JP2011239567A - Charging battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、コンデンサを用いた充電電池に関する。 The present invention relates to a rechargeable battery using a capacitor.
単3乾電池やボタン電池1個で動作する電子機器は、使用する電池の寿命をできるだけ延ばすために、CMOS−ICや液晶ディスプレイといった低消費電力部品を用いることにより、電源電圧を1.2V〜2V程度、消費電流を数μAから数10μAと非常に小さな値としている。しかし、電池の場合、出力抵抗が極めて小さいので、負荷の短絡時に大電流が流れ、事故につながる危険性がある。これを防止するため、このような電子機器に対して、電池の代わりにコンデンサ(キャパシタ)を用いて電源供給を行うという方法が考えられる。最近では小型大容量の電気二重層コンデンサが登場してきており、その耐圧を越えない限り化学変化を伴わないので繰り返しの充放電特性は電池より優れ、このようなコンデンサを使った電源供給の方法が提案されている。 In order to extend the life of the battery to be used as much as possible, an electronic device that operates with an AA battery or a button battery uses a low-power consumption component such as a CMOS-IC or a liquid crystal display to reduce the power supply voltage from 1.2V to 2V. The current consumption is a very small value of several μA to several tens of μA. However, in the case of a battery, since the output resistance is extremely small, a large current flows when the load is short-circuited, and there is a risk of causing an accident. In order to prevent this, it is conceivable to supply power to such an electronic device using a capacitor instead of a battery. Recently, small and large-capacity electric double layer capacitors have appeared, and as long as the breakdown voltage is not exceeded, there is no chemical change, so repeated charge and discharge characteristics are superior to batteries, and there is a method of power supply using such capacitors. Proposed.
しかし、大容量といっても小型タイプではファラッド(F)オーダーの静電容量であり、電池の等価静電容量に比べると非常に小さい。例えば、単3型のニッケル水素電池の容量は一般に2Ah程度であり、満充電電圧が1.4Vで放電終止電圧が0.9Vとすると、2Aを1時間連続で放電した時の放電電荷量はQeffect=1×3600=3600(c)であり、この放電による電圧低下が0.5Vであることから等価的な静電容量は3600/0.5=7200(F)ということになり、同程度のサイズのコンデンサの千倍以上の実効容量を持っていると考えられる。 However, even if the capacity is large, the small type has a capacitance of the Farad (F) order, which is much smaller than the equivalent capacitance of the battery. For example, the capacity of an AA nickel metal hydride battery is generally about 2 Ah, and assuming that the full charge voltage is 1.4 V and the discharge end voltage is 0.9 V, the discharge charge amount when 2 A is continuously discharged for 1 hour is Since Qeffect = 1 × 3600 = 3600 (c) and the voltage drop due to this discharge is 0.5V, the equivalent capacitance is 3600 / 0.5 = 7200 (F), which is the same size It is thought that it has an effective capacity more than 1000 times that of the capacitor.
従って、コンデンサを使用する場合には、定期的または継続的な充電手段の併用が必要とされる。このことは、そのような充電手段が存在すれば電池交換などを必要としないメインテナンスフリーの電源が実現できることを意味している。このことから、太陽光や風、波といった自然エネルギーや、振動、廃熱といった従来は廃棄されていたエネルギーを使用した発電手段を充電手段として使用することでクリーンかつメインテナンスフリーな電源供給が期待できる。 Therefore, when a capacitor is used, it is necessary to use charging means periodically or continuously. This means that if such a charging means is present, a maintenance-free power source that does not require battery replacement or the like can be realized. For this reason, clean and maintenance-free power supply can be expected by using as a charging means a power generation means that uses natural energy such as sunlight, wind, and waves, or energy that was previously discarded, such as vibration and waste heat. .
上記の電源を実現する方法として図7の構成が考えられる。上記のような発電手段を用いた場合、その発電電圧は一般に間欠的であったり、変動したりするのに対し、電池の代替手段であるので出力電圧は電池と同じ電圧(例えば公称1.5V)に保つ必要がある。従って、コンデンサC1によって発電手段からの不規則な電圧を一度蓄積することで変動成分を減少させ、その電圧をレギュレータによって所定の出力電圧に変換して出力することになる。出力のコンデンサC2は急峻な負荷変動を吸収するためのものである。一般にレギュレータICには過電流保護機能が備えられているので出力を短絡されても大電流が流れ続けて破壊するようなことはない。 The configuration shown in FIG. 7 can be considered as a method for realizing the above power source. When the power generation means as described above is used, the generated voltage is generally intermittent or fluctuates. On the other hand, the output voltage is the same voltage as the battery (for example, nominal 1.5V) because it is an alternative means of the battery. Need to keep on). Accordingly, once the irregular voltage from the power generation means is accumulated by the capacitor C1, the fluctuation component is reduced, and the voltage is converted into a predetermined output voltage by the regulator and output. The output capacitor C2 is for absorbing steep load fluctuations. In general, the regulator IC is provided with an overcurrent protection function, so that even if the output is short-circuited, a large current continues to flow and is not destroyed.
