JP3675060B2

JP3675060B2 - 電力供給装置、発電装置および電子機器

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Publication number: JP3675060B2
Application number: JP26755596A
Authority: JP
Inventors: 泰治橋本; 孝川口
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1996-10-08
Filing date: 1996-10-08
Publication date: 2005-07-27
Anticipated expiration: 2016-10-08
Also published as: JPH10111367A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池や熱電素子などからの直流電力で計時装置などの処理装置を稼動できる電子機器、発電装置および電力供給装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
太陽光を電力に変換する太陽電池や、温度差を用いて発電する熱電素子など内蔵し、その電力で計時装置などの処理装置を稼動させる小型で携帯可能な電子機器が考えられている。これらの電子機器においては、発電に用いられるエネルギーが不連続であるため、充放電可能な電池あるいはコンデンサを充電装置として採用し、発電能力が不足する場合であっても継続して処理装置を稼動できるようにしている。
【０００３】
図９に、太陽電池１によって計時装置などの処理装置９を動作できる電子機器１０の概要を示してある。この電子機器１０は、太陽電池１からの直流電力を充電装置である大容量コンデンサ２および処理装置９に供給するための電力供給装置２０を備えている。電力供給装置２０は、太陽電池１に接続された入力端２１と、大容量コンデンサ２に接続された第１の出力端２２と、さらに、処理装置９に接続された第２の出力端２３とを備えている。また、第２の出力端２３には、第１の出力端２２、すなわち大容量コンデンサ２に対し、スタートアップ用の抵抗２４が直列に接続されている。さらに、スタートアップ用の抵抗２４と並列にバイパススイッチＳＷｂが接続されている。従って、太陽電池１が発電した電力は、大容量コンデンサ２と処理装置９に供給され、処理装置９の作動用電力となると共にコンデンサ２の充電にも用いられる。また、大容量コンデンサ２の充電レベルが低いときに大容量コンデンサ２で主に電力が消費されてしまうのを防止するためにスタートアップ用の抵抗２４が設けられており、これによって、太陽電池１が発電を開始した後の早いタイミングから処理装置９の作動用電圧を確保できるようになっている。また、大容量コンデンサ２にある程度の電圧が発生すると、スタートアップ用の抵抗２４がバイパススイッチＳＷｂによってバイパスされ、効率良く大容量コンデンサ２に充電できる。
【０００４】
処理装置９には、作動電圧の安定化などのために補助コンデンサ８が並列に接続されている。また、入力端２１と並列に短絡用のスイッチＳＷｓが接続されており、太陽電池１からの入力電圧Ｖ１が高くなりすぎて処理装置９や大容量コンデンサ２に悪影響を与えるレベルに達すると太陽電池１からの入力を短絡し、出力電圧Ｖ２が高く成りすぎないようにしている。このような制御を行うために電力供給装置２０は制御回路２５を備えており、この制御回路２５によって入力電圧Ｖ１および大容量コンデンサ２の出力端２３の側の出力電圧Ｖ２が監視され、短絡用スイッチＳＷｓおよびバイパス用スイッチＳＷｂが操作されるようになっている。
【０００５】
この電力供給装置２０においては、不連続な光エネルギーを電力に変換する太陽電池１の出力が低下すると大容量コンデンサ２が放電した電力が出力端２２から出力端２３に供給され、処理装置９が駆動される。この際、大容量コンデンサ２から太陽電池１に電流が流れると、電力が浪費され、また、太陽電池１が損傷する恐れがある。このため、電力供給装置２０に、大容量コンデンサ２から太陽電池１に対する逆流防止用のダイオード２６が設けられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
太陽電池や熱電素子などの自然エネルギーを用いた発電装置は継続して一定量の電力を供給できるものではなく、供給されるエネルギーはその密度が大きく変化し易く、不連続になる。例えば、太陽電池の発電能力は照度に大きく依存しており、光がない場合は発電を停止し、さらに、照度が低い場合は太陽電池１から出力される電流が小さいので入力電圧Ｖ１が上がらない。一方、逆流防止用のダイオード２６としてシリコンダイオードが用いられていると、図１０に示すように微弱な順方向の電流Ｉ_F に対しても０．５〜０．６Ｖ程度の順方向電圧Ｖ_F が発生する。従って、太陽電池に光が照射されても順方向電圧Ｖ_F 以上の入力電圧Ｖ１が確保されないと大容量コンデンサや処理装置に電力を供給することができない。
【０００７】
処理装置の作動電圧は、ＩＣなどの低電圧駆動化が進んでいるため、例えば、０．９〜１．０Ｖ程度でスタートさせることが可能である。このように、処理装置のスタート可能な電圧が、逆流防止ダイオードの順方向電圧Ｖ_F とほぼ同程度に低下されているため、順方向電圧Ｖ_F を低減することにより太陽電池の利用効率を大幅に向上できる。特に、計時装置のように継続的な動作が必要とされる処理装置にとっては、処理装置に対し太陽電池から電力が供給される時間を延ばし、大容量コンデンサに蓄積された電力の消費を低減することが重要である。これにより、太陽電池が発電できない状態でもより長い時間継続して処理装置を動かすことができる。
