CH508927A

CH508927A - Photoelektrischer Wandler für Zeitmessgerät

Info

Publication number: CH508927A
Application number: CH767967A
Authority: CH
Inventors: Grohoski Theodore
Original assignee: United States Time Corp
Priority date: 1966-06-22
Filing date: 1967-05-31
Publication date: 1971-02-15
Also published as: JPS5234953B1; GB1123035A; US3509712A; CH767967A4; DE1614923B1

Description

Photo elektrischer Wandler für Zeitmessgerät
Schon seit einigen Jahren sind Photoelemente, beispielsweise Halbleitersonnenzellen (Solarzellen), bekannt. Diese Zellen wandeln Licht-(aktinische) Energie in elektrische Energie um. Sie werden manchmal auch dazu benützt, um elektrische Akkumulatoren zu laden. Derartige Zellen haben einen speziell hergestellten Halbleiterkörper, üblicherweise aus Silizium, der einen p-n-Übergang aufweist.

Wenn eine Sonnenzelle im Freien oder sonstwo an Orten gebraucht wird, in denen sich die die Zelle erreichende Lichtmenge von Dunkelheit bis zu Helligkeit ändert, so können die Zeilen so gebaut werden, dass sie durch ein helles Licht nicht nachteilig beeinflusst werden. Der elektrische Ausgangsstrom der Zelle ist jedoch unmittelbar proportional der die Oberfläche erreichenden Lichtmenge. Wenn zuviel Licht die Zelle erreicht, so kann der elektrische Ausgangsstrom auf eine solche Höhe ansteigen, dass das betreffende, an die Zelle angeschlossene Gerät, beispielsweise ein Akkumulator, beschädigt wird.

Es sind schon eine Anzahl von Schaltungen bekannt, um das Problem der Überladung eines Akkumulators mit einem zu hohen Strom zu vermeiden. Eine vielfach benützte Massnahme besteht darin, einen Stromregler vorzusehen, beispielsweise eine Zenerdiode, die parallel zur Batterie geschaltet ist. Der Regler verhütet dann, dass die Batterie mit einem übermässigen Strom geladen wird.

Eine andere bekannte Lösung besteht darin, die Fläche der Sonnenzelle so klein zu machen, dass sogar das hellste Licht den Stromausgang nicht über die Aufnahmefähigkeit des angeschlossenen Geräts erhöht.

Diese Massnahme bedeutet jedoch notwendigerweise, dass bei gedämpftem Licht keine ausreichende Leistung durch die Zelle erzeugt wird, um das Gerät zu betätigen, beispielsweise eine Batterie geladen zu halten.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen photoelektrischen Wandler, insbesondere zum Laden eines Akkumulators, zu schaffen, bei dem eine automatische Strombegrenzung eintritt. Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass vor der aktiven Fläche in Richtung auf den Einfall aktinischer Energie ein phototropes Material angeordnet ist. Hierdurch kann die einfallende aktinische Energie pro Zeiteinheit entsprechend der Helligkeit gesteuert werden.

Der Wandler ist kompakt, gedrungen, unterliegt keinen mechanischen und elektrischen Störungen und ist billig in der Herstellung.

Bei einem vorzugsweisen Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes verdunkelt das phototrope Material im Verhältnis zu dem darauf einfallenden Licht.

Wenn die einfallende Lichtmenge pro Zeiteinheit sich erhöht, so wird das phototrope Material dunkler und gestattet nur den Durchgang eines abnehmenden Anteils des einfallenden Lichts durch das Material. Auf diese Weise wird die das Photoelement erreichende Lichtmenge pro Zeiteinheit auf eine verhältnismässig konstante Höhe begrenzt und insbesondere eine Höhe, die unter einer vorbestimmten maximalen Höhe liegt.

Da die das Photoelement erreichende Lichtmenge pro Zeiteinheit begrenzt ist, ist die elektrische Ausgangsleistung des Wandlers ebenfalls auf eine Höhe unterhalb des Stromes begrenzt, der die Batterie oder den Akkumulator beschädigen würde.

