(57)【要約】【課題】  電池動作する装置において、瞬時のピーク電流が流れた時、それに起因する電源変動により、電気装置の特性が劣化もしくは機能を停止することがある。  この現象は、とくに、低電圧動作のオーディオ再生装置において、音楽信号を再生した時増幅器の特性が劣化し問題となる。【解決手段】  瞬時のピーク電流対策として、電池に電気２重層コンデンサを並列接続する方法は従来から使われている。さらに、本発明においては、電気２重層コンデンサの内部抵抗値が、平均値電流値と瞬時ピーク電流値の関係で決まる値とすることにより、電源電圧の変動を抑えた。  さらに、電池を複数接続したことによる電池相互間の接触抵抗や引出し線の抵抗成分による電圧降下も、本発明により抑えることができる。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気装置に電流を供給する電池に電気２重層コンデンサを並列接続した電池電源回路において、前記電気２重層コンデンサの内部抵抗が、電池と電池に並列接続した電気２重層コンデンサを電源とする装置の平均出力電流を瞬時ピーク出力電流で除算した値と電池の内部抵抗を乗算した値以下であることを特徴とする電池電源回路。
【請求項２】
請求項１において、
電池に電気２重層コンデンサを複数並列接続もしくは直列接続もしくは直並列したことを特徴とする電池電源回路。
【請求項３】
請求項１において、
電池の内部抵抗には、電池内部抵抗の他に電池を接続した際生ずる電池端子間にある全ての等価直列抵抗成分を含むことを特徴とする電池電源回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、瞬時の電圧変動を抑制するための電気装置用電池電源回路に関する。
【背景技術】
【０００２】  電気２重層コンデンサは、電源の補完をする用途として、多く使われている（例えば、非特許文献１および２参照。）。
最も多く使われている例は、メモリーの記憶内容保持用電源である。これは、同じ形状の他のコンデンサに比べ、容量が３桁大きいことを利用し、電源オフ時に蓄積された電力をメモリーに供給し、データーを保持するものである。
また、電池動作の携帯機器や自動車にも使われている。一般に電気２重層コンデンサの内部抵抗は、電池の内部抵抗に比べて低いため、負荷が瞬時に大きな電流を要求すると、電気２重層コンデンサに蓄えられた電荷が供給され、電源の変動が抑えられる。例えば、自動車では、エンジンやモーターの始動時に極端な電圧降下があり、２次電池から電源供給を受ける他の電子機器の動作が一時的に停止する。
この時、電気２重層コンデンサは、２次電池の電力供給をサポートし、極端な電圧低下を少なくすことができる。  また、カメラでは、ストロボへの電源を電気２重層コンデンサから供給することにより、電池への負荷を軽減している（例えば、特許文献１参照。）。【０００３】  ここで、電池動作のオーディオ機器への電気２重層コンデンサへの応用をみてみる。
ＣＤプレーヤー、ＭＤプレーヤーなど電池で動作する携帯用オーディオ機器があるが、それらの使われる増幅器の出力は小さく、電池で駆動しても何ら問題はない。  しかし、携帯用オーディオ機器と違い、大きなスピーカーをもつ据置きオーディオ機器を電池動作する時には問題がある。大きなスピーカーを駆動するためには、大きな出力が得られる増幅器を必要とし、増幅器の電源となる電池の能力が問題となる。【０００４】  電池の電力供給能力は近年飛躍的に向上し、２次電池で容量が２Ａ−ｈ〜７Ａ−ｈを越えるものも市販されている。この種の電池を増幅器の電源に使用すれば、据置きオーディオ機器のスピーカーを駆動するのは問題ない。例えば、出力電圧１．２ボルトのニッケル水素電池を４個直列接続して４．８ボルトとし、電力効率が８０％で、負荷がインピーダンス８Ωのスピーカーの増幅器では、約２．３Ｗの最大出力を得ることが出来る。この程度の出力があれば、口径が１５ｃｍ程度のスピーカーを駆動するのは十分で、家庭内の部屋では十分な音量が得られる。【０００５】  また、増幅器についても、デジタル式増幅器が登場し、その電力効率も９０％をこえるものも珍しくなくなった。デジタル式増幅器は、オーディオ信号でパルス信号を変調して、増幅器の出力段のスイッチング素子をオン、オフして出力を得るもので、電源電圧の利用効率が、従来のアナログ式増幅器に比べて優っている。
