JP2004501594A - キャパシタンスチェーンを備えた回路装置 - Google Patents

Abstract

回路装置は二重層コンデンサ（２）から成るチェーン（１）を有する。二重層コンデンサ（２）に並列に、二重層コンデンサ（２）のうち１つを介した電圧が所定の値を上回ったときインピーダンスを低減するモジュール（３）が接続されている。これにより二重層コンデンサ（２）での過電圧は効果的に抑圧される。

Description

【０００１】
本発明は直列接続された複数のキャパシタンスを備えた回路装置に関する。
【０００２】
二重層コンデンサはしばしばスーパーコンデンサまたはウルトラコンデンサまたはウルトラキャパシタとも称され、新しいタイプの電気化学的エネルギの蓄積を可能にする。このコンデンサはエネルギ密度および含有エネルギへのアクセス時間の点で大きなアルミニウム電解質コンデンサと小さなアキュムレータとの中間に位置する。アキュムレータではエネルギ蓄積は可逆の化学反応に基づいて発生する。一方、電解質コンデンサは誘電体が電解内で起こす分極をエネルギ蓄積に利用している。二重層コンデンサは誘電体を有していない。二重層コンデンサは電荷を電極と電解質とのあいだの界面でシフトさせることにより電気エネルギを蓄積する。
【０００３】
これに基づく効果はヘルムホルツ効果と称される。この効果は電解質のなかへ挿入された２つの炭素電極間に電圧が印加される際に発生する。このとき、炭素電極に印加される電圧が所定のブレークダウン電圧を上回ってはじめて連続的な電流が流れる。同時に炭素電極の表面での化学反応の結果、気体の発生が始まる。ただし炭素電極に印加される電圧が当該のブレークダウン電圧よりも小さいうちは炭素電極はコンデンサの電極と同様にふるまう。電解質からのイオンは電圧が印加されると炭素電極の界面に引き寄せられ、相応に炭素電極は負または正でチャージされる。ここで、蓄積されるエネルギは炭素電極の使用可能な表面積と、イオンの大きさ、およびブレークダウン電圧のレベルに依存している。
【０００４】
活性炭から成る炭素電極と３Ｖのブレークダウン電圧を有する電解質とを使用することにより、このコンデンサをきわめて高いエネルギ密度（２Ｗｈ／ｋｇ）で形成することができる。このコンデンサの送出電力はアキュムレータの送出電力と比べれば確かに大きいが、従来のコンデンサの送出電力よりは格段に小さい。ただし種々の措置により炭素電極内の前置抵抗を格段に低下させることができるので、結果として１０００Ｗ／ｋｇ以上の高い電力密度を達成することができる。
【０００５】
二重層コンデンサの確実な駆動電圧は数Ｖに制限されている。大抵のケースで駆動電圧は著しく高く定められているので、一般に複数の二重層コンデンサを１つのモジュールとして直列に接続しなければならない。個々のキャパシタンスの値が異なるため、また自己放電特性が異なるため、印加電圧全体は個々の二重層コンデンサへ均等に分配されない。これにより個々の二重層コンデンサで過電圧が発生することがあり、これは二重層コンデンサの破壊のおそれをもたらす。
【０００６】
したがって本発明の課題は、直列接続された複数のキャパシタンスを備えた回路装置を提供し、過電圧の発生を効果的に抑圧できるようにすることである。
【０００７】
この課題は、キャパシタンスでの電圧がこのキャパシタンスに並列に接続されたインピーダンスにより調整され、インピーダンスの大きさが制御手段によりキャパシタンスでの電圧に依存して制御される構成により解決される。
【０００８】
本発明の回路装置はキャパシタンスに並列に接続されたインピーダンスを有する。このインピーダンスの大きさは可変であるので、インピーダンス値が低下することによってキャパシタンスにかかる過電圧は効果的に抑圧される。特に有利にはインピーダンスはそのつどの回路装置の駆動状態に適合化される。
【０００９】
本発明の有利な実施形態では、それぞれの制御手段に配属されているのは二重層コンデンサのチェーンである。二重層コンデンサとこれに配属されている制御手段とからモジュールが形成され、このモジュールは任意の個数だけ順次に並べられる。その場合に二重層コンデンサにかかる電圧は効果的に許容値へ制限され、これにより個々の二重層コンデンサで障害的な過電圧は発生しない。
【００１０】
本発明の特に有利な別の実施形態では、制御手段は２点制御を行い、これによりインピーダンスは２つの設定値のあいだで切り換えられる。有利には閾値スイッチを用いた２点制御部が設けられ、二重層コンデンサでの電圧が設定された閾値電圧を上回るとインピーダンスの値が低下する。この種の回路装置は簡単な手段で構成することができ、しかも二重層コンデンサで発生する過電圧を抑圧するのに適している。
