JP4512938B2 - ダイナモを電源とする発光ダイオードランプ - Google Patents

Description

本発明は、自転車などのダイナモを電源とし、発光ダイオードを光源とするランプに関する。

従来、白色その他の発光ダイオード（以下ＬＥＤと称する。）が多くの分野で利用されていて、自転車の分野では、電池を電源とするＬＥＤヘッドランプなどが市販されている。しかし自転車などのダイナモを電源とするランプにおいては、従来からの電球が使われていて、ＬＥＤを主とするものは一般的になっていない。

そして、ダイナモを電源としＬＥＤを主とするヘッドランプにおいては、例えば図２３に示すような、ダイナモ出力をショットキーバリアダイオードなどのダイオードで全波整流し、アルミ電解コンデンサや電気２重コンデンサなどで平滑した電源を、定電流ダイオード（以下ＣＲＤと称する。）とＬＥＤを直列に接続したものを必要に応じて複数個並列に接続した回路に印加する方法が、実験的に行なわれている。

一方、従来から、様々な機器においてＤＣ／ＤＣコンバータなどのスイッチング電圧変換要素が広く使われている。例えば、携帯機器などにおいて、低い電源電圧で、それより高い電圧が必要な白色ＬＥＤを点灯させるなどの目的で、昇圧型のスイッチング電圧変換要素が使われている。また、電圧を下げる場合は降圧型のスイッチング電圧変換要素が使われ、印加電圧が必要な電圧より上下する用途では、昇圧型と降圧型のそれを組み合わせたり、昇圧と降圧の二つの機能を併せ持つ昇降圧型のそれを使用したり、昇圧型のそれとリニア型定電圧レギュレータを組み合わせるなどの方法が知られている。

いずれの場合も、スイッチング電圧変換要素には、必要な負荷を、すなわちＬＥＤを光源とするランプにおいては、図２４や図２５のように、必要なＬＥＤの全てを、そのまま接続するのが一般的な使用方法となっている。

電球は、一般に発光効率が低く、寿命も短い。それで自転車においては、ペダルが重くなるのを嫌がったり、電球が切れたりしているために、無灯火で乗る人が見られる。また、電池を電源とするＬＥＤランプは、電池が減って光量が少ない状態で乗っている人もいる。このように電球も電池式ＬＥＤランプも、安全性という点では問題があった。

また、図２３に代表される回路のような、定電流ダイオードＣＲＤを用いたＬＥＤランプは、効率が悪いという問題点がある。現在のＣＲＤは、定電流動作となる電流値（ピンチオフ電流）に近い電流を流そうとすると、比較的大きな電力を消費する。例えば電子機器で広く使われている石塚電子（株）の型番Ｅ−ｌ５３というピンチオフ電流が１２から１８ｍＡの品は、メーカー発行の特性グラフによれば、そのピンチオフ電流値の９５％程度の電流を流すためには４Ｖ以上の電圧を必要とする。一方、現在の一般的な白色ＬＥＤはＶＦが約３．５Ｖである。図２３に示すようにＬＥＤとＣＲＤは直列接続で電流は同じなので、電圧に注目すれば、白色ＬＥＤの３．５Ｖに対してＣＲＤは４Ｖということで、ＣＲＤは白色ＬＥＤより大きな電力を消費することがわかる。なお、この時の全体の印加電圧は７．５Ｖであるが、印加電圧が増加すると、その増加分のほとんどがＣＲＤにかかり、ＣＲＤはより大きな電力を消費することになる。このように、ＣＲＤを使用した方式は、ダイナモの発電電力を効率よくＬＥＤに供給するのが難しいという問題点がある。

これに対し、スイッチング電圧変換要素を用いれば、高い効率でＬＥＤをドライブできるので有利である。しかし、図２４や図２５に示す、スイッチング電圧変換要素４ａ・４ｂに、負荷となる全てのＬＥＤをそのまま接続するという一般的な方法は、自転車の場合、停止状態から発進して加速しはじめているという、人にとって一番つらい時期に、全ＬＥＤをドライブするための全ての負荷が重なることになるので、スムーズな加速感を損なうことが考えられる。

この部分を、もう少し具体的に説明する。自転車が停止状態から発進して加速していく過程において、図２４や図２５のスイッチング電圧変換要素４ａ・４ｂは、その変換効率を一定とすれば、該スイッチング電圧変換要素が動作している間は、ずっと同じ電力を要求する。つまり、この要求電力は、走行スピードが遅くても速くても変化しない。

一方、ダイナモは、速度が遅い時には発電電力が小さくて負荷側の必要電力を賄えない状態が発生する。その状態では、ダイナモの電圧が低下するが、スイッチング電圧変換要素はダイナモ電圧が低下する分だけ電流を取り出そうとする。こうして速度が遅い時は、ダイナモにとって、とても重い負荷が接続されているのと似た状態になる。一方、十分に速度が上がると、ダイナモの発電電力は負荷側の必要電力よりも大きくなって、相対的に軽い負荷が接続されているのと同じ状態になる。それを人の負荷感で考えると、十分に速度が上がった場合の負荷感が少ない分、逆に低速時の負荷感が相対的に重く感じることが考えられる。

この点、ある程度速度が上がってからスイッチング電圧変換要素が動き始めるように設定すれば、その相対的な負荷感の差を減らすことができるが、安全上の理由からＬＥＤは低速走行時でも点灯することが求められるので、スイッチング電圧変換要素が動き始めるポイントは、低速側に設定せざるを得ない。それで、自転車が停止状態から発進し、加速しはじめているという、人にとって一番つらい時期に、ランプの全ての負荷が重なることになり、発進時のス厶ーズな加速感を損なう可能性がある。これは、特にＬＥＤの光量を多くした場合に顕著になる。

さらに、図２４や図２５の回路のように、ダイナモを整流・平滑したものを電源とし、全てのＬＥＤをそのまま接続する形でスイッチング電圧変換要素を用いる場合、該スイッチング電圧変換要素が異常動作に陥る危険がある。それを以下に具体的に説明する。

電池や安定化電源と比べると、ダイナモは、電流変化による電圧の変動が大きい。そして、一般に、昇圧型などのスイッチング電圧変換要素は、印加電圧がその動作電圧未満の場合はシャットダウン状態となる物が多い。この状態は、ほとんどダイナモの負荷とならないので、ダイナモが回り始めた時、その発電電力は小さくても電圧はすぐに上昇する。こうして、電圧が上がってスイッチング電圧変換要素が動作を開始すると、該スイッチング電圧変換要素は必要な電流を流そうとするが、ダイナモはまだ回り始めで発電電力が少ないので、その結果、ダイナモの電圧は大きく低下してしまう。こうして、スイッチング電圧変換要素がスムーズに動作を開始できない不安定な状態が発生する。こうした状態は、スイッチング電圧変換要素内部の制御回路などの誤動作の原因となり、スイッチング電圧変換要素が異常動作に陥ることがある。

そして、スイッチング電圧変換要素は、異常動作が起こると、極めて大きな電力を消費することがある。図２８は、ダイナモを整流・平滑したものを電源として実際に異常動作が起きた様子を示したグラフである。図２８において、黒い四角および黒い三角のラインは、前述した図２４および図２５に示す回路、すなわち昇圧の定電圧出力型スイッチング電圧変換回路および定電流出力型の同回路に、それぞれ負荷としてＶＦが約３．５ＶでＩＦが２０ｍＡの白色ＬＥＤを８個接続した場合の、前記電源の電圧と電流を示している。

また、図２８において、白い丸のラインは、同じダイナモを整流・平滑した電源に、自転車ヘッドランプでよく使われている６Ｖ２．４Ｗのクリプトン電球を接続した時の電圧と電流を示したものである。

図２８のグラフにおいて、横軸は自転車のスピード、縦軸は、上段が電圧、下段が電流である。測定に使った自転車は、タイヤサイズが２７インチのハブダイナモ（前輪の回転軸部分にダイナモを仕込んだもの）仕様のものである。またスピードは、市販のデジタル表示の自転車用メータを用いた。図２８のグラフにおいて、電圧は低い方が負荷が大きい、つまり電力をより消費していることを意味し、電流は高い方が負荷が大きいことを意味している。

さて、８個の白色ＬＥＤを合計すると０．５６Ｗの負荷となり、スイッチング電圧変換回路の効率を５０％としても、ダイナモの負荷となるのは１．１２Ｗと、２．４Ｗの電球のカーブよりも軽い負荷となるはずであるが、そのようにはならなかった。

図２８記載のＣＶ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）は定電圧出力型、ＣＣ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ）は定電流出力型である。図２８の黒い四角および黒い三角のラインが示すように、両方とも異常に大きな電力を、すなわち白い丸が示す電球のラインよりもずっと大きな電力を消費した状態が、スピードが上がっても続いている。この時は、体感的にも、確かに自転車が重く感じた。この症状は、安定化電源においてはまったく見られなかったが、ダイナモを電源とした場合には必ず発生した。このように、ダイナモを整流・平滑したものを電源としてスイッチング電圧変換要素を用いる場合、異常動作が発生することがある。

なお、異常動作が発生した図２４と図２５の回路は、部品入手などの面で制約がある中で手作りしたもので、使用した部品や基板パターンなどは必ずしも最適なものとはいえないことと、ここで使っているＩＣは本来とても優秀な品であることを付け加えておく。そして、この説明の要点は、使用したＩＣや他の部品などがどうかということには関係なく、スイッチング電圧変換要素を用いて作られたあるユニットが、ダイナモを整流・平滑したものを電源とした場合には、実際に異常動作を起こしたということである。

なお、ここで使用したＬＥＤは、日亜化学工業（株）のＮＳＰＷ５１０ＢＳである。このＬＥＤを８個使用して本発明の検討を行なっている。一般の自転車用電球と該ＬＥＤの発光効率（ルーメン／ワット）の値が入手できなかったので、８個を実際に点灯させてみて、十分な明るさがあることを体感的に確認した。該ＬＥＤ８個を同じ向きに縦に並べ、縦方向のみ放物線近似となる反射板を設けたものを電池で点灯させ、夜間に実際に自転車で走行し、自転車付属のヘッドランプ（電球）との光量を比較した。集光状態の差などがあって断言できないが、普通のスピード（時速１５Ｋｍ位）で比較した限り、控えめに言っても８個のＬＥＤなら電球と遜色がない程度の明るさがあることがわかった。

さて、前述したように、電球や、電池を電源とするＬＥＤランプは、無灯火などの問題が生じやすい。また、ＣＲＤを用いた方式は効率が悪く、スイッチング電圧変換要素を使用した従来の方法は、発進時のスムーズな加速感を損なったり、異常動作に陥る場合があるという問題点があった。

本発明は、上記問題点にかんがみてなされたものであり、発光ダイオードを光源とし、その高効率ドライブを期待できるスイッチング電圧変換要素を安定に動作させて、人への負担が電球よりも少なく、寿命も長く、発進時のスムーズな加速感を損なうことが少ない自転車などのダイナモを電源としたランプを提供することを目的としている。

本発明は、自転車などのダイナモ出力を整流・平滑したものを主要な電源とし、スイッチング電圧変換要素と、発光ダイオードで構成される発光要素と、前記電源につながる負荷量を制御する負荷コントロール要素とを具備したランプであり、該負荷コントロール要素が、ダイナモ発電電力を直接または間接的に検出し、その検出内容と前記電源につながる負荷量との関係であらかじめ設定された制御内容に基づき、該負荷量を切り替えることを特徴としている。

スイッチング電圧変換要素は、一般にＤＣ／ＤＣコンバータやスイッチングレギュレータなどと呼ばれている回路やユニットであり、前記電源から供給される電力を用いて、前記発光要素をドライブするように作用する。

