待機電力・数マイクロワット～の回路
本文は、雑誌「電子技術」（日刊工業新聞社発行）２００３年１０月号に掲載の「ＭＯＳＦＥＴを用いた待機電力回路の新提案」を、さらに詳細に記述した内容です。 現在世界で発表されている待機電力回路では、この回路が待機電力を最も小さくできる待機電力回路ではないかと考えています。
１．はしがき
●地球温暖化ガス排出の現状
１９９８年に開催された地球温暖化防止会議の京都議定書を、日本は２００２年に批准しました。その内容は、ＣＯ２をはじめとする温暖化ガスの排出を、２００８~２０１２年の平均で１９９０年の値より６％の削減が義務付けられています。しかし、２０００年の温暖化ガスの排出状況を見ると、削減どころか７.９％の増加です。ちなみに、ＥＵは８％削減目標に対し２０００年には３.７％減の実績です。このままでは温暖化ガスの排出の目標達成は不可能なので、わが国も抜本的な対策を実施する必要があります。温暖化ガスの排出に大きな割合を占めているのは電力であり、電力のうち大きな割合を占めているのは待機電力（待機時消費電力＝スタンバイ電力＝Standby
Electricity 以下、待機電力とする）です。ここに待機電力を大幅に省電力化可能な「ＭＯＳＦＥＴを用いた電源」を補助電源にした「新待機電力回路」を実験して非常に優れた数値が得られたので報告します。
●待機電力の現状
待機電力回路の採用は、家庭生活の利便化と産業界の自動化で益々増加傾向にあります。一般家庭の全電力に対する待機電力の割合は１０％とも言われ、金額では１家庭で年間１万円にもなり、日本の原子力発電所の２~３コ分に相当します。財団法人・省エネルギ-センターや東京電力或は各家電メーカーは家電製品の機器毎の待機電力を調査していますが、その一部を記すと表１のような数値です。待機電力は、家庭生活の利便化と産業界の自動化のためにはある程度は必要ですが、温暖化ガスの排出防止と電力の安定供給のために、待機電力を可能な限り削減する必要があります。「新待機電力回路」は、家庭生活の利便化や産業界の自動化等と温暖化ガスの排出削減との両立が可能な回路です。
〈表１〉商品別の待機電力（各社平均）
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出典 http://www.panasonic.co.jp/japan/css/eco/wait_ene.html
●「新待機電力回路」は数μＷ~が可能
「新待機電力回路」は、基本的には「アイドル電流はゼロ」で「定電圧電源」である「ＭＯＳＦＥＴを用いた電源」を補助電源にしています。そのため、「自己待機電力」は［数μＷ］（ラインオペレート電源回路使用時）~［数十μＷ］（トランス使用回路で、待機時は間欠動作）が期待でき、「待機時待機電力」は［数十ｍＷ］（トランスとリモコン使用回路で、待機時はトランス１次側は間欠動作）が期待できます。何れの数値も従来品より２桁~６桁程度、小さい待機電力になります。
「新待機電力回路」と従来回路を電力と電力料金で比較したのが表２です。待機電力は商品毎、各社毎、年度毎で異なるので一括比較は出来ませんが、従来のリモコン使用商品を含めて纏めて平均３Ｗとし、「新待機電力回路」は纏めて３０ｍＷとしました。仮定事項が多いので全商品にそのままは適用はできませんが、１つの目安にはなります。
（「自己待機電力」と「待機時待機電力」の定義は、３の用語の項目に記載）
〈表２〉新待機電力回路と従来回路の待機時待機電力の比較
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多少問題点もありますが、下記のような纏めかたをしました
(*1)交流電源回路で、制御回路電力＝５Ｖ×２ｍＡ＝１０ｍＷを想定
(*2)〈表１〉の待機電力を、纏めて平均３Ｗにした（電熱商品は除く）
(*3)１ＫＷｈ＝２３円で１ｍＷを１年で０.２円とした
２．従来の待機電力回路
従来の主な待機電力回路を簡単に説明します。
■回路構成
●一電源方式
図１- ａの構成で、電源容量が１００Ｗ以下のセットに使用されることが多い回路です。部品数が少なく、コスト、スペースでは有利ですが、待機時の効率は悪い回路です。最近は間欠動作等の採用で、待機時の効率も良い回路も発表されています。
●二電源方式
図１- ｂの構成で、電源容量が５０Ｗ以上のセットに使用されることが多い回路です。主電源は主負荷に最適な効率にし、補助電源は制御回路に最適な効率にして、補助電源で動作している制御回路出力によりリレー等を動作させて主電源をオン／オフさせます。この回路は、部品数が多く、コスト、スペースでは不利ですが、待機時の効率は良くなります。
■動作方式
●スイッチング電源回路
