JP5229554B2 - バッテリー充電器 - Google Patents
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Description
このような鉛シールバッテリーは、例えば、停電などで主電源が遮断された際の電子機器のシステム保全を行うための緊急避難用電源として充電状態に常に保たれるスタンバイ用途や、AC電源の無い場所で電子機器の主電源として充放電を繰り返すサイクル用途として使用されている。
例えば、バッテリー電圧がほぼ0Vで最大充電電流を超えないように回路定数を設定した場合、最大充電電流で充電すると、充電に応じてバッテリー電圧は上昇するが、バッテリー電圧が上昇すると、充電電流は減少する。充電電流が減少すると、充電する電荷量は減少し、充電に要する時間が長くなる問題がある。
一方、トランジスタを流れる電流は、入力電圧/(トランスの一次巻き線のインダクタンス)×ON時間となり、ON時間または入力電圧に比例して大きくなる。そのため、増加する電流を電流検出抵抗で電圧降下として検出する。
いま、この電流検出抵抗の電圧降下が大きくなると、トリガ回路を構成する並列回路のコンデンサを充電する電圧が持ち上げられる。すると、前記コンデンサを第一の抵抗と第一のツェナーダイオードを通して充電する時間がトランジスタを流れる電流に比較して短くなる。こうすることで、スイッチング手段が速くONするようにして、トランジスタのON時間を短くし、電流を減少させることができる。こうして、従来の出力電圧−出力電流特性で、二次側出力電圧の低下に伴う出力(充電)電流の増加分(右下がりの部分)が流れないように規制する(相殺する)ことで、充電電流を垂下特性にする。
さらに、第四の抵抗を通して短時間で制御端子の入力容量を充電してONさせることができる。このとき、制御端子の電圧の上昇は第三のツェナーダイオードで規制されるので、過充電することはない。
一方、第三のツェナーダイオードは、トランジスタがOFFしたときの制御端子の過電圧保護もできる。
また、トランジスタがOFFした際に、トランスの制御巻き線には、出力電圧との巻き線比に比例する電圧が発生し、発生した電圧によってトランジスタの制御端子には逆極性(マイナス)の電圧が印加される。このとき、第三のツェナーダイオードが導通してクランプすることで、前記トランジスタの制御端子を過電圧から保護することもできる。
前記第二の直列回路は、一方をトランスT1の一次巻き線M1と直流電源VIN間に接続し、他方を前記FET30のゲート端子Gに接続してある。また、第三のツェナーダイオードZD3のカソード端子は前記FET30のゲート端子Gと接続し、そのツェナーダイオードZD3のアノード端子を電流検出抵抗R4と直流電源VIN間に(アースに)接続してある。
そして、他方の第二のツェナーダイオードZD2のカソード端子を前記第二の直列回路S2の第三の抵抗R1と第四の抵抗R7の接続点と接続し、アノード端子を電流検出抵抗R4と直流電源VIN間(アース)に接続した構成となっている。
さらに、第三のツェナーダイオードZD3により、ゲート駆動電圧(バイアス電圧)を前記FET30のドレイン〜ソース間の線形領域内に設定することで、ON/OFFのスイッチング速度を高速にすることができる。
加えて、前記FET30のゲート端子Gには、第三の抵抗R1と第二のツェナーダイオードZD2が生成するゲート電圧より低い電圧を印加することで、第四の抵抗R7を介してゲート端子Gの入力容量を短時間で充電することができる。このため、前記FET30のOFFの速度を高速にすることができる。このとき、この充電によってゲート電圧が上昇すると、上昇した電圧を第三のツェナーダイオードZD3がクランプして前記FET30を保護する。
同様に、第三のツェナーダイオードZD3は、前記FET30のゲート端子Gを制御巻き線M3のスパイク電圧から保護することもできる。
すなわち、前記FET30がOFFすると、制御巻き線M3には、逆向きの電圧(約Vout×N3/N2)が発生する。このとき、前記FET30のゲート端子Gには、ソース電位から見て逆極性(マイナス方向)の電圧が印加されるが、第三のツェナーダイオードZD3が順方向に導通して、ゲート電位をソース電位よりも約0.6V低い電圧でクランプする。このため、ゲート端子Gを逆極性の過電圧から保護することができる。