発光ダイオードで構成される発光要素は、電球に比べて発光効率が高い。また、スイッチング電圧変換要素は、低損失で該発光要素をドライブできる。これら２つの要素の組み合わせで、自転車で言えば、電球に比べて人への負担が軽減するので快適走行に寄与する。また、発光ダイオードは電球に比べて寿命が極めて長いので、球切れによる無灯火を減らすことにもなる。

また負荷コントロール要素は、ダイナモ発電電力を検出し、それに応じて前記スイッチング電圧変換要素や発光要素に働きかけ、例えば有効ＬＥＤ数量やＬＥＤ電流などを切り替えることによって、前記電源の負荷量を制御するように作用する。こうして、該負荷コントロール要素は、ダイナモの発電電力が少ない時は小さい負荷に、該電力が増えるに従って大きな負荷に切り替えるように作用する。

この作用の結果、該負荷コントロール要素は、ダイナモの電圧低下を抑制し、スイッチング電圧変換要素を安定に動作させることに効果がある。

また、該負荷コントロール要素は、自転車などが発進から加速していく過程において、該負荷コントロール要素が無い場合に見られる比較的低速のあるスピードの一点から全ての負荷が急にかかることをなくし、スピードの上昇につれて負荷を増やすように作用するので、発進時のスムーズな加速感を損なうことを抑制することができる。

なお、発光要素を点灯させる電力となる、ダイナモ出力を整流・平滑した電源を、本発明では「主要な電源」と表現する。というのは、後述するが、前記負荷コントロール要素の制御回路などのための専用電源として、１次または２次電池などの電源を具備する応用が可能だからである。

次に、負荷コントロール要素の具体的な手段について説明する。この要素の機能は、次の２つに分けることができる。第一の機能は、スイッチ素子を用いて負荷量を切り替えるスイッチ機能であり、該負荷コントロール要素の出力部分となる。第二の機能は、ダイナモの発電電力を直接もしくは間接的に検出して、あらかじめ設定された制御内容に基づいて前述のスイッチ機能部を制御する、電力検出・制御機能で、該負荷コントロール要素の入力部分となる。

まず、その第一の機能である、負荷量を切り替えるスイッチ機能について説明する。負荷量を切り替える方法は幾つかある。発光要素にＬＥＤを複数個使用するなら、該ＬＥＤの有効個数を切り替える方法がある。また、発光要素のＬＥＤの電流を切り替える方法もある。さらに、発光要素のＬＥＤをドライブするスイッチング電圧変換要素が複数個ある場合は、スイッチ素子を用いて、該スイッチング電圧変換要素そのものを個別にオン・オフする方法もある。さらに、これらの方法を混在して使うこともできる。

次は、負荷コントロール要素の第二の機能である電力検出・制御機能について説明する。まず、ダイナモ電力を検出する機能について説明する。電力を直接検出するのであれば、電圧と電流を測定して乗算するという方法がある。例えば、ダイナモ出力を整流・平滑した電源の電圧と、該電源の全ての電流が流れる経路のどこかに直列に電流検出抵抗を挿入して該抵抗の端子電圧を測定し、演算処理を行なうことができる。

さらに、ダイナモ発電電力を間接的に知る方法がある。例えば、ダイナモの発電電力を電圧だけで検出する方法がある。本発明の機能で必要なのは、負荷との関係において発電電力が十分か不足かを知ることである。これを知るためには、電力が今何ワットなのかという情報でも構わないが、ダイナモは、ある負荷が接続されている場合、発電電力に余裕がある時は電圧が高くなり、余裕が無い時は電圧が低下するという特徴があり、発電電力と電圧は密接に連動するので、負荷との関係におけるダイナモ発電電力の状態は電圧だけでも確認できる。

この電圧を検出する部位として、ダイナモ出力を整流・平滑した電源の電圧を直接検出することができるし、後述するように、該電源に電圧リミッタなどの処理を加えた後の電圧を検出することもできる。後者の場合、ダイナモ出力を整流・平滑した電源の電圧を直接的に検出していないため、該電圧を「間接的」に検出すると表現している。

このように、ダイナモ発電電力の検出に電圧を用いるなら、比較的簡単な回路構成にすることが可能になる。例えば、電圧検出を安価なツェナーダイオードで行なうことができる。又、電圧の検出に発光要素とは別の安価なＬＥＤを用いることもできる。

ＬＥＤはツェナーダイオードのように用いることがでる。さらにＬＥＤならではの使用法もある。ＬＥＤは、その順方向電圧ＶＦ未満の電圧が印加されても、電流がほとんど流れない。それで、電流が流れ出したならば、印加電圧がＶＦを超えたということを検出できる。この検出電流で、例えば、トランジスタのベースをドライブしたり、また、例えば、フォトカプラなどの内臓ＬＥＤをドライブすることができ、それによってこれらのスイッチ素子をオン・オフすることができる。なお、フォトカプラなどの内臓ＬＥＤは、電圧検出素子として用いることができる。これら、ツェナーダイオードやＬＥＤを用いた電圧検出は、回路が比較的簡単で、かつ、検出する電圧源の比較的僅かな電力を用いて動作するので、これらのための専用電源を具備する必要がないという大きな利点がある。

また、電圧検出に、例えばオペアンプやコンパレータＩＣ、ロジックＩＣなどをコンパレータ要素として利用することもできる。

さらに、別の発電電力の間接的な検出方法として、ダイナモの回転スピードを検出する方法がある。それは例えば、ダイナモ出力の整流前の交流周波数を測定することや、センサーによってタイヤの回転スピードを測定することなどで実現できる。これらの方法をヘッドランプ単独で実現化する場合は、回路構成が複雑になる傾向があるが、例えば、自転車用スピードメーターなど、既にこれらの項目を検出している機器に組み込むなら、コストなどの面で有利になる場合がある。

そして、あらかじめ前記検出項目と負荷量を段階的に対応させておくことにより、負荷コントロール要素は、前記の検出項目を検出し、それに応じて該負荷コントロール要素の出力にあたるスイッチ機能部を制御し、こうしてダイナモの発電電力に応じてダイナモから見た負荷量を制御するように作用する。

さて、負荷コントロール要素において、前記検出項目の検出と負荷量の制御内容をあらかじめ設定しておくことは、例えば、電圧を検出するのであれば、ある設定電圧値よりも被測定電圧が大きいか小さいかを検出する電圧検出機能を有する回路やユニットを必要な数だけ具備し、その各々の出力を、負荷コントロール要素の出力であるスイッチ機能部の特定のスイッチ素子に割り当てる方法で実現できる。

また、負荷コントロール要素の全部または一部を、マイコン、またはマイコンと他の機能素子から成るマイコンユニットで構成することも可能である。（それらを以下、マイコンと表現する。）例えば、電力を、前述したようにダイナモ出力を整流・平滑した電源の電圧と電流検出抵抗の端子電圧で検出する場合や、もしくは電圧だけで検出する場合は、必要に応じてアナログ的な整合処理を施した後にマイコンのＡ／Ｄコンバータなどに入力し、その被測定電圧を測定して、演算処理を行なうことができる。そして、該マイコンの出力をあらかじめ該負荷コントロール要素の出力であるスイッチ機能部の特定のスイッチ素子に割り当てておき、前記演算結果に応じてマイコンの各出力を制御するように、マイコンをプログラムしておくことができる。なお、回路構成などによっては、マイコンの出力をスイッチ機能部のスイッチ素子として、負荷量の切り替えに直接使用することが可能な場合もある。

また、検出項目としてダイナモ出力の交流周波数やタイヤ回転スピードを用いる、マイコンを利用したシステムの場合、例えば、必要に応じてアナログおよびデジタル的なインターフェイス処理を行なった後に、被測定信号をマイコンに取り込んでその周期を測定し、必要に応じて演算処理を行なうことができる。その後の処理は前述と同様にできる。

なお、負荷コントロール要素に、これまで述べたマイコンやコンパレータＩＣやロジックＩＣなどを用いる場合の電源として、１次又は２次電池などを具備するのであれば、寿命ができるだけ長くなる形で用いることが望ましい。

また、走行中に、ダイナモの比較的少ない電力を使って２次電池を充電することもできる。この点、走行中は常にダイナモが回転しているハブダイナモが有利だが、ブロックダイナモでも、ランプ点灯中に充電することは可能である。また、太陽電池などを用いて充電する方法と併用することもできる。そのようにして２次電池に充電すれば、電池寿命の点で有利になる。

なお、負荷コントロール要素が、負荷を何段階に切り替えるか、また、例えば電圧でいえば各々が何ボルトで切り替わるかなど、各段階の切り替えの設定をどのように行なうかは限定しない。条件などによって様々な設定を選ぶことができる。

本発明は、以上のように構成され作用するので、以下のような効果を奏する。

負荷コントロール要素は、まず、スイッチング電圧変換要素を安定に動作させることに効果がある。その様子を、先に参照した図２８のグラフに示す。このグラフの白い四角と白い三角のラインは、図２６と図２７に示した回路の実測グラフである。図２６は、従来例の図２４で示した昇圧定電圧出力型の異常動作が見られた回路に負荷コントロール要素１ｋを追加したものであり、同様に図２７は、従来例の図２５で示した昇圧定電流出力型の異常動作が見られた回路に負荷コントロール要素１ｂを追加したものである。

両回路は、負荷コントロール要素に異常動作を抑える効果があることを明示するために、後述する実施例では具備している直列型電圧リミッタを具備しない回路としたので、印加電圧がスイッチング電圧変換要素にとって過電圧とならないように、約８Ｖまでの測定となっている。図２８において、前述したように、白い丸が電球のラインである。そして、黒い四角および黒い三角のラインが、負荷コントロールが無い場合のもので、異常動作に陥っている。それに対し、同じ回路に負荷コントロール要素を具備した白い四角と白い三角のラインは、電球よりかなり低い負荷となっていて、異常動作に陥っていないことがわかる。負荷コントロール要素を具備した場合は、何度やっても異常動作に陥ることはなかった。このように負荷コントロール要素は、スイッチング電圧変換要素を安定に動作させることに効果がある。

そして、図２９は、後述する直列型電圧リミッタを具備した実施例である図１と図２の回路の測定結果である。比較のために電球のカーブも入れてあるが、全体にわたって、電球より低い負荷となっている。

このように、発光ダイオードを光源とし、負荷コントロール要素でスイッチング電圧変換要素を安定に動作させながら該光源をドライブすることにより、電球に比べて少ない電力で、必要な光量を得ることができる。こうして、人の負担を減らして快適走行に寄与し、時にタイヤ側面に押し付けるブロックダイナモで見られる、人の、疲れるから無灯火で走ろうとするような気持ちを低減することも期待できる。

また、負荷コントロール要素は、ダイナモ発電電力が少ない時は小さい負荷にし、該電力が増えるに従って大きな負荷にするように作用するので、発進時のスムーズな加速感を損なうことを抑制することができる。

また、発光ダイオードは電球に比べて寿命が極めて長いので、球切れによる無灯火を減らすことにもなる。

また、本発明のランプにおけるダイナモの電力だけを使う方式は、従来の電池式ＬＥＤランプにみられるような電池切れによる無灯火を根本的になくすことができる。また本発明の１次または２次電池などを使う方式でも、電力の大半を消費する発光素子とそれをドライブするスイッチング電圧変換要素はダイナモを電源とするので、従来の電池式ＬＥＤランプよりもはるかに電池寿命を長くすることが可能になる。また、２次電池などを使ってダイナモや太陽電池から該電池に充電する方法を講じれば、電池切れに陥る可能性をさらに低くすることもできる。

