JP2007122605A - インピーダンス回路、電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】容易に負性インピーダンスを実現するインピーダンス回路、ならびに、負性出力インピーダンスを持つ電源装置を提供する。
【解決手段】外部の回路に接続されるインピーダンス回路１であって、入力端子が外部に接続される電流インバータ回路１１と、入力端子が電流インバータ回路１１の出力端子に接続される受動回路１０と、入力端子が受動回路１０の出力端子に接続され、出力端子が外部に接続される電流インバータ回路１２とを備え、電流インバータ回路１１と電流インバータ回路１２とが協働し、インピーダンス回路１のインピーダンスの大きさを受動回路１０のインピーダンスに比例させると共に符号を反転させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、負性インピーダンスを持つインピーダンス回路に関するものである。

負性インピーダンスを持つインピーダンス回路が要求されている。特に負性抵抗から正抵抗へ滑らかに抵抗値を変化させることのできる１ポート回路が要求されている。この１ポート回路は、受動素子だけで構成された受動回路ではあり得ず、トランジスタやＦＥＴ等の能動素子を含んだ能動回路でなければならない。

ここで、負性インピーダンスが要求される例について説明する。

直流電源から負荷に電力を供給する場合、変動する負荷電流の条件下において負荷の両端の電位差を一定に保ちたいという要求がある。ここで、リモートセンシング機能を持つ直流電源を用いると、センス用の電源の対線であるセンス用対線が接続された箇所（センシングポイント）の電位差を正確に制御することが可能になる。

図８は、リモートセンシング機能を持つ電源装置の一例を示す回路図である。この直流電源装置は、電源供給部１０１、負荷１０２、電源とセンシングポイントの間の電流経路が持つ抵抗１０３、センシングポイントと負荷の間の電流経路が持つ抵抗１０４を備える。ここで、抵抗１０３の抵抗値をＲＬ１、抵抗１０４の抵抗値をＲＬ２、抵抗１０４を流れる電流をＩｌｏａｄとする。

このような電源装置において、リモートセンシングを行うことにより電源の出力が発振現象を起こすことがある。更に、センス用対線を負荷の近くに接続することは、機械的な干渉や物理的な制限等の理由により、常に可能であるわけではない。そのような場合には、図８に示すセンシングポイントと負荷の間の電流経路が持つ抵抗ＲＬ２により、望ましくない電圧降下が生じる。

ここで、上述したセンシングポイントと負荷の間で生じる電圧降下を補償することができるならば、負荷の両端の電圧を一定に保つことができ、上述した課題を解決することができる。

また、電池をシミュレートする電源が要求されている。例えば、電池から電力を供給されて動作する機器において、機器と電池の相互作用に関する試験項目が出荷前に正しく実行されることが、要求されている。

電気化学作用により動作する電池は、充放電を繰り返すにつれて徐々に性能が劣化する。また、別の要因として、温度サイクルを繰り返すことによる性能劣化がある。機器に内蔵された電池の経時変化による性能劣化は、電池の内部抵抗の増加となって現れる。このような電池の特性を模することのできる電源であるためには、電源の出力抵抗特性と電圧特性が電池の特性とほぼ一致していなければならない。電池の代わりに電源を使って試験を行うことができれば、被試験機器の臨界動作条件下におけるデータを正確に取得することが可能になる。

例えば、携帯電話の電池の場合、携帯電話が送信を行うときには電池から大きい電流が流れ出るため、電池の電圧が下がる。このとき、電池の電圧が動作保証条件の下限値よりも低くなってしまうと、送話が中断されてしまう。更に、電池の経時変化により、電池の内部抵抗が増加すると共に、大電流出力時の電池電圧が低下し、送話が中断する頻度も増加する。

このように、電池の内部抵抗をシミュレートするためには、電源の出力抵抗値を滑らかに変化させることが要求される。

なお、本発明の関連ある従来技術として、例えば、下記に示す特許文献１が知られている。この特許文献１によれば、負の出力抵抗をもつ電源が実現できる。
米国特許第６４５９２４７号明細書

