專利名稱：用于電池驅(qū)動設(shè)備的太陽能電源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將一種電池驅(qū)動設(shè)備調(diào)節(jié)以允許該設(shè)備由一種太陽能電池借助于電路和充電電池提供動力。
許多電池驅(qū)動設(shè)備的問題是替換電池的費用太高，而且電池的壽命經(jīng)常很短。該問題可以通過使用充電電池來緩解，但是，這通常需要連接一個充電設(shè)備到干線電源。
此前在美國專利4686441中已提出采用一種包括太陽能電板的光電充電器，用于產(chǎn)生電池的充電電流。然而，該裝置并不方便，并未對該問題提供一種可行的解決方法。
本發(fā)明提供了一種電源裝置，包括一種用于增加光電設(shè)備輸出的變壓器電路和連接于該變壓器電路的充電電池。該變壓器電路和電池被封裝在一個同普通干電池同樣大小的盒子里。
該電源裝置允許將太陽能電板上比較于現(xiàn)有的太陽能采集方法而言一塊相當(dāng)小的面積用于產(chǎn)生電力。同時，該裝置允許從較低照度，比如在居室內(nèi)人造光線或靠近窗口的光線的照度，產(chǎn)生電力。除了上述之外，較小的太陽能電板降低了電源裝置的成本。低成本以及可和現(xiàn)有的干電池互換這一情況使得該裝置在非常多的民用環(huán)境中有著應(yīng)用。
該電源裝置可被用于向很多種設(shè)備供電，比如煙霧報警器，防盜報警器等等，以及收音機和個人用立體聲放音機/錄音機等。
為了使本發(fā)明易于理解，其實施方案將通過例子描述，僅參考所附的圖例，其中

圖1所示的是根據(jù)本發(fā)明的電源裝置用于一種電池驅(qū)動設(shè)備的一種實施方案的構(gòu)成圖。
圖2給出了一種在電池驅(qū)動設(shè)備外部使用外部插頭的連接方法。
圖3給出了一種在電池驅(qū)動設(shè)備外部使用外部插頭的連接方法，該插頭來自于一個包括太陽能電池陣列，提升電路和充電電池的容器。
圖4給出了用于低、中功率要求的調(diào)節(jié)電路。
圖5給出了電池尺寸受限情況下用于低電流應(yīng)用的最簡單的調(diào)節(jié)電路。
圖6給出的調(diào)節(jié)電路，通過在充電電池和太陽能電源輸出之間放置更多的電壓提升電路來降低充電電池的電壓。
圖7給出了一個在需要時允許較大供電電流能力的調(diào)節(jié)電路，依靠于一個直接從升壓輸出的旁路連接實現(xiàn)，它不受用于控制電池充電電流的限流電阻的影響。
圖8給出了一個具有大電流輸出能力的合理的調(diào)節(jié)電路的框架圖，它在提升電路后有一個電壓調(diào)節(jié)器，并且有從電壓調(diào)節(jié)器到太陽能供電輸出的旁路連接，它不受用于控制電池充電電流的限流電阻的影響。
圖9給出了可允許使用圖6中所示電路的特殊的端子。
圖10給出了一種裝置，通過一個閃爍LED表示有充足的光線來對充電電池充電。
圖11給出了一種合適的振蕩電路，可用于驅(qū)動經(jīng)圖10中所示的LED電脈沖。
圖12給出了本發(fā)明另一種實施方案的特殊連接。
圖13給出了本發(fā)明又一種實施方案的一種特殊連接。
該電源裝置由三個基本部件組成太陽能電池陣列2，直流-直流(DC-DC)變壓器3，4，5，調(diào)節(jié)電路7，8，9和充電電池10。太陽能電池陣列2包括一些串并聯(lián)連接的太陽能電池或所有面積的太陽能電池組合，它可以通過利用在一般家庭住所可得到的照度水平得到的電壓經(jīng)組合后充分提供電流來操縱電壓提升電路，電池被排列成一個單一的平面，該平面可選擇被固定于煙霧檢測器的蓋上，并且通過如圖1所示的一個轉(zhuǎn)軸裝置以對水平的已知夾角定位。
