太陽能石英鐘的設(shè)計與實現(xiàn)

　　電池跟我們的生活和工作息息相關(guān)，比如家庭和辦公場所用的石英鐘（指針式）一般多以5號電池作為電源。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，中國電池年產(chǎn)量約150億枚，是世界生產(chǎn)大國，年消費量約50億枚，也是世界消費大國，并且有日益增加的趨勢。多年來數(shù)量龐大的廢舊電池，在我國幾乎都隨垃圾一起丟棄，處理方式要么焚燒、要么填埋。

　　大家都知道對自然環(huán)境威脅最大的五種金屬是鉻、鎘、銅、鉛、汞，電池就占了其中的汞、鉛、鎘三種。若焚燒，污染了大氣；若填埋，污染了土壤，對農(nóng)作物有害；污染了水源對水生物（魚蝦等）有害。據(jù)資料介紹：一粒小小的鈕扣電池可污染60萬升水，相當(dāng)于一個人一生的飲水量；一節(jié)一號電池爛在地里，能使一平方米的土地失去利用價值，并造成永久性公害。

　　人離不開地球，也離不開食物。這些有毒重金屬通過各種途徑（鼻口呼吸、飲食蔬菜、魚蝦等）進人人體內(nèi)，長期積蓄難以排除。醫(yī)學(xué)界已證實：汞會嚴(yán)重危害人體神經(jīng)系統(tǒng)，尤其對兒童受害最大；鎘會引起人體骨質(zhì)疏松、造成骨骼變形、骨痛等，并引起肝和腎受損；鉛進入人體后最難排泄，它干擾腎功能、生殖功能。會導(dǎo)致兒童行為異常和低智商等。

　　既然廢舊電池對人類造成的危害已成為不爭的事實，那么世界其它國家是如何處理的呢？在歐洲一些西方國家（比如德國），廢舊電池早被列為危險有毒廢物，由電池經(jīng)銷商必須通過“收舊賣新”方式回收，絕不能隨便丟棄在自然界中。

　　在我國，盡管民間少數(shù)環(huán)保人士借鑒西方一些國家經(jīng)驗，倡導(dǎo)廢舊電池分類收集，但由于一方面政府對廢舊電池處理沒有明確的法規(guī)，另一方面人們對廢舊電池的危害認(rèn)識程度不深、重視程度不夠；對廢舊電池收集工作熱情不高、參與人數(shù)不多。文中提出了由太陽能電池板、超級電容、電荷泵（LM2788-2．0）為核心器件，設(shè)計出一款取代傳統(tǒng)5號電池的綠色環(huán)保節(jié)能電源，應(yīng)用在石英鐘上，從源頭上避免了廢舊5號電池對環(huán)境的污染，對保護環(huán)境、守住我們綠色家園將起到積極的作用。

　　1 元件說明

　　電路是由太陽能電池板、超級電容、電荷泵、肖特基二極管四大核心部件構(gòu)成。

　　（1）太陽能電池板材料為多晶硅，尺寸長60mm、寬44mm、厚3mm；輸出電參數(shù)：工作電壓5.5V、工作電流60mA、額定功率0.33W，見圖1。

　?。?）超級電容參數(shù)為120F／2．3V，其特點是充電快、壽命長、效率高、容量大、溫度適應(yīng)性好，另外生產(chǎn)、使用、儲存、拆解各個環(huán)節(jié)均無污染，見圖2。

　?。?）電荷泵LM2788-2．0是一種8腳降壓式電荷泵DC／DC變換器。輸入2．6V～5．5V，輸出2．0V。該變換器主要特點：輸出電壓精度分別為：2．0V±5％、輸出電流可達120mA；最高轉(zhuǎn)換效率可達90％；低功耗，工作電流32μA；有關(guān)閉控制，關(guān)閉狀態(tài)時耗電僅0．1μ；有過熱及短路保護，見圖3。

　　（4）肖特基二極管1N5819特點是電流大（1A），壓降低（0．3V），耐壓高（40V），見圖4。

　　2 電路工作原理

　　將石英鐘懸掛在室內(nèi)光線明亮的地方。電路原理圖，見圖5。

　　白天室內(nèi)光線漫射在太陽能電池板上，產(chǎn)生電流，經(jīng)電荷泵LM2788-2．0變換后輸出2．0V的電壓；再經(jīng)肖特基二極管1N5819隔離后一方面向石英鐘供電，另一方面向超級電容充電（電容兩端電壓上限為Uh=Uout-Ud1=2．0-0.3=1．7V）。晚上太陽能電池板不產(chǎn)生電流，超級電容存儲的電能給石英鐘供電。肖特基二極管D1的作用就是防止超級電容存儲的電能在太陽能電池板（夜間或陰天）不發(fā)電時，反向流入電荷泵及太陽能電池板。

　　按石英鐘國標(biāo)規(guī)定：石英鐘工作電壓范圍一般在1．25～1．70V；實測石英鐘跳秒（間歇）式石英鐘平均功耗電流在125μA左右。超級電容電壓從1．7V降到1．25V時能釋放出來的電量△Q=CUh-CUL=C（Uh-UL）=120×（1．7-1．215）=54C；這些電量若按平均電流I=150μA來輸出，則需要時間t=△Q／I=54／（150×10-6）=3．6×105s=100h才能耗完。通過計算，從時間上確保了為石英鐘夜間工作備用的電能。改造后的石英鐘見圖6。

　　電路原理圖中所用的元件規(guī)格或型號，見表1。

　　3 電路凸顯綠色主題

　　石英鐘用綠色能源的設(shè)計，緊緊抓住了綠色、環(huán)保、節(jié)能這個主題，有效解決了普通電池對人體、土壤、水源等危害。其特點如下：

　?。?）能源的獲取是綠色的

　　眾所周知：太陽光可以說是出之不盡，用之不竭的。將太陽光直接轉(zhuǎn)化為電能，來取代電池作為石英鐘能源，有利于減緩全球氣候變暖和環(huán)境惡化的速度，體現(xiàn)了低碳生活從身邊小事做起，口頭倡導(dǎo)不如踐行半步。

　　（2）能源的儲存是環(huán)保的

　　堿性電池使用壽命最短，充電電池（鋰離子、鎳氫）的使用壽命較短（反復(fù)循環(huán)數(shù)幾百次）。超級電容器具有容量大、使用壽命長（反復(fù)循環(huán)數(shù)近百萬次）、免維護、經(jīng)濟環(huán)保等優(yōu)點。

　?。?）能源的使用是高效的

　　充電電池（鋰離子、鎳氫）的能量儲存是通過電能→化學(xué)能→電能的過程，轉(zhuǎn)換效率低。本電路選用的超級電容器是一種新型儲能裝置，不經(jīng)過化學(xué)能轉(zhuǎn)換，當(dāng)然使用效率高，體現(xiàn)了節(jié)能；另外，把直流電源電壓通過分壓獲取所需的工作電壓這種傳統(tǒng)降壓方式，變換效率同樣也是低下的。本電路用電荷泵LM2788-2．0對電源管理，提高了電能的利用率，同樣體現(xiàn)了節(jié)能。

　　4 實現(xiàn)價值

　　據(jù)2010年第六次全國人口普查，全國31個省、自治區(qū)、直轄市共有4億多家庭，大部分家庭幾乎都采用石英鐘計時。保守估計，全國家庭至少有4億臺石英鐘，每年消耗掉8億節(jié)普通電池。若1億戶城鎮(zhèn)家庭中石英鐘使用綠色能源，那么對環(huán)境的保護是顯而易見的。南于本電路造價低廉，具有一定的推廣和使用價值。