スイッチング電源回路は現在主流になっている電源回路で、基本回路を図２に示します。交流電源をフィルタ回路（図２では、コンデンサＣ、Ｃの放電抵抗器Ｒ、トランス１等を含む）を介して整流・平滑した直流電圧を、ＦＥＴＱと制御回路とトランス２を使用して数１０ＫＨｚ~数１００ＫＨｚの高周波でオン／オフし、トランス２の２次側に発生した高周波電圧を整流・平滑して直流電圧にし、負荷に供給する回路です。この回路は、トランス２の１次と２次間はフォトカップラで情報授受を行い、負荷の大きさで発振のデューティ比をある程度は変えます。この回路は下記特徴を有しています。
① 図２のように、回路は非常に複雑になります。
② 高周波で動作するため、使用するトランスやコンデンサは小型になります。
③ 電源電流にスイッチングノイズである高調波成分が重畳されるので、高調波成分除去用のフィルタ回路を必要とし、フィルタ回路に使用するコンデンサの放電抵抗器により待機電力も増加します。重畳される高調波成分には、注意を要す回路です。
④ 複雑な回路であり、専用ＩＣを使用した方が便利です。
⑤ この回路をそのまま使用すれば、待機電力は数Ｗと大きくなります。
●商用トランス電源回路
特に回路は記載しませんが、商用電源をそのままの周波数でトランスに接続します。トランスは商用電源で動作するためスイッチング電源回路に比較して大きくなり、常時励磁電流が流れるので励磁電流による待機電力の増加で省電力化に限界があります。待機時の間欠動作等の新提案はありますが、待機電力は大きい回路です。
３．「新待機電力回路」について
つぎに、「新待機電力回路」について説明します。
「新待機電力回路」の構成は、「ＭＯＳＦＥＴを用いた電源」を「補助電源」にします。その「補助電源」で「制御回路」を動作させ、「制御回路」出力のハイ／ロウで「主電源スイッチ回路」はオン／オフします。
■本文で使用する用語
動作を説明する前に、本文で使用する一部の用語について説明します。
●補助電源
制御回路の電源ですが、センサ回路等にも使用されます。
●制御回路
センサー等の入力に基づいて信号処理し、ハイ／ロウの信号を出力して主電源スイッチ回路をオン／オフさせる回路です。
●主電源スイッチ回路（素子）
制御回路の出力のハイ／ロウにより、負荷回路をオン／オフさせるスイッチ回路ですが、素子のことが多い。図３では、ＦＥＴＱ２がこの素子です。
●待機電力
待機電力は、仮に「自己待機電力」と「待機時待機電力」と「セット待機電力」に分類します。ここでは、「自己待機電力」と「待機時待機電力」について論じます。なお、電源接続時のコンデンサＣ１への初期充電電力や制御回路出力反転時の電力等は除きます。
▲「自己待機電力」
制御回路電流がゼロ（補助電源の負荷がゼロ）のときの入力電力です。待機電力回路の問題点を論じるときは「自己待機電力」で論じるのが一番良いと思います。
▲「待機時待機電力」
前記、補助電源に制御回路が接続されて制御回路電流が流れているときの入力電力です。センサ回路の電力は除きます。
▲「セット待機電力」
前記、「待機時待機電力」にセンサ等を接続して、セットとして動作しているときの入力電力です。セットとして論じるときは「セット待機電力」が一番良いと思います。
●「アイドル電流」
例えば、トランスの２次側から電圧を取り出すためには、トランス１次側には常時励磁電流を流しておく必要があります。「アイドル電流」はトランスの励磁電流のように、ある出力（ここではトランス２次側の電圧）を取り出すために常時流しておく電流です。「抵抗器＋ツェナーダイオード」の直列回路に常時電流を流して電圧を取り出す回路も、常時流しておく電流は「アイドル電流」です。
●０点について
説明文の中の各端子の電圧は各回路の「０点」を基準にします。「０点」はスイッチ素子であるＦＥＴのソースです。
■半導体素子について
実施例に示すＭＯＳＦＥＴはＦＥＴと記します。ＦＥＴは特に説明がない限りＮチャンネルＭＯＳＦＥＴですが、簡単な回路変更でＰチャンネルＭＯＳＦＥＴも使用可能です。ＦＥＴに代えてＩＧＢＴも使用可能ですが、ＩＧＢＴに変更時は、ＦＥＴのドレインとソースとゲートは各々ＩＧＢＴのコレクタとエミッタとゲートに置き換え、必要に応じてＦＥＴの寄生ダイオードに相当するダイオードをＩＧＢＴのコレクタとエミッタに接続する必要があります。
４．「新待機電力回路」の基本回路
「新待機電力回路」は、補助電源に「ＭＯＳＦＥＴを用いた電源」を用いています。「ＭＯＳＦＥＴを用いた電源」の大きな特徴は「アイドル電流がゼロ」でしかも「定電圧電源」です。「新待機電力回路」の基本回路は、「直流電源用回路」および「交流電源用回路１」と「交流電源用回路２」があります。「ＭＯＳＦＥＴを用いた電源」の基本的な動作は、「直流電源用回路」で説明します。
