JP2014511104A - 電子デバイスに電圧を供給するように適合された回路およびその用途 - Google Patents

電子デバイスに電圧を供給するように適合された回路およびその用途 Download PDF

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Abstract

電圧Ｖｓを電子デバイス、たとえば負荷または光源に供給するのに適合された回路において、前記電圧Ｖｓは、Ｖｓから電圧ＶＡＣＧを得ることができる回路（ＡＣＧ）に導かれ、ここで、ＶＡＣＧ≠Ｖｓである。回路は、第１の実施形態では、３つの直列結合ダイオード（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３）および２つのコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）からなり、コンデンサ（ＣＩ）は、ダイオードのうち２つ（Ｄ１、Ｄ２）と並列に結合され、コンデンサ（Ｃ２）は、ダイオード（Ｄ２、Ｄ３）と並列に結合される。この方法では、非対称電流源（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ、ＡＣＧ）が、通常の周期的電圧源Ｖｓから、充電式電池または光源に両方とも適した２つの電圧を得ることができる。この方法では、電子デバイスに必要な電圧が、電池を充電するのに有益である、またはＬＥＤ光源の光を増強する、費用効率の高い電圧であり、電流消費の節約および充電式電池の高速再充電につながり、光源からの光を増大させる。本発明はまた、非対称電流源（ＡＣＧ）の用途も対象とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子デバイス、たとえば負荷ＶＬに電圧を供給するように適合された回路に関し、前記電圧は、期間が正部分および負部分を備える周期的サイクルを有する電圧Ｖｓから得られる。
さらに、本発明は、回路の用途に関する。
携帯電話などの消費デバイスでは、デバイスの中に充電式電池を組み込むことは、通常の慣行である。
携帯電話のための充電式電池は、携帯電話を動作させるための電圧、および同様に電池を再充電するための電圧を提供するので、消費デバイスの動作に必要な電圧より高い出力電圧を電池から提供する必要がある。このため、充電電圧、および消費デバイスを動作させるための電圧の差が、充電過程がどれだけ効果的であるかという概念を与える。しかしながら、設計されたよりも高い電圧を消費デバイスに印加することにより、システム全体の効果が低下する。単純なエネルギー計算によれば、電池を再充電するために使用する電圧、および消費デバイスを動作させるための電圧の差に効率が大体比例すると結論づけることができる。
米国特許第３，９２７．３６４号明細書が、受動部品を使用する電圧増倍器を開示している。
米国のこの文献では、回路からの出力で、消費デバイスのための正常な動作電圧、およびそれに加えて、動作電圧に関連して高められた電圧を確立することが可能である回路を提供するヒントを何も提供しない。
ＬＥＤダイオードを使用するタイプなどの照明デバイスでは、これらの照明デバイスが使用する消費電力が低いことが周知である。
米国特許出願公開第２００４／０１８９５５５号明細書が、増倍回路および電圧レギュレータに接続された交流電源により光源が供給されるＬＥＤ光源を開示している。
このような発光ダイオード（ＬＥＤ）が、使用する消費電力が従来の電球より低いにもかかわらず、現代社会では、実際の消費がどれだけ低くても、電力消費を低減する要求が存在する。
米国特許第３，９２７．３６４号明細書 米国特許出願公開第２００４／０１８９５５５号明細書
したがって、通常の動作電圧、および動作電圧から得られる、増大する電圧を使用する消費デバイスのために効率を改善することが本発明の目的である。
他の目的が、発光ダイオードのためのドライバ光を改善することであり、これにより、本発明による回路なしに同じ電圧を使用するときの光強度と比較して、所与の電圧による消費の下で光強度が改善される。
この目的は、電圧Ｖｓが負荷ＶＬおよび回路の入力の直列結合に供給され、前記回路は、出力ＶＬに電圧ＶＡＣＧを生み出し、ここで、ＶＡＣＧ≠Ｖｓであり、前記回路は、直列部分および並列部分を有する複合回路からなり、電圧ＶＡＣＧは、直列部分および並列部分から得られ、前記直列部分は電圧ＶＳの正部分でアクティブであり、一方、並列部分は信号の負部分でアクティブであることを特徴とする請求項１の導入部で規定するタイプの回路で達成される。
この方法では、たとえば、充電式電池に電圧を供給するために、またはＬＥＤダイオードを駆動するために、動作電圧を使用する消費デバイスに供給される電圧から、より高い電圧をさらに提供することが可能であり、消費デバイス、または同様にＬＥＤダイオードを使用する光源の効率がより高くなる。
本発明を実現する好ましい実用的な方法が、請求項２に記載するように、複合回路が、３つの直列結合ダイオードおよび２つのコンデンサからなる非対称電流源（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）であることであり、コンデンサの一方が、ダイオードのうち２つに並列に接続され、他方のコンデンサが、他のダイオードのうち２つと並列に接続される。
これが有利であるのは、電源からの電流を充電するための時間の規制があることが望ましい場合、または充電期間および放電期間の間のデューティーサイクル比を変更することが望ましい場合である。