さらに、図２９の下の部分に示すように、本発明のＬＥＤランプは、歩く位の速さ（時速３Ｋｍ以下）でも、少数ながらもＬＥＤがしっかりと点灯する。一般的な電球の自転車ランプの場合、このスピードでは、電球は極めて暗く、赤みがかってぼんやり光る程度で、相手に自分の存在を知らせる効果はあまり期待できないが、本発明のＬＥＤランプの場合は、少数でもよく目立つので、該効果が電球よりはるかに高く、安全性の向上に役立つ。

さて、本発明のランプにおいて、負荷コントロール要素が、ダイナモ発電電力を間接的に電圧で検出する方法を採用するなら、比較的簡単な回路構成とすることが可能になる。

特に、電圧検出素子にＬＥＤを用いた電圧検出は、回路のとても簡単な応用が可能で、かつ、検出する電圧源の比較的僅かな電力を用いて動作するので、これらのための専用電源を具備する必要がない。

また、負荷コントロール要素の全部または一部をマイコンで構成するなら、ダイナモ発電電力を検出するための様々な項目を選択肢に入れることができ、かつ高度な制御を行ない易い。さらに、スピードメーターなど、他の機能との複合化を図り易い。

以下に、本発明の、自転車などのダイナモ出力を整流・平滑したものを電源としＬＥＤで構成される発光要素と、スイッチング電圧変換要素と、前記電源につながる負荷量を制御する負荷コントロール要素とを具備したランプの実施の形態を、必要に応じて、説明図や実施例を参照しながら説明する。

まずＬＥＤで構成される発光要素について説明する。該発光要素に使えるＬＥＤ素子は、現在広く流通している白色ＬＥＤに限定するものではなく、例えば黄色など他の色のＬＥＤでも構わない。もちろん青色ＬＥＤをベースとして数種の蛍光体を組み合わせた電球色のＬＥＤや、ダイヤモンド半導体によるものも含む紫外線ＬＥＤと蛍光体を組み合わせて作られた可視光ＬＥＤでも構わない。

そして、数種の色のＬＥＤを混合して使用しても構わない。望む色合いを得るためにそうすることができるし、例えば、黄色などの、白色より順方向電圧が小さいＬＥＤは、電力が小さい時の点灯に有利なので、低速側の最初に点灯するＬＥＤをそのような可視光ＬＥＤにし、残りを白色ＬＥＤにする、というような応用ができる。

また、２０ｍＡ程度の電流で使う現在の一般的なＬＥＤだけでなく、さらに大きな電流を流すことのできる大電流対応ＬＥＤを１個、もしくは必要に応じて複数個用いることもできる。

次は、ＬＥＤ発光要素をドライブするスイッチング電圧変換要素について説明する。これは、前述したようにＤＣ／ＤＣコンバータやスイッチングレギュレータなどと呼ばれている回路やユニットであるが、それはどのような動作形態のものでも構わない。例えば、定電流出力昇圧型、定電圧出力昇圧型、定電圧出力降圧型、定電圧出力昇降圧型などを使うことができる。各々の動作方式は、例えば、インダクタを用いる方式でも、チャージポンプなどと呼ばれるコンデンサを用いる方式でも構わない。

次は、負荷コントロール要素の説明に移る。該要素は、第一の機能として、スイッチ素子で負荷量を切り替えるスイッチ機能と、第二の機能として、ダイナモ発電電力を検出し、あらかじめ設定された制御内容に基づいて前述のスイッチ機能部を制御する電力検出・制御機能を持つことは先に説明したが、それらの詳細について、これから説明する。

負荷コントロール要素の説明に関連し、まず、スイッチング電圧変換要素について説明する。これから先の説明ではＬＥＤ発光要素をドライブするスイッチング電圧変換要素を、「主要なスイッチング電圧変換要素」と表現する。というのは、後述するが、このスイッチング電圧変換要素以外にも、別の目的でスイッチング電圧変換要素を具備する応用ができるので、それと明確に区別するためである。

また、これから先は、前述した主要なスイッチング電圧変換要素の動作形態や方式にはとらわれずに、その出力形態に注目して、定電圧出力型と定電流出力型の２つのタイプに大別して説明を行なう。さらに、定電流出力型には、ＬＥＤ電流を設定する抵抗の接続方法に２つのタイプがあるので、それぞれのタイプ別に説明を行なう。

ではこれから、負荷コントロール要素の第一の機能である負荷量を切り替えるスイッチ機能部のスイッチ素子接続方法の説明を行なう。主要なスイッチング電圧変換要素の出力形態別に、そのＬＥＤの接続方法と、負荷量を切り替える手段であるＬＥＤの有効個数や電流を切り替える方法などを説明する。

まず、主要なスイッチング電圧変換要素が定電圧出力型である場合を、図３を参照しながら説明する。この場合のＬＥＤの接続は、例えば、図３のＡ部に示したように、該スイッチング電圧変換要素の出力電圧に応じて、１個もしくは複数個のＬＥＤと電流制限抵抗を直列に接続する。それを定電圧出力型の基本単位負荷と表現すれば、該基本単位負荷を、一つ、あるいは複数個を並列に並べて、必要な光量を得る。これは、大電流対応ＬＥＤを用いる場合でも、基本的に同等である。

次に、前述した基本単位負荷が複数列ある場合の、ＬＥＤ有効個数を切り替えるためのスイッチ素子の接続方法を説明する。この場合、該基本単位負荷ごとに、そのどこかに、例えば、図３のＢ部のようにＧＮＤと該基本単位負荷の間に直列に入れる形でスイッチ素子を設けることができる。図３Ｂ部において、スイッチ素子Ｓ１をオフさせると該基本単位負荷は無効になり、オンさせると有効になる。こうしてＬＥＤ有効個数を切り替えることができる。

次に、この場合のＬＥＤ電流を切り替えるためのスイッチ素子の接続を説明する。該電流を切り替えるには、前記基本単位負荷の電流制限抵抗を変化させればよいので、例えば、図３のＣ部に示すように、必要に応じて直列にスイッチ素子を接続した電流制限抵抗となる抵抗を幾つか設け、それらを並列に並べるという接続を行なうことができる。図３のＣ部の例では２本の電流制限抵抗Ｒａ、Ｒｂを設け、そのうちの１本に直列にスイッチ素子Ｓ２を接続し、それらを並列に並べている。図３Ｃ部において、スイッチ素子Ｓ２がオフの場合、電流制限抵抗の値はＲａとなる。Ｓ２がオンの場合は、そのオン抵抗を無視すれば、電流制限抵抗の値はＲａとＲｂの並列合成値となる。ゆえにスイッチ素子Ｓ２がオンするとＬＥＤ電流が増える。

また、図３のＤ部に示すように、複数の電流制限抵抗を直列にし、それらの電流制限抵抗の必要な個所に並列にスイッチ素子を設ける形をとることもできる。図３のＤ部の例では２本の電流制限抵抗Ｒｃ、Ｒｄを直列に設け、そのうちの１本に並列にスイッチ素子Ｓ３を設けている。Ｓ３がオフの場合、電流制限抵抗の値は、ＲｃとＲｄを加算した値となる。オンの場合はＲｃとなる。ゆえに、この場合もＳ３がオンするとＬＥＤ電流が増える。

以上が、主要なスイッチング電圧変換要素が定電圧出力型である場合のＬＥＤ有効個数の切り替えとＬＥＤ電流を切り替えのためのスイッチ素子の接続方法である。

次に、主要なスイッチング電圧変換要素が定電流出力型である場合の説明に移る。定電流出力型は、出力のＬＥＤ電流を決める電流設定抵抗の用い方として、主に、図４に示すような、スイッチング電圧変換要素に設けられた電流設定抵抗の専用端子とＧＮＤの間に該抵抗を接続するタイプと、図６に示すような、出力電流の経路の一部として該抵抗をＧＮＤ側に入れて、該抵抗の端子電圧をスイッチング電圧変換要素の出力フィードバック端子であるＦＢ端子に印加するタイプがある。図４や図６において「ＩｓｅｔＲ」と表記された抵抗が電流設定抵抗である。

このように、定電流出力型は、電流設定抵抗の置かれる位置によって主に２つのタイプがあるので、これから先の説明では、各々のタイプごとのＬＥＤ接続方法とともにＬＥＤ有効個数切り替え及びＬＥＤ電流切り替えのためのスイッチ素子の接続方法を説明する。なお以下の説明では、専用端子とＧＮＤの間に電流設定抵抗を接続するタイプを「専用端子タイプ」、電流設定抵抗の端子電圧をＦＢ端子に印加するタイプを「ＦＢ端子タイプ」と表現する。

ここでＬＥＤ有効個数切り替えの説明の事前説明としてＬＥＤとそれに並列に接続されたスイッチ素子の関係を説明しておく。後述するがＬＥＤは、その順方向電圧未満の印加電圧ではＬＥＤに電流が流れず、従って点灯しない。それでＬＥＤに並列にスイッチ素子を設けてそれをオンさせると、スイッチ素子によってバイパスされてＬＥＤの端子電圧はほぼ０ＶになるためＬＥＤは点灯しなくなる。また同様に、ダイオードとスイッチ素子を直列に接続したものをＬＥＤに並列に設けて該スイッチ素子をオンしても、ダイオードの順方向電圧が可視光ＬＥＤの順方向電圧より十分低いので該ＬＥＤは点灯しない。

また、これから行なう説明の中で、スイッチング電圧変換要素の出力側に関し、「高電位側」と「低電位側」という言葉を使う。高電位側とは、スイッチング電圧変換要素から電流が出力として出てくる側のことである。低電位側は２つの場合がある。専用端子タイプの場合は、図４に示すようにＬＥＤ電流のリターン側が低電位側となる。またＦＢ端子タイプでは、図６に示すように、ＦＢ端子に接続される部分が低電位側となる。これらをふまえ、以下にＬＥＤ接続方法とＬＥＤ有効個数切り替え及びＬＥＤ電流切り替えのためのスイッチ素子の接続方法を説明する。

まず、専用端子タイプの場合を、図４を参照しながら説明する。ＬＥＤの接続は、図４のＡ部にあるように、その出力に１個、あるいは複数個のＬＥＤを直列に同じ向きに接続する。これは、大電流対応ＬＥＤを用いる場合でも、基本的に同等である。

次に、この場合のＬＥＤ有効個数を切り替えるためのスイッチ素子の接続を、図４のＢ部を参照しながら説明する。これは、直列接続された３個のＬＥＤの有効個数を１個、２個、３個と切り替える例となっている。図４Ｂ部においてＬＥＤ１と同２の接続点と低電位側ラインとの間にスイッチ素子Ｓ１を設けて、それをオンさせるならＬＥＤ２と同３は、Ｓ１でバイパスされて点灯しなり、この結果ＬＥＤ１だけが有効になる。同様にしてＬＥＤ２と同３の接続点にスイッチ素子Ｓ２を設けて、これをオンさせるならＬＥＤ１と同２が有効になる。３個全てのＬＥＤを有効にするには、Ｓ１とＳ２を両方ともオフさる。このように、発光要素のＬＥＤが複数個の１列から成る場合には、任意のＬＥＤ接続点と低電位側ラインとの間にスイッチ素子を設けて、そのオン・オフを制御することによりＬＥＤ有効個数を切り替えることができる。