■直流電源用回路の動作
図３は、直流電源Ｅを用いた「新待機電力回路」の基本回路で、点線内が「ＭＯＳＦＥＴを用いた電源部」で、補助電源ＥＨになります。直流電源Ｅは電池でも交流電源を整流・平滑した電源でも動作しますが、ここでは電池で説明します。
図３の回路で動作を説明します。電源が接続されれば電流は、直流電源Ｅ-抵抗器Ｒ１-ＦＥＴＱ１-コンデンサＣ１-直流電源Ｅ、と流れてＣ１を充電しますが、Ｃ１の電圧は「Ｃ１の電圧≒Ｂの電圧-Ｑ１のしきい値電圧」になり、補助電源ＥＨになります。補助電源ＥＨは制御回路ＳＧの電源になり、ＳＧを動作させます。制御回路ＳＧの出力がハイになればＦＥＴＱ２はオンになり、負荷回路ＲＬに電流が流れます。その時の負荷電流は、直流電源Ｅ-負荷回路ＲＬ-ＦＥＴＱ２-直流電源Ｅ、と流れてＲＬは動作します。制御回路ＳＧ出力がロウになればＦＥＴＱ２はオフになるので負荷回路ＲＬは動作せず、待機状態になります。この回路は、直流電源Ｅの負端子とコンデンサＣ１の負端子とＦＥＴＱ２のソースを接続した点が「０点」として各電圧の基準点になります。この回路は、例えば蛍光灯と保安球のように複数の負荷と複数のＦＥＴの直列回路を、複数の制御回路出力で制御できます。
■「ＭＯＳＦＥＴを用いた電源」の動作と特徴
「新待機電力回路」の最も重要な回路で、補助電源になる「ＭＯＳＦＥＴを用いた電源」の動作と特徴を中心に説明します。
●「ＭＯＳＦＥＴを用いた電源」の動作
図３のＦＥＴＱ１とコンデンサＣ１と電池Ｂの部分が、「ＭＯＳＦＥＴを用いた電源部」で、コンデンサＣ１が補助電源になり「Ｃ１の電圧≒Ｂの電圧-Ｑ１のしきい値電圧」になりますが、この式が成立する理由は専門書にも記載されていませんので、ＦＥＴＱ１に２ＳＫ３１０９（ＮＥＣ）を使用したときの例で説明します。
▲「しきい値電圧」と「ゲートカットオフ電圧」
図４に、ＦＥＴＱ１として使用した２ＳＫ３１０９のゲート・ソース間電圧とドレイン電流の関係である「伝達特性のグラフ」の低電流部分を示します。図４のドレイン電流が１ｍＡ以上はＮＥＣのデータブックよりの転写で、１ｍＡ以下は実測です。
ＮＥＣのデータブックによれば、２ＳＫ３１０９の電気特性の欄では「ゲートカットオフ電圧」の規格は２.５Ｖ~４.５Ｖ（ドレイン電流＝１ｍＡ）と記載されていますが、図４のグラフのドレイン電流が１ｍＡのときのゲート・ソース間電圧が「ゲートカットオフ電圧」であり、この電圧が「しきい値電圧」です。
▲コンデンサＣ１の電圧と伝達特性との関係
図３の回路でＦＥＴＱ１のドレイン電流（安定状態では、制御回路電流とドレイン電流は同じ電流なる）が１ｍＡとすると、図４のグラフよりゲート・ソース間電圧は３.７Ｖになります。図３の回路で電池Ｂの電圧＝９.５ＶでＦＥＴＱ１のドレイン電流＝１ｍＡであれば、ＦＥＴＱ１のゲート・ソース間電圧は３.７Ｖです。ＦＥＴＱ１のゲート・ソース間電圧が３.７Ｖになるためには、コンデンサＣ１の電圧は９.５Ｖと３.７Ｖの差の５.８Ｖでなければなりません。即ち、ドレイン電流が１ｍＡのときの「コンデンサＣ１の電圧＝９.５Ｖ-３.７Ｖ＝５.８Ｖ」になります。同じように、ドレイン電流＝１０ｍＡであればゲート・ソース間電圧は４.０Ｖなので、「コンデンサＣ１の電圧＝９.５Ｖ-４.０＝５.５Ｖ」です。同じ手法で纏めると、ドレイン電流が０.０１~０.１~１~１０ｍＡでのコンデンサＣ１の電圧は、６.１~６.０~５.８~５.５Ｖです。ドレイン電流が完全にゼロの時のコンデンサＣ１の電圧は測定器の内部抵抗の関係で測定は非常に難しいが、ドレイン電流が更に低い時のデータやグラフからドレイン電流が０.０１ｍＡの時と同じ６.１Ｖと推定されます。この電圧は電池Ｂの電圧が９.５Ｖの時ですが、Ｂの電圧が変化すればコンデンサＣ１の電圧も同じ電圧だけ変化します。また、図４のグラフはドレイン電圧が１０Ｖの時ですが、ドレイン電圧が多少変化してもドレイン電流に変化はありません。以上のことから、「コンデンサＣ１の電圧≒電池Ｂの電圧~ＦＥＴＱ１のしきい値電圧」になります。
▲「ＭＯＳＦＥＴを用いた電源」は定電圧電源
２ＳＫ３１０９の図４のグラフでは、ドレイン電流が０.０１~０.１~１~１０ｍＡでのコンデンサＣ１の電圧は、６.１~６.０~５.８~５.５Ｖになります。通常の回路の待機状態の電流は２ｍＡ以下としますとコンデンサＣ１の電圧は、６.１~５.７Ｖ程度になります。この電圧は完全な定電圧電源ではありませんが、補助電源として使用するには充分な定電圧電源ですし、ＦＥＴを選択すればＣ１の電圧はさらに定電圧に近づけることができます。このことより、「ＭＯＳＦＥＴを用いた電源」は「定電圧電源」と言えます。
▲アイドル電流はゼロ