特許文献１のような負の出力抵抗をもつ電源があれば、上述したセンス用対線と負荷の間で生じる電圧降下を補償することで、負荷の両端の電圧を一定に保つことができるが、普及には至っていない。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、容易に負性インピーダンスを実現するインピーダンス回路を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明は、外部の回路に接続されるインピーダンス回路であって、入力端子が外部に接続される第１の電流インバータ回路と、入力端子が前記第１の電流インバータ回路の出力端子に接続される受動回路と、入力端子が前記受動回路の出力端子に接続され、出力端子が外部に接続される第２の電流インバータ回路とを備え、前記第１の電流インバータ回路と前記第２の電流インバータ回路とが協働し、前記インピーダンス回路のインピーダンスの大きさを前記受動回路のインピーダンスに比例させると共に符号を反転させることを特徴とするものである。

また、本発明に係るインピーダンス回路において、前記第２の電流インバータ回路の増幅度は、前記第１の電流インバータ回路の増幅度の逆数であることを特徴とするものである。

また、本発明に係るインピーダンス回路において、前記第１の電流インバータ回路及び前記第２の電流インバータ回路は、１つの演算増幅器と、該演算増幅器の出力端子と非反転入力端子の間に接続される抵抗と、該演算増幅器の出力端子と反転入力端子の間に接続される抵抗とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明に係るインピーダンス回路において、前記第１の電流インバータ回路及び前記第２の電流インバータ回路は、１つの演算増幅器と、該演算増幅器の出力端子と非反転入力端子の間に逆並列接続される２つのダイオードと、該演算増幅器の出力端子と反転入力端子の間に逆並列接続される２つのダイオードとを備えることを特徴とするものである。

また、本発明は、直流電源を供給する電源供給部と、前記電源供給部と外部の負荷との間に接続され、第１の電流インバータ回路と受動回路と第２の電流インバータ回路を備え、前記電源供給部と外部の負荷との間の経路のインピーダンスを補償する負性インピーダンスを持つインピーダンス回路とを備えたものである。

また、本発明に係る電源装置において、前記第１の電流インバータ回路は、入力端子が前記電源供給部に接続され、前記受動回路は、入力端子が前記第１の電流インバータ回路の出力端子に接続され、前記第２の電流インバータ回路は、入力端子が前記受動回路の出力端子に接続され、出力端子が外部の負荷に接続され、前記第１の電流インバータ回路と前記第２の電流インバータ回路とが協働し、前記インピーダンス回路のインピーダンスの大きさを前記受動回路のインピーダンスに比例させると共に符号を反転させることを特徴とするものである。

また、本発明に係る電源装置において、前記第２の電流インバータ回路の増幅度は、前記第１の電流インバータ回路の増幅度の逆数であることを特徴とするものである。

また、本発明に係る電源装置において、前記第１の電流インバータ回路及び前記第２の電流インバータ回路は、１つの演算増幅器と、該演算増幅器の出力端子と非反転入力端子の間に接続される抵抗と、該演算増幅器の出力端子と反転入力端子の間に接続される抵抗とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明に係る電源装置において、前記第１の電流インバータ回路及び前記第２の電流インバータ回路は、１つの演算増幅器と、該演算増幅器の出力端子と非反転入力端子の間に逆並列接続される２つのダイオードと、該演算増幅器の出力端子と反転入力端子の間に逆並列接続される２つのダイオードとを備えるものである。

本発明によれば、容易に負性インピーダンスを実現することができる。更にこの負性インピーダンスを利用して、電圧降下の補償等に用いることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

実施の形態１．
本実施の形態では、電流インバータ回路を用いたインピーダンス回路について説明する。

まず、本発明に係るインピーダンス回路の構成について説明する。図１は、本発明に係るインピーダンス回路の構成の一例を示す回路図である。このインピーダンス回路１は、受動回路１０、電流インバータ回路１１，１２を備える。また、インピーダンス回路１の入力端子をＡ１、出力端子をＡ２とする。