【０００８】
一方、太陽電池が発電を停止したり、起電圧が低下したときに大容量コンデンサからの電力の逆流を阻止するという点では、逆流防止ダイオードは逆リーク電流の小さいものが望ましい。例えば、逆流防止ダイオードとしてショットキーバリアダイオードを用いれば順方向電圧Ｖ_F を０．３Ｖ程度あるいはそれ以下に低減できるが、逆リーク電流は増加してしまう。また、０．３Ｖ程度であっても順方向電圧による損失があるので、これを無くすことはできない。
【０００９】
そこで、本発明においては、電力を供給する際の逆流防止ダイオードによる順方向電圧の損失をなくすことができる電力供給装置を提供することを目的としている。さらに、太陽電池などから供給された電力が順方向電圧以下であっても充電装置や処理装置に供給でき、逆流も防止できる電力供給装置および発電装置を提供することを目的としている。そして、太陽電池などから供給された電力を有効に活用し、長時間継続して動作できる電子機器を提供することも目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明の電力供給装置は、直流電力が入力される入力端と、電力を消費する処理装置または充電装置の少なくともいずれかに接続される出力端と、前記入力端と前記出力端との間に接続され、前記出力端側から前記入力端側に電流が流れるのを防止する逆流防止用のダイオードと、前記入力端および前記出力端に対し交互に接続可能であるとともに、前記逆流防止用のダイオードをバイパスして前記入力端から前記出力端に電力を転送する電力転送用の蓄電手段と、前記蓄電手段を前記入力端に接続する第１のスイッチ手段と、前記蓄電手段を前記出力端に接続する第２のスイッチ手段と、前記第１および第２のスイッチ手段を交互にオンオフする制御手段とを有する電力供給装置であって、前記制御手段は、前記入力端の入力電圧が前記出力端の出力電圧より高いときに前記第１および第２のスイッチ手段の操作を行い、前記入力電圧が前記出力電圧と同等または低いときに前記第１および第２のスイッチ手段の少なくとも一方をオフすることを特徴としている。
上記構成によれば、逆流防止用のダイオードが出力端側から入力端側に電流が流れるのを防止する。そして、入力端および出力端に対し交互に接続可能な電力転送用の蓄電手段を用いて電力を供給し、逆流防止用のダイオードをバイパスして入力端から出力端に電力を転送して、逆流防止用のダイオードを通さずに入力端に供給された直流電力を出力端の処理装置または充電装置に供給することが可能である。さらに、制御手段により、入力端の入力電圧および出力端の出力電圧を監視し、入力電圧が出力電圧より高いときに第１および第２のスイッチ手段の操作を行って直流電力を出力端に転送することによりダイオードによる損失なく入力端の直流電力を出力端に供給することができる。そして、入力電圧が出力電圧と同等あるいは低下したときは第１および第２のスイッチ手段の少なくとも一方をオフすることにより、出力端から入力端への逆流を防止することができる。
【００１１】
入力端に入力された直流電力を蓄電手段に直に蓄積することも可能であるが、入力端に対し並列に入力補助蓄電手段を接続しておくことにより、転送用の蓄電手段が出力端の側に接続されている間に入力端に入力される直流電力を蓄積しておくことができる。
【００１３】
また、蓄電手段に第１の蓄電手段および第２の蓄電手段を設け、第１のスイッチ手段と連動して第１および第２の蓄電手段を入力端に対し並列に接続する手段と、第２のスイッチ手段と連動して第１および第２の蓄電手段を出力端に対し直列に接続する手段とをさらに設けることにより、入力端の直流電力を昇圧して出力端に供給することができる。
【００１４】
また、転送用の蓄電手段に代わり、入力端の入力電圧が出力端の出力電圧より高いときに入力端および出力端を短絡するスイッチ手段を設けることによってもダイオードを介さずに入力端の直流電力を出力端に供給できる。また、入力電圧が出力電圧と同等または低くなったときにこのスイッチ手段をオフすることによりスイッチ手段を介して電力が逆流するのを防止できる。入力端に対し並列に入力補助蓄電手段を接続することにより、入力補助蓄電手段に充電中の入力電圧によってスイッチ手段を操作できる。また、入力端に対し並列に接続された入力補助抵抗手段と、この入力補助抵抗手段と直列に接続された補助スイッチ手段とを設け、補助スイッチ手段は短絡用のスイッチ手段と反対にオンオフするようにすることにより、入力補助抵抗手段に電流が流れている状態の入力電圧でスイッチ手段を操作できる。例えば、太陽電池は、照度が弱くとも開放電圧は高いが供給可能な電流は小さい。従って、入力補助抵抗手段や入力補助蓄電手段に電流を流すことにより太陽電池が供給可能な電力をより的確に判断でき、出力端の充電手段に蓄積された電力の損失がないように入力端から出力端に直流電力を供給することができる。
【００１５】
このような本発明の電力供給装置の入力端に、太陽電池や熱電素子などの不連続に供給される自然界や人体のエネルギーを直流電力に変換して出力可能な発電手段を接続し、出力端に直流電力を蓄積可能な充電手段を接続した発電装置においては、発電手段から入力された直流電力をダイオードの順方向電圧による損失なく充電手段に供給でき、発電手段の利用効率を向上できる。また、発電手段から入力された直流電力をダイオードの順方向電圧による損失なく出力端を介して処理装置に供給することも可能であり、発電手段の起電力が低い状態から電力を利用できより長い時間、処理装置を稼働させることができる。また、充電装置から入力端に逆流する電流も阻止できるので、充電装置に蓄電された電力も有効に活用できる。従って、本発明の電力供給装置を用いて発電装置から処理装置に対し長時間にわたり安定した電力を供給できるので、何時でも何処でも計時装置などの処理装置の機能を発揮させられる電子機器を提供できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