太陽能電池陣列2可以某一角度固定或是可調(diào)節(jié)的，使得從下面和/或從側(cè)面來的光均等地入射到太陽能電池表面上。采用可調(diào)節(jié)的定位可使太陽光或家庭內(nèi)照明光的能量較高效率地被收集。在一些情況下，電池陣列可同裝置分開放置，并且供電電壓沿電纜或桿狀天線的延伸長度方向傳送。在從太陽能電池陣列出來的電纜末端有一個小盒子14，它的形狀、大小以及連接方式均與諸如PP3電池或兩個并排的AA電池之類的標(biāo)準(zhǔn)的干電池14相同。盒子的這種形狀使得將這種電源裝置很容易地裝在裝置12的通常為干電池占用的位置。在盒子14中有一個直流-直流變壓器，其形式是一個或多個電壓提升或是倍壓器電路3、4和/或5，它們級聯(lián)連接，這樣一個電壓提升或倍壓器輸出到下一個，直到電壓電平足以對同樣安裝在盒14內(nèi)的充電電池10充電。
如圖5所示，到充電電池的電流受到一個調(diào)節(jié)電路限制，該調(diào)制電路包括一個串聯(lián)電阻7、串聯(lián)二極管8和限壓穩(wěn)壓二極管9，當(dāng)照到太陽能電池上的光線照度較大時，它可防止充電電池過充電。二極管和電壓提升/倍壓器電路串聯(lián)使用，使得電流僅能流向充電電池。
如圖6所示，一旦太陽能電池陣列產(chǎn)生的并且被供電的電氣設(shè)備所要求的電流量可能較大時，二極管8被移至一個位置，使得電流可直接從提升電路2、3、4、5和穩(wěn)壓二極管9，通過二極管8流到輸出端。然后前向偏置于電池的另一個二極管20，被放在電池和輸出之間，來防止大電流通過限流電阻7。一個附加的電阻21可被有選擇地緊隨提升電路之后放置，來限制流過穩(wěn)壓二極管9的最大電池。
電阻7的限流過程也可通過用一種專用的限流裝置，例如一塊集成電路LM334，替代電阻來實現(xiàn)。在這里情形下，所必需的就是限壓穩(wěn)壓管和限流裝置。
圖7給出了在提升電路末端、在電阻7和二極管8前面使用一個電壓調(diào)節(jié)器19的示意圖，它通過限制電阻7兩端的電壓來限制充電電流。在此電路中，二極管8被移至一個位置使得電流可直接從提升電路3、4流出通過二極管8流至輸出。于是前向偏置于電池的另一個二極管20被置于電池和輸出之間，用以防止大電流通過限流電阻7。
充電電池不必放在電壓提升/倍壓裝置串的末端。在一些情況下，充電電池10的電壓可以比整個電路輸出小得多。充電電池電壓比電路輸出低可以帶來成本上的好處，因為電池的成本被降低了。然而在這種情況下，就需在充電電池和被供電的實際設(shè)備之間增加一個直流-直流變壓器或直流-直流變壓器組，如圖8中所示。
如圖8所示，另一個電壓提升電路11由電池10饋電，并且被裝在盒子14中，允許電池電壓比輸出電壓低。
這個附加的直流-直流變壓器11應(yīng)通過一特殊的連接器從電池接出，一旦被供電的電子設(shè)備被接上時，它只會向該附加的直流-直流變壓器供電。此舉防止了在太陽能適配器處于使用前的封裝狀態(tài)和未暴露于光線下被充電的同時，發(fā)生所不希望的電池放電。圖9a、b說明了上述方案是如何實現(xiàn)。
在圖8中，從電池的正極連接端16和到最后的直流-直流變壓器的連接端17都接到太陽能電源輸出18，并且只在正極輸出被連接時被聯(lián)系在一起。這是因為，例如圖9a、b所示，在盒子的大小和PP3電池同樣的情況下，正極在組成PP3正極結(jié)構(gòu)的兩個正連接之間有一個絕緣片22，因此，連接16和17只在被供電的設(shè)備被連接于連接件18時才可形成。應(yīng)該強調(diào)的是，相似的技術(shù)可被用于固定連接到設(shè)備上的電池端子上的其它類型的電池。