Nachfolgend werden an Hand der Zeichnung Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht eines Photoelements - auch Sonnenzelle genannt - gemäss der Erfindung,
Fig. 2 eine Blockschaltung, wie sie im Zusammenhang mit der Erfindung verwendet werden kann,
Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Uhr, bei der das Zifferblatt teilweise abgebrochen ist, um den inneren Mechanismus zeigen zu können.

In Fig. 1 ist ein übliches Halbleiterphotoelement dargestellt, das eine p-Schicht 2 und eine n-Schicht 3 hat. Der Ausdruck p bezieht sich auf die im wesentlichen durch Löcher gegebene Leitfähigkeit, die in dieser Halbleiterschicht auftritt. In der n-Schicht 3 erfolgt die Leitung in der Hauptsache durch Elektronen. Der Halbleiterkörper, vorzugsweise ein hochreines Silizium, ist mit Verunreinigungen derart dotiert, dass ein Über- schuss oder ein Mangel an Valenz-Elektronen auftritt, die durch Licht versetzt werden können (aktinische Strahlung). Die Grenzfläche zwischen den p- und n Schichten, d. h. der Übergang zwischen den Schichten 2 und 3, bildet einen Gleichrichterübergang, der als p-n Übergang bekannt ist.

Vorzugsweise wird die p-Schicht 2 durch Dampfdiffusion einer Akzeptorverunreinigung, wie beispielsweise Bor, in die n-Schicht gebildet, um so eine äusserst dünne p-Schicht 2 zu erhalten. Die Schicht 2 ist so dünn (ungefähr die Diffusionslänge des Minoritätsträgers), dass sie in wirksamer Weise für das einfallende Licht durchscheinend ist. Der Ausdruck Photoelement, wie er hier verwendet wird, bezieht sich allgemein auf alle Typen von Halbleitervorrichtungen, um aktinische Energie in elektrische Energie umzuwandeln.

Das Photoelement ist von einer Schicht aus phototropem Material 1 abgedeckt. Vorzugsweise wird die Schicht 1 mit den andern Schichten durch ein klares, transparentes warmhärtendes Harz 14 verbunden. Die Schicht 1 verdunkelt im Verhältnis zu der pro Einheitsvolumen darauf einfallenden Lichtmenge. Dies bedeutet, dass die Weiterleitung von Licht umgekehrt proportional der darauffallenden Lichtintensität ist. Ein geeignetes phototropisches Material ist beispielsweise ein amorphes Siliziumglas mit einer Volumenkonzentration zwischen 0,01 und 0,1 der lichtempfindlichen Kristalle. Geeignete Kristalle sind Silberchlorid, Silberbromid und Sllberjo- didkristalle von weniger als 100 Angström im Durchmesser. Die Kristalle werden dem Glas zugefügt, wenn es in geschmolzenem Zustand ist, worauf das Glas langsam abgekühlt wird.

Weitere Einzelheiten über derartige Glasarten können aus den USA-Patentschriften Nrn. 3 208 860 und 3 197 296 entnommen werden.

Vorzugsweise ist das spektrale Ansprechen des Photoelements dem spektralen Ansprechen der phototropen Schicht 1 angepasst. Beispielsweise absorbiert das sogenannte Bestlite photochrome Glas, das von der Firma Corning Glass Works hergestellt wird, im nahen Ultraviolett. Dieses Glas wird hauptsächlich im nahen ultravioletten Bereich, das heiBt durch ultraviolette Strahlen grösserer Wellenlänge, die es absorbiert, abgedunkelt; das Glas wird vorzugsweise mit Photoelementen zusammen verwendet, die in erster Linie auf eine im nahen ultravioletten Bereich liegende Strahlung ansprechen.

