绿色电源在石英钟上的应用

摘要：文中以超级电容和电荷泵LM2788及太阳能电池板为核心器件，设计出一款绿色电源，应用在石英钟上，取代传统的干电池。经过3年时间的试用，实用性和可靠性得到了验证。
关键词：太阳能电池板；超级电容；电荷泵LM2788-2．0；肖特基二极管1N5819；石英钟用绿色电源

电池跟我们的生活和工作息息相关，比如家庭和办公场所用的石英钟(指针式)一般多以5号电池作为电源。据有关资料统计，中国电池年产量约150亿枚，是世界生产大国，年消费量约50亿枚，也是世界消费大国，并且有日益增加的趋势。多年来数量庞大的废旧电池，在我国几乎都随垃圾一起丢弃，处理方式要么焚烧、要么填埋。
大家都知道对自然环境威胁最大的五种金属是铬、镉、铜、铅、汞，电池就占了其中的汞、铅、镉三种。若焚烧，污染了大气；若填埋，污染了土壤，对农作物有害；污染了水源对水生物(鱼虾等)有害。据资料介绍：一粒小小的钮扣电池可污染60万升水，相当于一个人一生的饮水量；一节一号电池烂在地里，能使一平方米的土地失去利用价值，并造成永久性公害。
人离不开地球，也离不开食物。这些有毒重金属通过各种途径(鼻口呼吸、饮食蔬菜、鱼虾等)进人人体内，长期积蓄难以排除。医学界已证实：汞会严重危害人体神经系统，尤其对儿童受害最大；镉会引起人体骨质疏松、造成骨骼变形、骨痛等，并引起肝和肾受损；铅进入人体后最难排泄，它干扰肾功能、生殖功能。会导致儿童行为异常和低智商等。
既然废旧电池对人类造成的危害已成为不争的事实，那么世界其它国家是如何处理的呢?在欧洲一些西方国家(比如德国)，废旧电池早被列为危险有毒废物，由电池经销商必须通过“收旧卖新”方式回收，绝不能随便丢弃在自然界中。
在我国，尽管民间少数环保人士借鉴西方一些国家经验，倡导废旧电池分类收集，但由于一方面政府对废旧电池处理没有明确的法规，另一方面人们对废旧电池的危害认识程度不深、重视程度不够；对废旧电池收集工作热情不高、参与人数不多。文中提出了由太阳能电池板、超级电容、电荷泵(LM2788-2．0)为核心器件，设计出一款取代传统5号电池的绿色环保节能电源，应用在石英钟上，从源头上避免了废旧5号电池对环境的污染，对保护环境、守住我们绿色家园将起到积极的作用。

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。
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。