將直流-直流變壓器(組)同太陽能電池一起使用的做法，與普通的將太陽能電池電壓輸出簡單連接到充電電池的方法比較而言，提高了在低亮度和較小太陽能電池情況下將光轉(zhuǎn)換成電力的能力。這點是通過提升電路的作用而保證供給電池的電壓總是高于電池電壓來實現(xiàn)的，甚至當(dāng)太陽能電池的實際輸出低于電池電壓時也是如此。假定輸出電壓為V的太陽能電池通過電阻R向電池電壓Vb提供電流，那么，進入電池的充電電流I由下式給出電流I＝(V-Vb)/R＝(V/R)-(Vb/R) (1)在太陽能電池和電池之間使用增益因子為G的電壓提升電路要求額外的電流Is給增益電路。那么，進入電池的充電電流如下給出電流Ig＝(GV/R)-(Vb/R)-Is (2)由公式1和2得到(G-1)V/R＞Is (3)那么，Ig/I＞1 (4)這表明對于太陽能電池和充電電池之間使用電壓提升的電路，相對于僅從太陽能電池至充電電池的簡單連接來說，充電電流要大。
為保證上面公式3的條件成立，必須特別注意同電壓提升電路一起使用的太陽能電池的伏安特性(I-V曲線)。在所選擇的照度下，較優(yōu)的設(shè)計是在太陽能電池的等效輸出阻抗和提升電路、充電限流電阻以及電池充電內(nèi)部阻抗相組合的等效輸入阻抗相匹配時得到的。
考慮到太陽能電池的效率E以電壓輸出V、電流輸出I、太陽能電池面積A和光照度L表示，假定條件未遠離伏安特性的最佳工作狀態(tài)，那么效率E＝(IV)/(AL)瓦/米2/勒克司 ……1假定由兩個效率E相等的太陽能電池向充電電池提供相同的電流，一個太陽能電池1直接連到電池，另一個太陽能電池2通過一個增益因子為G的電壓提升電路連接到電池。
對兩個太陽能電池都使用上面的公式1，通過效率E和電流I常數(shù)K，重新整理得到(E/I)＝K＝V1/(A1·L1)＝V2/(A2·L2)……2太陽能電池2的電壓輸出(V2)相比太陽能電池1(V1)而言根據(jù)提升因子G降低，因此V2＝V1/G ……3將公式3代入2并約去V1，得到(A2·L2)/(A1·L1)＝1/G ……4因此，如果在恒定照度(L)下要比較兩個太陽能電池所要求的面積，或是在兩太陽能電池面積(A)相等時比較照度，則A2/A1＝1/GL恒定……5L2/L1＝1/GA恒定……6假定相同的太陽能電池向電池發(fā)送相同的電流，兩公式5、6表明，與太陽能電池和充電電池之間為直接連接時的相同參數(shù)A1和L1比較而言，太陽能電池和充電電池之間使用提升電路使得面積A2減小和照度L2降低。
上述的分析假定了對于相比較的太陽能系統(tǒng)來說，充電電流I和電池效率E是相等的。而且，在選定的照度下，太陽能電池短路電流輸出能力Isc大大超過電池充電電流I，并且也大大超過提升電路提供的電流Ig。另一個假定是限壓的穩(wěn)壓二板管在大多數(shù)工作條件下不影響提升電路輸出。
所使用的充電電池類型應(yīng)能表現(xiàn)出良好的輸出電壓對輸入電流的函數(shù)，并且能充電和放電許多次而不會減弱其總體容量。目前，這種電池是一種鋰型電池，比如鋰-釩或二氧化錳鋰電池。這意味著對于小電流來說，電池會較快地穩(wěn)定在一個穩(wěn)定的電壓輸出。
對于一些裝置來說，將太陽能電池陣列做成設(shè)備外殼的一個組成部分是可能的。在這種情形下就不可能調(diào)節(jié)太陽能電池的定位，而且，如果設(shè)備是例如一個煙霧檢測器，它們就必須以這樣一種方式安裝，使得從側(cè)面和下面的光線能易于照射到太陽能電池上以便有效地收集光能。在這種情況下，可使用一塊總面積稍大一點的太陽能電池，因此，在光線不是均等地照射到所有電池上的情況下，它就不會對太陽能電池陣列的電流輸出產(chǎn)生負面影響。當(dāng)太陽能電池和該設(shè)備成為一個整體時，供電連接就不必通過干電池型連接來完成。充電電池和倍壓器可被加入煙霧報警器的已知印制電路板構(gòu)件中。