「ＭＯＳＦＥＴを用いた電源」を補助電源にした時の最大の特徴は、「アイドル電流はゼロ」です。図３で制御回路電流は、直流電源Ｅ-抵抗器Ｒ１-ＦＥＴＱ１-制御回路ＳＧ-直流電源Ｅ、と流れて待機電力になります。制御回路電流がゼロなら、リーク電流を除けば電源からの電流はゼロなので、待機電力（この時の入力電力）はゼロになります。言い方を変えれば「アイドル電流はゼロ」なので、制御回路に電流が流れればその電流分だけ電流が流入して待機電力になります。
図８と図１０のように交流電源回路でトランスを使用し、トランス２次側の電圧を整流・平滑した直流電源を「ＭＯＳＦＥＴを用いた電源」にする時は、トランス２次側の直流回路部分は「アイドル電流はゼロ」になります。しかし、交流電源回路でトランス１次側部分がオン時には励磁電流が流れるので、間欠動作にして励磁電流の影響を極力小さい回路にしています。なお、図７のようにラインオペレート回路では、センサ部を除けば「アイドル電流はゼロ」です。
▲抵抗器Ｒ１の役目
抵抗器Ｒ１は電源投入時の突入電流を抑える抵抗器で、ＦＥＴＱ１等が耐えられればＲ１は必ずしも接続の必要はありません。なお、直流電源回路で制御回路電流が同じであれば、抵抗器Ｒ１の抵抗値による待機電力の変化ありません。
▲コンデンサＣ１の役目
コンデンサＣ１の容量は、制御回路の瞬時電流に対応する容量が必要です。交流電源ＡＣの回路では半波整流回路を使用しているので、コンデンサＣ１の容量は制御回路の瞬時電流への対応と同時にリップルについても考慮した容量にする必要があります。
▲電池Ｂについて
ＦＥＴＱ１のゲート・ソース間は電気的には絶縁されているので、電池Ｂの電流はゼロで寿命は自然放電時と同じと考えられます。電池Ｂに代えて、「抵抗器＋ツェナーダイオード」の直列回路でゲート電圧にできます。その時は数百Ｍオームの高抵抗の抵抗器も使用可能ですが、待機電力として加算する必要があります。
▲３端子レギュレータ使用回路との比較
従来の補助電源回路は、３端子レギュレータと言われる電源用ＩＣの使用が通常でした。このＩＣの使用時は、待機時でも数ｍＡの回路動作電流と称するバイアス電流（前記用語を使用すれば、バイアス電流もアイドル電流です）を常時流しておく必要があります。例えば、入力電圧が１２Ｖでバイアス電流が３ｍＡであれば、バイアス電流による待機電力の単純計算のみでも３６ｍＷになり、３６ｍＷを発生させるためのトランス１次側の入力電力は、３６ｍＷの数倍になります。「ＭＯＳＦＥＴを用いた電源」では、３６ｍＷに相当する電力はμＷオーダですみ、「ＭＯＳＦＥＴを用いた電源」を使用時の待機電力の少なさは明白です。
■交流電源用回路１
図５は、交流電源ＡＣ用の待機電力回路です。この回路の主電源スイッチ回路のスイッチ素子はＦＥＴＱ３とＱ４で、ダイオードＤ３とＤ４はＱ３とＱ４の寄生ダイオード（ボディダイオード）です。
動作は、この状態で電源が接続されて交流電源ＡＣの黒点側が正であれば電流は、交流電源ＡＣ-ダイオードＤ１-抵抗器Ｒ１-ＦＥＴＱ１-コンデンサＣ１-ダイオードＤ３-交流電源ＡＣ、と流れてＣ１を充電し、その電圧は「コンデンサＣ１の電圧≒電池Ｂの電圧-ＦＥＴＱ１のしきい値電圧」になり、補助電源ＥＨになります。補助電源ＥＨは制御回路ＳＧの電源になり、ＳＧを動作させます。電源が交流電源であるためダイオードＤ１で半波整流しており、コンデンサＣ１は半波で充電されます。補助電源ＥＨが制御回路ＳＧに印加されてＳＧが動作すれば、ＳＧ出力はＦＥＴＱ３とＱ４のゲートに同時に印加されるので、ＳＧ出力のハイ／ロウによりＱ３とＱ４は同時にオン／オフします。ＦＥＴＱ３とＱ４がオンでＡＣの黒点側が正であれば負荷回路ＲＬを流れる電流は、交流電源ＡＣ-負荷回路ＲＬ-ＦＥＴＱ４-ダイオードＤ３-交流電源ＡＣと流れ、非黒点側が正のときの電流は、交流電源ＡＣ-ＦＥＴＱ３-ダイオードＤ４-負荷回路ＲＬ-交流電源ＡＣと流れてＲＬは動作します。制御回路ＳＧ出力がロウになればＦＥＴＱ３とＱ４は同時にオフになるので負荷回路ＲＬは動作しません。負荷回路ＲＬは単独の負荷でも良く、２次側に負荷を接続したトランスの１次側でも動作します。
▲寄生ダイオードの役目
この回路での寄生ダイオードは、次のような動作をしています。
① コンデンサＣ１への充電時には、ＦＥＴＱ３の寄生ダイオードＤ３を経由してコンデンサＣ１への充電電流が流れます。
② ＦＥＴは、チャンネル部と寄生ダイオードの並列回路になります。ＦＥＴＱ３とＱ４がオンのときの負荷電流はＱ３とＱ４の寄生ダイオードであるＤ３とＤ４を流れると説明しましたが、ＦＥＴがオンのときのダイオードＤ３とＤ４の電流は、先ずチャンネル部を「ソース→ドレイン」に流れ、そのオン電圧が寄生ダイオードの立ち上がり電圧以上になった時点で寄生ダイオードにも電流が流れます。
