(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機の発電コイル（１）の出力により充電されるバッテリ（５）と、該バッテリの充電回路に直列に接続された第１のスイッチング素子（Ｓ１）と、該発電コイルの両端子間に接続された第２のスイッチング素子（Ｓ２）と交流半波負荷（３）との直列回路と、該発電コイルの端子間電圧もしくは交流半波負荷電圧を検出し、該第２のスイッチング素子を介して該交流半波負荷電圧を制御する第１の制御回路（I）と、該バッテリ電圧を検出し、該第１のスイッチング素子を介して該バッテリ電圧を制御する第２の制御回路（II）を備え、該発電コイルの正半波出力電圧により該バッテリを充電し、負半波出力電圧により交流半波負荷に給電するようにした発電機の電圧調整装置において、該第２の制御回路にアース端子の開放状態検出機能（IIｅ）を設け、この機能は第３のスイッチング素子（Ｑ４）を備え、この第３のスイッチング素子の入出力端子は該第１のスイッチング素子の入力端子と制御端子との間に接続し、該第３のスイッチング素子の出力端子と制御端子との間に該発電コイルの出力電圧がかかったときのみ該アース端子が閉じて該発電コイル並びに該第１のスイッチング素子が導通するように構成してあることを特徴とする発電機の電圧調整装置。
【請求項２】
該第２の制御回路に発電機の出力状態とインダクタンス分を有するバッテリ負荷から転流電流状態を判別する機能（IIｅ）を設け、この機能は第４のスイッチング素子（Ｑ５）を備え、この第４のスイッチング素子の入力端子は該第３のスイッチング素子の制御端子に接続し、該第４のスイッチング素子がオンしたときのみ該第３のスイッチング素子がオンし、該アース端子が閉じて該発電コイル並びに該第１のスイッチング素子が導通するように構成してあることを特徴とする請求項１の発電機の電圧調整装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は単相磁石式発電機の電圧調整回路に関するものであり、特に小型二輪車等に搭載される交流発電機より供給されるバッテリ、ランプ等の交流負荷電圧を同時に調整する電圧調整回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のバッテリ充電装置を図１に示す（特開平８―８９０００号）。図１において、１は磁石式交流発電機等の発電コイル、（ｃ），（Ｌ）はその出力端子、２はスイッチング素子（寄生ダイオードＤを内臓した電界効果トランジスタ）、３はランプ等の交流負荷で前記発電コイルの両端子に前記電解効果トランジスタ２と直列にスイッチ４を介して接続されている。次に５はバッテリ、６はスイッチング素子（サイリスタ）、ＣＯＮＴ１、ＣＯＮＴ２は制御回路である。
【０００３】
この回路の動作は、先ず発電コイル１の正波形の半サイクル期間バッテリ５に電流を流す様に制御回路ＣＯＮＴ２で制御され、バッテリ５の電圧が高くなると制御回路ＣＯＮＴ２によりスイチング素子６のゲート電流を遮断する事によりスイチング素子も非導通となり、バッテリ電圧は所定値に制御される。また、この時スイッチ４が閉時されると、発電コイル１の正波形の半サイクル期間は寄生ダイオード内蔵した電界トランジスタ２の寄生ダイオードＤを通り、ランプ負荷３に供給され点灯される。また、発電コイル１の負波形の半サイクル期間はランプ負荷供給電圧が一定電圧以上になったとき電界トランジスタ２が導通を停止させて、ランプ負荷が一定状態になるように制御回路ＣＯＮＴ１で制御している。