CN110663172A - 电路和该电路的应用 - Google Patents

Abstract

说明了一种维护花费降低的自给自足的电路。该电路具有：带太阳能电池的能量转换器；和带固态蓄电池的蓄能器。

Description

电路和该电路的应用

技术领域

本发明涉及：一种电路，例如用于需要自给自足的能量供应的电系统的电路；和这种电路的应用。

背景技术

存在在确定位置必须给电路供应电能而在该位置不存在电源线的情况。如果例如事后在建筑物上进行改变，则可以敷设电力电缆。在此，敷设电力电缆通常高成本并且劳动强度高，而且可能破坏美感。

为了例如将光控开关布置在没有电源的位置并且在那里运行光控开关，可以使用具有无线电模块的光控开关，其中该无线电模块通过常见的电池组来供应电能。

另一可能性例如在于：使用具有磁或者压电式能量转换器的开关，该磁或者压电式能量转换器将运动能、例如对开关的操纵的运动的能量转换成电能（所谓的收集器）。不过，这种收集器在采购方面昂贵而且通常也较迟钝。

因此，需要如下电路，所述电路在操作方面与常规的电路、例如开关没有区别，而且在所述电路的情况下，不必定期地更换电池组。

发明内容

为此，独立权利要求说明了一种相对应的电路。从属权利要求说明了有利的设计方案。

该电路具有能量转换器、蓄能器、第一连接端和第二连接端。能量转换器与第一和第二连接端电耦合。蓄能器同样与第一和第二连接端电耦合。能量转换器适合于并且被确定用于在离散的时间段给蓄能器充电。蓄能器适合于并且被确定用于持续地提供能量。能量转换器包括至少一个太阳能电池。蓄能器包括至少一个固态蓄电池。

在此，第一和第二连接端基本上是如下两个连接端，通过所述两个连接端，该电路可以将电能交给其它电路组件或者交给外部电路环境。具有太阳能电池的能量转换器被设置为将电磁能、优选地在可见频谱范围内的电磁能转换成电能。具有其固态蓄电池的蓄能器被设置为：在确定时间段、例如当有光射到太阳能电池上时接受由能量转换器转换的能量并且将该能量暂存。也就是说，即使没有光射到太阳能电池上，在这两个连接端上也（持续地）提供电能。该电路具有即使在昏暗时也提供能量的能量源。

蓄能器的固态蓄电池是蓄电池的结构形状，其中存在其电极以及在电极之间的由非液态材料构成的电解质。

这种固态蓄电池可以以小的尺寸并且以多个不同的物理形状来制造。

对于使用者来说，得到如下优点：不必定期地更换电池组。同时，没有形成附加的空间需求，而且成本与利用磁或压电式收集器的解决方案相比未提高或甚至降低。

在操纵开关、例如光控开关时的熟悉的切换感觉能够得到保留。

通过使用固态蓄电池，消除了电解质泄漏的危险，该电解质在常规的蓄电池中常常具有腐蚀性。此外，降低了固态蓄电池自燃的风险。蓄电池可以以实际上任何任意的形状来实现。机械稳定性比在常规的传统的电池组或蓄电池的情况下更好，至少当蓄电池应该具有特别小的尺寸而且为此在没有稳定的外罩的情况下来设计时比在常规的传统的电池组或蓄电池的情况下更好。

考虑在固态蓄电池中使用的常见的材料，作为电极或者电解质的材料。

可能的是，能量转换器和蓄能器并联。

在并联下，能量转换器例如在有光射入时可以给蓄能器充电。此外，不仅能量转换器而且蓄能器可以共同将能量交给其余的电路组件，如果需要能量而且同时有光射到能量转换器的太阳能电池上的话。