〔第１の実施の形態〕
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１に、太陽電池１によって計時装置などの処理装置９を動作できる本発明にかかる電子機器１０の概要を示してある。この電子機器１０は、図９に基づき先に説明した電子機器と同様に、太陽電池１からの直流電力を充電装置である大容量コンデンサ２および処理装置９に供給するための電力供給装置２０を備えている。この電力供給装置２０は、太陽電池１に接続された入力端２１と、大容量コンデンサ２に接続された第１の出力端２２と、処理装置９に接続された第２の出力端２３とを備えており、第１の出力端２２に接続された大容量コンデンサ２にはスタートアップ用の抵抗２４が直列に接続されている。さらに、スタートアップ用の抵抗２４と並列にバイパススイッチＳＷｂが接続されている。従って、本例の電力供給装置２０においても、太陽電池１から入力端２１に供給された直流電力は、大容量コンデンサ２と処理装置９に供給され処理装置９の作動用電力となると共にコンデンサ２の充電にも用いられる。大容量コンデンサ２の充電レベルが低いときにスタートアップ用の抵抗２４によって処理装置９の作動用電圧が確保でき、また、大容量コンデンサ２にある程度の電圧が発生するとバイパススイッチＳＷｂがオンになって効率良く大容量コンデンサ２を充電できる。本例の処理装置９にも補助コンデンサ８が並列に接続されており、また、入力端２１と並列に過電圧防止用の短絡スイッチＳＷｓが接続されている。さらに、太陽電池１の出力が低下した際に大容量コンデンサ２から太陽電池１に電流が逆流しないように逆流防止用のダイオード２６が設けられている。なお、本例の電子機器１０は、高電圧側Ｖddが接地されて基準電圧となっている。このため、以下においては、出力電圧として低電圧側Ｖssを参照し、電圧値は簡単のため全て絶対値で示すこととする。
【００１７】
本例の電力供給装置２０は、さらに、逆流防止用のダイオード２６と並列に電力転送回路３０が設けられている。本例の電力転送回路３０は、太陽電池１が接続された入力端２１と処理装置９が接続された出力端２３とに対し並列に接続可能な電力転送用のコンデンサ３１を備えている。また、この電力転送用のコンデンサ３１は、大容量コンデンサ２の接続された出力端２２に対しては、スタートアップ抵抗２４が出力端２２と直列に接続されており、バイパススイッチＳＷｂがオンすると大容量コンデンサ２に電力転送用コンデンサ３１が並列に接続されるようになっている。さらに、本例の電力転送回路３０は、入力端２１に対し並列に接続された入力補助コンデンサ３２を備えている。
【００１８】
電力転送用のコンデンサ３１はスイッチＳＷ１０によって入力端２１の側、すなわち、入力補助コンデンサ３２と並列に接続されるようになっており、また、スイッチＳＷ２０によって出力端２２および２３に並列に接続されるようになっている。これらのスイッチＳＷ１０およびスイッチＳＷ２０は、入力電圧Ｖ１および出力電圧Ｖ２を監視している制御回路２５から制御信号φ１およびφ２によって交互にオンオフされるようになっており、電力転送用のコンデンサ３１とスイッチＳＷ１０およびＳＷ２０によって入力端２１および出力端２２および２３に交互に接続される電力転送用の蓄電回路３３が構成されている。
【００１９】
図２に制御回路２５から電力転送回路３０のスイッチＳＷ１０およびＳＷ２０を制御する制御信号φ１およびφ２を、バイパス用スイッチＳＷｂおよび短絡用スイッチＳＷｓを制御する制御信号φｂおよびφｓと共に示してある。図２には、大容量コンデンサ２に若干の電荷が蓄積され電圧Ｖscとなっている状態で太陽電池１に光が照射されたときの各制御信号φ１、φ２、φｂおよびφｓを示してある。まず、太陽電池１に光が照射されていない時刻ｔ０においては、制御信号φ１が低レベル、制御信号φ２が高レベルとなっており、スイッチＳＷ１０がオフ、スイッチＳＷ２０がオンになっている。このため、転送用のコンデンサ３１は出力端２２および２３に接続された状態になっている。また、制御信号φｂは低レベルでバイパススイッチＳＷｂはオフとなっており、スタートアップ抵抗２４を通って電力が大容量コンデンサ２に供給されるようになっている。さらに、太陽電池１は発電を行っておらず入力電圧Ｖ１は低いので、制御信号φｓも低レベルであり、短絡スイッチＳＷｓもオフになっている。
【００２０】
太陽電池１に光が照射されると発電が開始され入力端２１に電力が供給される。これにより入力補助コンデンサ３２が充電され入力電圧Ｖ１が上昇する。時刻ｔ１に、入力電圧Ｖ１が大容量コンデンサ２の電圧Ｖscおよびスタート用抵抗２４による電圧降下を含めた出力電圧Ｖ２を越えたと制御回路２５が判断すると、転送用コンデンサ３１を用いて発電電荷の転送を開始する。まず、時刻ｔ１に制御信号φ２を低レベルにしてスイッチＳＷ２０をオフし、転送用コンデンサ３１を出力端２２および２３の側から切り離す。時刻ｔ２に制御信号φ１を高レベルにしてスイッチＳＷ１０をオンし、転送用コンデンサ３１を入力端２１の側に接続する。これにより、太陽電池１によって発電され入力補助コンデンサ３２に蓄積された直流電力によって転送用コンデンサ３１を充電する。所定の時間が経過した後、あるいは、入力補助コンデンサ３２により転送用コンデンサ３１の充電がほぼ完了したと判断される時刻ｔ３に制御信号φ１によってスイッチＳＷ１０をオフし、時刻ｔ４に制御信号φ２によってスイッチＳＷ２０をオンする。これにより、転送用コンデンサ３１が出力端２２および２３に接続されるので、転送用コンデンサ３１が出力端２２および２３に対して放電し、大容量コンデンサ２を充電できる。また、転送用コンデンサ３１の電圧によりスタート電圧以上の電力が出力端２３に確保されれば処理装置９が稼働を開始する。
