JPH09121467A - ２次電池の充電装置及びこれを用いた電気機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な回路構成にすることにより、小型で安
価な充電装置を容易に形成できるようにする。 【解決手段】 プラグ１１を介して入力された交流電圧
を整流して回路の電源とする電源回路２と、電源回路２
で得られた電源電圧を所定のタイミングで導通または遮
断するためのスイッチング素子３と、スイッチング素子
３により電源電圧が遮断されたときに逆起電力を発生す
るインダクタンス素子４と、充電すべき電池５に流れる
充電電流を検出するための電流検出回路６と、電流検出
回路６の出力結果に応じてスイッチング素子を制御する
駆動回路７と、発生した逆起電力による電流が流れると
きの充電路を形成するダイオード２２と、充電電流に対
する充電電圧の特性を垂下型の特性にするための特性改
善回路８と、から構成され、端子Ｔ１と端子Ｔ２との間
には２次電池５が接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はコードレス電話器、
電気髭剃り器、電動歯ブラシ、ＶＴＲカメラ等の電気機
器に用いられるニッケル・カドミニウム電池、ニッケル
・水素電池及びリチウムイオン電池等の２次電池を充電
するための充電装置に関し、詳しくはその回路構成に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、充電して繰り返し使用可能で経済
性の高い２次電池を電源として使用する電気機器も多
く、その２次電池を充電するための充電装置が幾つも提
案されている。この中で、充電装置を前述のような電気
機器に組み込む必要がある場合には、小型で軽量な充電
装置が必要となるので、形状が大きく重い低周波トラン
スを用いないで済むとともに、効率よく充電が行える充
電装置が要望されている。図４はその一例で、小型な高
周波トランスを用いるとともに、ＭＯＳトランジスタに
より１次電圧をパルス幅変調（以下「ＰＷＭ」と称す）
方式で制御しながら２次電圧及び充電電流を調整するよ
うな充電装置の構成を示している。

【０００３】図４の充電装置１ｃは、プラグ１１を介し
て入力された交流電圧（いわゆる商用電源）をスイッチ
ングするためのＭＯＳ型トランジスタ５７が高周波型の
トランス５０の一次側に直列に接続されている。一方、
トランス５０の２次側には、整流のためのダイオード５
１と、複数個の充電すべき２次電池からなる電池５と、
電池５に流れる充電電流を検出するための抵抗５３とが
直列に接続されて充電路を形成している。トランス５０
の２次側の一端にはダイオード５１のアノードが接続さ
れ、同２次側の他端とダイオード５１のカソードとの間
には整流された電圧を平滑するための電解コンデンサ５
２が接続されている。

【０００４】また、電池５に流れる充電電流により生じ
る電圧を検出するためのＡ／Ｄ変換器５４が抵抗５３の
両端に接続され、その出力は充電電流値に応じてトラン
ス５０の１次側の電圧入力を制御するための制御信号を
発生する１チップマイコン等の制御装置５５と、制御装
置５５からの制御信号に応じてＰＷＭ方式の駆動信号で
トランジスタ５７のゲート電圧を駆動するためのＰＷＭ
回路５６とが接続されている。尚、Ａ／Ｄ変換器５４、
制御装置５５及びＰＷＭ回路５６の各構成は文献等に示
されている種々の回路を使用することができるととも
に、１つの半導体装置として形成される場合もある。

【０００５】このような構成により、制御装置５５に予
め設定された電流値と電池５の充電電流とを比較し、充
電電流が設定電流値以下であればトランジスタ５７のＯ
Ｎ時間を長くし、設定電流値以上であればＯＮ時間を短
くするようにＰＷＭ制御すれば、一定の充電電流で２次
電池を充電することができるようになっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図４に
示した従来の充電装置は、回路規模の大きなＡ／Ｄ変換
器、制御装置及びＰＷＭ回路等を各々集積した半導体装
置を用いるか、これらを１つに集積した多ピンの半導体
装置を用いているので、各半導体装置を小型且つ安価に
形成することができないとともに、各部品の占有面積が
大きくなってこれ等を搭載する製品の外形形状が制限さ
れてしまうという問題がある。