放電時間を延ばすためにはコンデンサC1の蓄積電荷をできるだけ大きくすることが望ましい。従って、C1の容量と耐圧は大きいほど好ましい。しかしながら、コンデンサのサイズはCV積で決まるので、サイズが同じなら耐圧を高くすると静電容量は小さくなる。上記のような発電手段を使用すると、入力される電圧(充電電圧)は大きく変動するので、その最大値に合わせてコンデンサの耐圧を選ぶと、静電容量は小さくなってしまう。逆に大きな静電容量のコンデンサを選ぶと耐圧が低くなるので、大きな充電電圧が印加されると耐圧オーバーとなってしまう。 In order to extend the discharge time, it is desirable to increase the charge stored in the capacitor C1 as much as possible. Therefore, it is preferable that the capacity and the withstand voltage of C1 are larger. However, since the size of the capacitor is determined by the CV product, if the withstand voltage is increased if the size is the same, the capacitance decreases. When the power generation means as described above is used, the input voltage (charge voltage) fluctuates greatly. Therefore, if the withstand voltage of the capacitor is selected in accordance with the maximum value, the capacitance becomes small. On the contrary, if a capacitor having a large capacitance is selected, the withstand voltage is lowered, so that the withstand voltage is exceeded when a large charge voltage is applied.
図8はコンデンサC1を過電圧から保護するために定電圧ダイオードZDと抵抗Rsを付加した回路である。これによってコンデンサC1に印加される電圧は定電圧ダイオードZDの電圧に制限される。しかし、図7、図8の回路においては、使用するレギュレータ自体がいくらかの電流を消費してしまう。CMOSで作成した低消費電流タイプのレギュレータであっても通常数μA程度の消費電流があり、この電流は負荷を接続しなくても消費するので上記のように数10μA程度の負荷電流を対象とする用途ではレギュレータの消費電流は無視できない。また、図8のように過電圧保護回路を設けると、定電圧ダイオードZDの漏れ電流も無視できなくなる。 FIG. 8 shows a circuit in which a constant voltage diode ZD and a resistor Rs are added to protect the capacitor C1 from overvoltage. As a result, the voltage applied to the capacitor C1 is limited to the voltage of the constant voltage diode ZD. However, in the circuits of FIGS. 7 and 8, the regulator used itself consumes some current. Even a low current consumption type regulator made of CMOS usually has a current consumption of about several μA, and this current is consumed even without connecting a load. Therefore, the load current of about several tens of μA is targeted as described above. Therefore, the current consumption of the regulator cannot be ignored. If an overvoltage protection circuit is provided as shown in FIG. 8, the leakage current of the constant voltage diode ZD cannot be ignored.
本発明は上記従来の課題を解決するためになされたものであり、1つの目的は、無駄な電流の消費を防止し、かつ、過電流を防止できる充電電池を提供することである。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and one object is to provide a rechargeable battery that can prevent wasteful current consumption and prevent overcurrent.
本発明の他の目的は、無駄な電流の消費を防止し、入力側のコンデンサの充電電圧が耐電圧を超え破損することを防止できる充電電池を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a rechargeable battery that prevents wasteful current consumption and prevents the charging voltage of the capacitor on the input side from exceeding the withstand voltage and being damaged.
本発明の好ましい実施形態による充電電池は、充電手段から供給される電圧に応じてコンデンサに出力電圧を充電する充電電池であって、前記充電手段によって充電される第1コンデンサと、第1抵抗と、ドレインが前記第1コンデンサの正極に接続され、ソースが前記充電電池の正極出力端子と第2コンデンサの正極とに接続され、ゲートが前記第1抵抗を介して前記ソースに接続されている第1デプレッション型FETと、正極が前記第1デプレッション型FETのソースと前記充電電池の正極出力端子とに接続され、負極が前記充電電池の負極出力端子に接続され、前記第1デプレッション型FETのソースからの電流によって充電され、前記充電電池の出力電圧を生成する前記第2コンデンサと、一端が前記第1デプレッション型FETのゲートに接続され、他端が前記充電電池の負極出力端子に接続されている第1電圧電流非線形素子とを備える。 A rechargeable battery according to a preferred embodiment of the present invention is a rechargeable battery that charges a capacitor with an output voltage in accordance with a voltage supplied from a charging means, the first capacitor being charged by the charging means, a first resistor, The drain is connected to the positive electrode of the first capacitor, the source is connected to the positive output terminal of the rechargeable battery and the positive electrode of the second capacitor, and the gate is connected to the source via the first resistor. 1 depletion type FET, a positive electrode is connected to a source of the first depletion type FET and a positive output terminal of the rechargeable battery, a negative electrode is connected to a negative output terminal of the rechargeable battery, and the source of the first depletion type FET The second capacitor that is charged by the current from the battery and generates the output voltage of the rechargeable battery, and one end of the first depletion type F It is connected to the gate T, then and a first voltage-current non-linear element and the other end is connected to the negative output terminal of the rechargeable battery.
この場合、無駄な電流の消費を防止し、かつ、過電流を防止できる充電電池を提供することができる。 In this case, it is possible to provide a rechargeable battery that can prevent wasteful current consumption and prevent overcurrent.
好ましい実施形態においては、前記第1抵抗と前記第1電圧電流非線形素子との値または特性が、前記第2コンデンサの満充電時の充電電圧が電池の公称電圧に略等しくなるように設定されている。 In a preferred embodiment, values or characteristics of the first resistor and the first voltage-current nonlinear element are set such that a charging voltage when the second capacitor is fully charged is substantially equal to a nominal voltage of the battery. Yes.