請求項３に述べるような場合、複合回路が、抵抗器またはコイルと直列の２つの直列結合ダイオード、ならびにダイオードおよび２つのコンデンサからなる非対称電流源であるほうがさらに得策であり、コンデンサの一方が、２つの直列結合ダイオードの一方、および抵抗器またはコイル、およびダイオードと並列に接続され、他方のコンデンサが、他方のダイオードおよび、抵抗器またはコイル、およびダイオードと並列に接続される。
この方法では、結果は印加された電圧の増倍であり、充電に関してさらにより高い効率が得られる。
光源に関連した本発明の用途については、請求項４に述べるような場合、光源が、少なくとも２つの発光ダイオード（ＬＥＤ）および１つの追加のダイオードの直列結合からなることが有利であり、前記ダイオードは、２つのインピーダンスに結合され、インピーダンスの一方が、ダイオードのうち２つと並列に接続され、他方のインピーダンスが、他のダイオードのうち２つと並列に接続される。
本発明の好ましい一実施形態が、追加のダイオードが発光ダイオード（ＬＥＤ）であることを述べる請求項５で得られる。
本発明の単純で有用な一実施形態が、請求項６に述べるように、インピーダンスがコンデンサであることである。
光強度をさらに改善するためには、請求項７に述べるような場合には、インピーダンスがコイルであることが好ましい。
本発明の実用的な一実施形態が、８つの発光ダイオードおよび２つのスイッチを有し、スイッチの一方が、負荷と直列に接続され、コンデンサと直列の、４つの並列結合発光ダイオードからそれぞれなる２つの直列結合が、２つのスイッチ間に並列に結合され、２組の発光ダイオードが、１つのダイオードと直列に結合される請求項８で得られる。
本発明の他の実施形態が、請求項９に述べるように、少なくとも１つの他の非対称電流源がダイオードのうち２つの一方または両方と並列に接続されことである。
代替の一実施形態では、請求項１０に述べるように、非対称電流源内のコンデンサの１つが、他の非対称電流源回路内のダイオードのうち２つの間に接続され、複数のコンデンサが存在するために、より高い電荷が得られるが、出力電圧は、請求項２〜４に規定する実施形態の出力電圧と比較してより低いことである。
請求項１１に述べるように、コンデンサが、非対称電流源内のダイオードの１つおよび電圧Ｖｓの間に結合され、Ｖｓの正部分の間、コンデンサだけがＶｓと同じレベルに充電されるので、より高い電圧が非対称電流源から得られる。Ｖｓの負部分は、非対称電流源内のコンデンサを充電し、出力電圧が全体的に増大する。
本発明を使用する実用的な例が、請求項１２に述べるように、コンデンサが、電圧ＶＳおよび非対称電流源の間に結合されることであり、請求項１３に述べるように、充電式電池が、電圧Ｖｓおよび非対称電流源の間に結合されることである。
請求項１４に述べるように、電圧Ｖｓが２つのダイオードの直列結合、ならびに非対称電流源およびコンデンサの並列結合に接続され、負荷の一方の端子が並列結合に接続され、一方、負荷の他方の端子が、ダイオード間に接続され、かつ請求項１０に述べるように、電圧Ｖｓが２つのダイオードの直列結合、および２つの非対称電流源の並列結合に接続され、負荷の一方の端子が、並列結合に接続され、一方、他方の端子が、ダイオード間に接続される実施形態が、Ｖｓが、たとえば正弦波を有するときに、従来の整流器を使用しないようにする可能性を与える。さらに、既に説明したように、より低い供給電圧からより高い電圧を生成する、本発明による回路の前述の利点が得られる。
本発明の範囲内で、請求項１５で述べるようなプッシュ／プル構成で、すなわち、ＶＳが２つのスイッチおよび負荷と直列に結合された直流電圧ＶＤＣであり、かつ非対称電流源がスイッチおよび負荷と並列に結合されるプッシュ／プル構成で、ならびにＶｓが負荷および２つのスイッチと並列に結合された直流電圧ＶＤＣであり、かつ非対称電流源がスイッチ間に結合された、請求項１６で述べるようなプッシュ／プル構成で、回路を動作させることが利点である。
請求項１７で述べるように、Ｖｓが、スイッチ、ならびに負荷および非対称電流源の直列結合からなる並列結合と直列にインダクタを通して負荷に結合された直流電圧である場合、充電のための電圧を供給するために必要な動作電圧より低い動作電圧を有する消費デバイスに関して有用な適用分野が得られる。
消費デバイスが、供給電圧より高い、または供給電圧とほぼ同じの動作電圧を有する場合、請求項１８で規定する、代替の好ましい一実施形態が、ＶＳが、負荷および非対称電流源の直列結合からなる並列結合に結合されたコイル、ならびにスイッチに結合された直流電圧ＶＤＣであることを述べている。
前述のように、本発明はまた、本発明の用途を対象にする。
これらの用途を、請求項２０および２１に規定する。
次に、本発明を詳細に説明する。
本発明による非対称電流源の基本回路を示す。 図１の実施形態を少し修正した実施形態を示す。 本発明による光源を示す。 本発明による光源の他の好ましい実施形態を示す。 本発明の他の一実施形態を示す。 図１の回路を増倍バージョンで示す。 図１の回路を他の増倍バージョンで示す。 図２および図３の回路の組合せを示す。 コンデンサが非対称電流源と並列に結合された、図１の回路の一実施形態を示す。 充電式電池に結合された、図１の非対称電流源を示す。 負荷に結合された、図１の非対称電流源を示す。 本発明による、本発明の好ましい一実施形態を示す。 三相網で使用される非対称電流源を示す。 直流電圧およびスイッチング構成が非対称電流源に結合される、図７の回路を示す。 図１０の回路の一実施形態を示す。 直流電圧が負荷および非対称電流源に導かれる他の一実施形態を示す。 直流電圧が負荷および非対称電流源に導かれる他の実施形態を示す。 図３の光源と似ているが、８つのＬＥＤを備える光源を示す。