【００１１】
以下に本発明の実施例を添付図に則して詳細に説明する。ここで図１には本発明の回路装置の回路プランが示されている。
【００１２】
図１に示されている回路装置は複数の二重層コンデンサ２から成るチェーンを有しており、これらのコンデンサが図１ではＣ_Ｄ１〜Ｃ_Ｄｎで示されている。二重層コンデンサ２に並列にそれぞれモジュール３が接続されており、そのうち図１の中央のモジュールのみ詳細に示してある。
【００１３】
モジュール３はアース線路４および電圧線路５を介してチェーン１に接続されている。アース線路の図示はここではアース線路４が所定の電位に置かれることを意味しない。アース線路４の電位はむしろ二重層コンデンサＣ_Ｄ２に印加される電圧に応じて自由に浮動する。アース線路の図示は単にアース線路４がモジュール３でのアースの機能を果たすことを表しているのみである。相応のことが電圧線路５にも当てはまる。
【００１４】
モジュール３の中央には閾値スイッチ６が設けられている。図１の実施例ではこれはＭａｘｉｍ社のＭＡＸ９６５と称する閾値スイッチである。閾値スイッチ６は抵抗Ｒ５およびコンデンサＣ１により形成されるローパスフィルタを介して電圧線路５へ接続されている。抵抗Ｒ５およびコンデンサＣ１により形成されるローパスフィルタは閾値スイッチ６への給電電圧の安定化に用いられる。ローパスフィルタの後方には抵抗Ｒ４、Ｒ３から成る分圧器が接続されており、この分圧器を介して二重層コンデンサＣ_Ｄ２で降下する電圧が閾値スイッチ６の非反転入力側７へ印加される。閾値スイッチ６の反転入力側８には閾値スイッチ６の基準出力側９の電圧が印加される。基準出力側９は抵抗Ｒ１、Ｒ２から成る分圧器へ給電し、ここでヒステリシス入力側１０に対する電圧が取り出される。ヒステリシス入力側１０にかかる電圧により閾値スイッチ６のヒステリシスを調整することができる。さらに閾値スイッチ６はアース線路４に接続されたアース入力側１１を有する。
【００１５】
非反転入力側７の電圧が反転入力側８の電圧を上回る場合、閾値スイッチ６の出力側１２は低オームとなり、電流シンクとして作用する。逆に非反転入力側７の電圧が反転入力側８の電圧を下回る場合には、閾値スイッチ６の出力側１２は高オームとなる。
【００１６】
閾値スイッチ６のスイッチング特性を電圧信号の形成に用いるために、プルアップ抵抗Ｒ６が設けられている。これにより後置接続されたＮＰＮトランジスタから成るダーリントン回路Ｔ１の入力側１２に、閾値スイッチ６の出力側１１が高オームのとき電圧線路５の電圧にほぼ相応する電圧が印加される。逆に閾値スイッチ６が低オームのときにはダーリントン回路Ｔ１の入力側１２にはアース線路４の電圧に相応する電圧が印加される。
【００１７】
閾値スイッチ６の出力側１１は非反転入力側７および反転入力側８に加わる電圧のために閾値スイッチが低オームで切り換えられるべきときにも高オームとなることがある。これは閾値スイッチ６の駆動電圧、すなわちアース線路４と電圧線路５とのあいだの電圧が許容される下方限界値を下回る場合がそうである。このケースに対して抵抗Ｒ７がダーリントン回路Ｔ１の入力側１２とアース線路４とのあいだに設けられている。この場合ダーリントン回路Ｔ１の入力側１２はアース線路４の電位に引かれ、ダーリントン回路Ｔ１の導通は阻止される。
【００１８】
ダーリントン回路Ｔ１のコレクタ端子１３は抵抗Ｒ８、Ｒ９から成る分圧器を介してＰＮＰトランジスタＴ２のベースへ接続されている。これによりダーリントン回路Ｔ１が導通するとき、トランジスタＴ２は開放される。トランジスタＴ２の開放により低オームの放出抵抗Ｒ１０が機能し、これにより二重層コンデンサＣ_Ｄ２にかかる電圧が低下する。
【００１９】
二重層コンデンサＣ_Ｄ２の電圧が予め設定された値を上回ると、モジュール３は放出抵抗Ｒ１０のオーム抵抗値にほぼ相応するインピーダンス値を取る。
【００２０】
これに対して二重層コンデンサＣ_Ｄ２の電圧が予め設定された値を下回っている場合、モジュール３は抵抗Ｒ３〜Ｒ７によって定められるオーム抵抗のインピーダンスを有する。
【００２１】
二重層コンデンサＣ_Ｄ２での過電圧の発生を表示するために、放出抵抗Ｒ１０に並列に発光ダイオード１５が配置されている。発光ダイオード１５を通る電流を制限するにはさらに保護抵抗Ｒ１１を設ける。
【００２２】
モジュール３により二重層コンデンサＣ_Ｄ２で発生する電圧は効果的に制限される。したがって二重層コンデンサＣ_Ｄ２で許容限界値を上回る過電圧の発生するおそれはなくなる。これにより全体で数１００Ｖの定格電圧を有するチェーンを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の回路装置の回路図である。