好ましい実施形態においては、第2抵抗と、ドレインが前記充電手段の正極出力端子に接続され、ソースが前記第1デプレッション型FETのドレインと前記第1コンデンサの正極とに接続され、ゲートが前記第2抵抗を介して第2デプレッション型FETのソースに接続されている前記第2デプレッション型FETと、一端が前記第2デプレッション型FETのゲートと前記第2抵抗の一端とに接続され、他端が前記第1デプレッション型FETのソースと前記第1コンデンサの正極とに接続されている第2電圧電流非線形素子とをさらに備える。 In a preferred embodiment, the second resistor and the drain are connected to the positive output terminal of the charging means, the source is connected to the drain of the first depletion type FET and the positive electrode of the first capacitor, and the gate is the first resistor. The second depletion type FET connected to the source of the second depletion type FET via two resistors, one end connected to the gate of the second depletion type FET and one end of the second resistor, and the other end A second voltage-current nonlinear element connected to the source of the first depletion type FET and the positive electrode of the first capacitor;
この場合、無駄な電流の消費を防止し、入力側のコンデンサの充電電圧が耐電圧を超え破損することを防止できる。 In this case, useless current consumption can be prevented, and the charging voltage of the capacitor on the input side can be prevented from exceeding the withstand voltage and being damaged.
好ましい実施形態においては、前記第2抵抗と前記第2電圧電流非線形素子との値又は特性が、前記第1コンデンサの充電電圧の最大値が前記第1コンデンサの耐電圧を超えないように設定されている。 In a preferred embodiment, the value or characteristic of the second resistor and the second voltage-current nonlinear element is set so that the maximum value of the charging voltage of the first capacitor does not exceed the withstand voltage of the first capacitor. ing.
本発明の別の好ましい実施形態による充電電池は、充電手段から供給される電圧に応じてコンデンサに出力電圧を充電する充電電池であって、前記充電手段によって充電される第1コンデンサと、入力端子が前記第1コンデンサの正極に接続され、出力端子が前記充電電池の正極出力端子と第2コンデンサの正極とに接続され、第3端子が前記充電電池の負極出力端子に接続されている三端子レギュレータと、正極が前記三端子レギュレータの出力端子と前記充電電池の正極出力端子とに接続され、負極が前記充電電池の負極出力端子に接続され、前記三端子レギュレータからの電流によって充電され、前記充電電池の出力電圧を生成する前記第2コンデンサと、第2抵抗と、ドレインが前記充電手段の正極出力端子に接続され、ソースが前記三端子レギュレータの入力端子と前記第1コンデンサの正極とに接続され、ゲートが前記第2抵抗を介して第2デプレッション型FETのソースに接続されている前記第2デプレッション型FETと、一端が前記第2デプレッション型FETのゲートと前記第2抵抗の一端とに接続され、他端が前記三端子レギュレータの出力端子と前記第2コンデンサの正極とに接続されている第2電圧電流非線形素子とを備える。 A rechargeable battery according to another preferred embodiment of the present invention is a rechargeable battery that charges a capacitor with an output voltage in accordance with a voltage supplied from a charging means, the first capacitor being charged by the charging means, and an input terminal Is connected to the positive electrode of the first capacitor, the output terminal is connected to the positive electrode output terminal of the charging battery and the positive electrode of the second capacitor, and the third terminal is connected to the negative electrode output terminal of the charging battery. The regulator, the positive electrode is connected to the output terminal of the three-terminal regulator and the positive output terminal of the charging battery, the negative electrode is connected to the negative output terminal of the charging battery, and is charged by the current from the three-terminal regulator, The second capacitor that generates the output voltage of the rechargeable battery, the second resistor, and the drain are connected to the positive output terminal of the charging means, and the source is the front The second depletion type FET, which is connected to the input terminal of the three-terminal regulator and the positive electrode of the first capacitor, and whose gate is connected to the source of the second depletion type FET via the second resistor, and one end of the second depletion type FET A second voltage-current nonlinear element connected to the gate of the second depletion type FET and one end of the second resistor, and having the other end connected to the output terminal of the three-terminal regulator and the positive electrode of the second capacitor. Prepare.
この場合、無駄な電流の消費を防止し、入力側のコンデンサの充電電圧が耐電圧を超え破損することを防止できる。 In this case, useless current consumption can be prevented, and the charging voltage of the capacitor on the input side can be prevented from exceeding the withstand voltage and being damaged.
本発明によると、無駄な電流の消費を防止し、かつ、過電流を防止できる充電電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the rechargeable battery which can prevent consumption of useless electric current and can prevent overcurrent can be provided.
または、本発明によると、無駄な電流の消費を防止し、入力側のコンデンサの充電電圧が耐電圧を超え破損することを防止できる充電電池を提供することができる。 Alternatively, according to the present invention, it is possible to provide a rechargeable battery that prevents consumption of useless current and prevents the charging voltage of the capacitor on the input side from exceeding the withstand voltage and being damaged.
以下、本発明の好ましい実施形態による充電電池について、図面を参照して具体的に説明するが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。 Hereinafter, a rechargeable battery according to preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings, but the present invention is not limited to these embodiments.