③ ＦＥＴＱ３とＱ４をＩＧＢＴに変更可能ですが、寄生ダイオードＤ３とＤ４に相当するダイオードを接続する必要があります。
■交流電源用回路２
図６は交流電源ＡＣ用の、図５とは別の待機電力回路です。図５のスイッチ素子のＦＥＴＱ３とＱ４に代えて、ＦＥＴＱ５とブリッジ整流回路等で用いる４コ組のダイオード１コ（ダイオードＤ５~Ｄ８）を使用しています。
動作は、この状態で電源が接続されて交流電源ＡＣの黒点側が正になれば電流は、交流電源ＡＣ-ダイオードＤ１-抵抗器Ｒ１-ＦＥＴＱ１-コンデンサＣ１-ダイオードＤ６-交流電源ＡＣ、と流れてＣ１を充電し、その電圧は「コンデンサＣ１の電圧≒電池Ｂの電圧-ＦＥＴＱ１のしきい値電圧」になり、補助電源ＥＨになります。補助電源ＥＨの電圧は制御回路ＳＧの電源になり、ＳＧを動作させます。補助電源ＥＨを制御回路ＳＧに印加してＳＧが動作すれば、ＳＧ出力はＦＥＴＱ５のゲートに印加されるので、ＳＧ出力のハイ／ロウによりＱ５はオン／オフします。ＦＥＴＱ５のオンでＡＣの黒点側が正であれば負荷回路ＲＬを流れる電流は、交流電源ＡＣ-負荷回路ＲＬ-ダイオードＤ７-ＦＥＴＱ５-ダイオードＤ６-交流電源ＡＣ、と流れ、非黒点側が正のときの電流は、交流電源ＡＣ-ダイオードＤ５-ＦＥＴＱ５-ダイオードＤ８-負荷回路ＲＬ-交流電源ＡＣ、と流れてＲＬは動作します。制御回路ＳＧ出力がロウならばＦＥＴＱ５はオフになるので負荷回路ＲＬは動作しません。
▲図５と図６の比較
図５と図６は同じ交流電源用ですが、下記のように多少の違いがあります。
① 図５と図６の待機時の特性はほぼ同じです。ただし、動作時の負荷電流による電圧降下は、図５ではトランス１次側のＦＥＴ２コ分ですが、図６ではダイオード２コ分である１.４Ｖ程度とＦＥＴ１コ分の電圧降下になります。一般的には、図５は図６より電圧降下は少ない回路になります。
② 部品価格は、図５のＦＥＴ２コの価格と、図６のＦＥＴ１コとダイオードブリッジ整流回路１コの価格の比較になります。
③ 図６では、直流電源用回路と同じように、複数の負荷を制御できます。
④ ＦＥＴをＩＧＢＴに変更する時は、図５のＦＥＴＱ３とＱ４はＦＥＴの寄生ダイオードに相当するダイオードを接続する必要がありますが、図６では寄生ダイオードに相当するダイオードを接続する必要はありません。
５．「新待機電力回路」の動作確認用試作例
「新待機電力回路」の基本回路を使用し、動作確認用に図７、図８、図１０の回路を試作しました。試作回路は、あくまでも「ＭＯＳＦＥＴを用いた電源」を補助電源とする「新待機電力回路」としての動作確認用で、商品としての動作確認を目的にしたものではありません。リモコンを意識した制御回路でも、「ＭＯＳＦＥＴを用いた電源」を補助電源にし、リモコン回路で必要と思われる「補助電源電圧≒５Ｖ」と「制御回路電流≒２ｍＡ」を想定したダミー抵抗器を使用して、「ＭＯＳＦＥＴを用いた電源」が異常なく動作するかの確認用試作回路であります。そのため、リモコン受光ＩＣやリモコン受光回路の特性や機能には言及していません。なお、試作に使用した部品は手持ちの部品を使用した関係で、必ずしも最適の部品の使用とは限りません。
■ラインオペレート回路用待機電力回路
写真１は試作した自動点滅回路で負荷は白熱電球であり、回路は図７です。
●動 作
図５の回路にセンサ部を追加して制御回路にシュミット回路を用いたラインオペレート回路です。受光素子の周囲が明るくなれば、受光素子と抵抗器Ｒ２の分圧電圧は低くなり、シュミット回路ＳＨ２の出力はロウになるのでＦＥＴＱ３とＱ４はオフになって照明器具は消灯します。受光素子の周囲が暗くなれば、シュミット回路ＳＨ２の出力はハイになってＦＥＴＱ３とＱ４はオンになり、照明器具は点灯します。即ち、受光素子周囲の明／暗により、照明器具はオフ／オンします。抵抗器Ｒ２の抵抗の値により、感度が決まります。照明器具は、蛍光ランプや白熱電球等が使用可能ですが、蛍光ランプの安定器はインダクタンスを使用することが多いので点滅時のサージ電圧には注意が必要であり、白熱電球は点灯時の突入電流に注意を要します。この回路は、光電スイッチ等にも応用可能です。
特に説明を要すると思われる箇所のみ説明します。
▲積分回路
蛍光ランプのような放電管を商用電源で点灯すると、電源周波数の２倍の周波数で点滅します。受光素子がそのような光を受光すれば、放電管の点滅に合わせて負荷はオフ／オン（チャッタリング）します。シュミット回路ＳＨ１とＳＨ２の間の抵抗器とコンデンサの積分回路は、チャッタリング防止用です。
▲電池Ｂ
電池Ｂに代えて「抵抗器＋ツェナーダイオード」の直列回路も使用可能です。
●待機電力
