绿色电源在石英钟上的应用探讨

1 元件说明

电路是由太阳能电池板、超级电容、电荷泵、肖特基二极管四大核心部件构成。

(1)太阳能电池板材料为多晶硅，尺寸长60mm、宽44mm、厚3mm；输出电参数：工作电压5.5V、工作电流60mA、额定功率0.33W，见图1。

(2)超级电容参数为120F／2．3V，其特点是充电快、寿命长、效率高、容量大、温度适应性好，另外生产、使用、储存、拆解各个环节均无污染，见图2。

(3)电荷泵LM2788-2．0是一种8脚降压式电荷泵DC／DC变换器。输入2．6V～5．5V，输出2．0V。该变换器主要特点：输出电压精度分别为：2．0V±5％、输出电流可达120mA；最高转换效率可达90％；低功耗，工作电流32μA；有关闭控制，关闭状态时耗电仅0．1μ；有过热及短路保护，见图3。

(4)肖特基二极管1N5819特点是电流大(1A)，压降低(0．3V)，耐压高(40V)，见图4。

2 电路工作原理

将石英钟悬挂在室内光线明亮的地方。电路原理图，见图5。

白天室内光线漫射在太阳能电池板上，产生电流，经电荷泵LM2788-2．0变换后输出2．0V的电压；再经肖特基二极管1N5819隔离后一方面向石英钟供电，另一方面向超级电容充电(电容两端电压上限为Uh=Uout-Ud1=2．0-0.3=1．7V)。晚上太阳能电池板不产生电流，超级电容存储的电能给石英钟供电。肖特基二极管D1的作用就是防止超级电容存储的电能在太阳能电池板(夜间或阴天)不发电时，反向流入电荷泵及太阳能电池板。[page]

按石英钟国标规定：石英钟工作电压范围一般在1．25～1．70V；实测石英钟跳秒(间歇)式石英钟平均功耗电流在125μA左右。超级电容电压从1．7V降到1．25V时能释放出来的电量△Q=CUh-CUL=C(Uh-UL)=120×(1．7-1．215)=54C；这些电量若按平均电流I=150μA来输出，则需要时间t=△Q／I=54／(150×10-6)=3．6×105s=100h才能耗完。通过计算，从时间上确保了为石英钟夜间工作备用的电能。改造后的石英钟见图6。

电路原理图中所用的元件规格或型号，见表1。

3 电路凸显绿色主题

石英钟用绿色能源的设计，紧紧抓住了绿色、环保、节能这个主题，有效解决了普通电池对人体、土壤、水源等危害。其特点如下：

(1)能源的获取是绿色的

众所周知：太阳光可以说是出之不尽，用之不竭的。将太阳光直接转化为电能，来取代电池作为石英钟能源，有利于减缓全球气候变暖和环境恶化的速度，体现了低碳生活从身边小事做起，口头倡导不如践行半步。

(2)能源的储存是环保的

碱性电池使用寿命最短，充电电池(锂离子、镍氢)的使用寿命较短(反复循环数几百次)。超级电容器具有容量大、使用寿命长(反复循环数近百万次)、免维护、经济环保等优点。

(3)能源的使用是高效的

充电电池(锂离子、镍氢)的能量储存是通过电能→化学能→电能的过程，转换效率低。本电路选用的超级电容器是一种新型储能装置，不经过化学能转换，当然使用效率高，体现了节能；另外，把直流电源电压通过分压获取所需的工作电压这种传统降压方式，变换效率同样也是低下的。本电路用电荷泵LM2788-2．0对电源管理，提高了电能的利用率，同样体现了节能。

4 推广价值

据2010年第六次全国人口普查，全国31个省、自治区、直辖市共有4亿多家庭，大部分家庭几乎都采用石英钟计时。保守估计，全国家庭至少有4亿台石英钟，每年消耗掉8亿节普通电池。若1亿户城镇家庭中石英钟使用绿色能源，那么对环境的保护是显而易见的。南于本电路造价低廉，具有一定的推广和使用价值。