図1は、本実施形態によるコンデンサ(キャパシタともいう。以下同様。)型充電電池(以下、充電電池という。)1を示す回路図である。充電電池1は、充電手段2と、コンデンサC1、C2と、デプレッション型FET3と、抵抗Rg1と、ダイオード(電圧電流非線形素子)D1とを備える。
FIG. 1 is a circuit diagram illustrating a capacitor (also referred to as a capacitor; hereinafter the same) rechargeable battery (hereinafter referred to as a rechargeable battery) 1 according to the present embodiment. The rechargeable battery 1 includes a
充電手段2は、例えば、太陽光や風、波といった自然エネルギーや、振動、廃熱等の任意の発電方式によって充電用の電源電圧を生成し、生成した電圧をコンデンサC1に供給するものである。
The
コンデンサC1は、正極が充電手段2の正極出力端子とFET3のドレインとの接続点に接続され、負極が充電手段2の負極出力端子と充電電池1の負極出力端子との接続点に接続されている。コンデンサC1は、充電手段2から供給される電圧による電流が供給され、電荷を蓄積することによって、電圧を充電する。コンデンサC1に充電された電圧は、FET3のドレインに供給される。
The capacitor C1 has a positive electrode connected to a connection point between the positive electrode output terminal of the
FET3は上記の通りデプレッション型であり、ゲート−ソース間電圧が0Vの時にでもドレイン電流Idをドレインからソースに向かって流すことができる。FET3は、ドレインがコンデンサC1の正極に接続され、ソースが充電電池1の正極出力端子と抵抗Rg1の一端とコンデンサC2の正極との接続点に接続され、ゲートがダイオードD1のアノードと抵抗Rg1の他端との接続点に接続されている。コンデンサC2の負極とダイオードD2のカソードとは、充電電池1の負極出力端子にそれぞれ接続されている。 The FET 3 is a depletion type as described above, and the drain current Id can flow from the drain to the source even when the gate-source voltage is 0V. The FET 3 has a drain connected to the positive electrode of the capacitor C1, a source connected to a connection point between the positive output terminal of the rechargeable battery 1, one end of the resistor Rg1, and a positive electrode of the capacitor C2, and a gate connected to the anode of the diode D1 and the resistor Rg1. It is connected to the connection point with the other end. The negative electrode of the capacitor C2 and the cathode of the diode D2 are connected to the negative output terminal of the rechargeable battery 1, respectively.
抵抗Rg1とダイオードD1との値(特性)は、コンデンサC2の満充電時の充電電圧が電池の公称電圧(例えば1.5V)に略等しくなるように設定されている。 The values (characteristics) of the resistor Rg1 and the diode D1 are set so that the charging voltage when the capacitor C2 is fully charged is substantially equal to the nominal voltage (for example, 1.5 V) of the battery.
充電電池1の動作について説明する。充電手段2から供給される電圧によってコンデンサC1に電流が供給され、コンデンサC1が充電される。FET3は、コンデンサC1の充電電圧に基づいて、ドレインに電流が供給され、ドレイン電流Id(ドレインからソースに流れる電流)が流れる。ドレイン電流Idは、コンデンサC2に供給され、コンデンサC2を充電する。コンデンサC2の充電電圧(両端電圧)は、充電電池1の出力電圧Voになっている。 The operation of the rechargeable battery 1 will be described. Current is supplied to the capacitor C1 by the voltage supplied from the charging means 2, and the capacitor C1 is charged. In the FET 3, current is supplied to the drain based on the charging voltage of the capacitor C1, and a drain current Id (current flowing from the drain to the source) flows. The drain current Id is supplied to the capacitor C2 and charges the capacitor C2. The charging voltage (both ends voltage) of the capacitor C2 is the output voltage Vo of the rechargeable battery 1.
ここで、コンデンサC2の充電電圧(出力電圧Vo)から、抵抗Rglを介してダイオードD1(アノードからカソード)へと電流が流れることによって、ダイオードD1と抵抗Rg1との接続点の電圧がFET3のゲートに供給される。従って、FET3は抵抗Rg1によって逆バイアスが与えられており、FET3のドレイン電流Idは、ダイオードD1と抵抗Rg1との接続点の電圧によって制御される。 Here, when a current flows from the charging voltage (output voltage Vo) of the capacitor C2 to the diode D1 (anode to cathode) via the resistor Rgl, the voltage at the connection point between the diode D1 and the resistor Rg1 becomes the gate of the FET3. To be supplied. Accordingly, the FET 3 is reverse-biased by the resistor Rg1, and the drain current Id of the FET 3 is controlled by the voltage at the connection point between the diode D1 and the resistor Rg1.
以下、特性図を用いてFET3の動作を中心に説明する。図2(a)は、無負荷時(すなわち、充電電池1の正極出力端子および負極出力端子に負荷が接続されておらず、負荷電流ILが流れない場合)のFET3のドレイン電流Idと、FET3のゲート−ソース間電圧VGSとの関係を示す図である。ドレイン電流Id1が流れるときのゲート−ソース間電圧がVGS1であり、ゲート−ソース間電圧が0Vの時のドレイン電流がIdss(つまり、ドレイン電流Idの最大値)である。図2(b)は、無負荷時のダイオードD1の両端電圧VFとダイオードD1に流れる電流IFとの関係を示す図である。ドレイン電流Id1が流れるときのダイオードD1の両端電圧がVF1である。 Hereinafter, the operation of the FET 3 will be mainly described with reference to the characteristic diagram. 2A shows the drain current Id of the FET 3 when there is no load (that is, when the load is not connected to the positive electrode output terminal and the negative electrode output terminal of the rechargeable battery 1 and the load current IL does not flow), and the FET 3 It is a figure which shows the relationship with the gate-source voltage VGS of. The gate-source voltage when the drain current Id1 flows is VGS1, and the drain current when the gate-source voltage is 0 V is Idss (that is, the maximum value of the drain current Id). FIG. 2B is a diagram showing the relationship between the voltage VF across the diode D1 and the current IF flowing through the diode D1 when there is no load. The voltage across the diode D1 when the drain current Id1 flows is VF1.