電流インバータ回路１１の入力端子はＡ１を介して外部の電流源１３に接続され、電流インバータ回路１１の出力端子は受動回路１０の入力端子に接続される。電流インバータ回路１２の入力端子は受動回路１０の出力端子に接続され、電流インバータ回路１２の出力端子はＡ２を介して外部の負荷１４に接続される。電流インバータ回路は、信号電流の極性を反対にした電流出力を取り出す回路である。

ここで、受動回路１０のインピーダンスをＺ、電流源１３から流出する信号電流をＩｓ、負荷１４の抵抗値をＲｌｏａｄ、負荷１４を流れる電流をＩＬとする。また、電流インバータ回路１１の端子間の電位差をＶ１、受動回路１０の端子間の電位差をＶ２、電流インバータ回路１２の端子間の電位差をＶ３、インピーダンス回路１の端子間Ａ１−Ａ２の電位差をＶ、インピーダンス回路１の入力インピーダンスをＺＩＮとする。

次に、電流インバータ回路１１について説明する。

図２は、本発明に係る電流インバータ回路の構成の第１の例を示す回路図である。この電流インバータ回路１１は、１つの演算増幅器３０と２つの抵抗３１，３２を備える。抵抗３１，３２の抵抗値は、それぞれＲ１，Ｒ２である。ここでは、電流インバータ回路１１の入力端子に電流源３３が接続され、電流インバータ回路１１の出力端子に負荷３４が接続された場合を示している。また、電流源３３から電流インバータ回路１１へ流入する電流をＩｓ１とし、負荷３４から電流インバータ回路１１へ流入する電流をＩＬ１とする。

信号電流Ｉｓ１が抵抗３１を流れることによる電圧降下と負荷電流ＩＬ１が抵抗３２を流れることによる電圧降下が等しくなることから、図２のＩＬ１は次の式で求められる。

ＩＬ１＝（Ｒ１／Ｒ２）＊Ｉｓ１＝ｋ＊Ｉｓ１

すなわち、電流インバータ回路１１は、増幅度ｋ＝Ｒ１／Ｒ２を持つ。

次に、電流インバータ回路１２について説明する。

図３は、本発明に係る電流インバータ回路の構成の第２の例を示す回路図である。この電流インバータ回路１２は、１つの演算増幅器３０と２つの抵抗４１，４２を備える。抵抗４１，４２の抵抗値は、それぞれＲ２，Ｒ１である。ここでは、電流インバータ回路１２の入力端子に電流源４３が接続され、電流インバータ回路１２の出力端子には負荷４４が接続された場合を示している。また、電流源４３から電流インバータ回路１２へ流入する電流をＩｓ２とし、負荷４４から電流インバータ回路１２へ流入する電流をＩＬ２とする。図２と同様にして、図３のＩＬ２は次の式で求められる。

ＩＬ２＝（Ｒ２／Ｒ１）＊Ｉｓ２＝（１／ｋ）＊Ｉｓ２

すなわち、電流インバータ回路１２は、増幅度１／ｋ＝Ｒ２／Ｒ１を持つ。

次に、インピーダンス回路１の入力インピーダンスについて説明する。

インピーダンス回路１において、受動回路１０から電流インバータ回路１１へ流入する電流の大きさはｋ＊Ｉｓであり、同じ大きさの電流が電流インバータ回路１２から受動回路１０へ流出することになる。従って、負荷１４に流入する電流ＩＬは、次の式で求められる。

ＩＬ＝（１／ｋ）＊ｋ＊Ｉｓ＝Ｉｓ

ここで、Ｖ１＝０、Ｖ３＝０である。また、上述したＩｓ１とＩＬ１の関係により、受動回路１０を流れる電流はｋ＊Ｉｓで与えられる。従って、インピーダンス回路１の端子Ａ１−Ａ２間の電位差Ｖは次の式で求められる。