Claims (8)

1. 直列接続された複数のキャパシタンス（２）を備えた回路装置において、
   キャパシタンス（２）での電圧は該キャパシタンス（２）に並列接続されたインピーダンス（Ｒ３〜Ｒ７、Ｒ１０）により調整され、
   インピーダンス（Ｒ３〜Ｒ７、Ｒ１０）の大きさは制御装置（６、Ｔ１、Ｔ２）によりキャパシタンス（２）での電圧に依存して制御される、
   ことを特徴とする複数のキャパシタンスを備えた回路装置。
2. 前記キャパシタンスは二重層コンデンサ（２）である、請求項１記載の回路装置。
3. 前記制御装置は各キャパシタンス（２）に配属された制御装置（６、Ｔ１、Ｔ２）から形成されている、請求項１または２記載の回路装置。
4. 制御装置（６、Ｔ１、Ｔ２）は２点制御部を有している、請求項３記載の回路装置。
5. 制御装置は閾値スイッチ（６）を有している、請求項４記載の回路装置。
6. 閾値スイッチ（６）は配属されているキャパシタンス（２）で降下する電圧を駆動電圧として用いている、請求項５記載の回路装置。
7. 閾値スイッチ（６）はスイッチング閾値として使用される閾値電圧を自身で形成する、請求項５または６記載の回路装置。
8. 閾値スイッチ（６）によりスイッチングトランジスタ（Ｔ１、Ｔ２）が制御され、該トランジスタによりインピーダンス（Ｒ３〜Ｒ７、Ｒ１０）が配属されたコンデンサでの電圧に依存して調整される、請求項５から７までのいずれか１項記載の回路装置。