図１では、３つのダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３からなる非対称電流源の形の回路が、直列に結合されている。２つのコンデンサＣ１、Ｃ２がダイオードに結合され、その結果、コンデンサＣ１は、ダイオードＤ１、Ｄ２と並列に結合され、一方、コンデンサＣ２は、ダイオードＤ２およびＤ３と並列に結合される。
この回路は、負荷ＶＬを通して電圧ＶＳに結合され、前記回路は、以下のように動作する：
電圧Ｖｓを負荷ＶＬに印加したとき、負荷ＶＬの出力に電圧ＶＡＣＧが生み出される。
電圧Ｖｓは、図上では、周期的な対称正弦波として示されている。
回路は以下のように動作する：
Ｖｓの上部端子が第１の半期間の間、正であるとき、コンデンサＣ１、Ｃ２は、Ｖｓの第１の半期間の間、充電される。ダイオードＤ１、Ｄ３は、電流に対して導通しないので、負荷ＶＬ、ならびにコンデンサＣ１、ダイオードＤ２およびコンデンサＣ２からなる、回路の直列部分を通って、電流が流れる。
第１の期間が終了したとき、電圧ＶＡＣＧは、電圧Ｖｓ割るコンデンサの数となり、（１／２）ＶＳに等しい。
電圧Ｖｓの第２の期間では、電圧ＶＡＣＧは、コンデンサＣ１、Ｃ２、ならびにダイオードＤ１およびダイオードＤ３からなる並列回路により制御される。
図１に示すように、Ｖｓが第２の期間内にあるとき、ＶＬがＶｓおよびＶＡＣＧの和となるので、ＶＬ＞Ｖｓであることが理解される。第１の半期間が開始する際、コンデンサへの電流は最大であり、回路の抵抗により決定されることが留意される。コンデンサが完全に充電されたとき、電流は最小となる。
以下に、ＶＳが９ボルトであり、負荷ＶＬが１２ボルトの充電式電池であることを示唆する一例を示す。通常、９ボルトの電源で１２ボルトの電池を充電することは不可能である。
図１の回路を使用するため、同じく図６も参照すると、コンデンサＣ１、Ｃ２の充電中、コンデンサＣ１、Ｃ２は、電圧４．５ボルト（＝（１／２）ＶＳ）を得て、前記電圧は、コンデンサＣ１、Ｃ２の放電中、９ボルト電源に加算され、それにより、電池充電用の１３．５ボルトを生み出すので、電池を再充電することが可能である。
図２には、図１との違いが、抵抗器Ｒ１またはコイル（図示せず）が、ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３と直列に接続されていることであることが示されている。抵抗器Ｄ１は、図２に示すように、Ｄ１およびＤ２の間に、またはＤ２およびＤ３の間に置くことができる。また、一方をＤ１およびＤ２の間に、他方をＤ２およびＤ３の間に接続するように、２つの抵抗器または２つのコイルを置くことも可能である。
抵抗器またはコイルを挿入することにより、このことが、コンデンサＣ１およびＣ２を充電する時間を変更するが、コンデンサＣ１およびＣ２を放電する時間に何の影響も及ぼさない。
次に、図３に移ると、図３と図１の違いは、ダイオードのうち２つＤ１、Ｄ３が発光ダイオードＬＥＤ１、ＬＥＤ２と置換されていることであることを理解することができる。
他の違いが、２つのスイッチＳ１およびＳ２が、直流入力、および値０を有することができる負荷と直列に接続されていることである。
これらのスイッチは、周波数たとえば５ＭＨｚで外部発振器（図示せず）により動力を供給することができる非同期スイッチである。
発光ダイオードＬＥＤ１およびＬＥＤ２の直列結合は、スイッチＳ１、Ｓ２間に結合される。
この回路は以下のように動作する：
直流電圧の増大する部分の間に、Ｓ１がオンであり、かつＳ２がオフであるとき、電流が、コンデンサＣ１、ダイオードＤ１およびコンデンサＣ２を通って流れ、直流電圧プラス直流電圧の半分の値になる。
スイッチＳ１がオフであり、かつスイッチＳ２がオンである、直流電圧の後続の低下する部分の間、コンデンサＣ２は、ＬＥＤ１ダイオードを通して放電し、一方、コンデンサＣ２は、ｌｅｄ２および負荷を通して放電する。
この方法では、直流電圧からより多くの電力が引き出され、３つの直列結合ダイオードが直流電圧に直接結合された状況と比較してより強い光となる。
ダイオードＤ１をＬＥＤダイオードと置換することも同じく可能であるが、このダイオードは、ＬＥＤダイオードＬＥＤ１およびＬＥＤ２より弱い光を放出することが留意される。
ＬＥＤダイオードＬＥＤ１、ＬＥＤ２からより多くの光を得るために、図４に注目する。
図３の実施形態との違いは、２つのコイルＬ１、Ｌ２が、それぞれＬＥＤダイオードＬＥＤ２およびＬＥＤダイオードＬＥＤ１と並列に結合されていることである。
スイッチＳ１がオンであり、かつスイッチＳ２がオフであるとき、直流電圧の増大する部分で、コイルの誘導性が電流を遅延させるという理由のために、電流は、コイルＬ１、コンデンサＣ１ならびにコイルＬ２およびコンデンサＣ２という経路を通るより、コンデンサＣ１、ダイオードＤ１およびコンデンサＣ２を通ってより速く流れる。このことは、電圧の増大する部分が終了したときに、コイルを通る、遅延した電流が最大電荷を得るまで、コンデンサＣ１およびＣ２が、第１の量の電荷を直列に受け取ることを意味する。
直流電圧の低下する部分では、コンデンサは、コイルから電荷を受け取り、図３のバージョンと比較して、ＬＥＤダイオードＬＥＤ１およびＬＥＤ２から、全体的により強い光放出になる。
直流電圧が何らかの誘導性を有する場合、コイルＬ１、Ｌ２が同じ電力を作り出すことができないという理由のために、直流電圧の誘導性が低い場合が最良であることが留意される。
図５の実施形態と図３の実施形態の違いは、コンデンサＣ１、Ｃ２がコイルＬ１、Ｌ２に置換されていることである。
この状況では、１つのスイッチＳ１が、ダイオードＬＥＤ１、Ｄ１およびＬＥＤ２と直列に結合される。
直流電圧の増大する部分の間にＳ１がオンであるとき、電流がコイルＬ１、ダイオードＤ１およびコイルＬ２を通って流れ、コイルにエネルギーを与える。
スイッチがオフであるとき、コイルは、蓄積したエネルギーをＬＥＤダイオードＬＥＤ１およびＬＥＤ２を通して解放する。