即ち、該ランプ負荷３の電圧は制御回路ＣＯＮＴ１で全波検出され、該ランプ負荷３に印可される平均電圧が高くなると制御回路ＣＯＮＴ１は、電界トランジスタ２を非導通させて発電コイル１の負波形の半サイクル期間を遮断し、該ランプ負荷３の実効電圧を低下させて所定値に制御される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記回路構成は負荷に対して必要な電力をスイッチング素子介してして供給されるため、スイッチング素子の損失を低減できるが、バッテリの状態によりランプ負荷３に供給される電力が大きく変動し、ランプ負荷特性が悪くなる難点がある。また、アース端子Ｅが外れた場合、バッテリ側が無制御になる欠点がある。本発明は従来回路の利点を損なうことなく電源変動効率を向上し、発電機の小型化に好適な電圧調整装置を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決する為請求項１の発明は、発電機の発電コイル（１）の出力により充電されるバッテリ（５）と、該バッテリの充電回路に直列に接続された第１のスイッチング素子（Ｓ１）と、該発電コイルの両端子間に接続された第２のスイッチング素子（Ｓ２）と交流半波負荷（３）との直列回路と、該発電コイルの端子間電圧もしくは交流半波負荷電圧を検出し、該第２のスイッチング素子を介して該交流半波負荷電圧を制御する第１の制御回路（I）と、該バッテリ電圧を検出し、該第１のスイッチング素子を介して該バッテリ電圧を制御する第２の制御回路（II）を備え、該発電コイルの正半波出力電圧により該バッテリを充電し、負半波出力電圧により交流半波負荷に給電するようにした発電機の電圧調整装置において、該第２の制御回路にアース端子の開放状態検出機能（IIｅ）を設け、この機能は第３のスイッチング素子（Ｑ４）を備え、この第３のスイッチング素子の入出力端子は該第１のスイッチング素子の入力端子と制御端子との間に接続し、該第３のスイッチング素子の出力端子と制御端子との間に該発電コイルの出力電圧がかかったときのみ該アース端子が閉じて該発電コイル並びに該第１のスイッチング素子が導通するように構成してあることを特徴とする。
【０００６】
上記の課題を解決する為請求項２の発明は、該第２の制御回路に発電機の出力状態とインダクタンス分を有するバッテリ負荷から転流電流状態を判別する機能（IIｅ）を設け、この機能は第４のスイッチング素子（Ｑ５）を備え、この第４のスイッチング素子の入力端子は該第３のスイッチング素子の制御端子に接続し、該第４のスイッチング素子がオンしたときのみ該第３のスイッチング素子がオンし、該アース端子が閉じて該発電コイル並びに該第１のスイッチング素子が導通するように構成してあることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図２に示す。１は単相磁石式発電機、５はバッテリ(１２V用)３はランプ負荷、４はランプ負荷を点灯させるためのスイッチ、Iａはランプ負荷駆動するためのスイッチング素子駆動回路、Iｂはランプ負荷駆動するためのスイッチング素子駆動するための制御回路、Iｃはランプ負荷駆動するためのスイッチング素子駆動回路を急激にＯＮ／ＯＦＦさせないためのランプちらつき防止回路、Iｄはランプ負荷の印加電圧を検出するための回路、Iｅはランプ負荷に急峻で高電圧が印加されたこと検出するための回路、Ifはエンジンスタート時に上記各ランプ負荷電圧検出回路Iｃ，Iｄ，Iｅの動作開始時間を早める回路、
【０００８】
IIａはバッテリへ充電するためのスイッチング素子駆動回路、IIｂはバッテリへ充電するためのスイッチング素子駆動の制御回路、IIｃはバッテリ電圧を検出するための回路、IIｄはバッテリがオープン状態を検出する回路である。
【０００９】