無負荷時には負荷電流ILが流れないので、FET3のドレイン電流Id1は抵抗Rglを介してダイオードD1に流れる電流だけである。従って、充電電池1の出力電圧VoおよびFET3のドレイン電流Id1は次式で表される。
ここで、VpはFET3のピンチオフ電圧(図2(a)のようにドレイン電流Idが0になるゲート−ソース間電圧)、IsはダイオードD1の飽和電流、kはボルツマン定数、qは電子の電荷量、Tは絶対温度である。上式を満足するVoがこの時の出力電圧となる。 Here, Vp is the pinch-off voltage of the FET 3 (the gate-source voltage at which the drain current Id becomes 0 as shown in FIG. 2A), Is is the saturation current of the diode D1, k is the Boltzmann constant, and q is the charge of the electrons. The quantity, T, is absolute temperature. Vo that satisfies the above equation is the output voltage at this time.
一方、図3(a)は、充電電池1の正極出力端子と負極出力端子との間に負荷が接続されており、負荷電流ILが流れる場合のFET3のドレイン電流Idと、FET3のゲート−ソース間電圧VGSとの関係を示す図である。図3(b)は、負荷電流ILが流れる場合のダイオードD1の両端電圧VFとダイオードD1を流れる電流IFとの関係を示す図である。充電電池1の出力電圧Vo、ドレイン電流Id2、抵抗Rg1を介してダイオードD1に流れる電流ΔIdは次式で表される。
FET3のドレイン電流Id2は、負荷電流ILにΔIdを加えたものとなる。上式を満足するVoがこの時の出力電圧となる。図2、図3からわかるように、Id1>ΔIdであるので、VF1>VF2、|Vgs1|>|Vgs2|であり、ダイオードD1の電圧変化とFET1のゲート−ソース間電圧変化の和が、負荷電流ILが流れるときの電圧降下となる。Idssが大きく|Vp|が小さいほど特性図の傾きが急になり、VFやVGSの変化が小さくなり、負荷時の電圧降下を小さくできる。 The drain current Id2 of the FET 3 is obtained by adding ΔId to the load current IL. Vo that satisfies the above equation is the output voltage at this time. 2 and 3, since Id1> ΔId, VF1> VF2, | Vgs1 |> | Vgs2 |, and the sum of the voltage change of the diode D1 and the gate-source voltage change of the FET1 is the load. This is a voltage drop when the current IL flows. As Idss is larger and | Vp | is smaller, the slope of the characteristic diagram becomes steeper, the change in VF and VGS becomes smaller, and the voltage drop at the time of load can be reduced.
ここで、充電電池1が出力電圧Voの電圧制限機能を有することを説明する。出力電圧Voを上昇させようとすると、出力電圧VoはダイオードD1の両端電圧VFと抵抗Rg1の両端電圧との和であり、かつ、ダイオードD1の両端電圧は所定値以上に上昇しないので、抵抗Rg1の両端電圧を増加させることになる。従って、抵抗Rg1に流れる電流を増加させることになり、ドレイン電流Idを増加させることになる。ドレイン電流Idを増加させるためには、図2(a)、図3(a)に示すように、FET3のゲート−ソース間電圧VGSの絶対値を低下させる(0Vに近づける)必要がある。その結果、出力電圧Voも低下することになり、ある一定の電圧以上には出力電圧Voが上昇しないことになる。従って、充電電池1は出力電圧Voの電圧制限機能を有する。 Here, it will be described that the rechargeable battery 1 has a voltage limiting function of the output voltage Vo. If the output voltage Vo is to be increased, the output voltage Vo is the sum of the voltage VF across the diode D1 and the voltage across the resistor Rg1, and the voltage across the diode D1 does not rise above a predetermined value, so the resistor Rg1 Will increase the voltage at both ends. Therefore, the current flowing through the resistor Rg1 is increased, and the drain current Id is increased. In order to increase the drain current Id, it is necessary to lower the absolute value of the gate-source voltage VGS of the FET 3 (approach it to 0 V) as shown in FIGS. 2 (a) and 3 (a). As a result, the output voltage Vo also decreases, and the output voltage Vo does not increase above a certain voltage. Therefore, the rechargeable battery 1 has a voltage limiting function for the output voltage Vo.
次に、充電電池1が過電流防止機能を有することを説明する。負荷電流ILを大きくしようとすると、ドレイン電流Idを大きくする必要があるので、図3(a)に示すように、FET3のゲート−ソース間電圧VGSの絶対値を低下させる(0Vに近づける)必要がある。しかし、VGSの絶対値は0Vまでしか低下しないので、ドレイン電流IdはIdssまでしか上昇させることができない。従って、充電電池1が過電流防止機能を有することが分かる。従って、負荷が短絡した場合であっても、Idss以上の過電流が流れることはなく、FET3が破損することをない。 Next, it will be described that the rechargeable battery 1 has an overcurrent prevention function. If the load current IL is to be increased, the drain current Id needs to be increased. Therefore, as shown in FIG. 3A, the absolute value of the gate-source voltage VGS of the FET 3 needs to be reduced (close to 0V). There is. However, since the absolute value of VGS decreases only to 0V, the drain current Id can be increased only to Idss. Therefore, it turns out that the rechargeable battery 1 has an overcurrent prevention function. Therefore, even when the load is short-circuited, an overcurrent greater than Idss does not flow, and the FET 3 is not damaged.