図６の回路と図１の回路の違いは、２つの類似のＡＣＧ回路が、それぞれ、ダイオードＤ１およびＤ２ならびにＶｓの正部分の間に、ならびにダイオードＤ２、Ｄ３およびＶｓの負部分の間に結合されていることである。ＡＣＧ回路内の２つのコンデンサは、それぞれＣ５、Ｃ６およびＣ３、Ｃ４と表される。この回路では、３つのコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ４およびＣ２、Ｃ５、Ｃ６のより高速な充電が得られるのは、これらのコンデンサが、図１に示す、２つのコンデンサＣ１、Ｃ２だけを使用することと比較してより低い直列静電容量を有するためである。
同様に、コンデンサＣ３、Ｃ４を並列に放電するとき、これらのコンデンサは、自分の電圧をＣ１に加算し、同じように、コンデンサＣ５、Ｃ６は、自分の電圧をＣ２に加算する。
要約すると、図１の実施形態と比較してより高い出力ＶＡＣＧが結果として得られる、または換言すれば、Ｖｓの増倍が達成される。
図１の実施形態の一変形形態を図７に示す。
この実施形態もまた、増倍を提供する。図３から理解することができるように、コンデンサＣ２が、ダイオードＤ２１およびＤ３１の間で、ダイオードＤ１２、Ｄ２１、Ｄ３１およびコンデンサＣ２１を有するＡＣＧ回路に結合されるような方法で、４つのＡＣＧ回路が結合される。他の２つのＡＣＧ回路が、同じやり方で結合される。
この回路では、複数のＡＣＧ回路により、増倍が同じく提供される。この構成では、ＡＣＧ回路の数は、Ｖｓの値、およびダイオードでの電圧降下により決定される。降下は、ダイオードを導通状態にするために必要な最小電圧により決定される。
電池は、充電で使用される場合、ＡＣＧ回路の直列部分からの電荷を受け取り、ＡＣＧ回路の並列部分からの電荷を与えることができる。この方法では、より高い電荷が生成されるが、より低い総出力電圧が与えられる。
図８は、図６および図７の回路の組合せを示す。
この構成は、図６および図７による結果を使用する、すなわち、図６の回路が、より高い電圧出力およびより低い充電量を提供し、しかも図７の回路が、より低い電圧出力およびより高い充電量を提供する。この組合せにより、より高い結合された電圧および充電量出力がもたらされる。
図１の一変形形態である図９の実施形態では、ＶｓはコンデンサＣ３に結合され、Ｃ３は、次に、ダイオードＤ１、Ｄ２およびＤ３に結合される。
この回路は、Ｖｓを増大させる電圧増圧器（ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｒ）として動作する。
図５の回路がどのように動作するかを理解するために、左側の端子が正であり、右側の端子が負であると仮定する。
また、コンデンサＣ１およびＣ２に電荷が存在しないと仮定する。
この場合、ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３は、コンデンサＣ１およびＣ２を短絡し、電圧Ｖｓの第１の正の期間にコンデンサＣ３を充電する。期間の第２の半分でＶｓの極性が負であるとき、コンデンサＣ３はＶｓと直列に結合され、出力電圧が倍増し、コンデンサＣ１およびＣ２を電圧出力の半分まで充電する。Ｖｓの次の期間が存在するとき、今、充電されたコンデンサＣ１およびＣ２は、並列にコンデンサＣ３に放電する。
この方法では、Ｃ３の電圧は、コンデンサおよびＶｓ自体からの電圧による寄与が繰り返されるために、増大する。
ＡＣＧ回路は、コンデンサＣ３に対して、充電および放電の間に非対称性を作り出す。
図５の電圧増倍の量は、ＶＳ掛けるＡＣＧ回路内のコンデンサの数により決定される。
図１０では、ＡＣＧ回路の実用的な用途を例示する。
図５のバージョンと比較して、コンデンサＣ３の代わりに、充電式電池が挿入されている。
このような充電式電池はコンデンサＣ３として動作しないが、たとえば、１０．８ボルトから１３．５ボルトまでの間の電圧で動作する。
このことは、電池は、ＡＣＧ回路に接続されたとき、電池が放出するよりも高い量の電荷を受け取ることを意味する。
このことは、この場合も、消費デバイスに十分な電圧源Ｖｓを使用し、電圧源Ｖｓを増大させることなく、電池を充電するのに必要な電圧を依然として生み出すことが可能であることを意味する。
どのＡＣＧ回路をどのようにして寸法設計する、または増倍するかに応じて、たとえば、２ボルトの電圧源Ｖｓで３６ボルトの電池を充電することが可能である。
図１１では、電源ＶｓがＡＣＧ回路に接続され、Ｖｓが、同じく２つのダイオードＤ４、Ｄ５に接続されるＡＣＧ回路の構成である。
ダイオードと、ＡＣＧ回路およびコンデンサＣ７の間の共通端子のと間に、負荷を接続する。右側の端子が正であるとき、コンデンサＣ７が負荷から電荷を受け取り、かつＡＣＧ回路が電荷を解放するように、電流が、電源Ｖｓの各半期間の間に負荷を通過する。右側の端子が負であるとき、コンデンサは電荷を解放し、ＡＣＧ回路は電荷を受け取る。
この方法では、Ｖｓからの電流を整流することにより、Ｖｓからの電流を整流する標準的方法を使用するのと比較して、より高い電圧および電流が負荷端子の両端に提供され、図示する波形を参照のこと。
図１２の構成と図１１の構成の違いは、コンデンサＣ７が他のＡＣＧ回路と置換されたことである。機能は、図７に関連して説明したのと基本的に同じであるが、電源Ｖｓの両方の期間が、ずれたやり方で、ＡＣＧ回路での充電および放電を提供し、図示する出力につながるという違いがある。
図１３には、負荷が「Ｙ字型」結合で三相網に接続される構成を示す。動作は、上述の一相網の動作に類似する。
次に図１４に移る。
この実施形態は、負荷がスイッチＳ２と直列に結合され、前記直列結合は、ＡＣＧ回路、ならびにスイッチＳ１および電源ＶＤＣの直列結合と、それぞれ並列に接続される。図から理解することができるように、電源ＶＤＣは直流電圧である。
