(57)【要約】【課題】軽量、コンパクトで安価な交流／直流変換装置を提供する。【解決手段】本発明の交流／直流変換装置は、周波数が高くなるほど振幅が大きくなる性質を有する、入力された交流電圧を整流する整流手段と、この整流手段からの整流電圧を平滑して直流電圧を出力する、容量、耐圧が異なる複数の平滑用コンデンサを有する平滑手段と、上記整流電圧の状態を監視し、上記平滑手段での全体容量を切り換える容量制御手段とを有することを特徴とする。【選択図】      図１
2005006398.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数が高くなるほど振幅が大きくなる性質を有する、入力された交流電圧を整流する整流手段と、
この整流手段からの整流電圧を平滑して直流電圧を出力する、容量、耐圧が異なる複数の平滑用コンデンサを有する平滑手段と、
上記整流電圧の状態を監視し、上記平滑手段での全体容量を切り換える容量制御手段とを有することを特徴とする交流／直流変換装置。
【請求項２】
上記平滑手段が、耐電圧の低い大容量コンデンサと耐電圧の高い小容量コンデンサの並列回路でなり、
上記容量制御手段は、上記整流電圧が基準電圧以下の場合には、上記並列回路の全体で平滑させ、上記整流電圧が基準電圧より大きい場合には、上記小容量コンデンサだけで平滑させることを特徴とする請求項１に記載の交流／直流変換装置。
【請求項３】
上記整流手段へ交流電圧を入力させる発電機を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の交流／直流変換装置。
【請求項４】
上記平滑手段の後段に電圧安定化回路を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の交流／直流変換装置。
【請求項５】
上記平滑手段による平滑電圧の情報を、上記発電機の回転制御を行う回転制御部へ帰還する帰還手段を有することを特徴とする請求項３に記載の交流／直流変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は交流／直流変換装置に関し、例えば、発電機等から出力される電圧及び周波数が変化する（例えば回転数に応じて変化する）交流電圧を入力して直流電圧を出力する交流／直流変換装置に適用し得るものである。
【０００２】
【従来の技術】
交流／直流変換装置として、周波数及び電圧がほぼ一定の商用交流電源を入力として直流電源を得るものは多く、種々の工夫がなされている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平０７−２８４２６９号公報
しかし、周波数及び電圧が変動する交流電圧が入力の交流／直流変換装置も存在する。例えば、ガソリンエンジンを始動させチャージコイル（発電機に相当する）より出力される交流電圧を安定した直流電圧に変換する電源装置（交流／直流変換装置）も存在する。このような発電機からの交流電圧は、その実効値及び周波数が発電機の回転数にほぼ比例している。
【０００４】
このような用途で適用される交流／直流変換装置も、通常の交流／直流変換装置と同様に、交流電圧を整流した後、平滑用コンデンサで平滑して直流に変換している。
【０００５】
ここで、平滑用コンデンサは、回転数が遅いときの低周波数、低電圧に応じるため大容量のものとなされており、回転数が速いときの高周波数、高電圧に応じるため高い耐圧のものとなされている。すなわち、高耐圧、大容量のコンデンサを適用していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高耐圧、大容量のコンデンサは、実際上、嵩も大きく重く、しかも、高価なものであり、交流／直流変換装置の小型化などを制限するものとなっていた。
【０００７】
本発明は、以上の点に鑑みなされたものであり、周波数及び電圧が変動する交流電圧を直流電圧に変換する、軽量、コンパクトで安価な交流／直流変換装置を提供しようとしたものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため、本発明の交流／直流変換装置は、（１）周波数が高くなるほど振幅が大きくなる性質を有する、入力された交流電圧を整流する整流手段と、（２）この整流手段からの整流電圧を平滑して直流電圧を出力する、容量、耐圧が異なる複数の平滑用コンデンサを有する平滑手段と、（３）上記整流電圧の状態を監視し、上記平滑手段での全体容量を切り換える容量制御手段とを有することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（Ａ）第１の実施形態