次に、これを動作するためにはまず、バッテリ５が満充電でない時は、バッテリ電圧を検出する回路IIｃはバッテリ電圧が規定値以下（ツェナーダイオードＺ１の電圧レベル）のため、トランジスタＱ１が動作ぜず、ＯＦＦ状態になる。したがって、単相磁石式発電機１の正波形出力が発生すると抵抗１、ダイオードＤ１を通してサイリスタＳ１を点弧させ、バッテリ５を充電する。また、バッテリが満充電状態ではバッテリ電圧を検出する回路IIｃがバッテリ電圧を規定値以上（ツェナーダイオードＺ１の電圧レベルを乗り越える）と判断し、トランジスタＱ１が動作し、ＯＮ状態になる。したがって、単相磁石式発電機１の正波形出力が発生すると抵抗Ｒ１、ダイオードＤ２を通してトランジスタＱ１でアースへ落とされ、サイリスタＳ１を点弧できないため、バッテリ５には充電されない。
【００１０】
次にバッテリが端子Ｂよりオープン状態(接続無)について図３、図４を参照して説明する。図３は図２の動作説明図、又図４はバッテリオープン時の各部動作波形図である。バッテリオープン時、検出回路IIｃはバッテリ電圧が十分検出されず、端子Ｂの出力電圧が出続ける。そのため駆動回路IIaはスイッチング素子Ｓ１が導通し、端子Ｂに発電機の正波形が出力されると図３、図４に示すようにバッテリがないための発電機出力波形がそのまま出力される。これにより、コンデンサＣ１にダイオードＤ３→ツェナーダイオードＺ２→抵抗Ｒ３を通り電流 ｉ１で充電され、それに伴いトランジスタＱ１が動作し、コンデンサＣ１に充電された電荷が放電する間の一定時間ＯＮ状態になる。
【００１１】
したがって、単相磁石式発電機１の正波形出力が次のサイクルに発生すると抵抗１、ダイオードＤ２を通してトランジスタＱ１でアースへ落とされ、サイリスタＳ１を点弧できないため、端子Ｂには出力電圧が発生しない。これにより、端子Ｂの出力は間欠動作をすることで実効電圧的に一定になる。また、単相磁石式発電機１の正波形出力が高回転時等でより高い出力電圧が端子Ｂに発生した場合は電流 ｉ１のループだけではなく、コンデンサＣ１にダイオードＤ３→ツェナーダイオードＺ２→ツェナーダイオードＺ３→抵抗Ｒ４を通り電流 ｉ２でより充電され、それに伴いトランジスタＱ１が動作し、さらに長い時間ＯＮ状態になる。これにより、端子Ｂの出力に応じて間欠動作をすることになりより精度の良い実効電圧制御が可能になる。
【００１２】
次にランプ負荷側を動作するためにスイッチ４をＯＮすると、まず、単相磁石式発電機１の負波形出力をトランジスタＱ２エミッターベース、コンデンサＣ２→抵抗Ｒ７→ダイオードＤ７を介して電流 ｉ3がＣ２，Ｒ７の時定数で流れ、トランジスタＱ２がＯＮし、ランプ負荷を駆動するためのスイッチング素子Ｓ２を導通することによりランプ負荷３に単相磁石式発電機１の負波形出力が印加され、ランプが点灯する。次に単相磁石式発電機１の負波形出力をランプ負荷電圧検出回路で検出した結果、ランプ負荷間に発生する電圧が規定値以下（ツェナーダイオードＺ４の電圧レベルより低い）の場合は、コンデンサＣ３、抵抗Ｒ９→ダイオードＤ９→抵抗Ｒ１０→サイリスタＳ２を通して電流 ｉ4が流れコンデンサＣ３に充電される。また、充電されたコンデンサＣ３の電荷は抵抗Ｒ９を介して放電される。単相磁石式発電機１の負波形出力の次サイクル時も同様にコンデンサＣ３は充放電する。したがって、トランジスタＱ３はＯＦＦし、トランジスタＱ２はＯＮするため、ランプは点灯し続ける。
【００１３】