また、今述べた図４のＢ部とは逆で、図４Ｃ部のように、任意のＬＥＤ接続点と高電位側ラインとの間にスイッチ素子を設けても、同様の効果を得ることができる。

また、図４のＤ部のように、あるＬＥＤの接続点と、別のＬＥＤの接続点との間にスイッチ素子を設けても、該スイッチ素子によってバイパスされるＬＥＤは点灯しなくなるので、同様の効果を得ることができる。

次に、このタイプのＬＥＤ電流の切り替え方法を述べる。該電流の切り替えは、電流設定抵抗の値を変化させればよいので、該抵抗に対して、前述した図３のＣ部やＤ部に示した定電圧出力型のＬＥＤ電流切り替え方法と同様の方法を講じることができる。その例を、図４のＥ部とＦ部に示す。

さて、今述べている専用端子タイプにおいて、必要光量が１列のＬＥＤでは足りない場合、スイッチング電圧変換要素の出力電流の許容範囲内で、図５のＡ部のようにＬＥＤの直列接続に、電流を安定させるためのバラスト（ｂａｌｌａｓｔ）抵抗を加えた列を、２列以上にすることができる。

このような場合でもＬＥＤの有効個数を切り替えることができる。例えば、図５のＢ部のように、高電位側から順にバラスト抵抗と３個のＬＥＤが直列に並んだ列が２列ある場合、そのＬＥＤ数は合計６個になるが、その有効個数を２個、４個、６個と切り替える方法を説明する。

図５Ｂ部においてＬＥＤ１と同１１だけを有効にするためには、１列目のＬＥＤ１と同２の接続点と、それに対応する２列目のＬＥＤ１１と同１２の接続点を、各ＬＥＤ側の接続点がアノードとなるようにダイオードを通して結び、各ダイオードのカソード側と低電位側ラインとの間にスイッチ素子Ｓ１を設ける。Ｓ１をオンさせるなら、下の４個のＬＥＤはＳ１でバイパスされて点灯しなくなりＬＥＤ１と同１１の２個が有効になる。

またＬＥＤ２と同３の接続点とＬＥＤ１２と同１３の接続点に、同様の方法でスイッチ素子Ｓ２を設け、Ｓ２をオンさせるならＬＥＤ３と同１３は点灯しなくなり、上の４個が有効になる。６個全てのＬＥＤを有効にするには、２つのスイッチ素子を両方オフさせればよい。

このようにＬＥＤの直列接続にバラスト抵抗を加えた列を２列以上にした場合でも、各列の対応する任意のＬＥＤ接続点全てをダイオードを通して接続し、その接続点と低電位側ラインとの間にスイッチ素子を設けてそのオン・オフを制御することでＬＥＤ有効個数を切り替えることができる。

なお、今の例とは逆で、図５Ｃ部にあるように、各列のバラスト抵抗を低電位側に設けるなら、各列の対応する任意のＬＥＤ接続点全てをダイオードを通して接続し、その接続点と高電位側ラインとの間にスイッチ素子を設けても、同様の効果を得ることができる。（ダイオードの向きは逆になる。）

以上が、主要なスイッチング電圧変換要素が定電流出力型専用端子タイプである場合の、ＬＥＤ有効個数やＬＥＤ電流を切り替えるためのスイッチ素子の接続方法である。

次に、主要なスイッチング電圧変換要素が定電流出力型のもう一つのタイプであるＦＢ端子タイプの場合の説明に移る。この場合のＬＥＤの接続は、図６Ａ部にあるように、その出力に１個、あるいは複数のＬＥＤを直列に同じ向きに接続する。電流設定抵抗ＩｓｅｔＲは、ＬＥＤの電流が流れる経路の一部として最後のＬＥＤとＧＮＤの間に接続され、そのＬＥＤと該抵抗の接続点は、スイッチング電圧変換要素のＦＢ端子にも配線される。これは、大電流対応ＬＥＤを用いる場合でも、基本的に同等である。

そして、この場合のＬＥＤ有効個数を切り替えるためのスイッチ素子の接続は、前述した専用端子タイプと同様に行なうことができ、その例を、図６のＢ部からＤ部に示す。

また、この場合のＬＥＤ電流の切り替えのためのスイッチ素子の接続例を、図６のＥ部、Ｆ部に示す。この場合も電流設定抵抗の値を切り替えるものであり、その動作は前述の専用端子タイプと同様である。

また、この場合もＬＥＤ列を２列以上にすることができる。このタイプでは、図７のＡ部にあるように、１列目の電流設定抵抗と同じ値の抵抗を入れた列を複数列接続する。そして、この場合の有効ＬＥＤ数の切り替え例を、図７のＢ部に示す。これは、前述の専用端子タイプのＬＥＤ列が２列でバラスト抵抗を低電位側に設ける場合（図５のＣ部）と同様の方法である。

以上が、主要なスイッチング電圧変換要素が定電流出力型ＦＢ端子タイプである場合のＬＥＤ有効個数やＬＥＤ電流を切り替えるためのスイッチ素子の接続方法の説明である。

さて、定電圧出力型でも定電流出力型でも、主要なスイッチング電圧変換要素が１個では必要なＬＥＤ負荷をドライブできないなどの場合には、該スイッチング電圧変換要素を複数個用いることもできる。

この場合、複数のＬＥＤを各スイッチング電圧変換要素がそれぞれ独立に分担するのであれば、該スイッチング電圧変換要素の一つ一つについて、そのＬＥＤ有効個数の切り替えやＬＥＤ電流の切り替えを、前述した主要なスイッチング電圧変換要素が１個である場合と同様に行なうことができる。

また、複数の主要なスイッチング電圧変換要素の各々に対して、図８のＡ部に示すように、必要に応じてスイッチ素子を設けて、各々のスイッチング電圧変換要素を単独にオン・オフさせることでも、ダイナモから見た負荷量を切り替える効果を得ることができる。

さらに、複数の主要なスイッチング電圧変換要素の全てが定電圧出力型であれば、共通の負荷となるＬＥＤをドライブすることができる。この場合は、例えば図８のＢ部のように、各々の出力全てに電流制限抵抗とダイオードを設けて、それを共通の負荷であるＬＥＤ発光要素に接続することができる。この場合のＬＥＤ電流切り替えは、例えば図８Ｂ部のＳ１部分のように、電流制限抵抗の全部または一部に、別の抵抗とスイッチ素子を組み合わせて、電流制限抵抗の抵抗値を切り替える方法がある。また、例えば図８Ｂ部のＳ２部分のように、各々のスイッチング電圧変換要素に必要に応じてスイッチ素子を設け、各々のスイッチング電圧変換要素を単独にオン・オフさせる方法もある。

これまで負荷コントロール要素の第一の機能である、負荷量を切り替えるスイッチ機能部のスイッチ素子の接続方法について説明してきた。そして、限定する意図はないが、このスイッチ素子として使用できる素子名を挙げるなら、回路構成などにより変わるが、例えばＭＯＳ−ＦＥＴやバイポーラトランジスタ、フォトカプラ、さらにＬＥＤとフォトＭＯＳ−ＦＥＴを内臟している半導体フォトリレー、電磁式リレー、アナログスイッチなどがある。また、オープンコレクタやオープンドレインの各種ロジックＩＣやコンパレータＩＣなどの出力をスイッチ素子として用いることもできる。

さて、ここから、負荷コントロール要素の第二の機能である、ダイナモの発電電力を検出して、あらかじめ設定された制御内容に基づいて前述のスイッチ機能部を制御する、電力検出・制御機能についての説明に移る。

まず、間接的な電力検出方法として、電圧を用いる方法について説明する。電圧の検出ポイントとしては、ダイナモ出力を整流・平滑した電源の電圧を直接検出する方法と、該電圧を間接的に検出する方法に分けることができることは前述したが、その間接的な電圧検出について、具体的に説明する。

主要なスイッチング電圧変換要素の許容入力電圧が、ダイナモを整流・平滑した電源の最大電圧より小さい場合の保護のために、または、該スイッチング電圧変換要素がインダクタを用いた昇圧定電圧出力型の場合には、その出力電圧値より大きい電圧が印加されることによる出力の変動を防ぐため、時に、印加される電圧を制限することが必要になる。

そのためには、主要なスイッチング電圧変換要素とは別に、降圧定電圧出力型のスイッチング電圧変換要素を用いたり、リニア型定電圧レギュレータを用いたりすることができる。これらは一般に、ダイナモ出力を整流・平滑した電源と主要なスイッチング電圧変換要素との間に、電流経路から見れば直列に入る形で設ける。そして、ダイナモ出力を整流・平滑した電源を受けて、設定した値以上の電圧が主要なスイッチング電圧変換要素に加わらないようにする、電圧リミッタのような働きをする。それで、この機能を果たす部分を「直列型電圧リミッタ」と称する。

また同じ目的で、設定電圧を超えた電圧分を比較的低い値の抵抗などを通してＧＮＤに分流させるシャント型の保護回路を設けて、電源電圧の上昇を抑えるようにすることもできる。これは、電流が分岐する形になるので「分岐型電圧リミッタ」と称する。

それで、負荷コントロール要素内の電力検出機能部が、どの電圧を検出するかについては、大きく２通りの方法があることになる。すなわち、ダイナモ出力を整流・平滑した電源の電圧を直接検出する方法と、前記直列型電圧リミッタを用いる場合には、その処理された後の電圧を検出する方法の２つである。それで、後者の場合を、前述したように、ダイナモ出力を整流・平滑した電源の電圧を「間接的」に検出すると表現している。この間接的な電圧検出の場合でも、直列型電圧リミッタがリミット動作に入る前であれば、該リミッタの出力電圧は、若干の差分を持ちながらも、その入力であるダイナモ出力を整流・平滑した電源の電圧にほぼ追従するので、ダイナモの発電電力に応じた負荷の切り替えを行なうことができる。

これをふまえ、次に、どのように電圧を検出し、どのように負荷コントロール要素内のスイッチ素子を駆動するかについて、例をあげて説明する。

電力検出機能部の電圧検出素子として、例えば、ツェナーダイオードやＬＥＤなどを用いることができる。それらの素子によって電圧の高低を検出し、加えてその検出する電圧源の比較的小さな電力を用いて、スイッチ素子を駆動することができる。

また、これと関連して、スイッチ素子が、例えば、入力側にＬＥＤを内臟しているフォトカプラや半導体フォトリレーであれば、そのＬＥＤを、前記の電圧検出素子の一部として用いることもできる。

これらの方法を、図９を用いて説明する。まず、ツェナーダイオードを用いる方法を、図９のＡ部とＡ１部に示す。図９のＡ部において、ＺＤ１がツェナーダイオードであり、抵抗Ｒ１とＲ２が、ＤＺ１に流れる電流を制限する役割を果たす。そしてＲ２の端子電圧が、スイッチ素子Ｓ１のオン電圧に達すると、Ｓ１がオンしはじめる。それで、Ｓ１がオンしはじめる印加電圧（ＶＤＣまたはＶＩＮ）は、この時Ｒ２に流れる電流から計算できる。すなわち、Ｓ１がオンしはじめる印加電圧は、該電流によって生じるＲ１とＲ２の各々の電圧と、ＺＤ１のツェナー電圧を加えた値になる。また、図９Ａ１部のように、必要に応じて、電圧の調整やツェナー電圧の温度特性の向上のために、ダイオード（図中のＤ１）を直列に入れることもできる。

ツェナーダイオードと同様の仕方でＬＥＤを用いた例を図９のＢ部、Ｂ１部に示す。その基本動作は前述したＡ部と同等である。ＬＥＤの順方向電圧ＶＦがツェナー電圧に相当する。そして、図９のＢ１部のように、希望の電圧になるまでＬＥＤや、必要に応じてダイオードなどを直列に並べることができる。