以下、本発明による交流／直流変換装置の第１の実施形態を図面を参照しながら詳述する。
【００１０】
図１が、第１の実施形態の交流／直流変換装置の構成を示す回路図である。第１の実施形態の交流／直流変換装置は、整流回路３、基準電源４、比較回路５、スイッチ６、低耐圧大容量コンデンサ７、高耐圧小容量コンデンサ８及び電圧安定化回路９を有し、入力端子２Ａ、２Ｂを介して入力された交流電源１を直流に変換するものである。
【００１１】
交流電源１は、例えば、発電機が該当し、その交流電圧は、周波数が低いときに振幅（言い換えると実効値）が小さく周波数が高いときに振幅が大きくなるものである。発電機（交流電源１）が、回転速度０から所定の回転速度へ徐々に回転速度を増していくと、それに伴い、交流電圧の周波数も徐々に大きくなっていく（振幅も同様）。逆に、発電機（交流電源１）が、所定の回転速度から回転速度０へ徐々に回転速度を落としていくと、それに伴い、交流電圧の周波数も徐々に小さくなっていく（振幅も同様）。
【００１２】
整流回路３は、入力端子２Ａ、２Ｂを介して入力された上述した性質を有する交流電圧を整流するものであり、全波整流回路、半波整流回路のいずれを適用しても良い。
【００１３】
低耐圧大容量コンデンサ７及び高耐圧小容量コンデンサ８は共に、平滑用コンデンサとして設けられているものである。低耐圧大容量コンデンサ７が、例えば、耐圧が３５Ｖ、容量が１０００μＦであり、高耐圧小容量コンデンサ８が、例えば、耐圧が１００Ｖ、容量が１８０μＦである。低耐圧大容量コンデンサ７の耐圧は、整流回路３の出力電圧（脈流電圧）の取り得る最大値電圧より低くても良い。
【００１４】
低耐圧大容量コンデンサ７には直列にスイッチ６が設けられており、スイッチ６がオン状態では、低耐圧大容量コンデンサ７及び高耐圧小容量コンデンサ８は並列回路を構成する。
【００１５】
比較回路５は、整流回路３の高電圧側の出力ラインＬＨの電圧と基準電源４の電圧とを比較してスイッチ６をオンオフ制御するものである。
【００１６】
比較回路５は、例えば、オペアンプ等を利用したものであっても良く、その具体的な構成は問われないものである。比較回路５は、出力ラインＬＨの電圧が基準電源４の電圧以下ではスイッチ６をオンさせて低耐圧大容量コンデンサ７も平滑用として機能させる。また、比較回路５は、出力ラインＬＨの電圧が基準電源４の電圧より大きいときにはスイッチ６をオフさせて低耐圧大容量コンデンサ７を切り離す。この場合には、高耐圧小容量コンデンサ８だけが平滑用として機能する。
【００１７】
電圧安定化回路９は、例えば、３端子レギュレータやスイッチングレギュレータが該当し、平滑された直流電圧をより安定化させるものである。電圧安定化回路９として、集積回路で構成されたものを適用でき、このようにすると、小型化に寄与できる。
【００１８】
交流電源１が発電機である場合において、発電機の起動直後では回転速度が遅く、その出力交流電圧は、周波数及び振幅（実効値）共に小さく、整流回路３からの出力電圧（脈流電圧（実効値））も小さい。そのため、比較回路５はスイッチ６をオン状態のままとし、低耐圧大容量コンデンサ７及び高耐圧小容量コンデンサ８の並列回路によって平滑が行われ、その平滑電圧が、電圧安定化回路９によって安定化されて出力される。
【００１９】
発電機の回転速度が徐々に速くなっていくと、その出力交流電圧の周波数及び振幅（実効値）も徐々に大きくなり、整流回路３からの出力電圧（脈流電圧（実効値））も徐々に大きくなる。整流回路３からの出力電圧の増大により、基準電源４の電圧と大小関係が逆転するタイミングが生じる。このとき、比較回路５はスイッチ６をオフに切り換える。その結果、低耐圧大容量コンデンサ７が切り離され、高耐圧小容量コンデンサ８のみによって平滑が行われ、その平滑電圧が、電圧安定化回路９によって安定化されて出力される。
【００２０】
この高耐圧小容量コンデンサ８のみによる平滑状態は、発電機の回転速度が所定速度に達した以降も継続する。
【００２１】
発電機を停止させる移行時には、回転速度が徐々に小さくなっていくので、その途中で、スイッチ６がオンに変化する時点が生じ、その時点以降、低耐圧大容量コンデンサ７及び高耐圧小容量コンデンサ８の並列回路によって平滑が行われる。
【００２２】