圖1給出了固定于煙霧報警器12頂部的調(diào)節(jié)裝置，通過電源導(dǎo)線連接到內(nèi)裝的等效干電池14。光線1照射在太陽能電池陣列2上，被收集并轉(zhuǎn)變成電壓，繼而該電壓通過以級聯(lián)方式連接的電壓提升/倍壓器電路3、4和/5升壓以給出最終的電壓輸出6。該電壓，其最大值為穩(wěn)壓二極管9所限，經(jīng)電阻7和串接二極管8供給一個或多個充電電池10。這些充電電池可直接連接或通過另一個電壓提升/倍壓器或多個倍壓器11連接到煙霧檢測器。
可以對上述的設(shè)備采用各種各樣的改進方法。比如，在干電池的尺寸較小的情況下，電壓提升電路的一部分或全部可以被裝入如圖2和3所示太陽能電池的構(gòu)造中。而且，在其位置被認為不合適時太陽能電池可以從充電電池/提升電路或是單獨的電池/電流限制組合中分離出來。
圖4給出了一個實施方案，其中提升電路在充電電池26的正極和負極輸出處，如垂直的虛線7和8所示，與其分離。該電路允許靈活地對充電電流充電，繼而在不需要的時候?qū)⑻柲茈姵睾碗妷禾嵘娐芬谱摺Ｋ嘣试S替換和除去充電電池，而不必丟棄直流-直流提升電路。
為了使充電電池在沒有充電電路的情況下亦能連到電池驅(qū)動設(shè)備，在電池和設(shè)備之間使用一種連接器，其輸入來自充電電路，如圖12和13所示。
圖12給出了一種根據(jù)圖4精細結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的實施方案。在這個實施方案中，在充電電池30和電池驅(qū)動設(shè)備28之間聯(lián)接有一種特殊的連接器27以允許對充電電池30充電，同時，接收來自太陽能電池和提升電路25的充電，而無須中斷對電池驅(qū)動設(shè)備的供電。連接器27被放置用來使得太陽能供電可通過一個插頭42而簡單地斷開，并且在不需要太陽能充電時，允許從充電電池和限流電路30到電池驅(qū)動設(shè)備28的直接連接。從連接器27垂直伸出的兩個突出臂防止了從連接器27到電池驅(qū)動設(shè)備28和充電電池30的錯誤連接，因為如果企圖將只能接到D邊的A邊同C連相接，突出臂會在機械上同電池相沖突。
圖13給出了本發(fā)明又一個實施方案，由此一個位于充電電池30或者普通干電池40間的連接器29，允許電流從充電電池30或干電池40，或者具有提升電路21的太陽能電池流向電池驅(qū)動設(shè)備。連接器的結(jié)構(gòu)有兩個突出的臂31和32，用來防止A邊被意外地接到C邊的電池正、負兩極。在連接器的結(jié)構(gòu)中，有一個電路允許從太陽能電池和提升電路26或從待安裝的充電/干電池向電池驅(qū)動設(shè)備提供電壓。從太陽能提升電路流出的電流流經(jīng)前向偏置二極管8以及從充電/干電池流出的電流流經(jīng)前向偏置的二極管38，這取決于哪一個二極管具有更高的前向偏置電壓。如果從太陽能電池和提升電路25出來的電壓高些，那么電流會從充電或干電池流經(jīng)二極管38。如果此前有大量的太陽能存在，那么，一個被用來貯存電荷的低泄漏電容會在電流從充電/干電池30或40流出之前暫時向電池驅(qū)動設(shè)備供電。也可選用一個前向偏置二極管42，用于當(dāng)電源不被使用時防止電容通過放大電路放電。
上述電路，通過利用一種特殊設(shè)計的電池負端26來檢測充電電池的存在，允許電流越過二極管38向充電電池充電。該特殊的充電電池由一個分裂成兩個單獨的電接頭36和37構(gòu)成。當(dāng)特殊設(shè)計的充電電池30連到連接器27時，在電池驅(qū)動設(shè)備、電池與太陽能電源的負端以及二極管34之間并沒有連接。由于二極管34并未同任何東西有電的聯(lián)接，沒有電流會流過二極管34和電阻33。因此，在電阻33和二極管34之間的電壓被提高到供電電壓，導(dǎo)致在開關(guān)設(shè)備39的門/基極提供了一個高電壓，因此該開關(guān)設(shè)備39導(dǎo)通，允許電流從太陽能電池/提升電路25流向充電電池30。
