太陽(yáng)能石英鐘的設(shè)計(jì)與實(shí)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(chǎng)所用的石英鐘（指針式）一般多以5號(hào)電池作為電源。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，中國(guó)電池年產(chǎn)量約150億枚，是世界生產(chǎn)大國(guó)，年消費(fèi)量約50億枚，也是世界消費(fèi)大國(guó)，并且有日益增加的趨勢(shì)。多年來(lái)數(shù)量龐大的廢舊電池，在我國(guó)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(duì)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(duì)農(nóng)作物有害；污染了水源對(duì)水生物（魚(yú)蝦等）有害。據(jù)資料介紹：一粒小小的鈕扣電池可污染60萬(wàn)升水，相當(dāng)于一個(gè)人一生的飲水量；一節(jié)一號(hào)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(kāi)地球，也離不開(kāi)食物。這些有毒重金屬通過(guò)各種途徑（鼻口呼吸、飲食蔬菜、魚(yú)蝦等）進(jìn)人人體內(nèi)，長(zhǎng)期積蓄難以排除。醫(yī)學(xué)界已證實(shí)：汞會(huì)嚴(yán)重危害人體神經(jīng)系統(tǒng)，尤其對(duì)兒童受害最大；鎘會(huì)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(huì)導(dǎo)致兒童行為異常和低智商等。

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

　　在我國(guó)，盡管民間少數(shù)環(huán)保人士借鑒西方一些國(guó)家經(jīng)驗(yàn)，倡導(dǎo)廢舊電池分類(lèi)收集，但由于一方面政府對(duì)廢舊電池處理沒(méi)有明確的法規(guī)，另一方面人們對(duì)廢舊電池的危害認(rèn)識(shí)程度不深、重視程度不夠；對(duì)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(yáng)能電池板、超級(jí)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(hào)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(hào)電池對(duì)環(huán)境的污染，對(duì)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(shuō)明

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

　?。?）太陽(yáng)能電池板材料為多晶硅，尺寸長(zhǎng)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(jiàn)圖1。

　?。?）超級(jí)電容參數(shù)為120F／2．3V，其特點(diǎn)是充電快、壽命長(zhǎng)、效率高、容量大、溫度適應(yīng)性好，另外生產(chǎn)、使用、儲(chǔ)存、拆解各個(gè)環(huán)節(jié)均無(wú)污染，見(jiàn)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(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(guò)熱及短路保護(hù)，見(jiàn)圖3。

　?。?）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(jiàn)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(jiàn)圖5。

　　白天室內(nèi)光線漫射在太陽(yáng)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(jí)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(yáng)能電池板不產(chǎn)生電流，超級(jí)電容存儲(chǔ)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(jí)電容存儲(chǔ)的電能在太陽(yáng)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(yáng)能電池板。

　　按石英鐘國(guó)標(biāo)規(guī)定：石英鐘工作電壓范圍一般在1．25～1．70V；實(shí)測(cè)石英鐘跳秒（間歇）式石英鐘平均功耗電流在125μA左右。超級(jí)電容電壓從1．7V降到1．25V時(shí)能釋放出來(lái)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(lái)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(guò)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(jiàn)圖6。

　　電路原理圖中所用的元件規(guī)格或型號(hào)，見(jiàn)表1。

　　3 電路凸顯綠色主題

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

　?。?）能源的獲取是綠色的

　　眾所周知：太陽(yáng)光可以說(shuō)是出之不盡，用之不竭的。將太陽(yáng)光直接轉(zhuǎn)化為電能，來(lái)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(chǔ)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(jí)電容器具有容量大、使用壽命長(zhǎng)（反復(fù)循環(huán)數(shù)近百萬(wàn)次）、免維護(hù)、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

　?。?）能源的使用是高效的

　　充電電池（鋰離子、鎳氫）的能量?jī)?chǔ)存是通過(guò)電能→化學(xué)能→電能的過(guò)程，轉(zhuǎn)換效率低。本電路選用的超級(jí)電容器是一種新型儲(chǔ)能裝置，不經(jīng)過(guò)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(guò)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(duì)電源管理，提高了電能的利用率，同樣體現(xiàn)了節(jié)能。

　　4 實(shí)現(xiàn)價(jià)值

　　據(jù)2010年第六次全國(guó)人口普查，全國(guó)31個(gè)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(jì)時(shí)。保守估計(jì)，全國(guó)家庭至少有4億臺(tái)石英鐘，每年消耗掉8億節(jié)普通電池。若1億戶(hù)城鎮(zhèn)家庭中石英鐘使用綠色能源，那么對(duì)環(huán)境的保護(hù)是顯而易見(jiàn)的。南于本電路造價(jià)低廉，具有一定的推廣和使用價(jià)值。