the basis of the light emission start voltage VFo of 10 V, and the half-cycle on the boosting side passes the forward diode D2 to pass a current to the LED light emitting unit Lu2. The half-cycle on the step-down side passes through the reverse current diode D1 for bypassing, and the electric charge that shines the LED is returned to C1 to be recharged.
発光開始電圧VFo=10Vで閉回路が充電された後は、交流入力電圧の僅かな電圧変化に対しても順電流IFが増減して、LEDの発光強度を増減させる。この場合に於いて交流入力電圧の0V≒LEDの発光開始電圧VFo、交流入力電圧4.5〜6.6V≒LEDの基準順電圧VFとなって、交流入力電圧に対して順電流IFがほぼ比例して変化する。つまり、発電機の交流出力に対してLEDの発光強度が比例して変化する。そして、走行速度と発光強度を概ね比例的に変化させることができる。 After the closed circuit is charged with the light emission start voltage VFo = 10 V, the forward current IF increases or decreases even with a slight voltage change of the AC input voltage, thereby increasing or decreasing the light emission intensity of the LED. In this case, AC input voltage 0V≈LED light emission start voltage VFo, AC input voltage 4.5 to 6.6V≈LED reference forward voltage VF, and forward current IF is almost equal to AC input voltage. Proportionally changes. That is, the light emission intensity of the LED changes in proportion to the AC output of the generator. And a running speed and emitted light intensity can be changed substantially proportionally.
図5の回路例では三個の発電コイルを組み合わせているので、120度の位相角でLEDに電圧が印加されて順電流IFを流すことができる。具体的には、直流抵抗分と流れる電流により、電圧波形と電流波形の双方に歪みを生じるが、商用電源の様に外部に歪みが伝わることもなく、放射ノイスを発散すること極めて少ない。 In the circuit example of FIG. 5, since three power generating coils are combined, a voltage is applied to the LED at a phase angle of 120 degrees, and a forward current IF can flow. Specifically, although both the voltage waveform and the current waveform are distorted by the direct current resistance and the flowing current, the distortion is not transmitted to the outside as in a commercial power supply, and the radiation noise is very rarely emitted.
基本的には、正弦波を基本にした動作を期待して、負荷側に平滑コンデンサは使用しないが、合成された電圧は交流電圧分の約70%以上を確保できるから実用的な連続発光を維持することができる。平滑コンデンサC2を設けた場合は、小容量のコンデンサでも効果的に平滑されて、更に均一な発光強度を維持する。但し、直流電圧が増加することになるので、電流制限抵抗器R3の定数を調整する必要がある。そして、出力電流と入力電流の尖塔値が大きくなり、波形歪みが一段と大きくなる。 Basically, a smoothing capacitor is not used on the load side in anticipation of operation based on a sine wave, but since the synthesized voltage can secure about 70% or more of the AC voltage, practical continuous light emission is possible. Can be maintained. When the smoothing capacitor C2 is provided, even a small-capacitance capacitor is effectively smoothed to maintain a more uniform light emission intensity. However, since the DC voltage increases, it is necessary to adjust the constant of the current limiting resistor R3. And the spire value of the output current and the input current is increased, and the waveform distortion is further increased.
本発明の最大の効果は、従来の重畳回路に於ける変圧器や変成器が不要になった事と、発電コイルの発電容量を大幅に低減できる事である。前者は即、コスト低減と小形軽量化につながる。 The greatest effect of the present invention is that a transformer and a transformer in the conventional superposition circuit are not required, and the power generation capacity of the power generation coil can be greatly reduced. The former will immediately lead to cost reduction and downsizing.
後者の発電容量低減は、主に点灯回路が要求する駆動電圧の低減による。従来の全波整流回路と比較すると、図5の回路例では発電電圧を40%〜50%低減できる。これは、発電コイルの巻線加工を容易にし、小型化とコストダウンに繋がる。追加となる直流電圧発生用の発電コイルは、高電圧低電流型の巻線加工を行えば良く、高精度な巻線作業は不要で、コスト上昇を最小限に抑えることができる。 The latter reduction in power generation capacity is mainly due to a reduction in drive voltage required by the lighting circuit. Compared with the conventional full-wave rectifier circuit, the circuit example of FIG. 5 can reduce the generated voltage by 40% to 50%. This facilitates winding processing of the power generation coil, leading to downsizing and cost reduction. The additional generator coil for generating DC voltage only needs to be subjected to high-voltage, low-current winding processing, and high-precision winding work is not required, and cost increase can be minimized.