當(dāng)一個普通干電池40被接至特殊的連接器27時，半接頭36和37都被接至零電位，將開關(guān)設(shè)備39的門/基極電壓拉下并關(guān)閉。這繼而防止了任何電流越過阻隔二極管38而流入干電池。需要附加的保護二極管35和34以在電池30的端子被暫時不正確地在B連和C連連接器27時保護開關(guān)設(shè)備39。
該裝置的優(yōu)點是不會對干電池進行充電，而且只有具有分裂接頭的充電電池可被充電。這就允許充電電池和干電池都可同太陽能一起使用，選擇由簡單的干電池而不是充電電池來提供備用能量。
可以通過使用放置在包括充電電池或太陽能板2的盒于14上的閃爍LED24來指示光線是否足以對電池充電這一情況。該LED24由從一簡單電路24發(fā)出的一種不常發(fā)生的脈沖電壓供電，該電路23如圖11所示，連接位置如圖10所示，它由兩個三極管Tr1和Tr2組成，在一時間常數(shù)控制下快速進入和離開飽和狀態(tài)，該時間常數(shù)由電源通過來自提升電路的輸出的電阻對電容充電決定的。
上述的設(shè)備尤其被用在電池驅(qū)動設(shè)備不得不在一段延長的時間內(nèi)處于“等待”狀態(tài)然后才能可靠工作的場合，例如煙霧檢測器，入侵警報器或者甚至一個手電筒。它亦可用于其它領(lǐng)域，比如在個人娛樂領(lǐng)域中，該電源裝置可被用于對小收音機或個人立體聲設(shè)備或計算器供電。其中最重要的是，太陽能電池能暴露在光線下一段時間，以便有足夠的能量對電池充電。
在所有這些應(yīng)用中，電路和充電電池被裝在一個尺寸和形狀與普通電池，例如PP3電池或AA型電池相同的盒子中，這個事實意味著，舉例來說，只要連接太陽能電池和電源盒子的電線能從該設(shè)備的電池外殼下通過，就不需要對該設(shè)備進行改動。
由于電池外殼設(shè)備的封閉特點，在對干電池的位置不可能有外部連接的情況下，就要求一種太陽能電源的稍微不同的裝置，見圖2和圖3。在這種情形下，包含電池、提升電路和電流調(diào)節(jié)電路的盒子14構(gòu)成了太陽能電池結(jié)構(gòu)的一部分，或者是從太陽能電池到位于電池驅(qū)動設(shè)備上的外部供電插頭15的通路。
權(quán)利要求
1.一種用于電池驅(qū)動設(shè)備的電源，包括太陽能電池和電壓放大電路用于將從太陽能電池輸出的電壓放大至一個適合于對充電電池充電的數(shù)值。
2.按照權(quán)利要求1的電源，其中放大電路與一個電池一起位于太陽能電池和電池驅(qū)動設(shè)備之間的一個單元內(nèi)。
3.按照權(quán)利要求1的電源，其中放大電路同太陽能電池和電池一起作為一個整體。
4.按照權(quán)利要求1的電源，其中電壓放大電路和電池被安排與所說的電池驅(qū)動設(shè)備的電池格相配，而且其中電源的電壓輸出被設(shè)計成以通常用于所說的電池驅(qū)動設(shè)備的電池大體上相似的方式與電池驅(qū)動設(shè)備的電池端子連接。
5.按照權(quán)利要求1～4中任一條的電源，還包括連接在放大電路和充電電池之間的調(diào)節(jié)電路。
6.按照權(quán)利要求5的電源，其中調(diào)節(jié)電路包括一個串聯(lián)連接的限流電阻和二極管與并聯(lián)連接的一個穩(wěn)壓二極管，用于通過限制提升電路的輸出電壓來限制調(diào)節(jié)電路輸出的電流。
7.按照權(quán)利要求5的電源，其中調(diào)節(jié)電路包括一個電壓調(diào)節(jié)器，以及在電壓調(diào)節(jié)器輸出和充電電池之間串行連接的限流電阻和二極管。
8.按照權(quán)利要求5～7中任一條的電源，其中電流可以從提升電路流向電路輸出而不必受限于限流電阻。