【００２１】
時刻ｔ４から所定の時間経過した後、あるいは、転送用コンデンサ３１が大容量コンデンサ２あるいは処理装置９で利用可能な電力を放電したと判断された後の時刻ｔ５に再び転送用コンデンサ３１は出力端２２および２３から分離され、時刻ｔ６に入力端２１に接続される。これにより、上記と同様に転送用コンデンサ３１が充電される。このようなステップを繰り返すことにより、入力端２１に供給された太陽電池１の直流電力が転送用コンデンサ３１を介して大容量コンデンサ２あるいは処理装置９に供給される。転送用コンデンサ３１の容量によるが、入力補助コンデンサ３２とほぼ同じあるいはそれ以下の容量の転送用コンデンサ３１を採用すれば、入力電圧Ｖ１が出力電圧Ｖ２より高くなって条件で、入力補助コンデンサ３２の電荷と太陽電池１から供給される電荷により転送用コンデンサ３１の電圧を出力電圧Ｖ２より高い電圧まで短時間で充電することができる。従って、スイッチＳＷ１０をオフし、スイッチＳＷ２０をオンすることにより、大容量コンデンサ２に電圧Ｖscより高い電圧を印加して充電でき、それと共に処理装置９および補助コンデンサ８に電力を供給することができる。大容量コンデンサ２を充電することだけを目的にするのであれば、バイパススイッチＳＷｓをオンしておくことにより、入力電圧Ｖ１が大容量コンデンサ２の電圧Ｖsc以上になったときから転送用コンデンサ３１を用いて大容量コンデンサ２を充電することができる。
【００２２】
このように、本例の電力供給装置２０においては、入力電圧Ｖ１が出力電圧Ｖ２よりも若干でも高くなれば、転送用コンデンサ３１を用いて入力端２１に供給された電力を出力端２２および２３に転送することができる。例えば、処理装置９のスタート用電圧が０．９Ｖ程度であれば、太陽電池１の起電力によって入力端２１に１．０Ｖ程度の入力電圧Ｖ１が確保できれば、その電力を出力端２３に供給し、処理装置９をスタートすることができる。これに対し、上述した従来の電力供給装置においては、逆流阻止ダイオード２６を通して入力端から出力端に電力を供給することになるのでダイオードの順方向電圧Ｖ_F がロスとなる。このため、処理装置９のスタート用電圧を確保するために、例えば順方向電圧Ｖ_F が０．６Ｖ程度であるとすれば、太陽電池の起電力により入力端２１の入力電圧Ｖ１が１．５Ｖ程度になるまで待つ必要がある。このように、本例の電力供給装置２０においては、従来のほぼ２／３程度の入力電圧Ｖ１が太陽電池１により確保できれば太陽電池１の電力を活用して処理装置９を稼働させ、また、大容量コンデンサ２に充電することができる。
【００２３】
さらに、本例の電力転送回路３０においては、入力端２１に入力補助コンデンサ３２を並列に接続してある。このため、太陽電池１の出力電力はいったん入力補助コンデンサ３２に蓄電される。従って、転送用コンデンサ３１が出力端２２および２３の側に接続されている間も入力端２１に入力された太陽電池１の起電力で入力補助コンデンサ３２を充電することができる。そして、転送用コンデンサ３１が入力端２１に接続されたときに、入力補助コンデンサ３２に充電された電力を転送用コンデンサ３１に再充電することができる。さらに、入力補助コンデンサ３２の充電電力が入力電圧Ｖ１として制御回路２５に検出されるので、太陽電池１の起電力を的確に判断することができる。太陽電池１は、微弱な光によっても所定の起電圧は発生するが電流は非常に小さい。従って、開放電圧を検出するのではなく、入力補助コンデンサ３２に充電するときの電圧を検出することにより、太陽電池１の状態をより的確に判断し、出力端２２および２３に電力を転送できる出力が得られるか否かを決定することができる。
【００２４】
また、本例の電力供給装置２０においては、入力電圧Ｖ１が出力電圧Ｖ２と同程度あるいは低い場合は、制御回路２５がスイッチＳＷ１０およびスイッチＳＷ２０の操作を行わず、本例においては、転送用コンデンサ３１を出力端２２の側に接続したまま入力端２１からは分離した状態にしている。従って、転送用コンデンサ３１を介して大容量コンデンサ２の電力が太陽電池１に逆流することはない。もちろん、スイッチＳＷ１０およびＳＷ２０を両方ともオフし、転送用コンデンサ３１を入力端２１および出力端２２および２３から分離しておいても良い。
【００２５】
このように、本例の電力供給装置２０は、太陽電池１の起電力が小さく、入力電圧Ｖ１と出力電圧Ｖ２との差が殆どないような場合であっても転送用コンデンサ３１を入力端２１と出力端２２および２３とに交互に接続しながら太陽電池１の電力を大容量コンデンサ２および処理装置９に供給し、有効に利用することができる。大容量コンデンサ２の充電量が所定のレベルに達し、その電圧Ｖscが一定の値になると時刻ｔ７に制御信号φｂを高レベルにしてスタート用抵抗２４のバイパススイッチＳＷｂをオンする。これにより、転送用コンデンサ３１の電圧が直に大容量コンデンサ２に印加されるので、大容量コンデンサ２をさらに効率良く充電することができる。この際も、入力電圧Ｖ１が大容量コンデンサ２の電圧Ｖscより若干高い程度に確保できていれば良い。
【００２６】