本発明による点灯回路では、発電機の低出力時からLEDを発光させることができるので、低速走行時から所定の速度に至るまで走行速度とほぼ比例した発光強度を提供することができて、無駄のない効率的な発電点灯を行うことができる。特に従来は、わざわざ発熱させて捨てていた過剰な電力を不必要に発生しないから、電流制限装置が不要になる。従って、本発明回路に於けるR3は、LEDの品種の違いと製造ロットの違い等によるバラツキの微調整用の性格を有するものある。In the lighting circuit according to the present invention, since the LED can emit light from the low output of the generator, it is possible to provide a light emission intensity substantially proportional to the traveling speed from the low speed traveling to the predetermined speed. Efficient power generation and lighting can be performed. In particular, excessive current that has been bothered by heat generation in the past is not unnecessarily generated, so that a current limiting device is not required. Accordingly, R3 in the circuit of the present invention has a characteristic for fine adjustment of variation due to differences in LED types and manufacturing lots.
車輪接触駆動型の発電ランプは、発電機の回転数を高く設定することができるので、発電効率を高めることができて、部品を小型化することができる。部品の小型化によって整流回路等の部品を発電ランプ本体内に収納することが可能となる。そして回路の本体内収納により、複数個の発電コイルの装備が容易になり、多極永久磁石との組み合わせで、多相発電を容易に行うことができる。 Since the wheel contact drive type power generation lamp can set the rotational speed of the generator high, the power generation efficiency can be increased and the parts can be miniaturized. By reducing the size of the components, components such as a rectifier circuit can be stored in the power generation lamp body. The housing of the circuit makes it easy to equip a plurality of power generation coils, and multiphase power generation can be easily performed in combination with a multipolar permanent magnet.
高速回転の多相発電機の具体化は、発電機の駆動トルクを、均一化すると共に大幅に減少させることができる。この駆動トルクの低減は、車輪への接触圧力を弱めることが可能になり、発電走行時の負荷を大幅に減ずることができる。更には、走行風による風車駆動も可能になる。 The realization of the high-speed rotating multiphase generator can make the driving torque of the generator uniform and greatly reduce it. This reduction in driving torque makes it possible to weaken the contact pressure on the wheels, and can greatly reduce the load during power generation travel. Furthermore, it is possible to drive a windmill by running wind.
多相発電を行うことによる駆動トルクの脈動幅の減少と均一化は、携帯機器等に発電機を内蔵する場合には極めて重要で効果的なものとなる。発電電圧を一定にする為に頻繁に起動停止を繰り返す場合や低速回転を維持する場合に於いて、発電負荷に応じた安定した駆動トルクと円滑な回転は必要不可欠になる。それにより撥条動力等を限界まで有効活用することが可能になる。 Reduction and equalization of the pulsation width of the drive torque by performing multiphase power generation is extremely important and effective when a generator is built in a portable device or the like. Stable drive torque and smooth rotation according to the power generation load are indispensable in the case where the start and stop are frequently repeated in order to keep the power generation voltage constant and the low speed rotation is maintained. Thereby, it becomes possible to effectively utilize the repelling power to the limit.
本発明によるLED点灯回路は、発電コイルの弱小発電領域に於いても、機械的な入力に応じてLEDを発光させることが可能であるから、永久磁石との組み合わせで様々な発電形態を構成することができる。例えば、細かな振動による発電点灯や、歩行時の大きな上下動による発電点灯など、従来は困難であった微少エネルギーによる発電と点灯が実現できる。しかも、その時の点灯は、発電と同時に行う事ができるので、二次電池や充電制御回路等を必要とせず、安価に提供できる。 Since the LED lighting circuit according to the present invention can emit an LED according to a mechanical input even in a weak power generation region of a power generation coil, various power generation modes are configured in combination with a permanent magnet. be able to. For example, it is possible to realize power generation and lighting with minute energy, which has been difficult in the past, such as power generation lighting due to fine vibrations and power generation lighting due to large vertical movements during walking. In addition, since lighting at that time can be performed simultaneously with power generation, a secondary battery, a charge control circuit, and the like are not required, and can be provided at low cost.
ぜんまい等の弾性体を動力源とした発電機を内蔵することで、携帯型照明機器にも応用可能となり、ぜんまい発電機によるLED照明器具も具体化することができる。従来は乾電池を用いていたLEDランプ式懐中電灯などに応用することで、電池切れの心配もなくなり、省資源による環境保護にもつながる。 By incorporating a power generator that uses an elastic body such as a mainspring as a power source, it can be applied to a portable lighting device, and an LED lighting apparatus using a mainspring power generator can also be realized. By applying it to LED lamp type flashlights that conventionally used dry batteries, there is no need to worry about running out of batteries, leading to environmental protection through resource saving.