第１の実施形態によれば、低耐圧大容量コンデンサ７及び高耐圧小容量コンデンサ８を利用して平滑するようにしたので、高耐圧大容量のコンデンサを適用していた従来と比較すると、部品点数は増えたものの、軽量、コンパクトで安価な交流／直流変換装置を実現できる。
【００２３】
入力交流電圧が低周波数、低振幅のときには、低周波数に応じるべく、平滑回路の時定数を大きくする（言い換えると容量を大きくする）必要があるが、このときは、低耐圧大容量コンデンサ７及び高耐圧小容量コンデンサ８の並列回路が機能しているので、かかる要求を満たしている。
【００２４】
入力交流電圧が高周波数、高振幅のときには、平滑回路の時定数を小さくて（言い換えると容量を小さくて）良い。従って、高耐圧小容量コンデンサ８で充分平滑することができる。入力交流電圧が高周波数、高振幅のときには、高耐圧小容量コンデンサ８だけが機能し、低耐圧大容量コンデンサ７が機能しないので、低耐圧大容量コンデンサ７が低耐圧であっても問題が生じることはない。
【００２５】
（Ｂ）第２の実施形態
次に、本発明による交流／直流変換装置の第２の実施形態を図面を参照しながら詳述する。第２の実施形態は、上記第１の実施形態より具体的な構成で示したものである。
【００２６】
図２は、第２の実施形態の交流／直流変換装置の構成を示す回路図であり、図１との同一、対応部分には、同一符号を付して示している。
【００２７】
交流電源１の出力交流電圧は、入力端子２Ａ、２Ｂを介して、４個のダイオードＤ１〜Ｄ４でなるダイオードブリッジ回路（３）に入力されて全波整流される。
【００２８】
低耐圧大容量コンデンサＣ１（７）には、直列のスイッチング素子としてＰＭＯＳトランジスタＱ１のソース、ドレインが直列に介挿されている。低耐圧大容量コンデンサＣ１及びＰＭＯＳトランジスタＱ１（６）の直列回路には、並列に、高耐圧小容量コンデンサＣ２（８）が接続されている。
【００２９】
ダイオードブリッジ回路Ｄ１〜Ｄ４の高電圧側の出力ラインＬＨと低電圧側の出力ラインＬＬとの間には、抵抗Ｒ１及びＮ型のバイポーラトランジスタＱ２のコレクタ、エミッタが直列に接続されている。また、出力ラインＬＨと出力ラインＬＬとの間には、１又は複数のツェナーダイオードＺＤ（４）、及び、抵抗Ｒ２が直列に接続されている。ツェナーダイオードＺＤ及び抵抗Ｒ２の接続点は、抵抗Ｒ３を介してトランジスタＱ２のベースに接続されている。抵抗Ｒ１とトランジスタＱ２のコレクタとの接続点は、トランジスタＱ１のゲートに接続されている。
【００３０】
１又は複数のツェナーダイオードＺＤは機能的には第１の実施形態で説明した基準電圧を与えるものである。
【００３１】
両出力ラインＬＨ及びＬＬ間の電圧（脈流電圧）が小さいときには、ツェナーダイオードＺＤには電流が流れず、トランジスタＱ２のベース電圧はほぼ出力ラインＬＬの電位になってトランジスタＱ２がオフし、その結果、プルアップ抵抗Ｒ１を介して、トランジスタＱ１のゲートに高電位が印加され、トランジスタＱ１はオンする。
【００３２】
一方、両出力ラインＬＨ及びＬＬ間の電圧（脈流電圧）が大きいときには（ツェナーダイオードＺＤの降伏電圧以上になると）、ツェナーダイオードＺＤにツェナー電流が流れ、抵抗Ｒ２での両端電圧が大きくなって、トランジスタＱ２がオンし、その結果、トランジスタＱ１はオフする。
【００３３】
第２の実施形態は、第１の実施形態より具体的に示しているが、第１の実施形態と同様な動作を行い、第１の実施形態と同様な効果を奏することができる。
【００３４】
（Ｃ）第３の実施形態
次に、本発明による交流／直流変換装置の第３の実施形態を図面を参照しながら簡単に説明する。
【００３５】
図３は、第３の実施形態の交流／直流変換装置の構成を示す回路図であり、図１との同一、対応部分には、同一符号を付して示している。
【００３６】
第３の実施形態の交流／直流変換装置は、第１の実施形態のオンオフスイッチ６に代え、切換スイッチ６を適用したものである。切換スイッチ６は、整流回路３からの出力電圧が小さいときには、低耐圧大容量コンデンサ７のみを機能させ、整流回路３からの出力電圧が大きいときには、高耐圧小容量コンデンサ８のみを機能させるように切換動作する。
【００３７】
第３の実施形態によっても、第１の実施形態と同様な効果を奏することができる。
【００３８】
（Ｄ）第４の実施形態
次に、本発明による交流／直流変換装置の第４の実施形態を図面を参照しながら簡単に説明する。
【００３９】
上述した第１の実施形態は、平滑回路での容量を２段階で切り換えるものであったが、この第４の実施形態は、平滑回路での容量を３段階で切り換えるものである。