【０００７】そこで本発明はこれらの問題を解決し、簡
単な回路構成にすることにより、小型で安価な充電装置
を容易に形成できるようにすることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述の問題を解決するた
めに、請求項１の記載に係わる充電装置は、交流電圧を
整流する整流回路を有し、整流された電圧で２次電池を
充電する充電装置において、２次電池の充電路に直列接
続されたスイッチング素子と、２次電池に流れる充電電
流を検出するための電流検出回路と、電流検出回路の検
出結果に応じてスイッチング素子を導通及び遮断するた
めの駆動回路と、スイッチング素子が遮断されたときに
インダクタンス素子の逆起電力による電流が流れる充電
路を形成するためのダイオードと、充電電流に対する充
電電圧の特性を垂下型にするための特性改善回路とを具
備することを特徴とする。また、請求項２の記載に係わ
る電気機器は、請求項１に記載の充電装置を用いている
ことを特徴とする本発明のような充電装置の回路構成を
とることにより、請求項１の記載に係わる充電装置は、
簡単な回路構成なので、小型で安価な電子部品またはこ
れらを１つに集積化した半導体装置を使用して充電装置
を形成できるようになる。また、請求項２の記載に係わ
る電気機器は、小型で安価な充電装置を使用して製品を
形成できるようになる。

【０００９】

【実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１乃至図
３に示す回路図を参照しながら詳細に説明する。尚、本
発明の充電装置により充電することができ、ＶＴＲカメ
ラ等の機器の電源として使用されるニッケル・カドミニ
ウム電池、ニッケル・水素電池及びリチウムイオン電池
等の電池を２次電池と称し、通常は１個乃至数個の２次
電池が直列または並列に接続されて一括して充電され
る。また、本明細書では全図面を通して同一または同様
の回路要素には同一の符号を付して重複する説明を省略
している。

【００１０】図１は、２次電池を使用する機器本体とは
別体の充電装置を用いて２次電池を充電した後に、充電
装置から取り外した２次電池を機器本体に取り付けて使
用するＶＴＲカメラ等の充電装置に、充電すべき２次電
池が接続された場合の回路を示している。その構成とし
ては、プラグ１１を介して入力された交流電圧（いわゆ
る商用電源）を半波整流して回路の電源とするための絶
縁型の電源回路２と、電源回路２で得られた電源電圧を
所定のタイミングで導通または遮断（以下「スイッチン
グ」と称す）するためのスイッチング素子３と、スイッ
チング素子３により電源電圧が遮断されたときに逆起電
力を発生するインダクタンス素子４と、充電すべき電池
５に流れる充電電流を検出するための電流検出回路６
と、電流検出回路６の出力結果に応じてスイッチング素
子の駆動を制御するための駆動回路７と、発生した逆起
電力による電流が流れるときの充電路を形成するダイオ
ード（「フライホイールダイオード」という）２２と、
２次電池の充電電流が所定の電流値以上になると充電電
圧が急激に低下する垂下型の特性にするための特性改善
回路８と、から構成されている。

【００１１】各回路の構成について更に詳しく説明す
る。電源回路２は１次側が交流電源にプラグ１１を介し
て接続されて変圧を行うトランス１２と、トランス１２
の２次側の一端にアノードが接続されて交流電源を半波
整流するためのダイオード１３と、ダイオード１３のカ
ソードに正極側が接続されるとともにトランス１２の２
次側の他端に負極側が接続されて半波整流された電圧を
平滑するための電解型のコンデンサ１４とから構成され
ている。尚、以下の説明においては、コンデンサ１４の
正極側の電圧を電源電圧、コンデンサ１４の負極側を基
準電位（ＧＮＤ）と称して説明する。

【００１２】スイッチング素子３はエミッタが電源電圧
に接続されるとともに、コレクタがインダクタンス素子
４に接続されたＰＮＰ型のトランジスタ１５から構成さ
れ、インダクタンス素子４はフェライトやアモルファス
等のコアにコイルが巻かれた構成をしている。また、電
流検出回路６は電池５に流れる充電電流を電圧に変換す
るための抵抗２４と、抵抗２４の電池５側にベースが接
続され、基準電位にエミッタが接続されてコレクタ出力
により駆動回路７の動作を制御するためのＮＰＮ型のト
ランジスタ２３とから構成されている。更に、駆動回路
７はトランジスタ１５のベースに抵抗１８を介してコレ
クタが接続されるとともに、基準電位に抵抗１９を介し
てエミッタが接続され、電源電圧に抵抗１６を介してベ
ースが接続されたＮＰＮ型のトランジスタ１７から構成
され、特性改善回路８は直列接続された抵抗２０及びダ
イオード２１から構成されている。