9.按照權(quán)利要求1～6中任一條的電源，其中電池被放置在放大電路中最后一個放大器之前，這樣電池提供的電壓就低于電源的輸出電壓。
10.按照權(quán)利要求9的電源，其中電源的正極端子在兩個電絕緣的部分上，并且其中這兩部分被安排成均可同電池驅(qū)動設(shè)備的正電池端相連接；由此，電池被連到電源正端的一個部分，并且放大電路的一個輸入/輸出被連接到電源正端的另一個部分，這樣，當(dāng)電源未與電池驅(qū)動設(shè)備連通時，沒有電流能從電池流出。
11.按照權(quán)利要求1～10任一條的電源，其中電池是在一個機械上與提升電路分開的單元內(nèi)，其中電池的端子被安排同提升電路相連或是同電池驅(qū)動設(shè)備相連。
12.按照權(quán)利要求11的電源，其中機構(gòu)裝置被安置在所說的連接器上，用于防止所說的連接器被不正確地連接至所說的電池驅(qū)動設(shè)備，而且機械裝置被提供用于防止連接器不正確地連接在電池上。
13.按照權(quán)利要求12的電源，其中連接電源到電池驅(qū)動設(shè)備的單元上的端子有一個或多個突出，由此，該或任一個突出不妨礙所說的單元和所說的電池驅(qū)動設(shè)備的連接，而由此該或任一個突出卻防止電池端子和設(shè)計用于連接電池驅(qū)動設(shè)備的單元上的端子之間的連接。
14.按照權(quán)利要求11、12或13的電源，其中一個選擇電路被包含在連接器中，并且其中被安排接通至電池負極的負端被分裂成兩個電絕緣的部分，由此不論干電池還是充電電池均能被連接至電源，這樣以至于電流僅能流向所說的充電電池不能流向所說的干電池，所說電路包含一個來自電源的前向偏置二極管和一個來自電池的前向偏置二極管，這樣連接以至于電流能從電池流向電池驅(qū)動設(shè)備，但是如果電池上有分裂的負端，那么電流只能從電源流向電流，其中所說的選擇電路僅被連接到所說的負極連接端子的一半，并且只在電池負極是一整塊時，被連接至零電壓。
15.按照權(quán)利要求11～14任一條的電源，其中一個大而低泄漏的電容被跨接在電源輸出上，由此在太陽能電池不能提供足夠的電壓的有限時間內(nèi)不用電池就可提供電流。
16.按照任何前述權(quán)利要求之一的電源，其中提升電路和電池備有至少一種指示燈，僅當(dāng)所說的電源在提供充足的電壓時，該或任何一種指示燈被照亮。
17.按照任何前述權(quán)利要求的電源，其中電池驅(qū)動設(shè)備是一個煙霧檢測器。
全文摘要
本發(fā)明利用在居室或其它封閉的但照亮的地方發(fā)現(xiàn)的較低光線能量代替普通的充電電池來給一個設(shè)備，比如一個煙霧報警器充電。照射到附著于煙霧報警器或其它電池驅(qū)動設(shè)備的太陽能電池陣列(2)上的光線被收集并轉(zhuǎn)換成一個電壓，通過一個或多個直流-直流轉(zhuǎn)換電路(3，4和/或5)的作用被放大成一個最后的輸出電壓(6)。這個電壓通過電阻(7)和串聯(lián)裝置(8)被用于一或多個充電電池(10)，并且被穩(wěn)壓二極管(9)限制在一個最大電壓。如果需要，除了連接在太陽能電池上的直流-直流轉(zhuǎn)換器之外，一個直流-直流轉(zhuǎn)換器可被加在電池(10)的輸出上，或是代替它。一或多個轉(zhuǎn)換器，調(diào)節(jié)電路和電池(10)都被裝在一個與普通干電池同樣大小和形狀的容器內(nèi)。
文檔編號H02J7/35GK1148445SQ9519291
公開日1997年4月23日 申請日期1995年3月24日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月24日
發(fā)明者R·K·奧康納 申請人:奧普康有限公司