次にランプ負荷間に発生する電圧が規定値以上（ツェナーダイオードＺ４の電圧レベルより高い）の場合は、上記電流ループ i4の他にトランジスタＱ３エミッターベース間→ツェナーダイオードＺ４→抵抗Ｒ８→ダイオードＤ９→抵抗Ｒ１０→サイリスタＳ２を介して電流ループ ｉ5が流れるのでトランジスタＱ３はＯＮし、トランジスタＱ３のエミッターベース間を短絡するため、トランジスタＱ２はＯＦＦし、サイリスタＳ２が単相磁石式発電機１の負波形出力の次サイクルから非導通となり、ランプが消灯する。これらを単相磁石式発電機１の負波形出力のサイクル毎に繰り返してランプ電圧を一定にしている。また、トランジスタＱ２のＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことにより、ランプ負荷の点灯消灯させて、一定の照度を保てせるがトランジスタのＯＮ／ＯＦＦが早すぎるとランプのちらつきの原因になるため、駆動回路Iｃの時定数（Ｃ２＊Ｒ７）分トランジスタＱ２の動作を遅らせて調整させている。
【００１４】
図５は単相磁石式発電機１の出力電圧変動に対する各部動作波形図で、負波形出力が高回転時等でより高い出力電圧が端子Ｅに発生した場合は電流 ｉ４、電流 ｉ5のループだけではなく、抵抗Ｒ１０に発生した電圧をツェナーダイオードＺ５→抵抗１１のループでバイパスする。さらに高い電圧が抵抗Ｒ１０に発生した場合はツェナーダイオードＺ６→抵抗１２のループでバイパスするため、コンデンサＣ３には図５に示すように充電量が増えるため、Ｃ３，Ｒ９の時定数間さらにトランジスタＱ３をＯＮし続け、トランジスタＱ２及びサイリスタＳ２もＯＦＦし続けるため、ランプは消灯し続ける。このため、ランプは単相磁石式発電機１の負波形出力電圧の状態によりサイリスタＳ２はＯＮ／ＯＦＦのタイミングを間欠的に動作変して精度の良いランプ負荷の実効電圧制御が可能になる。
【００１５】
また、図６はエンジンスタート時のランプ負荷電圧検出回路の動作波形図で、エンジンスタート時にはコンデンサＣ３に単相磁石式発電機１の負波形出力電圧でＣ３＊Ｒ１０の時定数により充電されるまでに一定の時間T１を要する。この間に、単相磁石式発電機１の負波形出力電圧が急速に高い電圧になった場合、サイリスタＳ２は導通状態のままでありに、ランプ負荷に過電圧が印可されランプ切れになってしまう。これを防止するために図６に示す様に、電流ループ ｉ4以外にコンデンサＣ３、抵抗Ｒ９→ダイオードＤ８→抵抗Ｒ１３を介してツェナーダイオードＺ７までコンデンサＣ３に急速に充電する時間をT２まで早めることができる。これによりIｄのランプ負荷の印加電圧を検出するための回路の動作開始時間が早まる。これによりランプ負荷に過電圧が印可されランプ切れになってしまう事を防止している。
【００１６】
以上のことから、発電機の出力波形に対し、正波形はバッテリ充電に振るわけ、負波形はランプ負荷に振り分ける事により、バランスよく発電機のエネルギーを供給できる。また、エンジンの回転数およびバッテリ、ランプ負荷の変動により、各相の出力電圧変動が生じても精度良く負荷にあった実効値電圧制御が可能となる。
【００１７】
図７は本発明の他の実施例回路図で、端子Ｅが外れた場合を検出する回路IIｅを設けて有る。この回路の動作は端子Ｅが外れてオープン状態になるとバッテリ電圧検出回路IIｃ、バッテリオープン検出回路IIｄが働かなくなるため、単相磁石式発電機１の正波形出力電圧が図２に示す様に抵抗Ｒ１→ダイオードＤ１→サイリスタのゲート→バッテリを通るループが構成されるため、サイリスタＳ１が常時導通状態になり、バッテリ過充電になる。そこで、図７に示すように単相磁石式発電機１の正波形出力電圧が抵抗Ｒ１→トランジスタＱ４（エミッターベース）→抵抗Ｒ１４→ダイオード１０→端子Ｅを通ったときのみトランジスタＱ４がＯＮしサイリスタＳ１へのゲート電流を供給可能になる。したがって、端子Ｅがはずれている状態ではトランジスタＱ４が導通できないのでサイリスタＳ１は動作できず、バッテリの過充電は防止できる。