▲「自己待機電力」＝「待機時待機電力」であり、コンデンサＣ１の初期充電等を除けば、基本的には待機電力はゼロです。実際は使用部品のリーク電流のみの［数μＷ］でした。
▲「セット待機電力」は、「自己待機電力」に「受光素子と抵抗器Ｒ２の直列回路」で発生する電力が加算されるので、［数百μＷ］になります。
■トランス使用回路１（トランスの１次と２次の０点を接続）
写真２は、試作したセットです。具体的なセットではありませんが、回路は図８に示します。非常に幅広いセットに応用可能な回路です。
基本的な設計方針を記します。
① 待機時は、トランス２次側に充電された平滑コンデンサ電圧が制御回路の電源になります。平滑コンデンサ電圧が低くなればトランス１次側をオンにし、コンデンサ電圧が高くなればトランス１次側をオフにする、間欠動作をします。
② 正常動作時は、トランス１次側は連続動作をします。
③ 充電部に人体が接触する可能性の無い回路を想定し、トランスの１次と２次の「０点」を接続しています。
●動 作
負荷は「白色ＬＥＤ」です。負荷がオンのときは、トランス１次側を常時オンにし、トランス２次側のコンデンサ４７００μＦの電圧は約１５Ｖになります。待機時は、４７００μＦのコンデンサ電圧の低／高によりトランス１次側はオン／オフする間欠動作をします。
下記に、特に説明を要すると思われる箇所のみ説明します。
▲トランス１次と２次の接続
トランスの１次側は図５の変形回路を、トランスの２次側は図３の変形回路を使用しました。トランス１次側と２次側の「０点」は接続しているため「制御回路」「直流電圧検出回路」「波形整形回路」等には、同一ＩＣの使用が可能になります。
▲補助電源ＥＨ用のコンデンサの容量
ＦＥＴＱ１のドレインには、交流電源ＡＣとトランス２次側の両回路から充電します。電源接続時のコンデンサＣ１への充電は交流電源ＡＣから抵抗器２Ｍオームを介した回路が担い、安定動作時の制御回路電流はトランス２次側から１０オームを介した回路が担っています。抵抗器Ｒ１＝２Ｍオームを低抵抗にして制御回路全電流をＲ１経由のみにすることも可能ですが、補助電源電流が多いときはＲ１での電力損が大きくなり、さらに補助電源ＥＨでのリップルが多くなるのでコンデンサＣ１の容量も大きくする必要があります。容量を大きくすると初期充電の時定数が長くなるという問題が生じるので、このような定数にしました。
▲コンセントを電源に接続時
コンセントを電源に接続した当初は抵抗器Ｒ１を経由した電流でコンデンサＣ１を充電し、補助電源ＥＨとしてシュミット回路を動作させてＦＥＴＱ３とＱ４をオンにします。そのときＦＥＴＱ６と２.４Ｋオーム（リモコン回路の受光ＩＣを想定したダミー抵抗器）に電流が流れれば、Ｃ１は補助電源ＥＨとして必要な電圧まで充電出来なくなります。コンデンサＣ１が４Ｖ程度に上昇するまでは２.４Ｋオームに電流が流れないようにＦＥＴＱ６を接続しました。なお、外部抵抗器接続用クリップは、図９-ａ~図９-ｄのデータ取得用端子です。
▲ＭＯＳＦＥＴを用いた電源としての動作
既成のリモコン送信器の光を受光素子ＰＨ３１０に照射して操作していますが、リモコンの変調は利用せず光の有無として動作させています。シュミット回路ＳＨ１の入力部の０.１μＦのコンデンサとＳＨ１とＳＨ２間の積分回路は、リモコン送信器の変調を光の有無として動作させるためです。
受光素子ＰＨ３１０は光を受光する度にＦＥＴＱ２は、オン→オフ→オンを繰返し、セットとしては、動作→待機→動作を繰返します。オンのときの負荷は白色ＬＥＤ２本の直列回路で、約２０ｍＡの電流が流れます。
▲待機時の直流電源電圧の検出回路
待機時はＦＥＴＱ２はオフになるので直流電源の電圧検出は、ＦＥＴＱ２のドレインに接続されたツェナーダイオードＲＤ５.６Ｅと抵抗器３Ｍオームで行っています。「白色ＬＥＤ」に並列接続の１２０Ｋオームは、ＦＥＴＱ２がオフ時（待機時）にＲＤ５.６Ｅと３Ｍオームを経由する電流が「白色ＬＥＤ」を経由しないようにしています。
▲待機時の直流電源Ｅのオン／オフの電圧
トランス１次側は、正常動作時は連続動作です。待機時は、コンデンサＣ１の電圧が約６Ｖに降下でトランス１次側をオンにし約１０Ｖに上昇でオフになる、間欠動作です。シュミット回路ＳＨ３のロウレベルしきい値電圧とハイレベルしきい値電圧をそのままの電圧でオン／オフさせることも可能ですが、制御回路に２ｍＡ程度の電流を流せばオン／オフのインターバル時間は１Ｓ程度と短かくなるので、ＳＨ３とＳＨ４間に積分回路を設けてインターバル時間を長くしました。
▲サージ吸収用ＭＯＶ
トランス１次巻線端子に接続したＭＯＶ１（金属酸化物バリスタ）は、トランス１次電流オフ時のサージ電圧吸収用です。ＦＥＴＱ３とＱ４のドレインに接続したＭＯＶ２は、ＦＥＴＱ３とＱ４の保護用です。吸収するパルス電圧の大きさと使用するＦＥＴの耐圧で、ＭＯＶ接続の必要性と特性が決まります。