In Fig. 2 ist das Photoelement mit seiner phototropen Abdeckung als Zelle 4 dargestellt. Diese ist mit einer Halbiefterdiode 5 verbunden. Eine aufladbare Sekundärbatterie oder ein Akkumulator 6 liegt parallel zu der Reihenschaltung aus Diode 5 und Zelle 4. Die Diode 5 verhindert, dass die Zelle 4 während der Dunkelperioden Strom aus dem Akkumulator 6 entnimmt.

Die Zelle 4 wirkt während der Dunkelheit als eine passive Belastung niedriger Impedanz.

Parallel zur Zelle 4 und zur Batterie 6 ist eine Last 7 angeschlossen. Typische Belastungen sind kleine Motoren, Lampen, Warngeräte und elektronische Einrichtungen, wie beispielsweise Verstärker.

Der Akkumulator 6 ist vorzugsweise ein Nickel Cadmium-Akkumulator. Die Elektroden sind anfänglich Cadmiumoxyd bzw. Cadmiumhydroxyd und Nikkel. Der Elektrolyt ist eine alkalische Flüssigkeit, In einem der unter dem Warenzeichen Durac bekannten Nickel-Cadmium-Akkumulatoren sind die Elektroden aus mit Nickel- und Cadmiumsalzen imprägniertem Nickelcarbonil. Nickel-Cadmium-Akkumulatoren werden durch einen zu hohen Ladestrom beschädigt.

Im Falle eines eine einzige Zelle aufweisenden Miniaturakkumulators mit einer Nennkapazität von 20 Milliampere-Stunden würde ein Ladestrom über 2 Milliampere pro Stunde zu hoch sein und den Akkumulator beschädigen. Bei dem Nickel-Cadmium-Akkumulator Everready N22 , d. h. bei einer Knopfzelle, wie sie von der Firma Union Carbide hergestellt wird. ist der zehnstündige Ladestrom 2 Milliampere und der empfohlene Maximumladestrom ist ebenfalls 2 Milliampere. Wenn die empfohlene Stromstärke überschritten wird, so kann Sauerstoff an der Nickelelektrode rascher erzeugt werden, als er mit der Cadmiumelektrode reagiert. Es kann sich dann ein solcher Druck in der Zelle entwickeln, dass diese zerreisst.

Ein weiterer Akkumulator ist der sogenannte Silberoxyd-Akkumulator. Dieser verwendet Zink und Silberoxyd als Elektroden und Kaliumhydroxyd und Zinkhydroxyde als Elektrolyt. Auch bei dieser Zelle sollte die Ladung mit einem konstanten Strom vorgenommen werden. Der Verfasser Vinyl gibt in seinem Buch Storage Batteries auf Seite 101 in bezug auf Silberoxyd-Batterien folgenden Hinweis: Die Ladung kann auch nach einem abgewandelten Verfahren mit einer Gleichstromquelle einer konstanten Spannung von 2,2 bis 2,5 Volt unter Verwendung eines Reihenwiderstandes durchgeführt werden, um den Anfangsstrom auf den Einstundenladestrom zu begrenzen .

Die phototrope Schicht 1 begrenzt die Höhe des Ladestroms für den Akkumulator 6. Jedoch ergibt sie keinen Schutz des Akkumulators gegen eine Überladung infolge einer zu hohen Ladungsansammlung während eines langen Zeitraums.

In der speziellen Ausführungsform einer in Fig. 3 dargestellten Uhr ist das Photoelement 4a, das eine Zelle nach Fig. 1 sein kann, das Zifferblatt der Uhr, das gegen die Atmosphäre durch eine durchsichtige Abdeckscheibe 8 geschützt ist. Gegebenenfalls kann das Zifferblatt auch ein unabgedecktes Photoelement sein, d. h. ein solches, das eine p-Schicht 2 und eine n Schicht 3 aufweist, und die Uhrenabdeckscheibe 8 kann dann aus einem phototropen Glas bestehen. Die Abdeckung ist an einem Haltering 9 angeordnet. Vom Photoelement 4a führen Drähte zu einem aufladbaren Miniaturakkumulator 10. Der von dem Akkumulator abgehende Draht 11 führt zu einem Miniaturelektromotor 12, dessen Abtriebswelle 13 das Getriebe der Uhr antreibt.