すなわち、前記トリガ回路SLは、第一の抵抗R9の一端と第一のツェナーダイオードZD1のカソード端子を接続した第一の直列回路S1のアノード端子と、コンデンサC4と抵抗R5を並列に接続した並列回路P1の他端を接続したものである。このトリガ回路SLは、第一の直列回路の抵抗R9の他端を、トランスT1の制御巻き線M3と制限抵抗R8との間に接続し、並列回路P1の一端を前記FET30と電流検出抵抗R4間に接続して、第一の直列回路と並列回路P1の接続点をシャント用トランジスタ40のベース端子Bに接続してある。
V=Vin×N3/N1(V)
の電圧が生じ、第一の抵抗R9と第一のツェナーダイオードZD1を介してコンデンサC4を充電する。そして、充電されたコンデンサC4の電圧がシャント用トランジスタ40のベース端子Bの閾値(飽和電圧)を超えると、前記トランジスタ40がONして前記FET30のゲート端子Gを遮断して、前記FET30をOFFにする。
このとき、前記FET30の最大ON時間は、コンデンサC4、第一の抵抗R9の時定数によってコンデンサC4が充電されて、前記シャント用トランジスタ40がONするまでの時間である。
すなわち、前記FET30がOFFした際に、制御巻き線M3には、逆極性の電圧(約Vout×N3/N2)が発生する(N3/N2:一次、二次巻き線のターン数)。そのため、シャント用トランジスタ40のベース端子Bには、エミッタEから見て逆極性(マイナス)の電位が印加されることになる。このとき、この電圧は、前記保護ダイオードD2に対して順方向となるので、前記ダイオードD2が導通して、ベース電位をエミッタ電位より約0.6V低い電位にクランプして保護する。
また、半波整流出力Voutには、図1に示すように、基準電圧IC31を設けて前記出力Voutを入力するようにしてある。このIC31は、内部基準電圧と電圧比較手段を備えたもので、図1のように、分圧抵抗R14、R15を設けて、前記出力Voutを検出する。このように検出された出力Voutは、電圧比較手段によって基準電圧と比較され、比較出力を出力する。この出力はフォトカプラーPC1を介してシャント用のトランジスタ40のベース端子Bに接続して入力するようにしてある。その際、逆流防止用ダイオードD3を介して接続することにより、フォトカプラーPC1を保護するようになっている。
一方、出力(充電)Vout電圧が低下して、分圧抵抗R14とR15の電位が前記IC31の内部基準電圧より低くなると、前記IC31は動作せず、フォトカプラーPC1がOFFとなり、シャント用トランジスタ40は、前記FET30をOFFする動作(発振の停止)は行わず、発振させることで出力電圧を上昇させるように制御する。
Id=VIN/(M1のインダクタンス)×ON時間
で表され、ON時間または入力電圧に比例して大きくなる。このとき、前記FET30を流れるドレイン電流Idは電流検出抵抗R4での電圧降下(Id×R4)として検出され、規定以上のドレイン電流Idが流れれば抵抗R5を通して前記トランジスタ40をONし、前記FET30のゲート電荷を引き抜いてゲートを遮断し、前記FET30をOFFすることで、出力電流を減少させる。
ドレイン電流Idのピークの値
Idp=Vin/(M1のインピーダンス)×最大ON時間(A)
となり、
1/2×(M1のインダクタンス)×(ドレイン電流ピーク値Idp)2(J)
となって、一定値となる。
Vout=N1/N2×Idp×(M2のインダクタンス/OFF時間)
となり、Voutが低くなるのに応じてOFF時間が長くなる。
1/2×(M1のインダクタンス)×(ドレイン電流ピーク値Idp)2/(ON時間+OFF時間)(W)
なので、Voutが低くなればなるほど、OFF時間が長くなり、一次側に入力する電力が減少して、二次側に伝達する電力も減少し、Voutの低下に伴うIoutの増加分が相殺するように動作するが、完全には相殺されずに出力電流が徐々に大きくなる。
このとき、前記トランジスタ40が早くONして前記FET30をOFFにする電力分が、図2の破線(イ)で示すように、相殺できなかった出力電流Ioutを絞り込むように動作(制限)するため、出力電圧−出力電流特性は、図2のように、ほぼ垂下特性となる。
一方、出力(充電)Vout電圧が低下して、分圧抵抗R14とR15の電位が前記IC31の内部基準電圧より低くなると、前記IC31は動作せず、フォトカプラーPC1がOFFとなり、シャント用トランジスタ40は、前記FET30をOFFする動作(発振の停止)は行わず、発振させることで出力電圧を上昇させるように制御する。このように制御することで、出力電圧を一定に保持する。