また、充電電池1によると、抵抗Rg1の抵抗値を大きな値に設定することによって、充電電池1内部で消費される電流を1μAよりも十分に小さくすることができる。以上のように、充電電池1によると、無駄な電流の消費を防止でき、過電流を防止することができる。 Moreover, according to the rechargeable battery 1, the current consumed in the rechargeable battery 1 can be made sufficiently smaller than 1 μA by setting the resistance value of the resistor Rg1 to a large value. As described above, according to the rechargeable battery 1, wasteful current consumption can be prevented and overcurrent can be prevented.
図4は、別の実施形態による充電装置11を示す回路図である。充電電池11は、図1に示す充電電池1の構成に加えて、デプレッション型FET(以下、FETという。)4と、ダイオードD2〜D4(電圧電流非線形素子)と、抵抗Rg2とを備える。特に限定されないが、充電手段2は、交流電圧を発生させる発電手段2aと、交流電圧を整流するためのブリッジ整流回路(ダイオードD101〜D104)とを有する。なお、発電手段2aが直流電圧を発生させる場合には、ブリッジ整流回路に代えて、逆流防止用のダイオード1つのみを設ければよい。
FIG. 4 is a circuit diagram showing a charging
FET4は、ドレインが充電手段2の正極出力端子(ダイオードD101、D102の各カソード)に接続され、ソースがFET3のドレインとコンデンサC1の正極と抵抗Rg2の一端との接続点に接続され、ゲートが抵抗Rg2の他端とダイオードD4のアノードとの接続点に接続されている。ダイオードD2〜D4はFET4のゲートとFET3のソースとの間に直列に接続されている。つまり、ダイオードD4は、アノードがFET4のゲートと抵抗Rg2の他端とに接続され、カソードがダイオードD3のアノードに接続されている。ダイオードD3のカソードはダイオードD2のアノードに接続されている。ダイオードD2のカソードはFET3のソースとコンデンサC2の正極との接続点に接続されている。 The FET 4 has a drain connected to the positive output terminal of the charging means 2 (the cathodes of the diodes D101 and D102), a source connected to the connection point between the drain of the FET 3, the positive electrode of the capacitor C1, and one end of the resistor Rg2, and the gate The other end of the resistor Rg2 and the anode of the diode D4 are connected. The diodes D2 to D4 are connected in series between the gate of the FET 4 and the source of the FET 3. That is, the diode D4 has an anode connected to the gate of the FET 4 and the other end of the resistor Rg2, and a cathode connected to the anode of the diode D3. The cathode of the diode D3 is connected to the anode of the diode D2. The cathode of the diode D2 is connected to the connection point between the source of the FET 3 and the positive electrode of the capacitor C2.
抵抗Rg2とダイオードD2〜D4との値(特性)は、コンデンサC1の充電電圧の最大値がコンデンサC1の耐電圧を超えないように、FET4のドレイン電流Idを制御できるように設定されている。従って、場合によっては、ダイオードD2〜D4は1つのダイオードでも2つのダイオードでもよい。 The values (characteristics) of the resistor Rg2 and the diodes D2 to D4 are set so that the drain current Id of the FET 4 can be controlled so that the maximum value of the charging voltage of the capacitor C1 does not exceed the withstand voltage of the capacitor C1. Therefore, depending on the case, the diodes D2 to D4 may be one diode or two diodes.
充電電池11の動作について説明する。充電手段2から供給される電圧によって、電流がFET4のドレインからソースを介してコンデンサC1に流れ、コンデンサC1を充電する。コンデンサC1の充電電圧による電流が、FET3のドレインからソースを介してコンデンサC2へと流れ、コンデンサC2を充電する。コンデンサC2の充電電圧が充電電池11の出力電圧Voになると共に、出力電圧Voによる電流が抵抗Rg1を介してダイオードD1へと流れ、ダイオードD1の電圧がFET3のゲートに供給され、FET3のドレイン電流Idが制御される。以上の動作は図1の充電電池1と基本的には同じである。
The operation of the
さらに、充電手段2から供給される電圧によって、電流がFET4のドレインからソース、抵抗Rg2、ダイオードD4、D3及びD2を介してコンデンサC2へと流れ、コンデンサC2を充電する。この動作によって、充電電池11の出力電圧VoにダイオードD2、D3およびD4に生じる各両端電圧を加算した電圧がFET4のゲートに供給される。従って、出力電圧VoにダイオードD2、D3、D4の両端電圧を加算した電圧に応じてFET4のドレイン電流Idが制御される。従って、出力電圧Voに応じてコンデンサC1に充電される最大電圧が制限されることになる。つまり、図2(a)、図3(a)を参照し、出力電圧Voが上昇するとFET4のゲート−ソース間電圧が上昇する(絶対値が大きくなる)ので、ドレイン電流Idは小さくなり、コンデンサC1の充電電圧が制限されることになる。
Further, due to the voltage supplied from the charging means 2, a current flows from the drain of the FET 4 to the capacitor C2 via the source, the resistor Rg2, the diodes D4, D3, and D2, and charges the capacitor C2. By this operation, a voltage obtained by adding the voltages across the diodes D2, D3 and D4 to the output voltage Vo of the