さらに太陽電池1 の起電力が増加して出力電圧Ｖ２に対して逆流阻止ダイオード２６の順方向電圧Ｖ_F を加味した値よりも十分に高い入力電圧Ｖ１が確保できるようになると、出力端２２および２３に逆流阻止ダイオード２６を介して十分な電力が供給される。従って、本例の電力供給回路２０の制御回路２５は、時刻ｔ８に制御信号φ１およびφ２を低レベルおよび高レベルに固定し、転送用コンデンサ３１による電力の転送を停止し、スイッチＳＷ１０およびＳＷ２０を操作することによる電力ロスを防止するようにしている。さらに、太陽電池１の起電力が増加して上限を越えると、制御回路２５は、制御信号φｓを高レベルにして短絡用スイッチＳＷｓをオンする。これにより、入力電圧Ｖ１を出力電圧Ｖ２より低くできるので、太陽電池１の電圧が大容量コンデンサ２および処理装置９に印加されることはなくなり、大容量コンデンサ２や処理装置９の破損などのトラブルを回避することができる。
【００２７】
〔第２の実施の形態〕
図３に本発明にかかる電子機器１０の異なった例を示してある。本例の電子機器１０は、上記の電子機器と同様に太陽電池１からの直流電力を充電装置である大容量コンデンサ２および処理装置９に供給するための電力供給装置２０を備えている。このため、上記の例と共通する部分には同じ符号を付して説明を省略し、本明細書の以下の説明においても同様とする。本例の電力供給装置２０も逆流防止用のダイオード２６と並列に電力転送回路３０が設けられている。本例の電力転送回路３０は、入力端２１と出力端２２および２３とに対し交互に接続される電力転送用のコンデンサ３１と、接続を切り替えるスイッチＳＷ１０およびＳＷ２０とによって構成されており、補助入力コンデンサは備えていない。このため、図４に制御信号φ１およびφ２によって示すように、太陽電池１が発電を開始する時刻ｔ１０にはスイッチＳＷ１０をオンし、スイッチＳＷ２０をオフすることにより転送用コンデンサ３１を入力端２１に接続するようにしている。これにより、太陽電池１から供給された直流電力は転送用コンデンサ３１に供給され、入力電圧Ｖ１として転送用コンデンサ３１の充電電圧を得ることができる。そして、時刻ｔ１１に入力電圧Ｖ１が出力電圧Ｖ２よりも高くなると、制御回路２５によってスイッチＳＷ１０がオフされる。さらに、時刻ｔ１２にスイッチＳＷ２０がオンし、これによって転送用コンデンサ３１が出力端２２および２３に接続され、太陽電池１から供給された電力が出力端２２および２３に転送される。電力の転送が終了すると時刻ｔ１３にスイッチＳＷ２０がオフし、時刻ｔ１４にスイッチ１０がオンすることにより転送用コンデンサ３１が再び入力端２１に接続される。従って、上述した電力供給回路と同様に出力電圧Ｖ２よりも若干高い入力電圧Ｖ１が得られる状態で太陽電池１の電力を利用することができ、逆流阻止ダイオード２６の順方向電圧Ｖ_F による損失を防止することができる。
【００２８】
また、本例の電力転送回路３０は、転送用コンデンサ３１が直に入力端２１に接続されるので、出力電圧Ｖ２よりも高い入力電圧Ｖ１が得られたときは必ず大容量コンデンサ２に充電できる。従って、転送用コンデンサ３１の容量を大きく設定することが可能であり、転送用コンデンサ３１を入力端および出力端に交互に接続する間隔を長くすることができる。このため、転送用コンデンサ３１の接続を切り替えるためのスイッチングロスを小さくすることができる。また、入力補助コンデンサが不要なので、部品点数が少なく、機器の小型化および薄型化に有利である。
【００２９】
〔第３の実施の形態〕
図５に本発明にかかる電子機器１０の異なった例を示してある。本例の電子機器１０は、上記の電子機器と同様に、太陽電池１からの直流電力を大容量コンデンサ２および処理装置９に供給するための電力供給装置２０を備えており、さらに、本例の電力供給装置２０も逆流防止用のダイオード２６と並列に電力転送回路３０を備えている。本例の電力転送回路３０は、入力端２１と出力端２２および２３とを短絡できるスイッチＳＷ３０と、入力端２１に並列に接続された入力補助コンデンサ３２を備えており、制御回路２５によって入力電圧Ｖ１が出力電圧Ｖ２より大きいときにのみスイッチＳＷ３０がオンするようになっている。
【００３０】
図６に制御回路２５がスイッチＳＷ３０を制御するための制御信号φ３の例を示してある。太陽電池１の起電力が小さく、入力電圧Ｖ１が出力電圧Ｖ２よりも低い時刻ｔ２０においては、制御信号φ３は低レベルでスイッチＳＷ３０はオフとなっている。そして、太陽電池１が発電を開始し、入力電圧Ｖ１が出力電圧Ｖ２よりも高くなった時刻ｔ２１に制御信号φ３が高レベルになりスイッチＳＷ３０がオンする。この結果、入力補助コンデンサ３２に蓄えられていた電荷がスイッチＳＷ３０を通って出力端２２および２３に供給され、大容量コンデンサ２が充電される。また、スイッチＳＷ３０がオンしたことによって出力電圧Ｖ２が十分に高くなる場合は処理装置９がスタートする。時刻ｔ２１からプリセットされた時間が経過した時刻ｔ２２にスイッチＳＷ３０がオフとなり、入力補助コンデンサ３２は出力端２２および２３から切り離される。さらに、時刻ｔ２３に入力電圧Ｖ１が出力電圧Ｖ２よりも高くなるとプリセットされた時間だけスイッチＳＷ３０がオンし、時刻ｔ２４に再びスイッチＳＷ３０はオフになる。また、時刻ｔ２５に入力電圧Ｖ１が出力電圧Ｖ２より高くなると同様のステップを繰り返し時刻ｔ２６に再びスイッチＳＷ３０がオフになる。
【００３１】
このように、本例の電力転送回路３０においては、転送用の短絡スイッチＳＷ３０は入力電圧Ｖ１が出力電圧Ｖ２よりも高くなった後にプリセットされた所定の時間だけオンし、そのすぐにオフとなり入力端２１と出力端２２および２３を分離するようにしている。従って、上述した電力供給回路と同様に、出力電圧Ｖ２よりも若干高い入力電圧Ｖ１が得られると出力端に電力を供給することが可能であり、逆流阻止ダイオード２６の順方向電圧Ｖ_F による損失を防止することができる。また、入力補助コンデンサ３２が放電する程度の短時間だけスイッチＳＷ３０をオンし、その後すぐにオフするようにしている。これにより、急激に太陽電池１の出力が低下することがあっても、大容量コンデンサ２の電力がスイッチＳＷ３０を通って太陽電池１の側に逆流するのを防止できるようにしている。