【００４０】
図４は、第４の実施形態の交流／直流変換装置の構成を示す回路図であり、図１との同一、対応部分には、同一符号を付して示している。
【００４１】
この第４の実施形態の場合、低耐圧大容量コンデンサ７及び高耐圧小容量コンデンサ８に加え、中耐圧中容量コンデンサ１０を備えている。中耐圧中容量コンデンサ１０には、スイッチ１１が直列に接続されており、このスイッチ１１は、基準電源１２及び比較回路１３の機能により、オンオフ制御される。
【００４２】
この第４の実施形態の場合、入力交流電圧は、周波数及び振幅の大小により３個の範囲に区分されている。周波数及び振幅が小さい範囲では、スイッチ６及び１１を共にオンさせ、低耐圧大容量コンデンサ７、中耐圧中容量コンデンサ１０及び高耐圧小容量コンデンサ８の全てを機能させて平滑させる。周波数及び振幅が中間の範囲では、スイッチ６をオフ、スイッチ１１をオンさせ、中耐圧中容量コンデンサ１０及び高耐圧小容量コンデンサ８を機能させて平滑させる。周波数及び振幅が大きい範囲では、スイッチ６及び１１を共にオフさせ、高耐圧小容量コンデンサ８のみを機能させて平滑させる。
【００４３】
第４の実施形態によっても、第１の実施形態と同様な効果を奏することができる。さらに、第４の実施形態では、平滑回路での容量をより滑らかに切り換えることが期待できる。
【００４４】
（Ｅ）第５の実施形態
次に、本発明による交流／直流変換装置の第４の実施形態を図面を参照しながら簡単に説明する。
【００４５】
図５は、第５の実施形態の交流／直流変換装置の構成を示す回路図であり、図１との同一、対応部分には、同一符号を付して示している。
【００４６】
第５の実施形態では、電圧安定化回路９が省略され、その代わりに、回転制御部１４が設けられている。なお、第５の実施形態では、交流電源１が発電機の場合である。
【００４７】
回転制御部１４は、例えば、マイコン等でなり、出力ラインＬＨ及びＬＬ間の電圧、又は、交流周波数に基づいて、発電機（交流電源１）の回転速度を制御する。
【００４８】
例えば、回転速度が所定速度に達した後の出力電圧の安定化が必要な段階において、回転制御部１４は、出力ラインＬＨ及びＬＬ間の電圧が所定電圧より低くなると、回転速度を高めるように制御し、出力ラインＬＨ及びＬＬ間の電圧が所定電圧より高くなると、回転速度を低めるように制御する。すなわち、回転速度の制御を通じて、出力ラインＬＨ及びＬＬ間の電圧の安定化を行う。これにより、電圧安定化回路９が省略可能となっている。
【００４９】
第５の実施形態によっても、第１の実施形態と同様な効果を奏することができる。さらに、第５の実施形態では、電圧安定化回路９の省略により、より一段の小型化が期待できる。
【００５０】
（Ｆ）他の実施形態
上記各実施形態では、整流後の電圧に基づいて、スイッチ等の切換タイミングを判断するものを示したが、他のパラメータによって判断するようにしても良い。例えば、交流入力電圧自体をモニタして、スイッチ等の切換タイミングを判断するようにしても良く、交流電源１が発電機である場合には、回転速度をモニタして、スイッチ等の切換タイミングを判断するようにしても良い。
【００５１】
交流入力電圧が周波数に比例（ほぼ比例でも良い）して振幅も増大する性質を有するならば、本発明の交流／直流変換装置の用途は問われないものである。
【００５２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、周波数及び電圧が変動する交流入力電圧を直流電圧に変換する、軽量、コンパクトで安価な交流／直流変換装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の交流／直流変換装置を示す回路図である。
【図２】第２の実施形態の交流／直流変換装置を示す回路図である。
【図３】第３の実施形態の交流／直流変換装置を示す回路図である。
【図４】第４の実施形態の交流／直流変換装置を示す回路図である。
【図５】第５の実施形態の交流／直流変換装置を示す回路図である。
【符号の説明】
１：交流電源、３：整流回路、４、１２：基準電源、５、１３：比較回路、６、１１：スイッチ、７：低耐圧大容量コンデンサ、８：高耐圧小容量コンデンサ、９：電圧安定化回路、１０：中耐圧中容量コンデンサ、１４：回転制御部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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