すなわち、充電電池11では、図8に示すようにコンデンサC1の前段に抵抗とツェナーダイオードを設けることによってコンデンサC1に充電される電圧の最大値を制限するのではなく、充電電池11の出力電圧Voに所定電圧を加算した電圧によってコンデンサC1に流れ込む電流量を制限することによってコンデンサC1に充電される最大充電電圧を制限している。そして、上記の通り、抵抗Rg2、ダイオードD4、D3、D2を流れる電流はコンデンサC2に流れる電流や負荷電流となるので、電流が無駄に消費されないという利点がある。
That is, in the
充電電池11によると、発電手段2aの最大発電電圧がFET4の耐圧以下であればどのような発電手段でも充電手段として使用できる。電気二重層コンデンサの耐圧は一般に2.5V〜5.5V程度であるのに対し、FETの耐圧は30V〜50Vとなる。
According to the
一例として、FET3、FET4として2SK372(Vp≒0.5V選別)、C1として5.5V、0.66F(0.22F×3)、C2として5.5V、0.22F、D1〜D4として赤色LED、Rg1=5.6MΩ、Rg2=3.6MΩとして回路を実際に作成したところ、無負荷時にVo=1.7V、1mA負荷時にVo=1.4Vとほぼマンガン電池に相当する出力電圧が得られた。なお、コンデンサC1に加わる最大電圧は約5Vに制限されており、回路内での消費電流は0.1μA以下に抑えることができた。 As an example, FET3 and FET4 are 2SK372 (Vp≈0.5V selection), C1 is 5.5V, 0.66F (0.22F × 3), C2 is 5.5V, 0.22F, D1 to D4 are red LEDs, Rg1 = 5.6MΩ, When the circuit was actually made with Rg2 = 3.6 MΩ, Vo = 1.7 V when no load was applied, and Vo = 1.4 V when 1 mA load was obtained, an output voltage substantially corresponding to a manganese battery was obtained. The maximum voltage applied to the capacitor C1 is limited to about 5 V, and the current consumption in the circuit can be suppressed to 0.1 μA or less.
図4の回路において、コンデンサC1、C2の静電容量の単位をファラッド(F)とし、満充電時のコンデンサC1の電圧をVcharge(V)、負荷としての機器が動作する最低電源電圧をVend(V)とすると、この回路から使用できる実効電荷量Qeffect(C)は、前記ゲートバイアス電流を無視すると、以下の式となる。
従って、負荷電流IL(A)時の放電持続時間(寿命)Tlife(sec)は、以下通りに計算される。
上記の定数において、C1=0.66F、C2=0.22F、Vcharge=5V、Vo=1.5V、Vend=1.2Vとするなら、
Qeffect=2.574C
である。従って、負荷電流ILが1mAである場合は、
Tlife=2574sec=42.9min
同様にして、IL=0.1mAであれば、
Tlife=25740sec=429min=7.15h
そしてIL=10μAならば、
Tlife=257400sec=4290min=71.5h≒2.98days
という結果が得られる。
In the above constant, if C1 = 0.66F, C2 = 0.22F, Vcharge = 5V, Vo = 1.5V, Vend = 1.2V,
Qeffect = 2.574C
It is. Therefore, when the load current IL is 1 mA,
Tlife = 2574sec = 42.9min
Similarly, if IL = 0.1 mA,
Tlife = 25740sec = 429min = 7.15h
And if IL = 10μA,
Tlife = 257400sec = 4290min = 71.5h ≒ 2.98days
The result is obtained.
図5は、本発明のさらに別の好ましい実施形態による充電電池21を示す回路図である。充電電池21は、図4の充電電池11と比較し、FET3、抵抗Rg1およびダイオードD1を三端子レギュレータ22に置き換えたものである。
FIG. 5 is a circuit diagram showing a
三端子レギュレータ22は、入力端子がコンデンサC1の正極に接続され、出力端子が充電電池21の正極出力端子とコンデンサC2の正極とに接続され、グランド端子(第3端子)が充電電池21の負極出力端子に接続されている。三端子レギュレータ22は、FET4を介して供給される電圧から定電圧を生成し、定電圧に基づく電流をコンデンサC2に供給し、コンデンサC2を充電させる。コンデンサC2は、正極が三端子レギュレータ22の出力端子と充電電池の正極出力端子とに接続され、負極が充電電池の負極出力端子に接続され、三端子レギュレータ22からの電流によって充電され、充電電池21の出力電圧を生成する。
The three-
FET4は、ドレインが充電手段2の正極出力に接続され、ソースが三端子レギュレータ22の入力端子に接続され、ゲートが抵抗Rg2を介してFET4のソースとコンデンサC1の正極と三端子レギュレータ22の入力端子との接続点に接続されている。
The FET 4 has a drain connected to the positive output of the charging means 2, a source connected to the input terminal of the three-
充電電池21によると、充電電池11と同様に、出力電圧VoにダイオードD2、D3、D4の両端電圧を加えた電圧がFET4のゲートに供給され、FET4のドレイン電流Idが制御される。その結果、出力電圧VoにダイオードD2、D3、D4の両端電圧を加えた電圧に応じて、コンデンサC1に充電される電圧の最大値を制限することができる。従って、無駄な電流を消費することが防止され、コンデンサC1に充電される最大電圧を耐電圧未満に制限することができる。
According to the
図6は、上記の充電電池1、11、21の外観図の一例を示し、電池の代替として電池ホルダーに挿入可能な筐体内に上記の充電電池1、11、21の回路を収め、外部充電手段によって充電が可能となるよう充電入力コネクタを設けた形状を特長としている。
FIG. 6 shows an example of an external view of the
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。 As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these embodiment.