可能的是，该电路附加地包括二极管。二极管可以接在蓄能器与能量转换器之间。可能的是：二极管串联在蓄能器的电极与能量转换器的电极之间。

该二极管用于：保护蓄能器以防经由能量转换器的自放电，例如在昏暗时以及在昏暗时能量转换器的有限的导电能力的情况下。

在此，该二极管优选地接线为使得该二极管的自身电阻尽可能低，而能量转换器给蓄能器充电。对于相反的电流方向来说，该二极管沿截止方向连接。

可能的是，该电路还具有压敏电阻。压敏电阻优选地与蓄能器并联而且与能量转换器并联。

压敏电阻是具有与电压相关的电阻的器件。在此，压敏电阻的电阻随着所施加的电压增加而降低。

在所施加的电压低时，压敏电阻优选地具有很高的电阻。在电压较高时，压敏电阻优选地具有很低的电阻。

当例如能量转换器例如在光入射强烈并且蓄能器充满时提供过剩的能量或者其余的电路组件提供过剩的能量时，通过使用压敏电阻，可以保护蓄能器以防过载。

因此，压敏电阻用作过压保护、尤其是用于太阳能电池的过压保护。

可能的是，该电路附加地包括电阻性元件。电阻性元件可以在蓄能器中与固态蓄电池串联。

因此，电阻性元件、例如欧姆电阻可以是防止充电电流过高的串联电阻。

可能的是，该电路附加地包括在蓄能器中的电容性元件。电容性元件可以与固态蓄电池并联。

电容性元件、例如电容器可以是辅助电容器，该辅助电容器在提供相对高的电功率的电能时供固态蓄电池支配，例如用于单个切换过程。

固态蓄电池具有比较高的内阻，该内阻用电容器来补偿。

可能的是，能量转换器包括三个或者六个太阳能电池。在此，这些太阳能电池可以串联。附加地，蓄能器可包括一个或两个串联的固态蓄电池。

单个的太阳能电池当其相应地接收到很多光时可以提供约为0.5V的电压。

固态蓄电池在其充过电时可以提供大小约为1.5V的常见的供电电压。

在此，具有约为1.5V的供电电压的固态蓄电池可以替代具有1.5V的供电电压的常见的电池组。

三个串联的并且可分别提供0.5V的单个供电电压的太阳能电池可以共同提供约为1.5V的供电电压而且借此良好地适合于以1.5V的供电电压来给固态蓄电池充电。

相对应的情况适用于供电电压的相关倍数。这样，六个串联的太阳能电池可以给两个蓄电池的串联电路充电。在此，两个串联的蓄电池可以提供3V的供电电压。这种电接线可以是对具有两个串联的常见的电池组的电压供应的替代。

相对应地，该电路也可包括三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个或者十个固态蓄电池而且在蓄能器中相对应地包括九个、十二个、十五个、十八个、21个、24个、27个或三十个太阳能电池。

可能的是，固态蓄电池被实现为可回流焊接的SMD器件。在常规的电池组或者蓄电池的情况下，这在其它情况下不能实现或只能以过高的技术花费和相对应的成本来实现。

在此，回流焊接（回流焊）是用于焊接SMD器件的软焊接方法。固态蓄电池良好地适合于回流焊接，因为固态蓄电池的组成部分至少在焊接的相对短的时间内良好地承受住在回流焊接时出现的温度，而不损坏固态蓄电池。相同的情况也适用于该电路的其余的电路组件。

将固态蓄电池用作SMD器件（SMD = Surface-Mounted Device（表面安装器件））具有如下优点：蓄电池可以以常用的接线和连接技术轻易地被添加到该蓄电池的其余的电路组件，而且该电路可以相对应地成本相对低廉地并且废品率低地来制造。

可能的是，至少一个电路组件被嵌入在陶瓷多层衬底中。

在此，陶瓷多层衬底具有陶瓷层和金属敷镀层。在一个或多个重叠地布置的金属敷镀层中，无源电路元件、例如电阻性元件、电容性元件和/或电感性元件可以形成为金属化结构。在金属敷镀层之间的陶瓷层的介电材料用作在金属敷镀层之间的电绝缘体而且用作使衬底稳定的机械载体。在不同的金属敷镀层中的不同的电路元件可以通过所谓的通孔来彼此连接和接线。这种陶瓷多层载体衬底可以在其上侧或者在其下侧具有其它电路组件、例如SMD器件。

陶瓷多层衬底例如可以是LTCC衬底（LTCC = Low-Temperature Co-firedCeramics（低温共烧陶瓷））或者HTCC载体衬底（HTTC = High-Temperature Co-firedCeramics（高温共烧陶瓷））。

在陶瓷载体衬底中，可以设置留空部，至少一个或多个电路组件、例如太阳能电池或者固态蓄电池可以嵌入在所述留空部中。

通过将电路组件嵌入在衬底中、例如将电路组件整体嵌入在衬底中，降低了其中实现了该电路的相对应的器件的结构高度。

可能的是，至少两个不同的电路组件在构造上组合在一个模块中。

超过两个电路组件也可以组合在唯一一个模块中。这些电路组件可以整体地集成在模块中。该模块可以以能安装SMD的方式来设计。这样，例如固态蓄电池、太阳能电池和其它无源电路组件可以组合在唯一的能安装SMD的模块中。

可能的是，至少一个电路元件布置在外壳中，该外壳的形状和大小仿照商用标准的电池组的形状和大小，使得该外壳能插入到这种电池组的插座中。

这样可能的是：两个或更多个电路组件组合在其中的模块以电池组、例如纽扣电池的外部几何形状来设计。这种模块可以替代常见的电池组、例如常见的纽扣电池或者至少使用该电池组的容纳部。借此，在现有的电路中，不需要重新设计。