これらのためのスイッチ素子としては、図９のＡ部からＢ１部におけるＳ１部分に示したように、例えば、バイポーラトランジスタやＭＯＳ−ＦＥＴなどを用いることができる。

さて、前記の例ではＬＥＤをツェナーダイオードと同じように使った。しかしＬＥＤだからこそ可能な使用法もある。図９のＣ部にその例を示す。ＬＥＤがツェナーダイオードより優れている点の一つは、印加電圧がＬＥＤの順方向電圧ＶＦ未満の時には、ほとんど電流が流れないことである。この点ツェナーダイオードの場合には、印加電圧がツェナー電圧に達する前でも電流がじわじわと流れてしまう。例えばツェナー電圧が４．７ＶであるＮＥＣエレクトロニクス（株）のＲＤ４．７Ｓの場合、その特性グラフによれば、印加電圧が３Ｖでも５０ｕＡ程度の電流が流れる。それで、図示しないが、図９Ｃ部の回路の２個のＬＥＤをツェナーダイオードに置き換えた場合は、そのツェナー電圧よりずっと低い電圧でもベース電流が流れてスイッチ素子であるトランジスタＳ２がオンしはじめてしまう。それで、ツェナーダイオードではＳ２がオンする電圧を定めにくく、あまり実用的ではない。しかしＬＥＤであれば、印加電圧がＶＦに達するまでは電流が流れず、したがってトランジスタはオンしないため、ツェナーダイオードよりずっと安定した動作となる。このようにＬＥＤを使えば、簡単な回路でも、実用性の高い電圧検出動作を行なうことができる。

この図９のＣ部の回路のためのスイッチ素子としては、限定する意図はないが、バイポーラトランジスタが利用しやすい。一般に、該トランジスタの直流電流増幅率ＨＦＥが高いほど、また図中の抵抗Ｒ４が小さいほど、トランジスタがオフから完全オンに移る際のメリハリが向上する。なお、Ｒ４はＬＥＤの順方向電流や該トランジスタのベース電流を制限する抵抗としての働きを全うする値でなければならない。

さて、前記メリハリについては、これを良くすることだけに着目すべきではない。この具合を適度にゆるやかにすることによって、段階的に切り替わる負荷量において、その切り替わり時の変化の状態をなだらかにすることができる。例えばＬＥＤの有効個数を切り替える場合であれば、印加電圧が上昇していく過程におけるＬＥＤ有効個数の切り替わり時に、次の段のＬＥＤが比較的急に明るく点灯するのではなく、該ＬＥＤが、印加電圧の上昇につれて徐々に明るさを増していくようにすることができ、そうするなら、本来階段状となる負荷量の変移をなだらかにすることができる。

なお、今説明している図９Ｃ部の回路の場合、トランジスタがオンしはじめる電圧に関係するＬＥＤの順方向電圧ＶＦは、正確には、一般によく使われる順方向電流ＩＦが１０ｍＡや２０ｍＡの時のＶＦではなく、メーカー発行のＶＦ−ＩＦ特性グラフに載せられているＩＦが小さい領域でのＶＦとなる。そのＶＦ値は、現在一般に流通している品でいえば、赤外線ＬＥＤの約１Ｖから、青色・白色ＬＥＤの約３Ｖまでの範囲でＬＥＤの材料などの違いによって幾つかの種類があるので、それらを適宜単独で、もしくは組み合わせて用いることができる。また、前記のメリハリに多少影響するもののＬＥＤと共にダイオードを使って、その順方向電圧分（例えば普通のシリコン小信号用ダイオードであれば０．６Ｖ位）を利用して電圧値を調整することも可能である。その例を図９のＣ１部に示す。

また、図９のＤ部は、スイッチ素子がフォトカプラの場合の、その内臓ＬＥＤを電圧検出素子の一部として使用した例である。基本的な動作は前述の図９のＣ部などと同じで、該内臓ＬＥＤのＶＦも電圧設定に含めておく必要がある。また、フォトカプラがオンしはじめるＬＥＤ電流は一般に数ミリアンペアが必要で、図９のＣ部の回路よりも若干電流が大きくなる傾向がある。したがって、正確には、この電流によって生じるＲ５の電圧降下分も、電圧設定に含めておく必要がある。これは、スイッチ素子が半導体フォトリレーでも同等である。フォトカプラや半導体フォトリレーは、その入力側と出力側がアイソレートされているので、回路のどこにスイッチ素子を置くことができるかについては、トランジスタやＭＯＳ−ＦＥＴなどより、かなり自由度が高くなる。例えば、図４のＤ部のスイッチ素子は、トランジスタやＭＯＳ−ＦＥＴでは難しいが、フォトカプラや半導体フォトリレーであれば比較的簡単に利用できる。

これらの方法は、検出する電圧源の比較的僅かな電力を用いて動作するので、これらのための専用電源を具備する必要がないという大きな利点がある。一方欠点は、設定できる電圧が素子に依存して飛び飛びとなり、設計自由度がやや低いことと、利用できるスイッチ素子が後述する他の方法に比べて少ないということである。

以下に、電圧検出素子としてＬＥＤを用いた場合の、幾つかの具体例について説明する。まず、図１と図２に、本発明の実施例を示す。

本発明の第一の実施例である図１において、１ａは負荷コントロール要素全体を示していて、その中には、電力検出・制御機能部２ａと、負荷量を切り替えるスイッチ素子を有するスイッチ機能部３ａが含まれている。本実施例は、電力を間接的に電圧で検出する方式をとっていて、その電力検出・制御機能部２ａ内の電圧検出素子としては、前述したようにＬＥＤを用いている。また、スイッチ機能部３ａのスイッチ素子Ｓ１からＳ４は、トランジスタを使っている。主要なスイッチング電圧変換要素４ａは、インダクタを用いた昇圧定電圧出力型であり、８個の白色ＬＥＤから成る発光要素５ａをドライブしている。

図１中のスイッチ機能部３ａのＳ１からＳ４のトランジスタは実験で使った２ＳＣ１３６４をそのまま図中に記してあるが、これは、例えば２ＳＣ９４５や２ＳＣ１８１５など広く流通している多くのトランジスタが利用可能である。

また、電力検出・制御機能部２ａのＬＥＤにはＲやＩＲの表示があるが、それらはＬＥＤの種類を表している。ＲのＬＥＤとして、実験では（株）東芝のＴＬＲ１０２Ａという材料がＧａＰでＩＦ１ｍＡ時のＶＦが約１．８ＶのＬＥＤを使った。またＩＲは（株）東芝のＴＬＮ１１９という材料がＧａＡｓでＩＦ１ｍＡ時のＶＦが約１．０５Ｖの赤外線ＬＥＤを使った。もちろん他のＬＥＤでも構わない。

そして、電力検出・制御機能部２ａは、これらのＬＥＤの種類と個数を組み合わせて、希望の電圧を検出するようにしている。例えば、電力検出・制御機能部２ａのＳ１ｃｏｎｔと表記されている一番上のＬＥＤ部分を実験で使った素子で説明すれば、Ｒ表示のＬＥＤを１個使っているので、そのＶＦは前述したように１．８Ｖ位であり、それにつながるスイッチ素子であるトランジスタＳ１のベース・エミッタ電圧ＶＢＥは約０．６Ｖなので、それらの電圧を加えると、２．４Ｖ位でＳ１がオンしはじめることになる。

そして、本実施例では、インダクタを用いた昇圧定電圧出力型である主要なスイッチング電圧変換要素４ａの中心となる素子として、リニアテクノロジ社のＬＴ１６１３を用いていて、それを中心とした回路の出力電圧が８Ｖとなるように設定している。そして、スイッチ機能部３ａ内のスイッチ素子Ｓ２からＳ４に接続される発光要素５ａ内の２個組み３列のＬＥＤ電流は、該スイッチ素子がオンすると、各列、約２０ｍＡになるように抵抗値を設定している。そして、スイッチ素子Ｓ１の列のＬＥＤ電流は、Ｓ１がオフの時は約１０ｍＡ、オンの時は約２０ｍＡとなるようにしている。

本回路は、スイッチ素子Ｓ１からＳ４が全てオフの状態から始まり、後述する直列型電圧リミッタの出力電圧が上昇するにつれて、最初に主要なスイッチング電圧変換要素４ａが動作を開始し、次にＳ１だけオン、Ｓ１とＳ２がオンというように、Ｓ１から順番にオンしていく。それで、本回路の切り替え状態は次のようになる。該スイッチング電圧変換要素４ａが動作を開始し、スイッチ素子Ｓ１からＳ４がすべてオフの時は、２個のＬＥＤが各１０ｍＡで点灯する。Ｓ１がオンすると同じ２個のＬＥＤが各２０ｍＡで点灯し、Ｓ２もオンすると４個のＬＥＤが各２０ｍＡで点灯し、Ｓ３もオンすると６個のＬＥＤが各２０ｍＡで点灯し、Ｓ４もオンすると８個のＬＥＤが各２０ｍＡで点灯する。

主要なスイッチング電圧変換要素４ａのＬＴ１６１３が動き始める電圧は、最大で１．１Ｖである。そして、電力検出・制御機能部２ａ内で最初にオンするスイッチ素子Ｓ１がオンしはじめる電圧は、前述したように約２．４Ｖである。このように、最初のスイッチ素子がオンする電圧を、主要なスイッチング電圧変換要素が動き始める電圧より高く設定しておくことが望ましい。というのは、そうすれば、設定した切り替え段数の通りになるし、そのようにして該スイッチング電圧変換要素が動き始める時の負荷を軽くしておくことで、該スイッチング電圧変換要素が異常動作に陥る危険を減らすことができる。このことは、後述する図２の実施例や、図１０から図１２に示す他のタイプの主要なスイッチング電圧変換要素の回路例にも言えることである。

本実施例には、主要なスイッチング電圧変換要素４ａとダイナモ出力を整流・平滑した電源との間に、直列型電圧リミッタを設けている。本実施例の場合、該電圧リミッタのリミット電圧は、８Ｖ未満にする必要がある。というのは、該スイッチング電圧変換要素４ａの回路はインダクタを用いた昇圧型であり、その出力電圧は８Ｖなので、印加電圧が８Ｖを超えると、その影響で出力電圧も上昇してしまうからである。この回路の実験に用いた直列型電圧リミッタの回路は図１４であり、その動作は後述する。また、直列型電圧リミッタとして図１３や図１５に示すような回路を用いることもできる。

次に、本発明の第二の実施例である図２の説明に移る。第一の実施例と本実施例の主な違いは、主要なスイッチング電圧変換要素のタイプの違いであり、本実施例の主要なスイッチング電圧変換要素４ｂは、インダクタを用いた昇圧定電流出力型となっている。本実施例も、電力を間接的に電圧で検出する方式をとっていて、その電力検出・制御機能部２ａ内の電圧検出素子にＬＥＤを用いている。

図２のスイッチ機能部３ｂ内のＳ１からＳ４、およびＱ２からＱ４のトランジスタは、前述した図１と同様に、実験で使った２ＳＣ１３６４をそのまま図中に記してあるが、これは例えば２ＳＣ９４５や２ＳＣ１８１５など広く流通している多くのトランジスタが利用可能である。

本実施例の場合、主要なスイッチング電圧変換要素４ｂの中心となるのはリニアテクノロジ社のＬＴ１９３２で、前述した定電流出力型の専用端子タイプにあたる。発光要素５ｂ内のＬＥＤ総数は８個で、そのＬＥＤ電流を決めるのが、スイッチ機能部３ｂ内の上部に書かれているＩｓｅｔＲ１とＩｓｅｔＲ２である。Ｓ１オフ時のＬＥＤ電流は１０ｍＡ、Ｓ１オン時は２０ｍＡとなるように、それぞれの抵抗値を設定している。