本発明は、電子機器の充電電池として好適に採用され得る。 The present invention can be suitably employed as a rechargeable battery for electronic devices.
1 充電電池
2 充電手段
3 デプレッション型FET
4 デプレッション型FET
11 充電電池
21 充電電池
22 三端子レギュレータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
4 Depletion type FET
11
Claims (5)
前記充電手段によって充電される第1コンデンサと、
第1抵抗と、
ドレインが前記第1コンデンサの正極に接続され、ソースが前記充電電池の正極出力端子と第2コンデンサの正極とに接続され、ゲートが前記第1抵抗を介して前記ソースに接続されている第1デプレッション型FETと、
正極が前記第1デプレッション型FETのソースと前記充電電池の正極出力端子とに接続され、負極が前記充電電池の負極出力端子に接続され、前記第1デプレッション型FETのソースからの電流によって充電され、前記充電電池の出力電圧を生成する前記第2コンデンサと、
一端が前記第1デプレッション型FETのゲートに接続され、他端が前記充電電池の負極出力端子に接続されている第1電圧電流非線形素子とを備える、充電電池。 A rechargeable battery that charges an output voltage to a capacitor according to a voltage supplied from a charging means,
A first capacitor charged by the charging means;
A first resistor;
The drain is connected to the positive electrode of the first capacitor, the source is connected to the positive electrode output terminal of the rechargeable battery and the positive electrode of the second capacitor, and the gate is connected to the source via the first resistor. A depletion type FET,
The positive electrode is connected to the source of the first depletion type FET and the positive output terminal of the rechargeable battery, the negative electrode is connected to the negative output terminal of the rechargeable battery, and is charged by the current from the source of the first depletion type FET. The second capacitor for generating the output voltage of the rechargeable battery;
A charging battery comprising: a first voltage-current nonlinear element having one end connected to the gate of the first depletion type FET and the other end connected to a negative output terminal of the charging battery.
ドレインが前記充電手段の正極出力端子に接続され、ソースが前記第1デプレッション型FETのドレインと前記第1コンデンサの正極とに接続され、ゲートが前記第2抵抗を介して第2デプレッション型FETのソースに接続されている前記第2デプレッション型FETと、
一端が前記第2デプレッション型FETのゲートと前記第2抵抗の一端とに接続され、他端が前記第1デプレッション型FETのソースと前記第1コンデンサの正極とに接続されている第2電圧電流非線形素子とをさらに備える、請求項1または2に記載の充電電池。 A second resistor;
The drain is connected to the positive output terminal of the charging means, the source is connected to the drain of the first depletion type FET and the positive electrode of the first capacitor, and the gate is connected to the second depletion type FET via the second resistor. The second depletion type FET connected to the source;
A second voltage current having one end connected to the gate of the second depletion type FET and one end of the second resistor, and the other end connected to the source of the first depletion type FET and the positive electrode of the first capacitor. The rechargeable battery according to claim 1, further comprising a non-linear element.
前記充電手段によって充電される第1コンデンサと、
入力端子が前記第1コンデンサの正極に接続され、出力端子が前記充電電池の正極出力端子と第2コンデンサの正極とに接続され、第3端子が前記充電電池の負極出力端子に接続されている三端子レギュレータと、
正極が前記三端子レギュレータの出力端子と前記充電電池の正極出力端子とに接続され、負極が前記充電電池の負極出力端子に接続され、前記三端子レギュレータからの電流によって充電され、前記充電電池の出力電圧を生成する前記第2コンデンサと、
第2抵抗と、
ドレインが前記充電手段の正極出力端子に接続され、ソースが前記三端子レギュレータの入力端子と前記第1コンデンサの正極とに接続され、ゲートが前記第2抵抗を介して第2デプレッション型FETのソースに接続されている前記第2デプレッション型FETと、
一端が前記第2デプレッション型FETのゲートと前記第2抵抗の一端とに接続され、他端が前記三端子レギュレータの出力端子と前記第2コンデンサの正極とに接続されている第2電圧電流非線形素子とを備える、充電電池。 A rechargeable battery that charges an output voltage to a capacitor according to a voltage supplied from a charging means,
A first capacitor charged by the charging means;
The input terminal is connected to the positive electrode of the first capacitor, the output terminal is connected to the positive electrode output terminal of the charging battery and the positive electrode of the second capacitor, and the third terminal is connected to the negative electrode output terminal of the charging battery. A three-terminal regulator;
The positive electrode is connected to the output terminal of the three-terminal regulator and the positive electrode output terminal of the charging battery, the negative electrode is connected to the negative electrode output terminal of the charging battery, and is charged by the current from the three-terminal regulator. The second capacitor for generating an output voltage;
A second resistor;
The drain is connected to the positive output terminal of the charging means, the source is connected to the input terminal of the three-terminal regulator and the positive electrode of the first capacitor, and the gate is the source of the second depletion type FET via the second resistor. The second depletion type FET connected to
A second voltage-current nonlinearity in which one end is connected to the gate of the second depletion type FET and one end of the second resistor, and the other end is connected to the output terminal of the three-terminal regulator and the positive electrode of the second capacitor. A rechargeable battery comprising the element.
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JP2019071608A (en) * | 2017-10-10 | 2019-05-09 | イクシス・リミテッド・ライアビリティ・カンパニーIxys, Llc | Self-powered electronic fuse |
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