Eine geeignete Schaltung zum Antrieb eines Motors in einer Uhr und ein geeigneter Motor ist beispielsweise in der USA-Patentschrift Nr. 3 046 460 dargestellt und beschrieben.

PATENTANSPRUCH 1
Photoelektrischer Wandler für Zeitmessgerät mit einem Photoelement, dessen aktive Fläche dem Einfall von aktinischer Energie aussetzbar ist, dadurch gekenn

**WARNUNG** Ende DESC Feld konnte Anfang CLMS uberlappen**.

Claims

**WARNUNG** Anfang CLMS Feld konnte Ende DESC uberlappen **. Zifferblatt teilweise abgebrochen ist, um den inneren Mechanismus zeigen zu können.

In Fig. 1 ist ein übliches Halbleiterphotoelement dargestellt, das eine p-Schicht 2 und eine n-Schicht 3 hat. Der Ausdruck p bezieht sich auf die im wesentlichen durch Löcher gegebene Leitfähigkeit, die in dieser Halbleiterschicht auftritt. In der n-Schicht 3 erfolgt die Leitung in der Hauptsache durch Elektronen. Der Halbleiterkörper, vorzugsweise ein hochreines Silizium, ist mit Verunreinigungen derart dotiert, dass ein Über- schuss oder ein Mangel an Valenz-Elektronen auftritt, die durch Licht versetzt werden können (aktinische Strahlung). Die Grenzfläche zwischen den p- und n Schichten, d. h. der Übergang zwischen den Schichten 2 und 3, bildet einen Gleichrichterübergang, der als p-n Übergang bekannt ist.

Vorzugsweise wird die p-Schicht 2 durch Dampfdiffusion einer Akzeptorverunreinigung, wie beispielsweise Bor, in die n-Schicht gebildet, um so eine äusserst dünne p-Schicht 2 zu erhalten. Die Schicht 2 ist so dünn (ungefähr die Diffusionslänge des Minoritätsträgers), dass sie in wirksamer Weise für das einfallende Licht durchscheinend ist. Der Ausdruck Photoelement, wie er hier verwendet wird, bezieht sich allgemein auf alle Typen von Halbleitervorrichtungen, um aktinische Energie in elektrische Energie umzuwandeln.

Das Photoelement ist von einer Schicht aus phototropem Material 1 abgedeckt. Vorzugsweise wird die Schicht 1 mit den andern Schichten durch ein klares, transparentes warmhärtendes Harz 14 verbunden. Die Schicht 1 verdunkelt im Verhältnis zu der pro Einheitsvolumen darauf einfallenden Lichtmenge. Dies bedeutet, dass die Weiterleitung von Licht umgekehrt proportional der darauffallenden Lichtintensität ist. Ein geeignetes phototropisches Material ist beispielsweise ein amorphes Siliziumglas mit einer Volumenkonzentration zwischen 0,01 und 0,1 der lichtempfindlichen Kristalle. Geeignete Kristalle sind Silberchlorid, Silberbromid und Sllberjo- didkristalle von weniger als 100 Angström im Durchmesser. Die Kristalle werden dem Glas zugefügt, wenn es in geschmolzenem Zustand ist, worauf das Glas langsam abgekühlt wird.

Weitere Einzelheiten über derartige Glasarten können aus den USA-Patentschriften Nrn. 3 208 860 und 3 197 296 entnommen werden.