仮に、駆動する負荷電力量が未知の場合でも、100%放電が放電量の最大値となるため、100%放電の場合の充電電流(定電流)と充電時間の特性が既知であれば、充電に要する時間の最大値が予測可能となる。
31 基準電圧IC
40 シャント用トランジスタ
50 半波整流回路
C4 コンデンサ
C5 カップリングコンデンサ
D2 ダイオード
G ゲート端子
M1 一次巻き線
M3 制御巻き線
P1 並列回路
R1 第三の抵抗
R4 電流検出抵抗
R5 第二の抵抗
R6 保護抵抗
R7 第四の抵抗
R8 制限抵抗
R9 第一の抵抗
S1 第一の直列回路
S2 第二の直列回路
Sc 起動回路
SL トリガ回路
T1 トランス
VIN 直流電源
VOUT 充電出力
ZD1 第一のツェナーダイオード
ZD2 第二のツェナーダイオード
ZD3 第三野ツェナーダイオード
Claims (4)
- トランス(T1)の一次巻き線(M1)と直流電源(VIN)間にスイッチング用トランジスタ(30)を直列に設け、前記トランジスタ(30)の制御端子(G)にカップリングコンデンサ(C5)を介してトランス(T1)の制御巻き線(M3)を接続し、一次巻き線出力を正帰還させるとともに、トランス(T1)の一次巻き線(M1)と直流電源(VIN)間に起動抵抗(Sc)の一端を接続し、起動抵抗(Sc)の他端を前記トランジスタ(30)の制御端子(G)とカップリングコンデンサ(C5)間に接続して、前記トランジスタ(30)と直流電源(VIN)間に電流検出抵抗(R4)を設け、その電流検出抵抗(R4)と直流電源(VIN)間と、前記トランジスタ(30)の制御端子(G)とカップリングコンデンサ(C5)間に、制御端子(B)を備えたシャント用のスイッチング手段(40)を並列に設け、
一方、トランス(T1)の二次巻き線(M2)にダイオード半波整流回路(50)を接続して、その整流出力(Vout)をバッテリー充電出力とするとともに、前記出力(Vout)を基準電圧と比較する電圧検出手段(31)を介して前記シャント用のスイッチング手段(40)の制御端子(B)に入力してトランジスタ(30)の制御端子(G)にフィードバックするバッテリー充電器に、
第一の抵抗(R9)の一端と第一のツェナーダイオード(ZD1)のカソード端子を接続した第一の直列回路(S1)のアノード端子と、第二の抵抗(R5)とコンデンサ(C4)を並列に接続した並列回路(P1)の他端を接続したトリガ回路(SL)を備え、
前記トリガ回路(SL)の第一の直列回路(S1)の抵抗の他端を、トランス(T1)の制御巻き線(M3)と接続し、並列回路(P1)の一端を上記トランジスタ(30)と電流検出抵抗(R4)間に接続して、第一の直列回路(S1)と並列回路(P1)の接続点をシャント用スイッチング手段(40)の制御端子(B)に接続したバッテリー充電器。 - 上記起動抵抗(Sc)を、第三の抵抗(R1)の一端と第四の抵抗(R7)の他端を接続した第二の直列回路(S2)と、第二及び第三の2個のツェナーダイオード(ZD2、ZD3)で構成し、
前記第二の直列回路(S2)の一方をトランス(T1)の一次巻き線(M1)と直流電源(VIN)間に接続し、他方を上記トランジスタ(30)の制御端子(G)とカップリングコンデンサ(C5)間に接続するとともに、前記制御端子(G)とカップリングコンデンサ(C5)間に第三のツェナーダイオード(ZD3)のカソード端子を接続して、アノード端子を電流検出抵抗(R4)と直流電源(VIN)間に接続し、一方、第二のツェナーダイオード(ZD2)のカソード端子を第二の直列回路(S2)の第三と第四の抵抗(R1、R7)の接続点と接続し、アノード端子を電流検出抵抗(R4)と直流電源(VIN)間に接続した請求項1に記載のバッテリー充電器。 - 上記トランジスタ(30)の制御端子(G)とシャント用スイッチング手段(40)間に保護抵抗(R6)を設けるとともに、上記カップリングコンデンサ(C5)と制御巻き線(M3)間に制限抵抗(R8)を設けた請求項1または2に記載のバッテリー充電器。
- 上記シャント用スイッチング手段(40)の制御端子(B)と、上記電流検出抵抗(R4)と直流電源(VIN)間に、カソード端子を前記制御端子(B)側にしてダイオード(D2)を接続した請求項1乃至3のいずれかに記載のバッテリー充電器。
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