Ｖ＝Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３
＝０−Ｚ＊（ｋ＊Ｉｓ）＋０
＝−ｋ＊Ｚ＊Ｉｓ

従って、インピーダンス回路１ではｋ＊Ｚ＊Ｉｓの電圧上昇が生じていることになる。インピーダンス回路１の入力インピーダンスＺＩＮは、次の式で求められる。

ＺＩＮ＝Ｖ／Ｉｓ＝−ｋ＊Ｚ

従って、インピーダンス回路１において負性インピーダンスが実現されることが分かる。

なお、受動回路１０は、抵抗、コンデンサ、コイル、ダイオード等のように、回路の値が固定の受動素子や受動素子網でも良いし、回路の値を可変とし、機械的あるいは電子的に回路の値を制御することができる抵抗素子（ボリューム）、可変容量素子（バリコン、バリキャップ）等の受動素子や受動素子網であっても良い。

本実施の形態によれば、簡単かつ安価な構成で負性インピーダンスを実現することができる。

実施の形態２．
本実施の形態では、別の電流インバータ回路を用いたインピーダンス回路について説明する。

図４は、本発明に係るインピーダンス回路の構成の別の一例を示す回路図である。図４において、図１と同一符号は図１に示された対象と同一又は相当物を示しており、ここでの説明を省略する。図１と比較すると図３は、インピーダンス回路１の代わりにインピーダンス回路２を備える。インピーダンス回路１と比較するとインピーダンス回路２は、電流インバータ回路１１，１２の代わりに、２つの電流インバータ回路１３を備える。

次に、電流インバータ回路１３について説明する。

図５は、本発明に係る電流インバータ回路の構成の第３の例を示す回路図である。図５において、図２と同一符号は図２に示された対象と同一又は相当物を示しており、ここでの説明を省略する。図２と比較すると図５は、抵抗３１の代わりに逆並列接続したダイオード５１，５２を備え、抵抗３２の代わりに逆並列接続したダイオード５３，５４を備える。ここでは、電流インバータ回路１３の入力端子に電流源５３が接続され、電流インバータ回路１３の出力端子には負荷５６が接続された場合を示している。また、電流源５５から電流インバータ回路１３へ流入する電流をＩｓ３とし、負荷５６から電流インバータ回路１３へ流入する電流をＩＬ３とする。ここで、図５のＩＬ３は次の式で求められる。

ＩＬ３＝Ｉｓ３

従って、図４のインピーダンス回路２に関するＩＬ、Ｖ、ＺＩＮは、実施の形態１と同様にして次の式で求められる。

ＩＬ＝Ｉｓ
Ｖ＝−Ｚ＊Ｉｓ
ＺＩＮ＝Ｖ／Ｉｓ＝−Ｚ

従って、インピーダンス回路２により負性インピーダンスが実現されることが分かる。

本実施の形態によれば、ダイオード５１，５２およびダイオード５３，５４のマッチングが優れていれば、電流に対して広範囲のダイナミックレンジを持つ電流インバータ回路が実現できる。

実施の形態３．
本実施の形態では、上述したインピーダンス回路を用いた電源装置について説明する。

図６は、本発明に係るインピーダンス回路を用いた電源装置の構成の一例を示す回路図である。図６において、図８と同一符号は図８に示された対象と同一又は相当物を示しており、ここでの説明を省略する。図６と比較すると図８は、抵抗１０３の代わりに抵抗１１３を備え、抵抗１０４の代わりに抵抗１１４を備える。

ここで、抵抗１１４は、電源供給部１０１と負荷１０２の間の電流経路が持つ抵抗であり、その抵抗値はＲＬ１＋ＲＬ２で表される。このとき、抵抗１１３に上述したインピーダンス回路を適用し、その抵抗値を抵抗１１４と絶対値が等しい負性抵抗−ＲＬ１−ＲＬ２とすることにより、電源供給部１０１と負荷１０２の間で生じる電圧降下を補償し、負荷の両端の電位差を一定にすることができる。