スイッチＳ１が開いており、かつスイッチＳ２が閉じているとき、ＡＣＧ回路内のコンデンサは、負荷を通して放電される。
スイッチＳ１が閉じており、かつスイッチＳ２が開いているとき、ＡＣＧ回路内のコンデンサは、充電される。これは、図６〜図９に関連して説明したのと基本的に同じ動作である。
説明したようにスイッチを駆動することにより、プッシュ／プル接続が提供される。
図１５と図１４の違いは、負荷がＶＤＣと並列に接続されることである。この構成は、負荷の動作電圧が電圧ＶＤＣより高い、またはＶＤＣと同じである場合に適している。
スイッチＳ２が閉じており、かつスイッチＳ１が開いているとき、ＡＣＧ回路のコンデンサは充電される。
スイッチＳ１が閉じており、かつスイッチＳ２が開いているとき、ＡＣＧ回路内のコンデンサは、負荷で放電し、これにより、同時に、ＶＤＣより高い値が提供される。
図１６の実施形態では、スイッチＳが、負荷およびＡＣＧ回路の直列結合と並列に接続される。スイッチは、ＶＤＣ電源およびコイルとさらに並列に結合される。
この構成は以下のように動作する：
スイッチＳが閉じているとき、電流がＶＤＣ電源からコイルを通過し、これにより、コイルの周りに電磁場が生み出され、コイルの中にエネルギーが蓄積される。同時に、スイッチＳを通して、ＡＣＧ回路内部のコンデンサが、負荷を通して放電する。
スイッチＳが開いたとき、コイルの周りの電磁場は崩壊し、負荷、およびＡＣＧ回路内のコンデンサを通して放電する高電圧を作り出す。スイッチが閉じたとき、および再びスイッチが開いたとき、上記が繰り返される。
図１７では、負荷がＡＣＧ回路と直列に結合されることが理解される。ＡＣＧ回路および負荷がコイルと並列であることもまた理解される。コイルおよび負荷の共通点に電圧ＶＤＣが供給される。コイルおよびＡＣＧ回路の間の共通点にスイッチが結合される。
スイッチＳが閉じたとき、ＶＤＣ電源からの電流が、負荷およびＡＣＧ回路を通り抜け、ＡＣＧ回路では、ＡＣＧ回路内のコンデンサが充電される。同時に、コイルの周りに電磁場が強まる。スイッチＳが開いたとき、コイルの周りの電磁場は崩壊し、高電圧を作り出し、高電圧は、負荷を通してＡＣＧ回路と直列に放電される。これまでの図に関連して説明したように、負荷には、同じ方法で、ＶＤＣより高い電圧が供給される。
図１８には、８つの発光ダイオードからなる光源が示され、これらの発光ダイオードのうち４つが、並列に結合され、コンデンサＣ１と直列に結合され、残りのＬＥＤダイオードが、コンデンサＣ２と直列に結合される。
この光源の機能は、図３の実施形態の機能に類似する。
本発明は、たとえ受動部品に関連して説明されていても、能動部品で、たとえば、ダイオードを置換するトランジスタなどで実現することができることが、特許請求の範囲内で明らかである。
本発明は、電子デバイス、たとえば負荷ＶＬに電圧を供給するように適合された回路に関し、前記電圧は、期間が正部分および負部分を備える周期的サイクルを有する電圧Ｖｓから得られ、電圧Ｖｓは、負荷ＶＬ、および回路の入力の直列結合に供給される。
携帯電話などの消費デバイスでは、デバイスの中に充電式電池を組み込むことは、通常の慣行である。
携帯電話のための充電式電池は、携帯電話を動作させるための電圧、および同様に電池を再充電するための電圧を提供するので、消費デバイスの動作に必要な電圧より高い出力電圧を電池から提供する必要がある。このため、充電電圧、および消費デバイスを動作させるための電圧の差が、充電過程がどれだけ効果的であるかという概念を与える。しかしながら、設計されたよりも高い電圧を消費デバイスに印加することにより、システム全体の効果が低下する。単純なエネルギー計算によれば、電池を再充電するために使用する電圧、および消費デバイスを動作させるための電圧の差に効率が大体比例すると結論づけることができる。
米国特許第３，９２７．３６４号明細書が、受動部品を使用する電圧増倍器を開示している。
米国のこの文献では、回路からの出力で、消費デバイスのための正常な動作電圧、およびそれに加えて、動作電圧に関連して高められた電圧を確立することが可能である回路を提供するヒントを何も提供しない。
ＬＥＤダイオードを使用するタイプなどの照明デバイスでは、これらの照明デバイスが使用する消費電力が低いことが周知である。
米国特許出願公開第２００４／０１８９５５５号明細書が、増倍回路および電圧レギュレータに接続された交流電源により供給されるＬＥＤ光源を開示している。
このような発光ダイオード（ＬＥＤ）が、使用する消費電力が従来の電球より低いとしても、現代社会では、実際の消費がどれだけ低くても、電力消費を低減する要求が存在する。
米国特許第３，９２７．３６４号明細書 米国特許出願公開第２００４／０１８９５５５号明細書
したがって、通常の動作電圧、および動作電圧から得られる、増大する電圧を使用する消費デバイスのために効率を改善することが本発明の目的である。
他の目的が、発光ダイオードのためのドライバ光を改善することであり、これにより、本発明による回路なしに同じ電圧を使用するときの光強度と比較して、所与の電圧による消費の下で光強度が改善される。
この目的は、請求項１の導入部で規定するタイプの回路であって、前記回路は、３つの直列結合ダイオードおよび２つのコンデンサからなり、コンデンサの一方が、ダイオードのうち２つと並列に接続され、他方のコンデンサが、他のダイオードのうち２つと並列に接続される、または前記回路は、少なくとも２つの発光ダイオード（ＬＥＤ）および１つの追加のダイオードの直列結合からなり、前記２つの発光ダイオードは２つのインピーダンスに結合され、インピーダンスの一方が、ダイオードのうち２つと並列に接続され、他方のインピーダンスが、他のダイオードのうち２つと並列に接続されることを特徴とする回路で達成される。