【００１８】
図８は本発明の他の実施例回路図で、バッテリ開放状態でウインカーリレー等のインダクタンス分を有する負荷が出力端子に接続されている場合、該負荷のＯＮ／ＯＦＦにより負荷のインダクタンス分による逆起電力が発生してアースＥ、発電機１を通りサイリスタＳ１にインダクタンス分の転流電流が消滅する間、電流が流れ、サイリスタＳ１はＯＮ状態を続け、バッテリオープン検出回路IIｄが働かなくなり、過電圧出力が発生する。そこで発電機１の正弦波出力電圧が抵抗Ｒ１４，トランジスタＱ５(エミッタ、ベース)、端子Ｅを通った時のみトランジスタＱ４がＯＮしサイリスタＳ１へのゲート電流を供給可能になる。従ってインダクタンス分を有する負荷が出力端子に接続され、転流電流でトランジスタＱ４、５が導通できないのでサイリスタＳ１は動作できず、バッテリオープン時の過充電を防止できる。
【００１９】
【効果の説明】
本発明の構成をすることにより、発電機の出力波形に対し、正波形はバッテリ充電に振るわけ、負波形はランプ負荷に振り分ける事により、バランスよく発電機のエネルギーを供給できる。また、エンジンの回転数およびバッテリ、ランプ負荷の変動により、各相の出力電圧変動が生じても精度良く負荷にあった実効値電圧制御が可能となる。さらに、アース端子はずれに対してもバッテリの過充電を防止できる性能を有する事が可能である。また、この発明をバッテリ充電制御機能および、交流ランプ負荷電圧制御機能を必要とする小型二輪車に応用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の充電装置の構成図
【図２】本発明の実施例回路図
【図３】図２の動作説明図
【図４】バッテリオープン時の各部の動作波形図
【図５】発電機の出力電圧に対する各部の波形図
【図６】エンジンスターと時のランプ負荷電圧検出回路の動作波形図
【図７】本発明の他の実施例回路図
【図８】本発明の他の実施例回路図
【符号の説明】
１…単相磁石式発電機、
２…１２V用バッテリ
３…ランプ負荷
４…スイッチ
Q1…ランプ負荷に負波形区間を通電するための駆動スイッチング素子、
D1…ランプ負荷に正波形区間を通電するための整流素子、
S1…発電機の出力を１２V用バッテリに通電するための駆動スイッチング素子、
CONT1…制御回路、
CONT2…Q1を駆動ための制御回路、
Iａ…ランプ負荷駆動するためのスイッチング素子駆動回路、
Iｂ…ランプ負荷駆動するためのスイッチング素子駆動するための制御回路、
Iｃ…ランプちらつき防止回路、
Iｄ…ランプ負荷の印加電圧を検出するための回路、
Iｅ…ランプ負荷に急峻で高電圧が印加されたこと検出するための回路、
If…エンジンスタート時負荷電圧検出回路動作開始時間を早める回路、
IIａ…バッテリへ充電するためのスイッチング素子駆動回路、
IIｂ…バッテリへ充電するためのスイッチング素子駆動の制御回路、
IIｃ…バッテリ電圧を検出するための回路、
IIｄ…バッテリがオープン状態を検出する回路
IIｅ…端子Ｅが外れた場合を検出する回路
ＱＩ，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４．．．トランジスタ
Ｄ１〜Ｄ１０．．．ダイオード
Ｓ１，Ｓ２…スイッチング素子（サイリスタ）
Ｚ１〜Ｚ７…定電圧素子（ツエナーダイオード）
Ｒ１〜Ｒ１３…抵抗
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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