綠色電源在石英鐘上的應(yīng)用
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(fèi)量約50億枚,也是世界消費(fèi)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(jìn)人人體內(nèi),長期積蓄難以排除。醫(yī)學(xué)界已證實(shí):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(jìn)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(shí),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(hù)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。
(2)超級電容參數(shù)為120F/2.3V,其特點(diǎn)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。
(3)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(diǎn):輸出電壓精度分別為:2.0V±5%、輸出電流可達(dá)120mA;最高轉(zhuǎn)換效率可達(dá)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(hù),見圖3。
(4)肖特基二極管1N5819特點(diǎn)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(shí)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。
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