【００３２】
また、上述したように、入力端２１に入力補助コンデンサ３２を接続してあるので、スイッチＳＷ３０がオフの間に入力された電力を有効に利用することができる。また、入力補助コンデンサ３２の充電電圧を入力電圧Ｖ１として判断できるので太陽電池１の起電力を的確に判断することができ、スイッチＳＷ３０がオンの間に入力電圧Ｖ１が急激に減少して出力端２２あるいは２３から逆流することを防止することができる。
【００３３】
〔第４の実施の形態〕
図７に本発明にかかる電子機器１０の異なった例を示してある。本例の電子機器１０は、上記の電子機器と同様に、太陽電池１からの直流電力を大容量コンデンサ２および処理装置９に供給できる電力供給装置２０を備えており、逆流防止用のダイオード２６と並列に電力転送回路３０を備えている。さらに、本例の電力転送回路３０も、入力端２１と出力端２２および２３とを短絡できるスイッチＳＷ３０を備えており、このスイッチＳＷ３０を介してダイオード２６の順方向電圧の影響を受けずに入力された電力を出力端２２および２３に供給できるようになっている。
【００３４】
本例の電力転送回路３０は、入力補助コンデンサに代わり、入力抵抗３５と、この入力抵抗３５を入力端２１に並列に接続するためのスイッチＳＷ３１を備えている。スイッチＳＷ３１は、入力端２１と出力端２２および２３を短絡するスイッチＳＷ３０の制御信号φ３の反転信号で制御されるようになっており、スイッチＳＷ３０がオフの時はスイッチＳＷ３１がオンとなり、入力抵抗３５が入力端２１に並列に接続されるようになっている。従って、本例の電力転送回路３０においては、入力抵抗３５の電圧降下を入力電圧Ｖ１として検出することが可能であり、入力抵抗３５の抵抗値を適当に選択することにより、太陽電池１の起電力の状態を的確に判断することができる。
【００３５】
そして、上記の実施例と同様に、入力電圧Ｖ１が出力電圧Ｖ２よりも高くなると、スイッチＳＷ３０をオンし所定の時間だけ入力端２１と出力端２２および２３と直に接続し、入力端２１に供給された電力を逆流阻止ダイオード２６の順方向電圧を影響を受けずに出力端２２および２３に供給することができる。スイッチＳＷ３０がオンとなっている間は、スイッチＳＷ３１はオフになるので入力抵抗３５は入力端２１から切り離され、太陽電池１の全出力を出力端２２および２３に供給することができる。また、所定の時間が経過すると、上記の例と同様にスイッチＳＷ３０はオフとなり、入力端２１が出力端２２および２３から切り離される。そして、再び、入力端２１、すなわち、太陽電池１の起電力の状態が確認された後、十分な起電力があると判断されれば、再び、プリセットされた時間だけスイッチＳＷ３０がオンし、太陽電池１の電力が出力端２２および２３に供給される。
【００３６】
このように、本例の電力転送回路３０においても、入力電圧Ｖ１が出力電圧Ｖ２よりも高くなれば、入力された電力を有効に活用することができる。また、所定の時間が経過するとスイッチＳＷ３０が遮断され、入力端２１の条件が確認されるようになっているので、出力端２２および２３の側からの逆流も防止できる。
【００３７】
なお、本例および上記の電力転送回路３０においては、入力抵抗３５および入力補助コンデンサ３２を入力端２１に接続して太陽電池１の起電力を判断しているが、短時間だけサンプリング的にスイッチＳＷ３０をオンし、その時の入力電圧Ｖ１によって太陽電池１の起電力を判断することも可能である。スイッチＳＷ３０をオンすることにより、大容量コンデンサ２あるいは処理装置の補助コンデンサ８と短時間だけ太陽電池１が接続されるので、十分な起電力が確保されていれば出力電圧Ｖ２よりも高い入力電圧Ｖ１が計測される。この場合は、スイッチＳＷ３０を再び電力転送できる時間だけオンすることにより、太陽電池１からの電力を逆流阻止ダイオード２６をバイパスして出力端２２および２３に供給することができる。一方、開放電圧が高くともサンプリング的にスイッチＳＷ３０をオンすることにより入力電圧Ｖ１が急激に低下する場合は、太陽電池１の起電力が大容量コンデンサ２および処理装置９に電力供給を開始するには不十分であることを示している。従って、電力を転送できないのでスイッチＳＷ３０はオンしない。この場合は、適当な時間が経過した後、再びサンプリング的に短時間だけスイッチＳＷ３０をオンして太陽電池１の起電力の状態を確認する。
【００３８】
〔第５の実施の形態〕
図８に本発明にかかる電子機器１０の異なった例を示してある。本例の電子機器１０は、太陽電池１に代わり発電手段として熱電素子３を備えており、ユーザの体温と室温との温度差、あるいは太陽光に照射された面と影の面との温度差などによって発電が行われ、その電力を処理装置９に供給して稼働できるようになっている。本例の電子装置１０においても、上記の電子機器と同様に入力された直流電力を大容量コンデンサ２および処理装置９に供給できる電力供給装置２０を備えており、逆流防止用のダイオード２６と並列に電力転送回路３０が設けられている。また、温度差が逆転したときに熱電素子３から逆極性の電力が入力端２１に供給されても、出力端２２および２３には供給されないように、逆極性の電流を短絡するためのダイオード２７が入力端２１に並列に接続されている。
【００３９】