本発明は、従来回路では変圧器や変成器の二次巻線が担っていた重畳機能を、発電機の発電用巻線に置き換えた物である。この事から、本発明の最良の形態は、発電機と点灯回路基板が一体となって、光源であるLED発光ユニットを点灯させる構造を有する発電機内蔵の携帯機器や、自転車用発電ランプを最良の形態とする。 In the present invention, the superimposing function that the secondary winding of the transformer or transformer was assigned in the conventional circuit is replaced with the power generation winding of the generator. From this, the best mode of the present invention is best for portable devices with built-in generators and bicycle power generation lamps having a structure in which a generator and a lighting circuit board are integrated to light an LED light emitting unit as a light source. The form is as follows.
負荷であるLED発光ユニットは(+)(−)二本のリード線点灯回路と接続できるので発電機や点灯回路基板と一体である必要はないが、複数個の発電コイルを使用した多相発電を行うには配線が煩雑になるので、発電コイルと点灯回路基板は一体化することで本発明の効果を最大限に発揮できる。 The LED light-emitting unit that is the load can be connected to the (+) and (-) two lead wire lighting circuits, so it is not necessary to be integrated with the generator or lighting circuit board, but multi-phase power generation using multiple generator coils Since the wiring is complicated to perform the above, the effect of the present invention can be maximized by integrating the power generating coil and the lighting circuit board.
本実施例では、光源に白色LEDを8個使用した、車輪接触駆動型の自転車用発電ランプについて説明する。一般的な白色LED8個の基準電力は約0.6W程度となり、従来の白熱電球2.4Wの約1/4である。この負荷電力の減少と併せて、本実施例では発電機の回転数を高く設定できるので、多極永久磁石と組み合わせることにより数十Hz〜数百Hzの周波数で発電することができ、駆動トルクを大幅に減少させることができる。 In the present embodiment, a wheel contact drive type bicycle power generation lamp using eight white LEDs as a light source will be described. The reference power of eight general white LEDs is about 0.6 W, which is about 1/4 of the conventional incandescent bulb 2.4 W. Along with this reduction in load power, the rotation speed of the generator can be set high in this embodiment, so that it is possible to generate power at a frequency of several tens Hz to several hundred Hz by combining with a multipolar permanent magnet, and driving torque Can be greatly reduced.
更に高周波発電が可能となるので、小型化した発電コイルを3個以上設置できることになる。3個の発電コイルにより、位相角120度の三相発電が可能になり、整流後の電圧を均一に高く維持することができて、ちらつきを大幅に減少させることができる。また、永久磁石も大幅に小型化することができて、回路基板組立品を本体内に収納することができる。 Furthermore, since high-frequency power generation is possible, three or more miniaturized power generation coils can be installed. The three power generation coils enable three-phase power generation with a phase angle of 120 degrees, the voltage after rectification can be maintained uniformly high, and flicker can be greatly reduced. Further, the permanent magnet can be greatly reduced in size, and the circuit board assembly can be accommodated in the main body.
具体的な構造例を図8および図9に示す。図8は、発電機本体内部の概略構造を説明するために本体を断面した状態の斜め上方から見た斜視図である。図9は、同様の状態を斜め下方から見た斜視図である。以下、図を参照して説明する。 Specific structural examples are shown in FIGS. FIG. 8 is a perspective view seen from obliquely above in a state in which the main body is cross-sectioned in order to explain the schematic structure inside the generator main body. FIG. 9 is a perspective view of the same state as viewed obliquely from below. Hereinafter, a description will be given with reference to the drawings.