さらに、Ｓ２とＱ２、Ｓ３とＱ３、Ｓ４とＱ４は、それぞれ組み合わされている。そして、Ｓ２がオフの時はＱ２がオンし、Ｓ２がオンの時はＱ２がオフする。Ｓ３とＱ３、Ｓ４とＱ４の関係も同じである。Ｑ２がオンすると、発光要素５ｂ内のＬＥＤ列の上の２つを残し、下の６個のＬＥＤは全て無効になる。同様にしてＱ３がオンすると下の４個のＬＥＤが無効になり、Ｑ４がオンすると下の２個が無効になる。また、Ｑ２からＱ４のすべてがオンしている場合は、Ｑ２が支配的になって下の６個のＬＥＤはすべて無効になる。Ｑ３とＱ４が同時オンの場合も同様で、Ｑ３が支配的になる。

本実施例も、スイッチ機能部３ｂのＳ１からＳ４の全てがオフの状態から始まり、直列型電圧リミッタの出力電圧が上昇するにつれて、最初に主要なスイッチング電圧変換要素４ｂが動作を開始し、次にＳ１だけオン、Ｓ１とＳ２がオンというように、Ｓ１から順番にオンしていく。そして、スイッチング電圧変換要素４ｂが動作を開始し、スイッチ素子Ｓ１からＳ４が全てオフの時は、Ｓ１オフによってＬＥＤ電流が１０ｍＡとなり、Ｓ２からＳ４がオフすることによってＱ２からＱ４がオンし、Ｑ２が支配的になるためＬＥＤ列の上の２個だけが有効になるので、結果的に上の２個のＬＥＤが各１０ｍＡで点灯する。Ｓ１がオンすると同じ２個のＬＥＤが各２０ｍＡで点灯する。Ｓ２もオンするとＱ２がオフして上の４個のＬＥＤが各２０ｍＡで点灯し、同様にＳ３もオンすると上の６個のＬＥＤが各２０ｍＡで点灯し、Ｓ４もオンすると８個のＬＥＤ全てが各２０ｍＡで点灯することになる。

この回路で使っている主要なスイッチング電圧変換要素４ｂのＬＴ１９３２の動作開始電圧は、最大１Ｖである。また、電力検出・制御機能部２ａは、前述した図１と同じ設定となっているので、最初のスイッチ素子Ｓ１がオンする電圧は約２．４Ｖとなっている。

本実施例も、前述の図１と同様に、主要なスイッチング電圧変換要素４ｂとダイナモ出力を整流・平滑した電源との間に、直列型電圧リミッタを設けている。該電圧リミッタの出力電圧は、スイッチング電圧変換要素４ｂのＬＴ１９３２の最大印加電圧である１０Ｖ未満にする必要がある。本実施例の実験に用いた直列型電圧リミッタも、前述の図１の場合と同様に図１４の回路であるが、図１３や図１５に示すような回路を用いることもできる。

また、図１０から図１２に、前述した２つの実施例とは違うタイプの主要なスイッチング電圧変換要素を用いた場合の回路例を示す。図１０がインダクタを用いた昇降圧定電圧出力型、図１１がインダクタを用いた降圧定電圧出力型、そして図１２がコンデンサを用いた昇圧定電圧出力型素子を２個用いた回路例で、すべて８個の白色ＬＥＤから成る発光要素をドライブし、負荷コントロール要素の電力検出・制御機能部はＬＥＤを用いた電圧検出タイプであり、負荷コントロール要素のスイッチ機能部のスイッチ素子は、トランジスタを用いている。

図１０の昇降圧定電圧出力型の回路では、主要なスイッチング電圧変換要素４ｃの中心を成すのはリニアテクノロジ社のＬＴ１３７２で、それを中心とした回路の出力電圧を、本回路例では、図１の場合と同じ８Ｖに設定している。それで、図中の負荷コントロール要素のスイッチ機能部３ａや発光要素５ａは図１と同じとなっているので、その結果、本回路の切り替え状態も図１で説明したのと同じになる。ただし、この回路例ではＬＴ１３７２の動作開始電圧（２．７Ｖ）に応じて、電力検出・制御機能部２ｂのＬＥＤの組み合わせを図１の場合より高めの電圧になるように設定している。ちなみに、Ｓ１がオンしはじめる電圧は、電力検出・制御機能部２ｂ内のＳ１につながる部分の、Ｒ表示ＬＥＤのＶＦ電圧約１．８Ｖと、ＩＲ表示のそれの約１．０５Ｖに、Ｓ１であるトランジスタのベース・エミッタ電圧ＶＢＥ約０．６Ｖを加えて、３．４５Ｖ位となる。

また本回路例は昇降圧型なので、図１の実施例とは違って、印加電圧が出力電圧より高くなっても支障がない。そして、主要なスイッチング電圧変換要素４ｃ内のＬＴ１３７２の最大印加電圧が３０Ｖと比較的高いので、直列型電圧リミッタは使用せず、分岐型電圧リミッタを用いて過電圧から保護している。分岐型電圧リミッタは、例えば図１６に示すような回路を使用できる。図１６回路の動作は後で説明する。

図１１のインダクタを用いた降圧定電圧出力型の回路例では、主要なスイッチング電圧変換要素４ｄの中心を成すのはナショナルセミコンダクタ社のＬＭ２５９５ＡＤＪで、それを中心とした回路の出力電圧を本回路例では４．１Ｖに設定している。そして、発光要素５ｃの各ＬＥＤに流れる電流を２０ｍＡに設定しているので、この切り替え状態は、次のようになる。スイッチング電圧変換要素４ｄが動作を開始して出力が設定電圧に達し、スイッチ機能部３ｃのスイッチ素子Ｓ１からＳ４が全てオフのときは、１個のＬＥＤが２０ｍＡで点灯する。Ｓ１がオンすると２個のＬＥＤが各２０ｍＡで点灯し、Ｓ２もオンすると４個が各２０ｍＡで点灯し、Ｓ３もオンすると６個が各２０ｍＡで点灯し、Ｓ４もオンすると８個が各２０ｍＡで点灯する。

この回路例で使用しているＬＭ２５９５ＡＤＪの場合、白色ＬＥＤ１個を電流制限抵抗と共に接続した状態で、出力が設定値４．１Ｖに達するのに必要な入力電圧は、実測から４．９Ｖ程度となるようなので、本回路例では、それに合わせて電力検出・制御機能部２ｃのＬＥＤの組み合わせを設定している。ちなみに、Ｓ１がオンしはじめる電圧は、電力検出・制御機能部２ｃ内の、Ｓ１につながる部分のＲ表示ＬＥＤのＶＦ電圧約１．８Ｖが３個分と、Ｓ１であるトランジスタのベース・エミッタ電圧ＶＢＥ約０．６Ｖを加えて、６Ｖ位となる。

また、本回路例は、主要なスイッチング電圧変換要素４ｄ内のＬＭ２５９５ＡＤＪの推奨入力電圧の最大値が４０Ｖと高いので、直列型電圧リミッタは使用していない。図１１では分岐型電圧リミッタを用いて過電圧保護を行なう形としたが、状況によっては不要な場合も考えられる。分岐型電圧リミッタは、例えば、図１６に示すような回路を応用できる。

図１２は、コンデンサを用いた昇圧定電圧出力型の回路例で、主要なスイッチング電圧変換要素４ｅの中心を成すのはリニアテクノロジ社のＬＴＣ３２００−５で、それを２個使っている。このＩＣの出力電圧は５Ｖである。本回路例は、発光要素５ｄの各ＬＥＤの電流を２０ｍＡとしている。その切り替え状態は前述した図１１の回路の場合と同様である。

ＬＴＣ３２００−５の動作開始電圧は、前述の図１０のＬＴ１３７２と同じ２．７Ｖだが、電力検出・制御機能部２ｄのＬＥＤの組み合わせを、図１０の時より検出電圧が高くなるように設定している。その理由は後述する。

本回路例も、主要なスイッチング電圧変換要素４ｅとダイナモ出力を整流・平滑した電源との間に、直列型電圧リミッタを設けている。該電圧リミッタの出力電圧は、スイッチング電圧変換要素４ｅ内のＬＴＣ３２００−５の推奨印加電圧の最大値である４．５Ｖ以下にする必要があるが、本タイプのＩＣは、推奨の範囲内であっても印加電圧が上がると効率が悪化する傾向があるので、出力電流を確保でき、かつ効率がある程度良い電圧値、例えば本回路例では３．５Ｖ程度に設定するのが望ましい。直列型電圧リミッタは、例えば図１４に示すような回路を、設定電圧を変更して応用できる。

そして、直列型電圧リミッタを用いている前述した図１と図２の２つの実施例とは違って、本回路例は、図１２に示すように、電力検出・制御機能部２ｄが検出する電圧として、ダイナモの出力を整流・平滑した電源の電圧を用いている。理由は、前述したように、直列型電圧リミッタの出力電圧が３．５Ｖ程度という低い値になりＬＴＣ３２００−５の動作開始電圧である２．７Ｖとの差が少ないので、これまでの回路のように、直列型電圧リミッタの出力電圧を用いるのが現実的ではないからである。

このように、直列型電圧リミッタを用いながらもダイナモ出力を整流・平滑した電源の電圧を検出する場合は、直列型電圧リミッタの電圧降下分を加味して、その分だけ、この図１２の場合でいえば電力検出・制御機能部２ｄが検出する電圧を高くする必要がある。そうしないと、この例でいえば、スイッチング電圧変換要素４ｅのＬＴＣ３２００−５の動作開始と、スイッチ機能部３ｄのスイッチ素子Ｓ１オンの関係が崩れる危険が生じる。

さて、これまで何回か言及した直列型電圧リミッタとしては、例えば図１３から図１５のような回路を用いることができる。図１３は、直列型電圧リミッタとして、降圧定電圧出力型のスイッチング電圧変換要素だけを用いた例で、比較的回路は簡単である。しかし、低速時、すなわち入力電圧が低い時の電圧ロスが幾分大きい。この回路例で使用しているＬＭ２５９５ＡＤＪの場合、入力電圧が出力の設定電圧より低い状態の挙動を実測すると、無負荷でも、３０オームの負荷抵抗を接続した状態でも、ほぼ同じ３Ｖ弱の電圧ロスを見込む必要があるという結果となった。なお、本来の降圧状態となる入力電圧が設定出力電圧より高い場合のＬＭ２５９５ＡＤＪに必要な電圧降下分は１Ｖ程度であり、ロスは比較的少ない。

図１４は、図１や図２の実施例の実験に用いた直列型電圧リミッタの回路である。降圧定電圧出力型のスイッチング電圧変換要素と、リニア型定電圧レギュレータを組み合わせたものである。この回路は低速時、すなわち入力電圧が低い時は、リニア型定電圧レギュレータの出力を利用し、速度が上がって該スイッチング電圧変換要素が設定した電圧を出力するようになると、そちらを利用する。リニア型定電圧レギュレータを用いることで図１３の回路に見られるような低速時の電圧ロスを減らしている。

この回路では、降圧定電圧出力型のスイッチング電圧変換要素の出力と、リニア型定電圧レギュレータの出力とをダイオードを通して結んでいるが、ここで留意すべき点は、リニア型定電圧レギュレータの最大出力電圧、すなわち、入力電圧が高くて無負荷状態である時の出力電圧よりも、該スイッチング電圧変換要素の出力電圧を若干高く設定することである。そうすることにより、該スイッチング電圧変換要素の出力が設定電圧に達したなら、リニア型定電圧レギュレータの出力からは電力を消費しないようにすることができ、こうして、リニア型定電圧レギュレータによる高速走行時の電力ロスを防ぐことができる。なお、両出力を結ぶダイオードとして、順方向電圧が小さいショットキーバリアダイオードを用いるなら、その部分の電圧ロスを減らすのに有利である。