本例の電力転送回路３０は、２つの転送用コンデンサ３６および３７を備えており、スイッチＳＷ１０、ＳＷ１１およびＳＷ１２によってこれら第１の転送用コンデンサ３６および第２の転送用コンデンサ３７が入力端２１に対しそれぞれ並列に接続されるようになっている。また、第１の転送用コンデンサ３６および第２の転送用コンデンサ３７は、スイッチＳＷ２０およびＳＷ２１によって出力端２２および２３に対して転送用コンデンサ３６および３７が直列な状態となって接続されるようになっている。スイッチＳＷ１０、ＳＷ１１およびＳＷ１２は、図４に示したような制御信号φ１によって制御回路２５から制御され、また、スイッチＳＷ２０およびＳＷ２１は制御信号φ２によって制御回路２５から制御される。従って、第１および第２の転送用コンデンサ３６および３７は並列な状態で入力端２１に接続されて熱電素子３によって充電され、直列な状態で出力端２２および２３に接続され充電された電力を放電する。このように、本例の電力転送回路３０は入力電圧を２倍昇圧する機能も備えている。このため、入力電圧Ｖ１が出力電圧Ｖ２の半分以上であれば、入力端２１に供給された電力を大容量コンデンサ２に供給し、あるいは、処理装置９に提供することができる。従って、上記の電力転送回路よりもさらに起電圧が低い状態から熱電素子３の電力を活用することができる。
【００４０】
また、本例においても、電力転送回路３０によって逆流阻止ダイオードをバイパスして電力を出力端に転送することができ、逆流阻止ダイオードの順方向電圧の影響を受けずに、小さな入力電圧が発生した状態で熱電素子３から供給された電力を活かすことができる。さらに、転送用コンデンサ３６および３７は、入力端２１また出力端２２および２３のいずれか一方にだけ接続されるので、転送用コンデンサ３６および３７を介して電力が入力端の側に逆流するとはなく、大容量コンデンサ２や補助コンデンサ８に充電された電力が浪費されることはない。もちろん、スイッチＳＷ１０およびＳＷ２０をオフして入力端２１あるいは出力端２２および２３のいずれにも転送用コンデンサ３６および３７が接続されていない状態にして逆流を防止しても良い。
【００４１】
以上に説明したように、本発明にかかる電力供給装置においては、転送用のコンデンサや、入力電圧と出力電圧を監視しながらオンオフする短絡スイッチによって、逆流阻止ダイオードを介さずに入力端に入力された電力を出力端に供給することができる。従って、逆流阻止ダイオードの順方向電圧による損失が発生しない状態で入力端から出力端に電力を転送できる。さらに、転送用コンデンサは入力端あるいは出力端の一方にしか接続されず、また、短絡スイッチも入力電圧が出力電圧より高いときにのみ接続されるようになっている。このため、本発明の電力供給装置を用いることにより、出力端から入力端への逆流も阻止することができ、大容量コンデンサや処理装置の補助コンデンサにいったん蓄積された電力が浪費されるのを防止できる。
【００４２】
従って、本発明の電力供給装置の入力端に、太陽電池あるいは熱電素子などの直流発電手段を接続することにより、発電手段の起電力が逆流素子ダイオードの順方向電圧以下であっても、その電力を出力端の側に出力して活用できる発電装置を実現することができる。また、発電側の起電力が低下したときも、転送用コンデンサやオフ状態となった短絡スイッチによって入力端は出力端から完全に分離されている。このため、本発明の電力供給装置の逆流阻止能力は非常に高くなり、逆リーク電流は殆ど発生せず、出力側の損失を防止できると共に起電力と逆極性の電圧が発電側へ印加されるのも確実に防止できる。
【００４３】
このように、本発明の電力供給装置は太陽電池や熱電素子の起電力の小さな状態からその電力を有効に利用できる。このため、処理装置と共に本発明の電力供給装置あるいは発電装置を搭載することにより、低照度、あるいは、温度差が小さいなどの発電にそれほど適していない環境下においても発電手段から供給された電力により処理装置を稼働させることができ、また、大容量コンデンサなどの充電装置を充電することができる。従って、様々な環境下において長時間、継続して処理装置を稼働させることが可能な電子機器を提供することができる。このような発電装置および電子機器は、太陽光や室温差などの不連続に供給される自然界やユーザーの生活環境におけるエネルギーを電気エネルギーに変換して利用するのに適している。このため、本発明の電子機器は、腕時計やその他の携帯型、あるいは車両搭載型などの電子機器として利用でき、何時でも何処でも処理装置の機能を発揮できる電子機器を実現することができる。従って、本発明は上記の例で説明した時計機能を備えた電子機器に限定されるものではなく、ページャー、電話機、無線機、補聴器、万歩計、電卓、電子手帳などの情報端末、ＩＣカード、ラジオ受信機などの電力を消費して動作する様々な処理装置を組み込むことができることはもちろんである。
【００４４】
また、本発明が上述した各電子装置１０の回路例に限定されないことはもちろんである。例えば、スタート用抵抗はスタート用のダイオードやコンデンサに代えることも可能であり、処理装置の特性によってはスタート用抵抗を設ける必要がない機器もある。さらに、昇圧機能を備える場合は、上記の２倍昇圧に限らず、３倍以上の昇圧回路を用いることももちろん可能である。また、各スイッチとしてバイポーラあるいはユニポーラのトランジスタスイッチを用いることも可能であり、電力供給装置をＩＣ化して提供したり、あるいは処理装置と共に同一の半導体基板に搭載するなど様々なバリエーションが可能である。