この方法では、たとえば、充電式電池に電圧を供給するために、またはＬＥＤダイオードを駆動するために、動作電圧を使用する消費デバイスに供給される電圧から、より高い電圧をさらに提供することが可能であり、消費デバイス、または同様にＬＥＤダイオードを使用する光源の効率がより高くなる。
さらにより効果的な回路を得るために、請求項２に述べるような場合、少なくとも１つの他の非対称電流源（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ、ＡＣＧ）がダイオードのうち２つの一方または両方に並列に接続される。
本発明の好ましい一実施形態が、追加のダイオードが発光ダイオード（ＬＥＤ）であることを述べる請求項３で得られる。
本発明の単純で有用な一実施形態が、請求項４に述べるように、インピーダンスがコンデンサであることである。
光強度をさらに改善するためには、請求項５に述べるような場合には、インピーダンスがコイルであることが好ましい。
本発明を使用する実用的な例が、請求項６に述べるように、充電式電池が、電圧Ｖｓおよび非対称電流源の間に結合されることである。
請求項７に述べるように、電圧Ｖｓが２つのダイオードの直列結合、ならびに非対称電流源およびコンデンサの並列結合に接続され、負荷の一方の端子が並列結合に接続され、一方、負荷の他方の端子が、ダイオード間に接続される実施形態が、Ｖｓが、たとえば正弦波を有するときに、従来の整流器を使用しないようにする可能性を与える。さらに、既に説明したように、より低い供給電圧からより高い電圧を生成する、本発明による回路の前述の利点が得られる。
本発明の範囲内で、請求項８で述べるように、ＶＳが２つのスイッチおよび負荷と直列に結合された直流電圧ＶＤＣであり、かつ非対称電流源がスイッチおよび負荷と並列に結合されるプッシュ／プル構成で、回路を動作させることが利点である。
次に、本発明を詳細に説明する。
本発明による非対称電流源の基本回路を示す。 本発明による光源を示す。 本発明による光源の他の好ましい実施形態を示す。 本発明の他の一実施形態を示す。 図１の回路を増倍バージョンで示す。 充電式電池に結合された、図１の非対称電流源を示す。 負荷に結合された、図１の非対称電流源を示す。 本発明による、本発明の好ましい一実施形態を示す。 図２の光源と似ているが、８つのＬＥＤを備える光源を示す。
図１では、３つのダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３からなる非対称電流源の形の回路が、直列に結合されている。２つのコンデンサＣ１、Ｃ２がダイオードに結合され、その結果、コンデンサＣ１は、ダイオードＤ１、Ｄ２と並列に結合され、一方、コンデンサＣ２は、ダイオードＤ２およびＤ３と並列に結合される。
この回路は、負荷ＶＬを通して電圧ＶＳに結合され、前記回路は、以下のように動作する：
電圧Ｖｓを負荷ＶＬに印加したとき、負荷ＶＬの出力に電圧ＶＡＣＧが生み出される。
電圧Ｖｓは、図上では、周期的な対称正弦波として示されている。
回路は以下のように動作する：
Ｖｓの上部端子が第１の半期間の間、正であるとき、コンデンサＣ１、Ｃ２は、Ｖｓの第１の半期間の間、充電される。ダイオードＤ１、Ｄ３は、電流に対して導通しないので、負荷ＶＬ、ならびにコンデンサＣ１、ダイオードＤ２およびコンデンサＣ２からなる、回路の直列部分を通って、電流が流れる。
第１の期間が終了したとき、電圧ＶＡＣＧは、電圧Ｖｓ割るコンデンサの数となり、（１／２）ＶＳに等しい。
電圧Ｖｓの第２の期間では、電圧ＶＡＣＧは、コンデンサＣ１、Ｃ２、ならびにダイオードＤ１およびダイオードＤ３からなる並列回路により制御される。
図１に示すように、Ｖｓが第２の期間内にあるとき、ＶＬがＶｓおよびＶＡＣＧの和となるので、ＶＬ＞Ｖｓであることが理解される。第１の半期間が開始する際、コンデンサへの電流は最大であり、回路の抵抗により決定されることが留意される。コンデンサが完全に充電されたとき、電流は最小となる。
以下に、ＶＳが９ボルトであり、負荷ＶＬが１２ボルトの充電式電池であることを示唆する一例を示す。通常、９ボルトの電源で１２ボルトの電池を充電することは不可能である。
図１の回路を使用するため、同じく図５も参照すると、コンデンサＣ１、Ｃ２の充電中、コンデンサＣ１、Ｃ２は、電圧４．５ボルト（＝（１／２）ＶＳ）を得て、前記電圧は、コンデンサＣ１、Ｃ２の放電中、９ボルト電源に加算され、それにより、電池充電用の１３．５ボルトを生み出すので、電池を再充電することが可能である。
次に、図２に移ると、図２と図１の違いは、ダイオードのうち２つＤ１、Ｄ３が発光ダイオードＬＥＤ１、ＬＥＤ２と置換されていることであることを理解することができる。
他の違いが、２つのスイッチＳ１およびＳ２が、直流入力、および値０を有することができる負荷と直列に接続されていることである。
これらのスイッチは、周波数たとえば５ＭＨｚで外部発振器（図示せず）により動力を供給することができる非同期スイッチである。
発光ダイオードＬＥＤ１およびＬＥＤ２の直列結合は、スイッチＳ１、Ｓ２間に結合される。
この回路は以下のように動作する：
直流電圧の増大する部分の間に、Ｓ１がオンであり、かつＳ２がオフであるとき、電流が、コンデンサＣ１、ダイオードＤ１およびコンデンサＣ２を通って流れ、直流電圧プラス直流電圧の半分の値になる。
スイッチＳ１がオフであり、かつスイッチＳ２がオンである、直流電圧の後続の低下する部分の間、コンデンサＣ２は、ＬＥＤ１ダイオードを通して放電し、一方、コンデンサＣ２は、ＬＥＤ２および負荷を通して放電する。