Vorzugsweise ist das spektrale Ansprechen des Photoelements dem spektralen Ansprechen der phototropen Schicht 1 angepasst. Beispielsweise absorbiert das sogenannte Bestlite photochrome Glas, das von der Firma Corning Glass Works hergestellt wird, im nahen Ultraviolett. Dieses Glas wird hauptsächlich im nahen ultravioletten Bereich, das heiBt durch ultraviolette Strahlen grösserer Wellenlänge, die es absorbiert, abgedunkelt; das Glas wird vorzugsweise mit Photoelementen zusammen verwendet, die in erster Linie auf eine im nahen ultravioletten Bereich liegende Strahlung ansprechen.

In Fig. 2 ist das Photoelement mit seiner phototropen Abdeckung als Zelle 4 dargestellt. Diese ist mit einer Halbiefterdiode 5 verbunden. Eine aufladbare Sekundärbatterie oder ein Akkumulator 6 liegt parallel zu der Reihenschaltung aus Diode 5 und Zelle 4. Die Diode 5 verhindert, dass die Zelle 4 während der Dunkelperioden Strom aus dem Akkumulator 6 entnimmt.

Die Zelle 4 wirkt während der Dunkelheit als eine passive Belastung niedriger Impedanz.

Parallel zur Zelle 4 und zur Batterie 6 ist eine Last 7 angeschlossen. Typische Belastungen sind kleine Motoren, Lampen, Warngeräte und elektronische Einrichtungen, wie beispielsweise Verstärker.

Der Akkumulator 6 ist vorzugsweise ein Nickel Cadmium-Akkumulator. Die Elektroden sind anfänglich Cadmiumoxyd bzw. Cadmiumhydroxyd und Nikkel. Der Elektrolyt ist eine alkalische Flüssigkeit, In einem der unter dem Warenzeichen Durac bekannten Nickel-Cadmium-Akkumulatoren sind die Elektroden aus mit Nickel- und Cadmiumsalzen imprägniertem Nickelcarbonil. Nickel-Cadmium-Akkumulatoren werden durch einen zu hohen Ladestrom beschädigt.

Im Falle eines eine einzige Zelle aufweisenden Miniaturakkumulators mit einer Nennkapazität von 20 Milliampere-Stunden würde ein Ladestrom über 2 Milliampere pro Stunde zu hoch sein und den Akkumulator beschädigen. Bei dem Nickel-Cadmium-Akkumulator Everready N22 , d. h. bei einer Knopfzelle, wie sie von der Firma Union Carbide hergestellt wird. ist der zehnstündige Ladestrom 2 Milliampere und der empfohlene Maximumladestrom ist ebenfalls 2 Milliampere. Wenn die empfohlene Stromstärke überschritten wird, so kann Sauerstoff an der Nickelelektrode rascher erzeugt werden, als er mit der Cadmiumelektrode reagiert. Es kann sich dann ein solcher Druck in der Zelle entwickeln, dass diese zerreisst.

Ein weiterer Akkumulator ist der sogenannte Silberoxyd-Akkumulator. Dieser verwendet Zink und Silberoxyd als Elektroden und Kaliumhydroxyd und Zinkhydroxyde als Elektrolyt. Auch bei dieser Zelle sollte die Ladung mit einem konstanten Strom vorgenommen werden. Der Verfasser Vinyl gibt in seinem Buch Storage Batteries auf Seite 101 in bezug auf Silberoxyd-Batterien folgenden Hinweis: Die Ladung kann auch nach einem abgewandelten Verfahren mit einer Gleichstromquelle einer konstanten Spannung von 2,2 bis 2,5 Volt unter Verwendung eines Reihenwiderstandes durchgeführt werden, um den Anfangsstrom auf den Einstundenladestrom zu begrenzen .

Die phototrope Schicht 1 begrenzt die Höhe des Ladestroms für den Akkumulator 6. Jedoch ergibt sie keinen Schutz des Akkumulators gegen eine Überladung infolge einer zu hohen Ladungsansammlung während eines langen Zeitraums.