【００４５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の電力供給装置は、転送用のコンデンサあるいは入力電圧が出力電圧より高いときにのみオンとなる短絡スイッチを用いて入力端から出力端に電力を転送できるようにしている。従って、入力端から出力端に電力を供給する際に逆流防止用のダイオードの順方向電圧の影響を受けずに済むので、太陽電池などから供給された電力が順方向電圧以下であっても出力端に接続された大容量コンデンサなどの充電装置、および、計時装置などの処理装置に電力を供給することができる。このため、本発明により、環境条件に発電能力が大きく変動する太陽電池や熱電素子などを用いた発電装置の電力供給能力を大幅に向上でき、照度や温度が小さいといった発電に適していない条件下でも充電装置を充電でき、処理装置を稼働できる発電装置を提供することができる。従って、本発明の発電装置を処理装置や充電装置と共に搭載することにより、様々な環境下で継続して処理装置を稼働できる携帯型に適した電子機器を提供することができ、電池の有無などに係わらず、何時でもどこでも処理装置の機能を十分に発揮させられる電子機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電力供給装置を備えた電子機器の概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す電子機器の各スイッチを操作する制御信号を示すタイミングチャートである。
【図３】本発明の電子機器の異なった例を示すブロック図である。
【図４】図３に示す電子機器の電力供給装置の各スイッチを操作する制御信号を示すタイミングチャートである。
【図５】本発明の電子機器のさらに異なった例を示すブロック図である。
【図６】図５に示す電子機器の電力供給装置のスイッチを操作する制御信号を示すタイミングチャートである。
【図７】本発明の電子機器のさらに異なった例を示すブロック図である。
【図８】本発明の電子機器のさらに異なった例を示すブロック図である。
【図９】従来の電子機器の例を示すブロック図である。
【図１０】ダイオードの順方向電圧の特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１・・太陽電池
２・・大容量コンデンサ
３・・熱電素子
８・・補助コンデンサ
９・・処理装置
１０・・電子機器
２０・・電力供給装置
２１・・入力端
２２、２３・・出力端
２４・・スタート用抵抗
２５・・制御回路
２６・・逆流防止（逆流阻止）ダイオード
３０・・電力転送回路
３１、３６、３７・・転送用コンデンサ
３２・・入力補助コンデンサ
３３・・転送用の蓄電回路
３５・・入力抵抗
ＳＷ１０、ＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ２０、ＳＷ２１・・転送用コンデンサの接続切り替え用スイッチ
ＳＷ３０・・入力端と出力端の短絡用スイッチ
ＳＷｂ・・スタート用抵抗のバイパススイッチ
ＳＷｓ・・入力端の短絡用スイッチ

Claims

直流電力が入力される入力端と、
電力を消費する処理装置または充電装置の少なくともいずれかに接続される出力端と、
前記入力端と前記出力端との間に接続され、前記出力端側から前記入力端側に電流が流れるのを防止する逆流防止用のダイオードと、
前記入力端および前記出力端に対し交互に接続可能であるとともに、前記逆流防止用のダイオードをバイパスして前記入力端から前記出力端に電力を転送する電力転送用の蓄電手段と、
前記蓄電手段を前記入力端に接続する第１のスイッチ手段と、
前記蓄電手段を前記出力端に接続する第２のスイッチ手段と、
前記第１および第２のスイッチ手段を交互にオンオフする制御手段とを有する電力供給装置であって、
前記制御手段は、前記入力端の入力電圧が前記出力端の出力電圧より高いときに前記第１および第２のスイッチ手段の操作を行い、前記入力電圧が前記出力電圧と同等または低いときに前記第１および第２のスイッチ手段の少なくとも一方をオフすることを特徴とする電力供給装置。
請求項１において、前記入力端に対し並列に入力補助蓄電手段が接続されていることを特徴とする電力供給装置。
請求項１または２において、前記蓄電手段は、第１の蓄電手段および第２の蓄電手段とを備えており、さらに、
前記第１のスイッチ手段と連動して前記第１および第２の蓄電手段を前記入力端に対し並列に接続する手段と、
前記第２のスイッチ手段と連動して前記第１および第２の蓄電手段を前記出力端に対し直列に接続する手段とを有することを特徴とする電力供給装置。
直流電力が入力される入力端と、
電力消費する処理装置または充電装置の少なくともいずれかに接続される出力端と、
前記入力端と前記出力端との間に接続され、前記出力端側から前記入力端側に電流が流れるのを防止する逆流防止用のダイオードと、
前記入力端の入力電圧が前記出力端の出力電圧より高いときに前記入力端および出力端を短絡するスイッチ手段とを有する電力供給装置であって、
前記短絡により前記逆流防止用のダイオードをバイパスして前記入力端から前記出力端に電力を供給することを特徴とする電力供給装置。
請求項４において、前記入力端に対し並列に入力補助蓄電手段が接続されていることを特徴とする電力供給装置。
請求項４において、前記入力端に対し並列に接続された入力補助抵抗手段と、この入力補助抵抗手段と直列に接続された補助スイッチ手段とを有し、前記補助スイッチ手段は前記短絡用のスイッチ手段と反対にオンオフすることを特徴とする電力供給装置。
請求項１または６のいずれかに記載の電力供給装置と、
不連続に供給されるエネルギーを直流電力に変換して出力可能な発電手段と、
前記直流電力を蓄積可能な充電手段とを有し、
前記この発電手段が前記入力端に接続され、前記充電手段が前記出力端に接続されていることを特徴とする発電装置。
請求項１または６のいずれかに記載の電力供給装置と、
不連続に供給されるエネルギーを直流電力に変換して出力可能な発電装置と、
前記直流電力を蓄積可能な充電装置と、
前記直流電力によって動作する処理装置とを有し、
前記発電装置が前記入力端に接続され、前記充電装置および処理装置が前記出力端に接続されていることを特徴とする電子機器。