また、この場合、電源のリモートセンス機能は必ずしも必要ではない。図７は、本発明に係るインピーダンス回路を用いた電源装置の構成の別の一例を示す回路図である。図７において、図６と同一符号は図６に示された対象と同一又は相当物を示しており、ここでの説明を省略する。図６と比較すると図７は、電源供給部１０１の代わりに電源供給部１１１を備える。電源供給部１０１と比較すると電源供給部１１１は、リモートセンス機能のための端子であるＨＩＧＨ ＳＥＮＳＥ、ＬＯＷ ＳＥＮＳＥを備えていない。

本実施の形態によれば、電源の出力端子と負荷の間で生じる電圧降下を補償することにより、負荷の両端の電位差を一定に保つことができる。

また、本発明に係るインピーダンス回路は、電源装置に容易に適用することができ、電源装置の性能をより高めることができる。ここで、電源装置は、例えば、電池を用いる機器の試験装置等が含まれ得る。

なお、第１の電流インバータ回路は、実施の形態における電流インバータ回路１１，１３に対応する。また、第２の電流インバータ回路は、実施の形態における電流インバータ回路１２，１３に対応する。

（付記１） 外部の回路に接続されるインピーダンス回路であって、
入力端子が外部に接続される第１の電流インバータ回路と、
入力端子が前記第１の電流インバータ回路の出力端子に接続される受動回路と、
入力端子が前記受動回路の出力端子に接続され、出力端子が外部に接続される第２の電流インバータ回路とを備え、
前記第１の電流インバータ回路と前記第２の電流インバータ回路とが協働し、前記インピーダンス回路のインピーダンスの大きさを前記受動回路のインピーダンスに比例させると共に符号を反転させることを特徴とするインピーダンス回路。
（付記２） 付記１に記載のインピーダンス回路において、
前記第２の電流インバータ回路の増幅度は、前記第１の電流インバータ回路の増幅度の逆数であることを特徴とするインピーダンス回路。
（付記３） 付記１または付記２に記載のインピーダンス回路において、
前記第１の電流インバータ回路及び前記第２の電流インバータ回路は、１つの演算増幅器と、該演算増幅器の出力端子と非反転入力端子の間に接続される抵抗と、該演算増幅器の出力端子と反転入力端子の間に接続される抵抗とを備えることを特徴とするインピーダンス回路。
（付記４） 付記１または付記２に記載のインピーダンス回路において、
前記第１の電流インバータ回路及び前記第２の電流インバータ回路は、１つの演算増幅器と、該演算増幅器の出力端子と非反転入力端子の間に逆並列接続される２つのダイオードと、該演算増幅器の出力端子と反転入力端子の間に逆並列接続される２つのダイオードとを備えることを特徴とするインピーダンス回路。
（付記５） 直流電源を供給する電源供給部と、
前記電源供給部と外部の負荷との間に接続され、第１の電流インバータ回路と受動回路と第２の電流インバータ回路を備え、前記電源供給部と外部の負荷との間の経路のインピーダンスを補償する負性インピーダンスを持つインピーダンス回路と
を備えてなる電源装置。
（付記６） 付記５に記載の電源装置において、
前記第１の電流インバータ回路は、入力端子が前記電源供給部に接続され、
前記受動回路は、入力端子が前記第１の電流インバータ回路の出力端子に接続され、
前記第２の電流インバータ回路は、入力端子が前記受動回路の出力端子に接続され、出力端子が外部の負荷に接続され、前記第１の電流インバータ回路と前記第２の電流インバータ回路とが協働し、前記インピーダンス回路のインピーダンスの大きさを前記受動回路のインピーダンスに比例させると共に符号を反転させることを特徴とする電源装置。
（付記７） 付記５または付記６に記載の電源装置において、
前記第２の電流インバータ回路の増幅度は、前記第１の電流インバータ回路の増幅度の逆数であることを特徴とする電源装置。
（付記８） 付記５乃至付記７のいずれかに記載の電源装置において、
前記第１の電流インバータ回路及び前記第２の電流インバータ回路は、１つの演算増幅器と、該演算増幅器の出力端子と非反転入力端子の間に接続される抵抗と、該演算増幅器の出力端子と反転入力端子の間に接続される抵抗とを備えることを特徴とする電源装置。
（付記９） 付記５乃至付記７のいずれかに記載の電源装置において、
前記第１の電流インバータ回路及び前記第２の電流インバータ回路は、１つの演算増幅器と、該演算増幅器の出力端子と非反転入力端子の間に逆並列接続される２つのダイオードと、該演算増幅器の出力端子と反転入力端子の間に逆並列接続される２つのダイオードとを備えることを特徴とする電源装置。