そこで、デジタル式アンプを据置きオーディオ機器に取り入れた電池駆動するオーディオ機器に関し、本発明者は新規なオーディオ装置を発明し、すでに出願済（特願２００３−１４８３６９；未公開）である。【０００６】  この据置きオーディオ装置は、オーディオ増幅器に音楽信号を入力した時、瞬時に現れるピーク出力による電源電圧の変動を軽減するため、電池に電気２重層コンデンサが並列接続されている。
【非特許文献１】ＣＱ出版社発行  トランジスタ技術２００１年４月号  ２５６〜２６０頁。
【非特許文献２】リード・ビジネス・インフォメーション社発行ＥＤＮ  Ｊａｐａｎ２００３．４  ４９〜５５頁
【特許文献１】特開２００１−３１３０８４公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとしている課題】
【０００７】  電池に並列接続した電気２重層コンデンサは、瞬時の大電流対策には効果があるが、電池に並列接続しただけでは、僅かの電圧変動が特性に影響を与えるオーディオ用増幅器のような電子機器にとっては十分な効果を発揮しない。
例えば、オーディオ用増幅器とくにフィードバックのないデジタル式増幅器では、電源電圧の変動が増幅器の特性に大きな影響をあたえる。増幅器の入力となる音楽信号には大きな瞬時の変動があり、これが大きな電源変動をもたらすことになる。
大容量電池とデジタル式増幅器により、大きなスピーカーをもつ据置き型オーディオ装置の動作が可能となったが、上述のように依然として電池駆動による制約があり、増輻器の能力を十分に使えない面もある。本発明は斯かる問題を解決するものである。
【０００８】  音楽信号を入力とするオーディオ増幅器の電源は、通常時の平均値と瞬時のピーク電流を供給しなければならない。この平均電流とピーク電流の比ピークファクタは、ＣＤを音源とするとき、１０ｄＢ〜１５ｄＢ（最大約５．６倍）と言われている。
ここで、オーディオアンプの電源として、前述の電池を用いると、ピーク電流が流れた時、電池の内部抵抗による電源電圧降下が生じ、増幅器の特性が損なわれることになる。
この電源電池の変動の様子は図３に示す通りである。とくに、低電圧電池動作のアンプでは、あまり電源電圧を高く出来ない制約もある。例えば、市販されているニッケル水素乾電池の電圧は１．２Ｖで、この電池により５Ｖ動作のデジタル式増幅器を動作させるためには、少なくとも４個の電池を必要とする。また、より高電圧とするため、多くの電池を直列接続すると、電池の内部抵抗が増し、電池相互間の接触抵抗もそれに加わり、より一層の電圧降下の原因になる。
【０００９】  電池電源電圧を低くすると、ピーク電流時の電源電圧降下が図３に示す増幅器の最低動作電圧Ｖｍを下回り、増幅機能が瞬断することも生じる。
上述したように大きな出力を必要とする増幅器を電池駆動すると、電池のもつ大きな内部抵抗による電圧降下が増幅器の本来の機能を制限し、正確に音源信号を再生出来ないことになる。
【００１０】  例として、市販されている大電流放電が可能な１．２Ｖニッケル水素電池の内部抵抗は約２０ｍΩである。この電池により、電源電圧が５±０．５Ｖで動作するデジタル式アンプを動作させるためには、４個の１．２Ｖニッケル水素電池を直列に接続しなければならない。電池を直列接続したことにより、電池の内部抵抗は約８０ｍΩになる。
平均出力時の増幅器への供給電流を０．５Ａとすると、その時、電池の電圧降下は、０．５Ａ×８０ｍΩ＝４０ｍＶであるが、ピーク出力時の電圧降下は約５倍の２．５Ａの瞬時電流が流れ２００ｍＶになる。  実際には、この電圧降下だけでなく、電池間の接続による接触抵抗や引出し線の抵抗もさらなる電源電池の電圧降下をもたらす。この電池間接続により生ずる抵抗成分は、簡易なバネ式電池ホルダーでは、電池の内部抵抗以上の値になることも侭ある。
実測したところ、これら接触抵抗などを含めると抵抗成分は、約１３０ｍΩであった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】  上述した課題を解決するために、本発明では、電池と電気２重層コンデンサを並列に接続して、増幅器への瞬時ピーク電流を電気２重層コンデンザより供給した。
ただ、電池に電気２重層コンデンサを並列接続しただけでは、問題の解決は出来ない。
電池と同様に電気２重層コンデンサにも内部抵抗があり、この抵抗値が高いと電池の場合と同じで、電源電圧降下の改善にはならない。
