綠色電源取代石英鐘干電池的實(shí)用性和可靠性

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(jì)，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(gè)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(jià)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(xiǎn)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(yàn)，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(jì)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。文中以超級電容和電荷泵LM2788及太陽能電池板為核心器件，設(shè)計(jì)出一款綠色電源，應(yīng)用在石英鐘上，取代傳統(tǒng)的干電池。經(jīng)過3年時(shí)間的試用，實(shí)用性和可靠性得到了驗(yàn)證。

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(gè)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(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)間t=△Q／I=54／(150×10-6)=3．6×105s=100h才能耗完。通過計(jì)算，從時(shí)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。