この方法では、直流電圧からより多くの電力が引き出され、３つの直列結合ダイオードが直流電圧に直接結合された状況と比較してより強い光となる。
ダイオードＤ１をＬＥＤダイオードと置換することも同じく可能であるが、このダイオードは、ＬＥＤダイオードＬＥＤ１およびＬＥＤ２より弱い光を放出することが留意される。
ＬＥＤダイオードＬＥＤ１、ＬＥＤ２からより多くの光を得るために、図３に注目する。
図２の実施形態との違いは、２つのコイルＬ１、Ｌ２が、それぞれＬＥＤダイオードＬＥＤ２およびＬＥＤダイオードＬＥＤ１と並列に結合されていることである。
スイッチＳ１がオンであり、かつスイッチＳ２がオフであるとき、直流電圧の増大する部分で、コイルの誘導性が電流を遅延させるという理由のために、電流は、コイルＬ１、コンデンサＣ１ならびにコイルＬ２およびコンデンサＣ２という経路を通るより、コンデンサＣ１、ダイオードＤ１およびコンデンサＣ２を通ってより速く流れる。このことは、電圧の増大する部分が終了したときに、コイルを通る、遅延した電流が最大電荷を得るまで、コンデンサＣ１およびＣ２が、第１の量の電荷を直列に受け取ることを意味する。
直流電圧の低下する部分では、コンデンサは、コイルから電荷を受け取り、図３のバージョンと比較して、ＬＥＤダイオードＬＥＤ１およびＬＥＤ２から、全体的により強い光放出になる。
直流電圧が何らかの誘導性を有する場合、コイルＬ１、Ｌ２が同じ電力を作り出すことができないという理由のために、直流電圧の誘導性が低い場合が最良であることが留意される。
図４の実施形態と図２の実施形態の違いは、コンデンサＣ１、Ｃ２がコイルＬ１、Ｌ２に置換されていることである。
この状況では、１つのスイッチＳ１が、ダイオードＬＥＤ１、Ｄ１およびＬＥＤ２と直列に結合される。
直流電圧の増大する部分の間にＳ１がオンであるとき、電流がコイルＬ１、ダイオードＤ１およびコイルＬ２を通って流れ、コイルにエネルギーを与える。
スイッチがオフであるとき、コイルは、蓄積したエネルギーをＬＥＤダイオードＬＥＤ１およびＬＥＤ２を通して解放する。
図５の回路と図１の回路の違いは、２つの類似のＡＣＧ回路が、それぞれ、ダイオードＤ１およびＤ２ならびにＶｓの正部分の間に、ならびにダイオードＤ２、Ｄ３およびＶｓの負部分の間に結合されていることである。ＡＣＧ回路内の２つのコンデンサは、それぞれＣ５、Ｃ６およびＣ３、Ｃ４と表される。この回路では、３つのコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ４およびＣ２、Ｃ５、Ｃ６のより高速な充電が得られるのは、これらのコンデンサが、図１に示す、２つのコンデンサＣ１、Ｃ２だけを使用することと比較してより低い直列静電容量を有するためである。
同様に、コンデンサＣ３、Ｃ４を並列に放電するとき、これらのコンデンサは、自分の電圧をＣ１に加算し、同じように、コンデンサＣ５、Ｃ６は、自分の電圧をＣ２に加算する。
要約すると、図１の実施形態と比較してより高い出力ＶＡＣＧが結果として得られる、または換言すれば、Ｖｓの増倍が達成される。
図６では、ＡＣＧ回路の実用的な用途を例示し、充電式電池が負荷として挿入されている。
このような充電式電池は、たとえば、１０．８ボルトから１３．５ボルトまでの間の電圧で動作する。
このことは、電池は、ＡＣＧ回路に接続されたとき、電池が放出するよりも高い量の電荷を受け取ることを意味する。
このことは、この場合も、消費デバイスに十分な電圧源Ｖｓを使用し、電圧源Ｖｓを増大させることなく、電池を充電するのに必要な電圧を依然として生み出すことが可能であることを意味する。
どのＡＣＧ回路をどのようにして寸法設計する、または増倍するかに応じて、たとえば、２ボルトの電圧源Ｖｓで３６ボルトの電池を充電することが可能である。
図７は、電源ＶｓがＡＣＧ回路に接続され、Ｖｓが、同じく２つのダイオードＤ４、Ｄ５に接続されるＡＣＧ回路の構成を示す。
図８の構成と図７の構成の違いは、コンデンサＣ７が他のＡＣＧ回路と置換されたことである。機能は、図７に関連して説明したのと基本的に同じであるが、電源Ｖｓの両方の期間が、ずれたやり方で、ＡＣＧ回路での充電および放電を提供し、図示する出力につながるという違いがある。
図９には、８つの発光ダイオードからなる光源が示され、これらの発光ダイオードのうち４つが、並列に結合され、コンデンサＣ１と直列に結合され、残りのＬＥＤダイオードが、コンデンサＣ２と直列に結合される。
この光源の機能は、図２の実施形態の機能に類似する。
本発明は、たとえ受動部品に関連して説明されていても、能動部品で、たとえば、ダイオードを置換するトランジスタなどで実現することができることが、特許請求の範囲内で明らかである。

Claims (21)

  1. 期間が正部分および負部分を備える周期的サイクルを有する電圧Ｖｓから得られる電圧を、電子デバイス、たとえば負荷ＶＬまたは光源に供給するように適合された回路であって、前記電圧Ｖｓは、前記負荷ＶＬ、および回路（ＡＣＧ）の入力の直列結合に供給され、前記回路は、前記出力ＶＬに電圧ＶＡＣＧを生み出し、ここでＶＡＣＧ≠Ｖｓであり、前記回路は、直列部分および並列部分を有する複合回路からなり、前記電圧ＶＡＣＧは、前記直列部分および前記並列部分から得られ、前記直列部分は、前記電圧ＶＳの前記正部分でアクティブであり、一方、前記並列部分は、前記信号の前記負部分でアクティブであることを特徴とする回路。
  2. 前記複合回路は、３つの直列結合ダイオード（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３）および２つのコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）からなる非対称電流源（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ、ＡＣＧ）であり、前記コンデンサの一方（Ｃ１）が、前記ダイオードのうち２つ（Ｄ１、Ｄ２）と並列に接続され、前記他方のコンデンサ（Ｃ２）が、前記他のダイオードのうち２つ（Ｄ２、Ｄ３）と並列に接続されることを特徴とする、請求項１に記載の回路。