▲トランス動作時の表示
トランス２次側に接続の「橙色ＬＥＤ」は、トランス１次側がオン時の動作確認用です。セットでは必要はありません。
●待機電力
図８の回路で補助電源ＥＨの電圧が５Ｖのときの補助電源ＥＨ電流による「待機時待機電力」（入力電力）を測定しました。
▲補助電源電流とインターバル時間
図９-ａの波形は、電源電圧ＡＣが１００Ｖで補助電源電流が５ｍＡの時の間欠動作を表す入力電流です。このときのオン／オフは１７ｍＳ／５.６Ｓで、インターバルは５.６Ｓになります（図９-ｃは、オン時の電流波形の例です）。
図９-ｂのグラフは、トランス１次側は１００Ｖ端子を使用し、電源電圧を９０Ｖ、１００Ｖ、１１０Ｖに変化させて、外部抵抗器接続用クリップを使用して補助電源電流を０.２ｍＡ~２０ｍＡに変化させた時の間欠通電時のインターバル時間の変化です。補助電源電流が更に小さいときのインターバル時間はこの直線の延長線になりますが、使用部品のリーク電流による影響が大きくなります。なお、理論的には制御回路電流がゼロのときが「自己待機電力」になります。
▲オン時の電源電圧と入力電流と入力電力
図９-ｃの波形は、電源電圧が１００Ｖで補助電源電流が１ｍＡの時の、オン時の電源電圧と入力電流と入力電力（待機時待機電力）です。
電源電圧:
商用電源１００Ｖ５０Ｈｚ（１Ｈｚが２０ｍＳ）
入力電流:
間欠動作がオン時の入力電流（オン時間は約１７ｍＳ）
入力電力:
間欠動作がオン時の入力電力（入力電力＝電源電圧×入力電流）
▲「補助電源電流（電力）」と「待機時待機電力」の関係
図９-ｄは、制御回路電力と前記入力電力の瞬時値の積分と図９-ｂのインターバル時間より計算した平均入力電力のグラフです。この平均入力電力が「待機時待機電力」です。このことより、この回路では次のことが分かります。
① このセットでは「制御回路電力」の約３倍が「待機時待機電力」になります。
② トランスの励磁電流の影響で「制御回路電力」と「待機時待機電力」の比は、電源電圧が高くなれば比も高くなり、電源電圧が低くなれば比も低くなります。
③ トランスの励磁電流と使用部品のリーク電流の影響で「制御回路電力」と「待機時待機電力」の比は、制御回路電流が大きくなれば比は小さくなり、制御回路電流が小さくなれば比は大きくなります。
▲「待機時待機電力」と「自己待機電力」
図８回路の「待機時待機電力」の測定値と「自己待機電力」の推定値を記します。この数値は、使用するトランスの損失（銅損と鉄損）や半導体の損失（ＦＥＴやダイオードのオン電圧等による）の特性等により多少は異なってきます。
① リモコン使用を想定した回路で制御回路電力が１０ｍＷ（５Ｖ、２ｍＡ）であれば、図９-ｄより「待機時待機電力」は約３０ｍＷになります。なお、制御回路電力が１０ｍＷ以外であれば、図９-ｄのグラフより推定できます。
② 「自己待機電力」は図９-ｄの制御回路電力がゼロの時ですが、インターバル時間も数十分になり、［数十μＷ］と推定されます。
光電スイッチのように光の有無で動作するスイッチ回路等では、「待機時待機電力」≒「自己待機電力」になります。
■トランス使用回路２（トランスの１次と２次は絶縁）
図１０の回路によります。この回路の基本的な考えはトランス使用回路１と同じですが、トランスの１次側と２次側には必要とする回路を各々に設けてトランス１次と２次間の情報の授受はフォトカップラを使用しています。この回路も、具体的なセットではありませんが、非常に幅広いセットに応用可能な回路です。
●動 作
基本的な考え方は図８に準じますが、図８と異なる部分のみ説明します。
▲「０点」について
トランス１次側の０点は「０１」とし、２次側の０点は「０２」としました。
▲補助電源と制御回路
トランス１次側と２次側は絶縁されているので、補助電源と制御回路は別々に設けました。トランス１次側は、図５に準じた回路で制御回路は２入力ＮＡＮＤシュミット回路を使用しました。トランス２次側は図３に準じた回路です。
▲コンセントを電源に接続した当初の動作
コンセントを電源に接続した当初は、交流電源ＡＣの黒点側が正になれば電源電圧がツェナーダイオードＲＤ９１Ｅのツェナー電圧より高くなった時点でＦＥＴＱ１のソースに接続されたコンデンサ６.８μＦの電圧が約９.５Ｖに充電されます。その時点ではシュミット回路ＳＨ４の入力端子ｂはハイなので、トランス１次側の補助電源電圧が上昇中に、シュミット回路ＳＨ４の入力端子ａが「ロウ」→「ハイ」になれば、ＳＨ４の出力は「ハイ」→「ロウ」になり、トランス２次側のコンデンサ４７００μＦは初期充電されます。シュミット回路ＳＨ４の入力端子ａの「ＲＤ４.７Ｊ＋３Ｍオーム」は、そのような定数です。待機時は、フォトカップラＰＣの受光素子が受光すれば、ＳＨ４の入力端子ｂがロウになるのでＳＨ４の出力端子はハイになります。なお、交流電源ＡＣがある電圧以上でなければトランス１次側を動作させないために、ツェナーダイオードＲＤ９１Ｅを接続しました。