【００１２】  そこで、増幅器のピーク電流による電圧降下に注目し、電気２重層コンデンサの内部抵抗による電圧降下が、平均値電流による電圧変動以内収まるような電気２重層コンデンサを用いた。
電気２重層コンデンサを電池に並列接続せず、電池のみから装置に電源を供給した時のピーク電流による電源電圧降下は、電池の内部抵抗にピーク電流を乗算した電圧値である。
一方、電気２重層コンデンサを接続したときのピーク電流による電圧降下は、ピーク電流に電気２重層コンデンサの内部抵抗を乗算した電圧値である。すなわち、後者の電圧値が平均出力時の電圧変動値以下であれば、問題はない。
本発明では、電気２重層コンデンサの内部抵抗が上記の関係の関係となる電気２重層コンデンサを選定することにより問題を解決した。
【発明の効果】
【００１３】  上述したように、本発明によれば、電源の変動による特性変動がある装置の電源に電池と瞬時電流を供給できる電気２重層コンデンサを接続するとき、その内部抵抗が装置の要求する瞬時のピーク電流と平均値電流に見合った値とすれば、ピーク電流による電源変動を抑え込む効果がある。さらに、電池相互間の接触抵抗や引出し線による抵抗成分があっても、これによる変動も抑え込むことができる。
【００１４】  とくに、従来の低電圧電池動作のオーディオ用増幅器は、ピーク出力による、出力のクリッピングや電源電圧の変動による増幅器特性の劣化が問題となったが、本発明により、この問題は解消される効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】  以下、本発明を適用した一実施形態の増幅器用電源回路について図面を参照しながら説明する。  図１は、電流容量の大きい１．２Ｖのニッケル水素乾電池２０を４個直列にした電池電源で、それぞれの電池には抵抗値ｒｏの内部抵抗３０も直列に接続されている。
直列接続された電池は、３個直列接続した耐圧が２．３Ｖの電気２重層コンデンサ４０に接続されている。電気２重層コンデンサにもそれぞれ抵抗値ｒｃの内部抵抗５０があるため、これらも電気２重層コンデンサに直列接続されている。直列接続した電気２重層コンデンサには、均等に電圧が加わるよう３個の高抵抗値の分割抵抗６０が、それぞれに並列接続されている。なお、コンデンサへの印加電圧の均等化は、上述の方法だけでなく、半導体のスイッチとコンパレータなどにより、自動的にコンデンサの端子間電圧を設定することも出来る。【００１６】  電池、電気２重層コンデンサ、分割抵抗から構成される電池電源１０は、負荷となる出力が２Ｗクラスの第１のオーディオ増幅器７０に接続されている。
音楽信号を入力しているときのオーディオ増幅器７０の出力は、図３に示すほぼ変動範囲が一定の平均出力電圧Ｖａと一時的に大出力となるピーク出力電圧Ｖｐになる。この平均出力電圧と瞬時出力電圧の比はピークファクタと呼ばれ、ＣＤを音源とする場合、１２〜１５ｄＢである。ここで、平均出力時の電源からの供給電流をＩａ、ピーク出力時の供給電流をＩｐとする。ここで、コンデンサを電池に接続せず、電池のみより増幅器に電源を供給しているとすると、ピークファクタの関係から、Ｉｐ／Ｉａ＝１５ｄＢ≒５．６２となる。コンデンサを電池に並列接続した状態では、ピーク電流はコンデンサより供給される訳であるが、コンデンサの内部抵抗と電池の内部抵抗の間には一定の関係が必要である。コンデンサからピーク電流Ｉｐが供給されたとすると、コンデンサの内部抵抗Ｒｃ＝３ｒｃによる電圧降下は、Ｉｐ×Ｒｃとなる。
この電圧降下が、電池の内部抵抗Ｒｏ＝４ｒｏによる平均出力時の電圧降Ｉａ×Ｒｏ以下であれば問題はない。
すなわち、
ＩｐＲｃ≦ＩａＲｏ      ∴  Ｒｃ≦Ｉａ／Ｉｐ×Ｒｏ…（１）
となる。
すなわち、コンデンサの等価内部抵抗値が、平均電流値をピーク電流値で除算した値と電池の内部抵抗を乗算した値以下であればよい。【００１７】  ここで、電気２重層コンデンサによる効果を検証して見る。
まず、５Ｖで２．５Ａ流れる回路の電力Ｗを検証してみると、Ｗ＝５Ｖ×２．５Ａ＝１２．５Ｗとなる。
一方、並列する電気２重層コンデンサのエネルギーＷｃは、
Ｗｃ＝１／２×ＣＶ２    …（２）
となる。
ここで、Ｃは電気２重層コンデンサの容量で、その耐圧は２．３Ｖなので、５Ｖの耐圧を得るには３個を直列にする必要がある。コンデンサの容量が３０Ｆのものを使えば、トータルの容量Ｃは１０Ｆとなる。したがって、  これらを（２）に代入すると  Ｗｃ＝１／２×１０Ｆ（５Ｖ）２＝１２５Ｗ  となる。