  3. 前記複合回路は、抵抗器（Ｒ１）またはコイルおよびダイオード（Ｄ２）と直列の２つの直列結合ダイオード（Ｄ１、Ｄ２）、ならびに２つのコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）からなる非対称電流源（ＡＣＧ）であり、前記コンデンサの一方（Ｃ１）が、前記ダイオードの１つ（Ｄ１）、および抵抗器（Ｒ１）または前記コイル、およびダイオード（Ｄ２）と並列に接続され、前記他方のコンデンサ（Ｃ２）が、前記その他のダイオード（Ｄ３）、および前記抵抗器（Ｒ１）またはコイル、および前記ダイオード（Ｄ２）と並列に接続されることを特徴とする、請求項１に記載の回路。
  4. 前記回路は、少なくとも２つの発光ダイオード（ＬＥＤ）および１つの追加のダイオードの直列結合からなり、前記２つの発光ダイオードは、２つのインピーダンスに結合され、前記インピーダンスの一方が、前記ダイオードのうち２つと並列に接続され、前記他方のインピーダンスが、前記他のダイオードのうち２つと並列に接続されることを特徴とする、請求項１に記載の回路。
  5. 前記追加のダイオードは発光ダイオードであることを特徴とする、請求項４に記載の回路。
  6. 前記インピーダンスはコンデンサであることを特徴とする、請求項４または５に記載の回路。
  7. 前記インピーダンスはコイルであることを特徴とする、請求項４または５に記載の回路。
  8. 前記回路は、８つの発光ダイオードおよび２つのスイッチを有し、前記スイッチのうち一方が、負荷と直列に接続されること、コンデンサと直列の４つの並列結合発光ダイオードからそれぞれなる２つの直列結合が２つのスイッチ間に並列に結合されること、ならびに前記２組の発光ダイオードは、ダイオードと直列に結合されることを特徴とする、請求項４〜７のうちいずれか一項に記載の回路。
  9. 少なくとも１つの他の非対称電流源（ＡＣＧ）が、前記ダイオードのうち２つの一方（Ｄ３）または両方と並列に接続されることを特徴とする、請求項２〜３のうちいずれか一項に記載の回路。
  10. 前記非対称電流源内の前記コンデンサの一方（Ｃ２）が、他の非対称電流源内の前記ダイオードのうち２つ（Ｄ２１、Ｄ３１）の間に接続されることを特徴とする、請求項２〜３のうちいずれか一項に記載の回路。
  11. 前記非対称電流源（ＡＶＧ）内の前記コンデンサ（Ｃ２）は、他の非対称電流源回路内のダイオード（Ｄ２１およびＤ３１）間に接続されることを特徴とする、請求項２〜３のうちいずれか一項に記載の回路。
  12. コンデンサ（Ｃ３）が、前記電圧ＶＳおよび前記非対称電流源（ＡＣＧ）の間に結合されることを特徴とする、請求項２〜３、または請求項１０〜１１のうちいずれか一項に記載の回路。
  13. 充電式電池が、前記電圧Ｖｓおよび前記非対称電流源（ＡＣＧ）の間に結合されることを特徴とする、請求項２〜３、または請求項１０〜１１のうちいずれか一項に記載の回路。
  14. 前記電圧Ｖｓは、２つのダイオード（Ｄ４、Ｄ５）の直列結合、ならびに非対称電流源（ＡＣＧ）およびコンデンサの並列結合に接続され、負荷の一方の端子が前記並列結合に接続され、一方、他方の端子が前記ダイオード間に接続されることを特徴とする、請求項２〜３のうちいずれか一項に記載の回路。
  15. 前記電圧Ｖｓは、２つのダイオード（Ｄ４、Ｄ５）の直列結合、および２つの非対称電流源の並列結合に接続され、前記負荷の一方の端子が前記並列結合に接続され、一方、他方の端子が前記ダイオード間に接続されることを特徴とする、請求項２〜３、または請求項９〜１４のうちいずれか一項に記載の回路。
  16. ＶＳは、２つのスイッチ（Ｓ１、Ｓ２）および前記負荷と直列に結合された直流電圧ＶＤＣであること、および前記非対称電流源（ＡＣＧ）は、前記スイッチ（Ｓ２）および前記負荷と並列に接続されることを特徴とする、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の回路。
  17. Ｖｓは、前記負荷および２つのスイッチ（Ｓ１、Ｓ２）と並列に結合された直流電圧ＶＤＣであること、および前記非対称電流源（ＡＣＧ）は、前記スイッチ（Ｓ１、Ｓ２）間に結合されることを特徴とする、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の回路。
  18. Ｖｓは、スイッチ（Ｓ）、ならびに前記負荷および前記非対称電流源（ＡＣＧ）の直列結合からなる並列結合と直列のインダクタを通して前記負荷に結合された直流電圧ＶＤＣであることを特徴とする、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の回路。
  19. ＶＳは、コイルに結合された直流電圧ＶＤＣであり、前記コイルは、次に前記負荷および前記非対称電流源（ＡＣＧ）の直列結合と並列に結合され、前記非対称電流源（ＡＣＧ）の出力が、スイッチ（Ｓ）に結合されることを特徴とする、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の回路。
  20. 請求項１〜３、または請求項９〜１９のうちいずれか一項に記載の、複数ＮのＡＣＧ回路の、Ｎ相網での用途。
  21. 請求項１、または請求項４〜９のうちいずれか一項に記載の回路の、光源としての用途。
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