LED1aは表面を白色印刷した光源ユニット基板1bに、4個直列接続の2並びで配置され、裏面の電流調整抵抗器等と接続されている。基板1bは光源ユニット本体1cに固定されていて、アーム2によって発電機本体3と結合されている。図示しないがリード線もアーム2に沿って配線されている。そして、光源ユニット本体1cの先端部とLED1aを覆うように透明カバー1dが光源ユニット本体1cに圧入されている。LED1aの交換は必要ないので、圧入接着することで気密を達成して防水と防塵を達成している。上下の配光調整は、光源ユニット1全体を回転させることで可能となる。更に高精度な配光制御を行う場合は、透明カバーをプリズムレンズ等に代えればよい。 The LEDs 1a are arranged in two rows of four in series connection on a light
車輪に接して回転するロータ4によって、ナット5で締め付けられている回転軸6と回転軸6に固着された永久磁石7が、一緒に回転する。永久磁石7は発電負荷の減少に応じて薄型とし、下面に4極の面多極着磁を施して中心部と外側で磁極が対極する構造によって、性能低下を防ぐと共にスペースを稼ぎ出している。回転軸6は、下端と永久磁石7の上方の二カ所に配置されたベアリング8で位置決めされている。発電機本体3と回転軸6は、上端部でシーリング材9等によって防水および防塵の処理が施されている。 By the
回転する永久磁石7の下面には、中央部に角穴を有したボビンに巻かれた、発電コイル10が配置されている。点灯発電用として3個、直流電圧確保のために1個、合計4個が配置されている。この発電コイル10は、ほぼ発電機本体3に内接する点灯回路基板11の外周部に取り付けられて点灯回路を構成する。外周部に取り付けられた点灯発電用の発電コイル10aは60度間隔で設置され、位相角120度の三相発電を行う。直流電圧確保の発電コイル10bは外周部の任意の角度で設置されている。 On the lower surface of the rotating
点灯回路基板11には穴または切欠き部を設けて、鉄芯12の発電コイル10への組込を容易にしている。鉄芯12はU字型に成形されていて、開口部を上方向として点灯回路基板11または本体底蓋13に取り付け固定されている。そして片方の脚部が発電コイル10の中央を貫通して、永久磁石7の中心部と外周部に設けてある磁極からの磁束を効率よく発電コイル10の内側に導き、発電効率を向上させている。この鉄芯12は、電磁用鋼板の薄板をU字形に打ち抜いたものを積層するのが良いが、本例のように絶対発電量が小さい場合は、長方形に打ち抜いた厚さ1.0〜1.6mmの磁性鋼板をU字形に折り曲げて形成しても良い。 The lighting circuit board 11 is provided with a hole or a notch to facilitate the incorporation of the
点灯回路基板11には、発電コイル10以外の電子部品も実装されて点灯回路を構成している。電子部品の実装に於いては、表面実装型部品を活用することで、基板の両面に実装している。特に形状の嵩張るコンデンサ14を、鉄芯12との接触を避けた点灯回路基板11の外周部下面に実装する事で、密度の高い実装組込を行うことができる。 Electronic components other than the
図10と図11に、光源ユニット1を分離して装着位置を広範囲に設定できるようにした実施例を示す。図10は、固定用クリップ15を取り付けた外観斜視図である。図11は、自転車のハンドルのパイプ16に取り付けた時の外観斜視図である。 10 and 11 show an embodiment in which the
光源ユニット1部分は、実施例1の光源ユニット部と同様の構造を基本として、底部に結合用球体1eを増設している。そして底部から、図示は省略しているが、リード線を引き出す。 The
固定用クリップ15は機械的強度と靱性の高いポリカーボネート樹脂等で成形されていて、小さなU字形の球体クリップ15aと、大きなU字形のパイプクリップ15bとで構成されている。球体クリップの先端中央には、結合用球体1eを挟着保持するための丸穴15cを有する。両方のクリップはU字形の底の部分を共有して結合されている。その結合部15dは、両方のクリップ部分より薄く成形されて、撓むことで疑似蝶番の働きをする。 The fixing
結合部15dと結合部を支点とするてこの原理により、結合用球体1eを組み込む時には緩く、ハンドルパイプ16などに取り付けた時には強固に保持することができる。そして、結合用球体1eは自由に可動するので、照射方向を自由に設定できる。これらの効果は、小型軽量、低発熱のLEDを光源とすることで成しうるものである。 Based on the principle of the lever using the coupling portion 15d and the coupling portion as a fulcrum, the coupling sphere 1e can be loosened when being assembled, and can be firmly held when attached to the
実施例1と実施例2は、主に自転車用発電ランプへの応用実施について説明したが、これらの実施例は、手巻き発条を動力源とした携帯型発電機の具体化にも応用できるものである。 In the first and second embodiments, application implementation to a bicycle power generation lamp has been mainly described. However, these embodiments can also be applied to the implementation of a portable generator that uses a manual winding as a power source. It is.