したがって、全エネルギーは、１２５Ｗ÷１２．５Ｗ＝１０倍の能力がある。１０Ｆの電気２重層コンデンサのエネルギーは負荷に対して十分あるが、この間にコンデンサの容量は次式により、対数的に低下して行く。
Ｖ＝Ｖ０ｅｘｐ（−ｔ／ＣＲ）…（３）
ここで、Ｖはコンデンサの端子電圧、Ｖ０は開始電圧、ｔは経過時間、Ｃは容量、Ｒは負荷抵抗。しかし、電気２重層コンデンサは、ピーク電流が流れない期間に電池より充電されるので、時間経過による電圧降下は、ほとんどない。
この時、条件として回路に５Ａの電流が流れたとき、コンデンサの電圧降下が４０ｍＶ以内とし、この時間を（３）式により計算してみると、
ｔ＝Ｃ（Ｖ０−Ｖ）／Ａ＝１０Ｆ（４０ｍＶ）／２．５Ａ＝１６０ｍ秒となる。
したがって、４０ｍＶ電圧降下する時間は１６０ｍ秒まで保証できるということになる。この時間は、オーディオ信号の瞬時の時間的変化を補償するの十分である。これにより、オーディオ信号の瞬時的な大きな変化は、４０ｍＶ以内に抑え込むことが出来る。【００１８】  これを実証するための実験では、５Ｖ動作のデジタル式増幅器に図１の電池電源回路を用いた。なお、コンデンサには容量が５０Ｆの電気２重層コンデンサを３個直列接続し、１７Ｆとした。なお、電気２重層コンデンサの内部抵抗は１０ｍΩ×３＝３０ｍΩである。一方、電池の内部抵抗は相互接続のための接触抵抗も含め、１３０ｍΩである、まず、電気２重層コンデンサを接続しない状態での平均出力時電源電圧変動は４０ｍＶ、ピーク出力時電源電圧変動は１１０ｍＶであったのに対して、電気２重層コンデンサを接続した状態では、ピーク出力時電源変動も４０ｍＶ以内に抑え込まれることが観測された。【００１９】  上記実施形態では、電池とコンデンサに電圧の低いもので説明したが、定格電圧がもっと高いものを使ってもよい。なお、電源ユニットの出力電圧は、市販の出力が２Ｗ程度のデジタルアンプの動作電圧が５±０．５Ｖに合せたもので、特別な意味は無い。【００２０】  なお、本発明は上記実施形態に限定されるのではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変更実施が可能である。
例えば、電源ユニットの電池、コンデンサの組合せは、その都度の用途により変更できるものである。電池については、ニッケル水素イオン電池だけでなく、リチウム・イオン電池もしくは燃料電池などの２次電池、もしくは１次電池もしくは２次電池と太陽電池の併用でも可能である。【００２１】  さらに、電池の端子との接触抵抗、電池からの引出し線や電池ヒューズなどの抵抗成分もあるが、これも電池の内部抵抗を構成するものとすれば、本発明を同様に適用できる。【００２２】  図２は、本発明による第２の実施形態で、第１の実施形態と同じ動作をするブロックには、図１と同じ記号を付した。
図２は、コンデンサの内部抵抗をより一層低くするために、第１の実施形態で使った直列接続したコンデンサ郡と同じものを並列接続したものから構成される電池電源１１と、オーディオ増幅器７０である。これにより、コンデンサの容量は半分になるが、数１０Ｆ以上の電気２重層コンデンサを使用すれば、容量的には問題なく構成できる。【００２３】  実施形態は、電池電源の負荷として、オーディオ用増幅器としたが、本発明は電源変動による負荷となる機器の特性変動が厳しく抑えられている電気装置にも適用出来ることは明らかで、本特許の範疇に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１実施形態の増幅器用電池電源回路の構成を示す図である。
【図２】第２実施形態の増幅器用電池電源回路の構成を示す図である。
【図３】増幅器用電池電源回路の電源電圧変動を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】１０  増幅器用電池電源回路
１１  増幅器用電池電源回路
２０  電池
３０  電池の内部抵抗
４０  電気２重層コンデンサ
５０  電気２重層コンデンサの内部抵抗
６０  分割抵抗
７０  オーディオ増幅器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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