对蓄能器的容量和太阳能电池的功率的参数设计可以被选择为使得满足常见的要求并且仍然可以遵守少的制造成本和小的尺寸。

如果例如用LED灯以三米的距离来对空间进行照明而且该LED灯具有10W的功率而且太阳能电池具有约为4cm²的面积和10%的效率，则太阳能电池的输出功率约为0.7μW。如果该电路是无线电光控开关而且单个切换过程需要约100μJ，则用于单个切换过程的充电时间少于三分钟。固态蓄电池的存储容量可以约为500mJ。借此，被充电的固态蓄电池具有用于远超几千次切换过程的能量。

上文所描述的电路可以相对应地用作在自给自足的电路中的能量供应。

可能的是，该自给自足的电路从无线电电路、光控开关、报警装置、火灾报警器、时钟、例如壁钟或者落地大座钟、远程操作装置、气象站以及位置指示器中选择。

可能的是，该自给自足的电路是传感器、例如无线电传感器。

那么可能的是，该传感器被设计用于探测辐射、压力、温度、湿度、化学物质的存在、气体或者加速度。也可能的是，该传感器被设计用于确定属于这些参数的测量参量的任意组合。

其中实现了该电路的模块可具有约为0.305cm x 0.254cm的尺寸（长度 x 宽度）。因此，这种模块可以非常紧凑地来建造。

附图说明

当前的电路所基于的功能原理和作用方式以及优选的实施方式的细节在示意性附图中进一步予以阐述。

其中：

图1示出太阳能运行的电路的等效电路图,

图2示出具有三个串联的太阳能电池的电路,

图3示出具有二极管的等效电路图,

图4示出具有压敏电阻的等效电路图,

图5示出具有电阻性元件的等效电路图,

图6示出具有电容性元件的等效电路图,

图7示出具有两个串联的固态蓄电池的等效电路图,

图8示出具有多个优选的附加的电路元件的等效电路图,

图9示出太阳能运行的电路的一个可能的设计方案的等效电路图。

具体实施方式

图1示出了具有太阳能电池的电路、即太阳能运行的电路SES的等效电路图。该电路具有第一连接端A1和第二连接端A2。能量转换器EW电耦合在第一连接端A1与第二连接端A2之间。能量转换器EW具有至少一个太阳能电池SZ。蓄能器ES同样电耦合在第一连接端A1与第二连接端A2之间。蓄能器ES具有固态蓄电池FKA。蓄能器EW和固态蓄电池FKA彼此并联在连接端A1、A2之间。

蓄能器ES和能量转换器EW可以与两个连接端A1和A2直接接线。不过，也可能的是：至少一个电路元件、例如能量转换器通过另一可选的电路元件来与连接端之一仅仅电耦合。

这两个连接端A1、A2是如下端口，能量转换器EW和/或蓄能器ES可以经由该端口与太阳能运行的电路SES的其它电路组件接线。尤其是，蓄能器ES在此是能量源，使得在图1中示出的电路组件可以用作太阳能运行的电路的在图1中未示出的电路组件的能量源。

能量转换器EW被设置为：当蓄能器ES未被充满电而且能量转换器可以通过其太阳能电池接收光形式的电磁能时，给该蓄能器ES充电。在用外部环境的能量来供应电路SES的离散的时间段中，仍然可能的是，在连接端A1、A2上持续地提供供电电压和电能。

图2示出了在能量转换器EW中串联三个太阳能电池的可能性。在此，固态蓄电池FKA可具有如下工作电压，该工作电压对应于一个太阳能电池的工作电压的三倍。相对应地，太阳能电池的三重串联电路使能量转换器EW和蓄能器ES的兼容电压彼此相适应。

图3示出了二极管D的使用，该二极管D接在能量转换器EW与蓄能器ES之间。该二极管D基本上用于：防止在昏暗时固态蓄电池经由太阳能电池的放电。为此，该二极管D被连接成使得该二极管在给蓄能器充电时具有小的自身电阻而沿相反的电流方向具有高电阻。

图4示出了将压敏电阻V与能量转换器EW并联并且与蓄能器ES并联的可能性。在此，该压敏电阻基本上用作对太阳能电池或对蓄能器ES的过压保护。

图5示出了将电阻性元件RE、例如欧姆电阻与蓄能器ES的固态蓄电池串联的可能性。在此，该电阻性元件基本上是防止充电电流过高的串联电阻。

图6示出了在蓄能器ES中将电容性元件KE与固态蓄电池并联的可能性。电容性元件、例如电容器在此基本上是辅助电容器，该辅助电容器对固态蓄电池进行辅助，以便针对单个事件提供能量。固态蓄电池的特点基本上在于高能量密度、但是仅仅低的功率密度。在此，低功率密度可以通过使用辅助电容器来补偿。由此，该电路具有固态蓄电池的高能量密度的优点，而不必直接忍受蓄电池的低功率密度的缺点。