【００１３】上述の各回路間の接続について説明する。
電源電圧はトランジスタ１５のエミッタに接続され、ト
ランジスタ１５のコレクタ側（図１の配線Ｌ）はインダ
クタンス素子４を介して端子Ｔ１に接続され、端子Ｔ２
は抵抗２４を介して基準電位に接続されている。また、
電流検出回路６のトランジスタ２３のコレクタ出力は駆
動回路７のトランジスタ１７のベースに接続されるとと
もに、特性改善回路８を介して配線Ｌに接続されてい
る。更に、基準電位もインダクタンス素子４の逆起電力
による充電電流が流れる充電路を形成するためのダイオ
ード２２を介して配線Ｌに接続されている。

【００１４】次に、本発明の充電動作について説明す
る。まづ、充電装置１ａの端子Ｔ１とＴ２の間に所定個
数の２次電池が直列または並列に接続された電池５を接
続し、プラグ１１を交流電源に接続すると、電源回路２
により半波整流及び平滑された電源電圧Ｖ１が以降の回
路に印加される。この電源電圧印加により、トランジス
タ１７が導通（ＯＮ）するとトランジスタ１５が導通さ
れ、インダクタンス４を介して電池５及び電流検出回路
６に充電電流が流れるようになる。この時、トランジス
タ１７のベースにはダイオード２１及び抵抗２０を介し
て正帰還がかかっているので、トランジスタ１５は急速
に飽和及び導通する。電流検出回路６に充電電流が流れ
て抵抗２４の両端に所定の電圧が発生してトランジスタ
２３が導通すると、トランジスタ１７のベース電圧が低
レベルになるのでトランジスタ１７が遮断（ＯＦＦ）
し、トランジスタ１５が遮断される。この時、インダク
タンス素子４には逆起電力が発生するので、この逆起電
力により電池５、抵抗２４及びダイオード２２を介して
充電電流が流れ続ける。このように、電池５はスイッチ
ング素子３を介して流れる電源回路２からの電流による
充電だけでなく、インダクタンス素子４に発生した逆起
電力によって流れる電流によっても充電される。

【００１５】逆起電力が低下して充電電流が減少すると
ともに抵抗２４に発生する電圧も低下すると、やがてト
ランジスタ２３が遮断するようになる。しかし、配線Ｌ
の電圧はダイオード２２の順方向電圧（ＶF （Ｖ））分
だけ低い電圧になっていて、ダイオード２１を介してト
ランジスタ１７のベース電圧は概ね基準電位になってい
るので、トランジスタ１７は遮断されたままとなり、逆
起電力による充電電流が流れ続ける。逆起電力及び出力
電流が更に減少して順方向電圧（一般的に０．６Ｖ乃至
１．２Ｖ）により規定される電流（「順方向電流」とい
う）以下になるとダイオード２２の順方向電圧も低下し
てくるので、トランジスタ１７のベース電圧が上昇して
トランジスタ１５が再び導通するようになる。以上のよ
うな動作サイクルを繰り返しながら電池５を鋸波状の電
流で充電することにより２次電池の充電が行なわれる。

【００１６】充電が完了すれば、端子Ｔ１及びＴ２から
２次電池を取り外して、所定の機器に装着するようにし
て使用する。この回路構成による充電電流のピーク値は
２次電池の端子電圧の影響を受けないので、安定した平
均の充電電流（電流のピーク値／２）を得ることができ
る。尚、充電電流はコンデンサ１４の両端間の電源電圧
をＶ１（Ｖ）、電池５の両端間の電圧をＶE （Ｖ）、抵
抗２４の両端間の電圧をＶｂｅ（Ｖ）、インダクタス素
子４のインダクタンスをＬ（Ｈ）、逆起電力によるダイ
オード２２の順方向電圧をＶF （Ｖ）、経過時間をΔｔ
（ｓ）とし、トランジスタ１５の飽和電圧を無視する
と、トランジスタ１５が導通しているときの充電電流ｉ
は式（１）で表され、トランジスタ１５が遮断されて逆
起電力により充電されているときの充電電流ｉ′は式
（２）で表される。

【００１７】

【数式１】 ｉ ＝（Ｖ１−（ＶE ＋Ｖｂｅ））×Δｔ／Ｌ ・・・（１）

【００１８】

【数式２】 ｉ′＝−（ＶE −（ＶF −Ｖｂｅ））×Δｔ／Ｌ ・・・（２） 図２は、図１の充電装置１ａにおける配線Ｌの電圧と、
インダクタンス素子４に流れる電流の波形の一例を示し
ている。尚、同図においてはリップル電圧等は省略して
いる。同図（ａ）のＶsat はトランジスタ１５の導通時
の飽和電圧を示し、ｔ１はスイッチング素子３の動作サ
イクルの周期時間を示し、同図（ｂ）の電流値は前述の
式（１）及び式（２）により示される値となっている。
充電電流や各定数の値としては、電池５の個数及び許容
電流等に応じて設定すれば良く、例えば、充電電流のピ
ーク値を数１００ｍＡ、動作サイクルの周期を数μｓ乃
至数１０μｓとするように、インダクタンス素子４のイ
ンダクタンスを数ｍＨ乃至数１０ｍＨ、抵抗２５の抵抗
値を数Ω、抵抗２４の抵抗値を数１０Ω程度に設定すれ
ば良い。