本発明に係る負性インピーダンス回路の構成の一例を示す回路図である。 本発明に係る電流インバータ回路の構成の第１の例を示す回路図である。 本発明に係る電流インバータ回路の構成の第２の例を示す回路図である。 本発明に係る負性インピーダンス回路の構成の別の一例を示す回路図である。 本発明に係る電流インバータ回路の構成の第３の例を示す回路図である。 本発明に係る負性インピーダンス回路を用いた電源装置の構成の一例を示す回路図である。 本発明に係る負性インピーダンス回路を用いた電源装置の構成の別の一例を示す回路図である。 リモートセンシング機能を持つ電源装置の一例を示す回路図である。

符号の説明

１ 負性インピーダンス回路、１０ 受動回路、１１，１２，１３ 電流インバータ回路、１３，３３，４３，５５ 電流源、１４，３４，４４，５６ 負荷、３０ 演算増幅器、３１，３２，４１，４２ 抵抗、５１，５２，５３，５４ ダイオード、１０１，１１１ 電源供給部、１０２ 負荷、１１３，１１４ 抵抗。

Claims (5)

1. 外部の回路に接続されるインピーダンス回路であって、
   入力端子が外部に接続される第１の電流インバータ回路と、
   入力端子が前記第１の電流インバータ回路の出力端子に接続される受動回路と、
   入力端子が前記受動回路の出力端子に接続され、出力端子が外部に接続される第２の電流インバータ回路とを備え、
   前記第１の電流インバータ回路と前記第２の電流インバータ回路とが協働し、前記インピーダンス回路のインピーダンスの大きさを前記受動回路のインピーダンスに比例させると共に符号を反転させることを特徴とするインピーダンス回路。
2. 請求項１に記載のインピーダンス回路において、
   前記第２の電流インバータ回路の増幅度は、前記第１の電流インバータ回路の増幅度の逆数であることを特徴とするインピーダンス回路。
3. 請求項１または請求項２に記載のインピーダンス回路において、
   前記第１の電流インバータ回路及び前記第２の電流インバータ回路は、１つの演算増幅器と、該演算増幅器の出力端子と非反転入力端子の間に接続される抵抗と、該演算増幅器の出力端子と反転入力端子の間に接続される抵抗とを備えることを特徴とするインピーダンス回路。
4. 請求項１または請求項２に記載のインピーダンス回路において、
   前記第１の電流インバータ回路及び前記第２の電流インバータ回路は、１つの演算増幅器と、該演算増幅器の出力端子と非反転入力端子の間に逆並列接続される２つのダイオードと、該演算増幅器の出力端子と反転入力端子の間に逆並列接続される２つのダイオードとを備えることを特徴とするインピーダンス回路。
5. 直流電源を供給する電源供給部と、
   前記電源供給部と外部の負荷との間に接続され、第１の電流インバータ回路と受動回路と第２の電流インバータ回路を備え、前記電源供給部と外部の負荷との間の経路のインピーダンスを補償する負性インピーダンスを持つインピーダンス回路と
   を備えてなる電源装置。

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