图7示出了在蓄能器ES中将两个固态蓄电池FKA1、FKA2串联的可能性。

通过选择在蓄能器ES中的各个固态蓄电池的相对应的串联或者并联的级联的程度，可能的是，使该电路与关于供电电压或者供电电流方面的多个不同的要求适配。

在此，电路的上文示出的各个特征可以彼此结合，使得对于具体的应用情况来说得到适合的电路特性。

图8相应地示出了一个优选的实施方式，该实施方式在能量转换器中具有三个串联的太阳能电池而且在蓄能器中具有电阻性和电容性元件。太阳能运行的电路SES还具有压敏电阻和二极管。

图9示出了另一设计方案，其中为了提高电压，六个太阳能电池在能量转换器EW中串联。在蓄能器ES中，两个蓄电池串联。

该电路可包括附加的电路组件，如机械开关、（例如用于辐射、压力、温度、湿度、化学品、气体和加速度的）传感器、用于接收或发送电磁信号的无线电模块以及其它能量转换器和蓄能器以及其它无源和有源组件（例如用于分析开关状态或者传感器测量值或者用于分析或创建所接收到的或所要发送的无线电信号的集成电子电路）。该电路还可包括如下电路组件，这些电路组件可以通过连接端A1、A2被供应电能。

附图标记列表

A1、A2： 第一、第二连接端

D： 二极管

ES： 蓄能器

EW： 能量转换器

FKA： 固态蓄电池

KE： 电容性元件

RE： 电阻性元件

SES： （太阳能运行的）电路

SZ： 太阳能电池

V： 压敏电阻

Claims (15)

1.一种电路（SES），所述电路包括：

- 能量转换器（EW）；

- 蓄能器（ES）；

- 第一连接端（A1）和第二连接端（A2），

其中

- 所述能量转换器（EW）与所述第一连接端（A1）和所述第二连接端（A2）电耦合，

- 所述蓄能器（ES）与所述第一连接端（A1）和所述第二连接端（A2）电耦合，

- 所述能量转换器（EW）适合于并且被确定用于在离散的时间段给所述蓄能器（ES）充电，

- 所述蓄能器（ES）适合于并且被确定用于持续地提供能量，

- 所述能量转换器（EW）包括太阳能电池（SW），并且

- 所述蓄能器（ES）包括固态蓄电池（FKA）。

2.根据权利要求1所述的电路，其中所述能量转换器（EW）和所述蓄能器（ES）并联。

3.根据上述权利要求之一所述的电路，所述电路还包括二极管（D），所述二极管接在所述蓄能器（ES）与所述能量转换器（EW）之间。

4.根据上述权利要求之一所述的电路，所述电路还包括压敏电阻（V），所述压敏电阻与所述蓄能器（ES）并联并且与所述能量转换器（EW）并联。

5.根据上述权利要求之一所述的电路，所述电路还包括在所述蓄能器（ES）中的电阻性元件（RE），所述电阻性元件与所述固态蓄电池（FKA）串联。

6. 根据上述权利要求之一所述的电路，所述电路还包括在所述蓄能器（ES）中的电容性元件（KE），所述电容性元件与所述固态蓄电池（FKA）并联。

7. 根据上述权利要求之一所述的电路，其中

- 所述能量转换器（EW）包括三个或六个串联的太阳能电池（SZ），并且

- 所述蓄能器（ES）包括一个或两个串联的固态蓄电池（FKA）。

8.根据上述权利要求之一所述的电路，其中至少一个固态蓄电池（FKA）被实现为可回流焊接的SMD器件。

9.根据上述权利要求之一所述的电路，其中至少一个电路组件被嵌入在陶瓷多层衬底中。

10.根据上述权利要求之一所述的电路，其中至少两个不同的电路组件在构造上组合在一个模块中。

11.根据上述权利要求之一所述的电路，其中至少一个电路元件布置在外壳中，所述外壳的形状和大小仿照商用标准的电池组的形状和大小，使得所述外壳能插入到这种电池组的插座中。

12.根据上述权利要求之一所述的电路作为在自给自足的电路中的能量供应的应用。

13.根据权利要求12所述的应用，其中所述自给自足的电路从无线电电路、光控开关、报警装置、火灾报警器、时钟、远程操作装置、气象站以及位置指示器中选择。

14.根据权利要求12所述的应用，其中所述自给自足的电路从传感器和无线电传感器中选择。

15.根据权利要求14所述的应用，其中所述传感器被设计用于探测辐射、压力、温度、湿度、化学物质的存在、气体或加速度或者它们的任意组合。

Images