In der speziellen Ausführungsform einer in Fig. 3 dargestellten Uhr ist das Photoelement 4a, das eine Zelle nach Fig. 1 sein kann, das Zifferblatt der Uhr, das gegen die Atmosphäre durch eine durchsichtige Abdeckscheibe 8 geschützt ist. Gegebenenfalls kann das Zifferblatt auch ein unabgedecktes Photoelement sein, d. h. ein solches, das eine p-Schicht 2 und eine n Schicht 3 aufweist, und die Uhrenabdeckscheibe 8 kann dann aus einem phototropen Glas bestehen. Die Abdeckung ist an einem Haltering 9 angeordnet. Vom Photoelement 4a führen Drähte zu einem aufladbaren Miniaturakkumulator 10. Der von dem Akkumulator abgehende Draht 11 führt zu einem Miniaturelektromotor 12, dessen Abtriebswelle 13 das Getriebe der Uhr antreibt.

Eine geeignete Schaltung zum Antrieb eines Motors in einer Uhr und ein geeigneter Motor ist beispielsweise in der USA-Patentschrift Nr. 3 046 460 dargestellt und beschrieben.

PATENTANSPRUCH 1 Photoelektrischer Wandler für Zeitmessgerät mit einem Photoelement, dessen aktive Fläche dem Einfall von aktinischer Energie aussetzbar ist, dadurch gekenn

zeichnet, dass vor der aktiven Fläche in Richtung auf den Einfall aktinischer Energie ein phototropes Material (1) angeordnet ist.

UNTERANSPRÜCHE 1. Photoelektrischer Wandler nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das phototrope Material (1) derart ist, dass es sich im wesentlichen direkt proportional zu der einfallenden Menge aktinischer Energie pro Zeiteinheit verdunkelt, derart, dass auf das Photoelement (2, 3) über einen bestimmten Bereich der einfallenden aktinischen Energie pro Zeiteinheit eine im wesentlichen konstante Energiemenge pro Zeiteinheit auftrifft.

2. Photoelektrischer Wandler nach Patentanspruch I oder Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das phototrope Material (1) in seinem spektralen Ansprechen dem spektralen Ansprechen des Photoelements (2, 3) enspricht.

3. Photoelektrischer Wandler nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das phototrope Material (1) derart ist, dass ultraviolette Strahlen unterhalb 330 mft absorbiert werden.

4. Photoelektrischer Wandler nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das phototrope Material (1) derart ist, dass es im ultravioletten Bereich sich verdunkelt.

5. Photoelektrischer Wandler nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Photoelement (2, 3) derart ist, dass es elektrische Energie hauptsächlich im ultravioletten Bereich erzeugt.

6. Photoelektrischer Wandler nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das Photoelement (2, 3) aus einem Halbleitermaterial mit einem p-n-Übergang besteht.

7. Photoelektrischer Wandler nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das phototrope Material als Schicht (1) auf im wesentlichen der ganzen aktiven Fläche des Photoelements (2, 3) fest aufgebracht ist.

8. Photoelektrischer Wandler nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das phototrope Material im Abstand vom Photoelement angeordnet ist.

PATENTANSPRUCH II Verwendung des photoelektrischen Wandlers nach Patentanspruch I als Energiequelle einer elektrisch angetriebenen Uhr, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler im Gehäuse der Uhr untergebracht ist.

UNTERANSPRÜCHE 9. Verwendung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass das Photoelement (1, 2) das Zifferblatt (4a) der Uhr bildet.

10. Verwendung nach Unteranspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar auf dem Zifferblatt (4a) oder im Abstand von diesem eine Abdeckung (8) aus phototropem Material angeordnet ist.

11. Verwendung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass das Photo element (2, 3) an einen im Uhrgehäuse angeordneten Akkumulator (10), beispielsweise einen Nickel-Cadmium-Akkumulator, angeschlossen ist und mit beiden eine zum Antrieb der Zeiger dienende elektrische Antriebsvorrichtung (12) verbunden ist.

12. Verwendung nach Unteranspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Diode (5) in Reihe mit dem Photoelement (2, 3) angeordnet ist.