▲フォトカップラＰＣの使用
待機時はトランス２次側の平滑コンデンサの電圧を検出してトランス１次側をオン／オフさせます。待機時は、「待機時待機電力」を小さくするために、フォトカップラＰＣの発光部の「発光」でトランス１次側が「オン」する回路にしました。
●待機電力
この回路での「待機時待機電力」と「自己待機電力」は、回路や動作から見て図８と同程度と推定されます。
６．結 論
以上述べたように、「ＭＯＳＦＥＴを用いた電源回路」を補助電源に使用した「新待機電力回路」は、下記のように非常に優れた待機電力回路になります。
① 「ＭＯＳＦＥＴを用いた電源回路」は、基本的には「アイドル電流がゼロ」で、制御回路電流がゼロなら待機電力もゼロになり、しかも「定電圧電源」です。
② 図７、図８、図１０を参考に、ラインオペレート回路でもトランス使用回路でも、回路設計者の要望に応じた電源回路の設計が可能です。
③ 基本回路は単純で、使用部品は非常に少なくしかも全て汎用部品であり、専用ＩＣは不要です。
④ 「自己待機電力」は［数μＷ］（ラインオペレート電源回路）~［数十μＷ］（トランス使用回路で、待機時は間欠動作）になります。
「待機時待機電力」は、直流電源と交流電源で次の値が期待できます。
●直流電源では、[制御回路電流]と[電源電圧]の積の電力になります。
●交流電源（トランス使用回路で、待機時は間欠動作）で制御回路電力が[数十ｍＷ以下]であれば、制御回路電力の３倍程度です。制御回路電力が［μＷオーダ］であれば、使用部品のリーク電流の影響が大きくなります。
何れの数値も従来品より２桁~６桁程度、低い待機電力です。
現在、家庭用電力の１０％は待機電力であり、大型発電所の２~３コ分に相当する電力です。また、地球環境破壊をもたらす地球温暖化の相当部分は待機電力によると言はれています。しかし、世界各国の電気機器メーカーで待機電力を根本的に解決できる回路を開発したとの情報には未だ接していません。或は、この回路がこの問題の１つの回答回路になるのではと考えています。
国際的な温暖化防止の具体策を定めた「京都議定書」を日本政府は２００２年６月に批准した。また、待機電力回路については一部の製品についてはトップランナー方式が採用されます。本発明回路の「ＭＯＳＦＥＴを用いた電源回路」を補助電源にした「新待機電力回路」は、製造メーカーやセット購入者に大きなメリットをもたらすと同時に、ＣＯ２の排出の削減による地球環境破壊防止に大きく貢献できる回路であると考えています。
７．関連事項
●特許について
本回路はＰＣＴ（特許協力条約）に基づいて国際出願中ですが、国際予備審査で、新規性、進歩性、産業上の利用可能性、の何れの項目も「有」との認定です。
●謝 辞
「ＭＯＳＦＥＴを用いた電源回路」を補助電源にした「新待機電力回路」の開発に関し、小電力である待機電力の測定については神奈川県産業技術総合研究所の井上 崇様、半導体の特性および回路については日本電気ＯＢの時田元昭様をはじめ、多くの方々の助言を頂きました。ここに、厚く御礼申し上げます。
●引用文献
(1)鈴木 健；ＭＯＳＦＥＴを用いた待機電力回路の新提案，ＰＰ．８０~８３，電子技術，２００３年１０月号，日刊工業新聞社
●参考文献
(1)田淵 勝美；各種法令・規制と電子機器の省エネ化の動向，ＰＰ．２~７，電子技術，１９９８年３月号，日刊工業新聞社
(2)佐藤 守男；待機電力の低減に向けた省エネ型電源技術，ＰＰ．１５~１９，電子技術，１９９８年３月号，日刊工業新聞社
(3)中川 伸；待機時の省電力化を実現する電源技術，ＰＰ．３２~３６，電子技術，１９９８年４月号，日刊工業新聞社
(4)白土 敬治；自己損失２ｍＷのスタンバイ用電源回路，ＰＰ．３２~３５，電子技術，２００１年４月号，日刊工業新聞社
(5)中川 伸；家電製品の待機電力の低減化の小研究，ＰＰ．３６５~３７１，トランジスタ技術１９９７年９月号，ＣＱ出版
(6)山岸 邦男；商用トランス用待機電力低減ＩＣ，ＰＰ．２６３~２６６，トランジスタ技術，２００１年３月号，ＣＱ出版
(7)馬場 清太郎；低待機電力電源の基礎と制御ＩＣ，ＰＰ．２５７~２６９，トランジスタ技術，２００２年５月号，ＣＱ出版
●本回路の問い合わせ先
〒２３０-００７４
横浜市鶴見区北寺尾７-２９-３
鈴木 健
TEL/FAX 045-573-6245
e-mail:
harumi@mvg.biglobe.ne.jp