図１５は、回路は複雑になるが、電磁式リレーを用いて低速時の電圧ロスをなくした回路例である。低速時には該リレーのノーマリークローズ接点を通してＶＤＣを直接出力しているので、低速走行時の発光要素の点灯には極めて有利となる。入力電圧が上昇し、リレー切替コンパレータの出力がオン（Ｌになる。）してリレーが作動すると、降圧定電圧出力型のスイッチング電圧変換要素の出力側に切り替わる。該コンパレータの出力がオンする前に、該スイッチング電圧変換要素の出力電圧が立ち上がっているように設定することが必要である。以上が、直列型電圧リミッタの説明である。

そして、図１６が分岐型電圧リミッタの回路例である。図１６の回路においては、Ｑ１のダーリントントランジスタがオンするベース・エミッタ電圧を１．２Ｖとすると、抵抗Ｒ２の端子電圧が、その１．２Ｖに達するのは、該抵抗が５６０オーム場合には、電流が２．１ｍＡの時となる。それで、Ｑ１がオンしはじめる印加電圧ＶＤＣは、前記電流２．１ｍＡによって生じるＲ１とＲ２の電圧降下分と、ＺＤ１のツェナー電圧とを加算した値になる。図１６の回路の定数では約２４Ｖとなる。

分岐型電圧リミッタは、それが動作を開始する電圧になるまでは、直列型電圧リミッタに見られるような電圧ロスが生じない。しかしこの回路が動作すると、ダイナモから見た負荷が急に大きくなるので、通常の走行状態ではこの回路が動作しないように設定することが望ましく、保護回路的なものとするのが通常の使用方法となる。

なお、図１３から図１５の直列型リミッタ回路は、使用状況によっては、図１６のような分岐型電圧リミッタを保護回路として使用することが必要になる場合も考えられる。特にＬＥＤ負荷が軽いなどの理由で、ダイナモ出力を整流・平滑した電源の電圧が、例えば図１３から図１５で使用しているＬＭ２５９５ＡＤＪに相当する降圧型ＩＣや図１５におけるコンパレータＩＣなどの許容電圧を超える恐れがある場合には、分岐型電圧リミッタによる保護回路が必要になる。

以上が、電力検出の一つの方法として、電圧の検出をＬＥＤで行なう方法の実施例や回路例、およびそれに付随する回路などの説明である。

さらに、電圧を検出する素子としては、例えば、専用コンパレータＩＣやオペアンプなどでコンパレータを構成する、コンパレータ要素を用いることもできる。

また、コンパレータ要素として、ロジックＩＣを使うことができる。ロジックＩＣを使う場合の基本的事項を述べれば、そのスレッシホールドレベルがコンパレータの基準電圧に相当する。そして、例えば、検出する電圧を抵抗で分圧して該ＩＣの入力に加えることができ、この場合の電圧設定は、その分圧比で行なうことになる。そして、必要に応じて、入力を保護するためにＬＥＤなどで電圧をリミットさせたり、ダイオードで該ＩＣの電源にバイパスさせるなどの措置を講じることもできる。

さて、電圧検出に、前記コンパレータ要素を用いる場合は、該コンパレータ要素などのために電源を供給する必要がある。その電源は、主要なスイッチング電圧変換要素が定電圧出力型であれば、それを利用することもできるし、別のスイッチング電圧変換要素を専用に設ける方法もある。また、１次・２次電池を具備する方法もある。

コンパレータ要素を用いた電圧検出の回路例を図１７に示す。本回路例は、電力検出・制御機能部２ｅの電圧検出をコンパレータＩＣで行ない、スイッチ機能部３ｅ内のスイッチ素子であるＳ１からＳ４にフォトカプラを用いた回路例となっている。また、本回路例では、別のスイッチング電圧変換要素６をコンパレータなどのための専用電源として設ける形をとっていて、該スイッチング電圧変換要素６が立ち上がり、コンパレータなどが安定する時間をおいてから、主要なスイッチング電圧変換要素４ｆが動きはじめるように、主要なスイッチング電圧変換要素４ｆへの電源供給を制御する機能を有する電源供給遅延回路７を具備している。

このように電圧検出素子として、コンパレータ要素を用いる場合、回路が若干複雑になり、また、その電源のための工夫が必要になるという欠点があるが、電圧設定の自由度が高く、また、スイッチ機能部のスイッチ素子の選択肢が広いという利点がある。そのスイッチ素子名について述べれば、限定する意図はないが、例えばＭＯＳ−ＦＥＴやバイポーラトランジスタ、フォトカプラ、さらにＬＥＤとフォトＭＯＳ−ＦＥＴを内臟している半導体フォトリレー、電磁式リレー、アナログスイッチ、オープンコレクタやオープンドレインの各種ロジックＩＣなどをあげることができる。また、オープンコレクタ出力のコンパレータや、オープンコレクタもしくはオープンドレインのロジックＩＣをコンパレータとして用いるのであれば、回路構成によっては、その出力をスイッチ素子として使用できる場合もある。

次は、マイコンを使った負荷コントロール要素の構成について簡単に説明する。マイコンを利用すれば、これまで述べてきた電圧を検出する方法の他にも、電圧と電流を検出して電力を算出したり、ダイナモ交流周波数やタイヤ回転スピードなどを測定して、それらを制御に適した形に変換したりすることを、比較的簡単に行なうことができる。

マイコンを使う場合、例えば、マイコンの出力を、あらかじめスイッチ機能部の特定のスイッチ素子に割り当てておき、演算結果に応じて、マイコンの出力を制御するように、プログラムしておくことができる。

使用できるスイッチ素子としては、マイコンの電源電圧や、マイコンの出力端子が扱える電流値などにより変わってくるが、先のコンパレータなどを用いた電圧検出例のときに述べた素子を使用できる。また、回路構成によっては、マイコンの出力を、スイッチ機能部のスイッチ素子として、負荷量の切り替えに直接使用することも可能になる。

次は、マイコンの入力と、その信号の内部処理演算の説明に移る。電力を検出する場合には、電圧と電流を測定して、マイコンで乗算して電力値を計算することができる。その電圧としては、例えば、ダイナモの出力を整流・平滑した電源の電圧を測定することができる。この場合、該電圧は、一般のマイコンのＡ／Ｄコンバータの入力電圧範囲を超える高い電圧となるのが普通なので、電圧が該入力電圧範囲に収まるように、例えば抵抗で分圧を行ない、さらに必要に応じてＬＥＤなどで電圧をリミットさせるなどの保護措置を講じながら、マイコンのＡ／Ｄコンバータに被測定電圧を入力することができる。なお、必要に応じてＡ／Ｄコンバータに入力する前に、オペアンプなどによるバッファーを入れることもできる。また、電流は、例えば、電流検出抵抗を電流経路に入れて、該抵抗の端子電圧をマイコンのＡ／Ｄコンバータで測定することができる。その場合該抵抗をＧＮＤ側に入れるなら、ＧＮＤ基準で電圧を測定できるので、回路構成上有利になることが多い。そして、必要に応じて片電源用オペアンプなどで該電圧を必要倍率に増幅してから、マイコンのＡ／Ｄコンバータに入力することもできる。

電圧だけを検出する場合は、ダイナモ出力を整流・平滑した電源の電圧や、直列型電圧リミッタの後の電圧を、前述した電圧と電流から電力を検出する方法の、電圧部分と同様の方法で測定することができる。

次は、ダイナモ交流周波数を検出する方法を説明する。この場合は、例えば、該交流波形を、必要に応じてトランスなどを通して取り込んで、コンパレータなどで波形整形してパルスに変換した後に、マイコンに入力することができる。マイコンはそのパルスの、例えば、立ち上がりエッジの周期を測定する。なお、周期は発電電力と反比例の関係になるので、必要であれば割り算計算によって、周期を周波数などに変換するなら、発電電力と比例関係になる。

次に、タイヤの回転スピードを検出する方法に移る。例えば磁石とリードリレーの組み合わせによる回転センサなどからの入力信号を、必要に応じてインターフェイス回路で受けた後にマイコンに入力する。マイコンはその信号の、例えば、立ち上がりエッジの周期を測定する。なお、ダイナモ交流周波数の場合と同様、タイヤ回転パルスの周期も発電電力と反比例の関係になるので、必要であれば割り算計算によって、周期を回転数などに変換するなら、発電電力と比例関係になる。

負荷コントロール要素にマイコンを利用した場合の本発明のランプの構成例を、図１８のブロック図に示す。図中の信号８は、電力を検出するのであれば電圧信号と電流検出抵抗の端子電圧の信号となり、電圧を検出するのであれば電圧信号であり、ダイナモ交流周波数を検出するのであればダイナモ交流信号であり、タイヤ回転スピードを検出するのであればタイヤ回転パルス信号となる。また図中のインターフェイス９は、デジタル的な信号処理の他にも、アナログ的に信号を取り込んで整合処理をする部分も含んでいる。マイコンを中心とする電力検出・制御機能部２ｆは、前記信号を取り込んで演算処理し、その値に応じてマイコンの出力を制御し、マイコンの出力に接続されたスイッチ機能部３ｆのスイッチ素子のオン・オフを通して、発光要素５ｅの有効ＬＥＤ個数やＬＥＤ電流を切り替える。なお、図中の他の部分については後述する。

マイコン内部の、負荷コントロール動作に関する基本的な制御例を、図１９のフローチャートに示す。演算処理後のデーターが、発電電力と比例関係にあるとした場合のチャートである。図中の分岐処理１０は、例えばリセット処理のように、負荷コントロールのループから抜けて行なう処理のことを示している。また、一定時間待ち処理１１は、信号を取り込んで演算処理を行ないスイッチ素子を制御するという一連の処理を、どの程度の頻度で行なうかをタイマーで設定する例として入れている。また、信号取り込み処理１２は、信号の計測を行なう部分で、ここは例えば、１回の計測だけではなく、必要に応じて何回か連続して信号を計測してその平均を算出するなどの方法を講じることができる。その後は、図に示すように、演算処理によって、例えば電力を計算したり、また、例えば測定結果を発電電力と比例する値に変換したりし、その演算処理で得られた値によって、４つのスイッチ素子Ｓ１からＳ４を制御する。

さて、ダイナモ出力を整流・平滑した電源は、走行状態によって頻繁に電圧が低下したり、切れたりするので、マイコンの電源としては使いにくい面がある。それで、限定する意図はないが、マイコンの電源としては、１次又は２次電池が用いやすい。

一方、電池の消耗があった場合の安全性を考慮すると、マイコンが動作しなくなることによってランプが点灯しなくなる事態が考えられるので、電池の消耗は夜間走行の安全性に直結する。それで、前述のコンパレータＩＣなどを使用した電圧検出で電池を電源とする場合にも言えることだが、できるだけ電池寿命を長くすることのほかに、例えば、電池の消耗を事前に警告するなどの慎重な配慮をすることが望ましい。

また、２次電池を用いるのであれば、ダイナモの比較的わずかな電力を用いて、該２次電池を充電することもできる。前述した図１８中の充電回路部１３は、その一例を示すもので、常時充電しても２次電池に悪影響を与えない範囲内で、定電流ダイオードＣＲＤによって充電電流を設定し、普段の走行中に充電する形をとっている。こうして充電することは、走行中であれば常にダイナモが回転しているバブダイナモが有利だが、ブロックダイナモでも、ランプ点灯中に充電することは可能である。