【００１９】図３は、本発明の他の実施の形態の回路図
を示し、機器本体に予め取り付けられた充電装置及び２
次電池を用いて充電した後に、充電装置から２次電池を
取り外さないでそのまま使用するコードレス電話器や電
気髭剃り器等の充電装置の回路を示している。その構成
としては、図１の実施の形態の電源回路２をトランスを
用いないで直接整流する非絶縁型の電源回路２ａに変更
するとともに、次のような回路が追加されている。即
ち、過電流が流れたときにヒューズ素子として溶断する
低抵抗値の抵抗２５と、内部回路等に異常電圧が印加さ
れたときにスイッチング素子３を遮断するように動作さ
せるためのツェナダイオード２７及びトランジスタ２６
からなる保護回路９と、電池５と並列にスイッチ２９を
介して接続されたモータ等の負荷３０と、電池５から負
荷３０へ電源電圧を供給するときに充電回路へ電流が逆
流するのを防止するためのダイオード２８とが追加され
た回路になっている。

【００２０】従って、充電のための基本回路は図１の場
合と同様であり、その充電動作は図１と同様となるの
で、詳細な構成及び動作の説明等は省略する。充電終了
後は、プラグ１１を非接続にしてスイッチ２９を導通さ
せることにより、そのままの状態で負荷３０に２次電池
５から電源電圧を負荷３０に供給することにより、負荷
３０を動作させることができるようになっている。

【００２１】尚、本発明は上述の実施の形態に限定され
るものではなく、例えば、図１と図３の実施の形態の回
路を任意に組み合わせることは勿論のこと、電源回路に
ダイオードブリッジ回路やセンタタップ付きトランス等
を用いた全波整流回路を用いるようにしたり、電源回路
に電源スイッチ回路を設けたり、動作状態表示用の表示
素子を設けたりしても構わない。また、電流検出回路は
電池部に流れる電流を検出できる回路構成ならば良く、
コンパレータ等を用いた回路構成で構わない。更に、バ
イポーラトランジスタを用いた回路の代わりにＭＯＳト
ランジスタを用いた回路構成にしたり、本発明の回路を
単品の電子部品を使用して形成したり、トランジスタ、
ダイオード及び抵抗による回路部分のみを１つに集積し
た半導体装置を用いるようにしても良い。

【００２２】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、請求項１
の記載に係わる充電装置は、小型で安価な電子部品また
はこれらを１つに集積化した半導体装置を使用して充電
装置を形成できるようになるので、小型且つ安価な充電
装置を容易に形成できるという効果がある。また、請求
項２の記載に係わる電気機器は、小型で安価な充電装置
を使用して製品を形成できるようになるので、製品の外
形形状の制限が少なくなるとともに、製品の単価を低減
できるようになるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す回路図、

【図２】本発明の第１の実施の形態の主要部の動作波形
を示すタイミング図、

【図３】本発明の第２の実施の形態を示す回路図、

【図４】従来の構成例を示す構成図である。

【符号の説明】

１ａ：２次電池の充電装置 ２ ：電源回路 ３ ：スイッチング素子 ４ ：インダクタンス素子 ５ ：２次電池（電池） ６ ：電流検出回路 ７ ：駆動回路 ８ ：特性改善回路 ２２：（フライホイール）ダイオード

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流電圧を整流する整流回路を有し、整
   流された電圧で２次電池を充電する充電装置において、
   前記２次電池の充電路に直列接続されたスイッチング素
   子と、前記２次電池に流れる充電電流を検出するための
   電流検出回路と、前記電流検出回路の検出結果に応じて
   前記スイッチング素子を導通及び遮断するための駆動回
   路と、前記スイッチング素子が遮断されたときに前記イ
   ンダクタンス素子の逆起電力による電流が流れる充電路
   を形成するためのダイオードと、充電電流に対する充電
   電圧の特性を垂下型にするための特性改善回路とを具備
   することを特徴とする充電装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の充電装置を用いている
   ことを特徴とする電気機器。