最近の携帯機器類は急速に低電力化が進み、動作電圧は2V〜5V程度と幅があるものの、概ね数十mW程度の消費電力で動作している。対して電池類の使用時間も長くなっているが、このレベルなると、乾電池やACアダプターの代用として、発電機による電力供給の可能性が浮上してくる。 Recent portable devices have been rapidly reduced in power consumption, and have an operating voltage ranging from about 2V to 5V, but operate with a power consumption of about several tens of mW. On the other hand, the use time of batteries has become longer, but when this level is reached, the possibility of power supply by a generator emerges as a substitute for a dry battery or an AC adapter.
片手で発電機の両側を握りしめることで、発条を巻き上げて数分間の発電を行う。数回の巻き上げ操作で、30分から1時間程度の動作を目標とする。発電動作中にも巻き上げ可能とすれば、途中で機器類が停止することもない。負荷に応じた出力電圧の切替と安定化については種々の方法があるので説明は省略する。 By grasping both sides of the generator with one hand, the spring is wound up and power is generated for several minutes. The target is an operation of 30 minutes to 1 hour with several winding operations. If winding is possible even during the power generation operation, the devices will not stop halfway. Since there are various methods for switching and stabilizing the output voltage according to the load, the description is omitted.
そして、その発電機にはLEDランプやラジオ受信機を組み込むことができ、これは非常用の防災機器として効果的である。中型発条とハンドル式の減速巻き上げ機構を採用する発電機は、LED卓上スタンドとして使用でき、商用電源供給の恩恵を受けていない後発国の照明の一助に成りうる。 An LED lamp or a radio receiver can be incorporated into the generator, which is effective as an emergency disaster prevention device. A generator that employs a medium-size strut and a handle-type deceleration winding mechanism can be used as an LED table lamp, and can contribute to lighting in a later country that does not benefit from commercial power supply.
VGin 小型交流発電器等からの交流入力
Batt 直流電源(電池)
T1 小型変成器
T3 小型二出力巻線変成器
L1〜L3 交流点灯用発電コイル
L4 直流電圧発生用発電コイル
C1 直流遮断コンデンサ
C2 LED順電圧平滑コンデンサ
C3 平滑コンデンサ
C4 倍電圧整流用コンデンサ
C5 電圧平滑コンデンサ
CRD 定電流ダイオード
ZD1 定電圧ダイオード
D1 逆流ダイオード
D2 順方向ダイオード
D3 電流逆流防止ダイオード
D4 倍電圧整流用ダイオード
DB ダイオードブリッジ
R1 LED順電流制限抵抗器
R2 電流制限抵抗器
R3 直列接続時のLED電流制限抵抗器
LED 発光ダイオード
Lu1 並列接続発光ユニット
Lu2 直列接続発光ユニット
Vb バイアス電圧発生回路
F 電流制限ヒューズ
Cn1 入力コネクターおよび配線
Cn2 出力コネクターおよび配線
VFo 微弱発光開始電圧
VF LEDの順電圧
IF LEDの順電流
MG 永久磁石VGin AC input from small AC generator Batt DC power supply (battery)
T1 small transformer T3 small two-output winding transformer L1 to L3 AC lighting generator coil L4 DC voltage generator coil C1 DC blocking capacitor C2 LED forward voltage smoothing capacitor C3 smoothing capacitor C4 voltage doubler rectifying capacitor C5 voltage smoothing capacitor CRD constant current diode ZD1 constant voltage diode D1 reverse current diode D2 forward diode D3 current reverse current prevention diode D4 double voltage rectifier diode DB diode bridge R1 LED forward current limiting resistor R2 current limiting resistor R3 LED current limiting resistor in series connection LED Light emitting diode Lu1 Parallel connected light emitting unit Lu2 Series connected light emitting unit Vb Bias voltage generation circuit F Current limiting fuse Cn1 Input connector and wiring Cn2 Output connector and wiring VFo Forward current MG permanent magnet forward voltage IF LED of weak light emission starting voltage VF LED
1 光源ユニット
1a LED
1b 光源ユニット基板
1c 光源ユニット本体
1d 透明カバー
1e 結合用球体
2 アーム
3 発電機本体
4 ローター
5 ナット
6 回転軸
7 永久磁石
8 ベアリング
9 シーリング材
10 発電コイル
10a 交流点灯用発電コイル
10b 直流電圧発生用発電コイル
11 点灯回路用基板
12 鉄芯
13 本体底蓋
14 コンデンサ
15 クリップ
15a 球体クリップ
15b パイプクリップ
15c 丸穴
15d 結合部
16 ハンドルパイプ1 Light source unit 1a LED
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