さらに、図示しないが、太陽電池などを用いて充電する方法と併用することもできる。このようして、２次電池を充電することで、電池の消耗によるマイコンの動作停止という状態に陥る危険性を大幅に減らすことが可能になる。この方法は、コンパレータＩＣなどで電池を電源する場合にも応用できる。

さて、図２０から図２２に、他の負荷切替例を示す。図２０と図２１は大電流対応ＬＥＤを使った場合の負荷切替例である。図２０は、主要なスイッチング電圧変換要素４ｈが定電圧出力型の例で、大電流対応ＬＥＤである発光要素５ｆに対して、スイッチ機能部３ｇの全てのスイッチ素子はＬＥＤ電流を切り替える形で作用する。図２１は、主要なスイッチング電圧変換要素４ｉが定電流出力型の例で、スイッチ機能部３ｈのスイッチ素子Ｓ１とＳ２は、発光要素５ｇのＬＥＤ電流を切り替える形で作用し、Ｓ３とＳ４はＬＥＤ有効個数を切り替える形で作用する。

そして図２２は、主要なスイッチング電圧変換要素４ｊが定電流出力型で、発光要素５ｈのＬＥＤが２列の場合の負荷切替例を示す回路図である。図中のスイッチ機能部３ｉのＳ１はＬＥＤ電流を切り替え、Ｓ２からＳ４は有効ＬＥＤ数量を切り替えるように作用する。

前述した負荷コントロール要素や主要なスイッチング電圧変換要素、その他の部分の一部や全部を、集積回路化することもできる。

さて、実際に自転車での使用に際しては、本発明のＬＥＤランプのオン・オフが必要になる。タイヤの横に押し付けるブロックダイナモでは、従来通り、人がこれを操作することで、それが可能になる。また、ハブダイナモの場合、簡単な方法は、ハンドルなどに人が操作するオン・オフスイッチを設けることである。

また、ハブダイナモにおいては、周りの明るさを検出して、暗くなったらランプを自動点灯させる方式も広く知られている。本発明のＬＥＤランプの負荷コントロール要素にマイコンを利用しているなら、例えば硫化カドミウム光導電体ＣＤＳなどの光センサーの情報を該マイコンに入力して、本発明のランプを、明るいときにはオフ、薄暗くなったらオンさせるように、該マイコンで制御させることができる。その例を、前にも言及した図１８に示す。この例ではＣＤＳ光センサー１４をインターフェイス９で受けて、そこでアナログ処理やコンパレータ処理などを行なった後に、マイコンに入力している。そして、該マイコンの出力につながっているランプ制御スイッチ素子１５は、該マイコンの指令によって、半導体フォトリレーＰＨ１を制御し、本発明のＬＥＤランプ回路の電源となるダイナモ出力を整流・平滑した電源をオン・オフさせる。こうして、マイコンは、周囲の明るさによって本発明のＬＥＤランプをオン・オフさせるように作用する。

さらに、マイコンを利用している場合は、ある程度のスピードで走行している状態で周囲が暗くなり、急にランプがオンすることによる走行上のショックを軽減するために、負荷コントロール要素のスイッチ素子を用いることができる。例えば、次のような制御を行なうことができる。光センサーが「明るい」から「暗い」に変化した後の最初のランプ点灯では、たとえマイコン内の電力検出・制御機能部が最大のＬＥＤ負荷をドライブ可能な状態であると検出していても、一挙に最大のＬＥＤドライブを行なうのではなく、該マイコンは、負荷コントロール要素のスイッチ素子を、ある時間を置きながらゆっくりと、前述の電力検出・制御機能部が指示するところまでオンさせていくことによって、負荷量を徐々に増やしていくようにする。そのことを、光センサーが「明るい」から「暗い」に変化した後に一回だけ行ない、あとは通常の負荷コントロールに戻る。このような方法をとることによって、走行中にランプがオンしても、そのショックを軽減でき、より快適な走行を楽しむことができる。

さて、マイコンを利用しない場合は、例えば、図３０のような明るさ検出回路を具備することができる。図３０の回路は、電源としてダイナモ出力を整流・平滑したものを使っている。ランプ制御スイッチ素子１５はトランジスタである。該スイッチ素子１５によって、半導体フォトリレーＰＨ１を制御し、ダイナモ出力を整流・平滑した電源をオン・オフさせることにより、本発明のＬＥＤランプをオン・オフさせる。Ｇ１からＧ３はＣ−ＭＯＳのナンドゲートで、Ｇ１、Ｇ２を含むシュミットトリガ部１６に、ヒステリシス特性を持たせて、チャタリングを防止している。ＣＤＳ光センサー１４は、暗くなると抵抗値が上がり、その結果Ｇ１のスレッシホールドレベルを超えてＧ１の出力はＬとなり、Ｇ３の出力はＨとなってランプ制御スイッチ素子１５がオンし、ＰＨ１もオンする。Ｒ１、ＺＤ１、Ｃ１部は電源電圧リミッタであり、その目的は、Ｇ１からＧ３の許容電源電圧値を超えないようにすることである。こうした方法によって、ハブダイナモにおける本発明のランプの自動点灯を実現することができる。

上記した実施の形態において示した具体的な方法や回路は、いずれも本発明の実施を行うに際しての具体化のほんの一例を示したものにすぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されることがあってはならないものである。

本発明は、自転車における使用を主用途にしているが、自転車などで使われているのと似た形式のダイナモを使ってＬＥＤ照明を行なう分野への応用も可能である。例えば、小型の風力などの発電機や、手動その他の人力を用いた小型発電機などでＬＥＤ照明を行なう場合などをあげることができる。

本発明の第一の実施例を示す回路図である。 本発明の第二の実施例を示す回路図である。 定電圧出力型の切替スイッチ接続方法を示す説明図である。 定電流出力型・専用端子タイプの切替スイッチ接続方法を示す説明図である。 定電流出力型・専用端子タイプで複数列ＬＥＤの場合の切替スイッチ接続方法を示す説明図である。 定電流出力型・ＦＢ端子タイプの切替スイッチ接続方法を示す説明図である。 定電流出力型・ＦＢ端子タイプで複数列ＬＥＤの場合の切替スイッチ接続方法を示す説明図である。 スイッチング電圧変換要素が複数の場合の切替スイッチ接続方法を示す説明図である。 ツェナーダイオードおよびＬＥＤによる電圧検出方法を示す説明図である。 昇降圧定電圧出力型スイッチング電圧変換要素を使用した例を示す回路図である。 降圧定電圧出力型スイッチング電圧変換要素を使用した例を示す回路図である。 コンデンサを用いた昇圧定電圧出力型スイッチング電圧変換要素を使用した例を示す回路図である。 簡易型の直列型電圧リミッタの例を示す回路図である。 本発明の第一、第二の実施例の実験に使用した直列型電圧リミッタの回路図である。 リレーを用いた直列型電圧リミッタの例を示す回路図である。 分岐型電圧リミッタの例を示す回路図である。 コンパレータ要素による電圧検出の例を示す回路図である。 負荷コントロール要素にマイコンを用いた場合の例を示すブロック図である。 マイコンによる負荷コントロールの方法を例示するフローチャートである。 定電圧出力型・大電流対応ＬＥＤの場合の負荷切替例を示す回路図である。 定電流出力型・大電流対応ＬＥＤの場合の負荷切替例を示す回路図である。 定電流出力型・複数列ＬＥＤの場合の負荷切替例を示す回路図である。 ＣＲＤを使った従来例の回路図である。 昇圧定電圧出力型の一般的な負荷接続法を示す回路図である。 昇圧定電流出力型の一般的な負荷接続法を示す回路図である。 昇圧定電圧出力型の一般的回路に負荷コントロール要素だけを加えた回路図である。 昇圧定電流出力型の一般的回路に負荷コントロール要素だけを加えた回路図である。 負荷コントロールの効果を示すグラフである。 本発明の第一と第二の実施例の測定結果を示すグラフである。 本発明に関連する、光センサによるランプの自動点灯の回路図である。

符号の説明

１ａから１ｋ：負荷コントロール要素
２ａから２ｇ：負荷コントロール要素の電力検出・制御機能部
３ａから３ｉ：負荷コントロール要素のスイッチ機能部
４ａから４ｊ：主要なスイッチング電圧変換要素
５ａから５ｈ：発光要素
６：制御回路専用の電源となるスイッチング電圧変換要素
７：電源供給遅延回路
８：マイコンが計測する信号
９：ロジック的なインターフェイス処理やアナログ的な整合処理を行なうブロック
１０：負荷コントロールのループから抜けて行なう分岐処理
ｌ１：負荷コントロールのループ処理の頻度を決める一定時間待ち処理
１２：信号の計測を行なう信号取り込み処理
１３：２次電池の充電回路
１４：ＣＤＳ光センサー
１５：本発明のＬＥＤランプをオン・オフさせるランプ制御スイッチ素子
１６：シュミットトリガを構成する回路
タンタル：タンタル固体電解コンデンサ
低ＥＳＲ：内部の等価直列抵抗が比較的小さいアルミ電解コンデンサ
Ｃ：コンデンサ
ＣＯＭＰ：コンパレータ
ＣＲＤ：定電流ダイオード
ＦＢ：定電圧出力型または定電流出力型スイッチング電圧変換要素のフィードバック端子
Ｇ：ロジック回路のゲート素子
Ｉｓｅｔ：定電流出力型スイッチング電圧変換要素の電流設定抵抗接続端子
ＩｓｅｔＲ：定電流出力型スイッチング電圧変換要素のＬＥＤ電流設定抵抗
ＬＥＤ：発光ダイオード
ＭＯＮＩ ＬＥＤ：状態モニター用ＬＥＤ
ＯＮ−ＤＥＬＡＹ：電源供給遅延回路
ＰＨ：半導体フォトリレー
Ｑ：トランジスタ
Ｒ：抵抗
ＲＹ：電磁リレー
Ｓ１からＳ４：スイッチ素子
Ｓ１ｃｏｎｔからＳ４ｃｏｎｔ：スイッチ素子Ｓ１からＳ４のコントロール信号
ＳＢＤ：ショットキーバリアダイオード
＋ＶＣＣ：制御回路専用の電源電圧
ＶＤＣ：ダイナモ出力を整流・平滑した電源の電圧
ＶＩＮ：主要なスイッチング電圧変換要素の入力電圧
ＶＩＮ（ＳＷｅｄ）：オン・オフ制御された主要なスイッチング電圧変換要素の入力電圧
Ｖ−ＲＥＦ：基準電圧源
ＺＤ：ツェナーダイオード

Claims (4)

1. ダイナモ出力を整流・平滑したものを主要な電源とし、スイッチング電圧変換要素と、発光ダイオードで構成される発光要素と、ダイナモの発電電力を直接または間接的に検出し、それに応じて前記電源の負荷量を制御する負荷コントロール要素とを具備した、発光ダイオードランプ。
2. 前記負荷コントロール要素における前記ダイナモの発電電力の間接的な検出方法として、ダイナモ出力を整流・平滑した電源の電圧を直接または間接的に検出することを特徴とする請求項１記載の発光ダイオードランプ。
3. 前記ダイナモ出力を整流・平滑した電源の電圧の直接または間接的な検出を、発光ダイオードを用いて行なうことを特徴とする、請求項２記載の発光ダイオードランプ。
4. 前記負荷コントロール要素に、マイコンを使用することを特徴とする、請求項１または請求項２記載の発光ダイオードランプ。

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