Zur
Ansteuerung von elektrochromen Zellen und Modulen sind eine Vielzahl
von Methoden und Schaltungen bekannt. Dabei wird versucht, die Steuerparameter,
wie Zellenspannung und Strom, zugänglich zu machen und diese
unmittelbar zu kontrollieren.
In
der
EP 1001307 A2 (Yamamoto,
Tetusya, et al., Electrochromic display drive unit for use with
a rear-view mirror) wird beispielsweise das Output-Signal durch
eine Timer-Schaltung begrenzt, wodurch eine Überladung der Zelle verhindert
werden soll. Das Entfärben
wird durch das Kurzschließen
der Zelle umgesetzt, was allerdings eine starke Belastung der Zelle
mit sich bringt.
In
den US-Patenten 4512637 und 4529275 (H. Ballmer, Method and Means
for Stepwise Charge Control of electrochromic Layers bzw. Continuous charge
control for electrochromic layers) wird ein Verfahren beschrieben,
bei dem durch die Verwendung einer galvanostatischen Zellenansteuerung
in Kombination mit einem digitalen Zähler die eingelagerte Ladungsmenge
in die Zelle überwacht
wird. Eine Begrenzung der eingebauten Ladungsmenge ist jedoch insbesondere
für eine
Anwendung im Bereich von Displays aus elektrochromen Zellen nicht
sinnvoll, da die benötigte
Ladungsmenge für
den Färbe-
oder Entfärbevorgang
durch die unterschiedlichen Kombinationen an gefärbten und entfärbten Segmenten meist
variabel ist.
Im
US-Patent 5978126 (Walter P. Sjursen, Apparatus for controlling
an electrochromic device) wird ein Verfahren zum Ansteuern einer
elektrochromen Zelle unter Verwendung einer Referenz-Impedanz beschrieben.
Der Ladestrom der elektrochromen Zelle wird ständig mit dem Referenzstrom
durch die verwendete Referenz-Impedanz mittels eines Komparators
verglichen und die Steuerung der elektrochromen Zelle entsprechend
angepasst.
Durch
die WO 9905566 A1 (G. Tulloch, Electrochromic smart windows and
methods) wird ein Verfahren vorgestellt, bei dem die Ansteuerung
der elektrochromen Zelle mit der Spannung eines photovoltaischen
Elements gekoppelt ist. Das Verfahren beinhaltet verschiedene Spannungen
für das
Färben und
Entfärben
der Zelle und verwendet ein Abschaltkriterium für den Ladevorgang. Dies wird
durch die Verwendung einer mit einem Mikroprozessor gesteuerten
Schaltung umgesetzt.
Ein
weiteres Verfahren wird in der WO 98/16870 A1 (I. Skryabin, Control
of electrochromic devices) vorgestellt. Die Ziele bei der Ansteuerung der
elektrochromen Zelle sind hier weitestgehend vergleichbar mit denen
bei der Ansteuerung elektrischer Blei- oder Lithium-Akkumulatoren.
Zunächst wird
mit einem konstanten Strom geladen und die Spannung überwacht.
Bei Erreichen einer vorgegebenen Maximalspannung wird potentiostatisch,
d.h. bei gleich bleibender Spannung, weitergeladen. Die Ansteuerung
erfolgt nachteilig über
getrennte Stromkreise, zwischen denen bei Erreichen der Maximalspannung
umgeschaltet wird. Weiterhin wird ein Abschaltkriterium durch Unterschreiten
eines vorgegebenen Wertes des Ladestromes definiert. Das Verfahren
arbeitet nachteilig immer nach einem festen Ereignisablauf und beginnt
stets mit einem kompletten Entfärbevorgang
der elektochromen Zelle bevor der erste Programmschritt des Ladevorgangs
startet und kann daher nicht beliebig abgebrochen und fortgesetzt
werden. Das Verfahren eignet sich allenfalls für die Ansteuerung elektrochromer
Fenster oder von elektrochromen Festanzeigen mit unveränderlicher Größe der einzufärbenden
Fläche.
Eine
variable Zuschaltung von elektrochemischen Zellen ist mit der Steuerung
nicht vorgesehen und kann zu Problemen führen, insbesondere bei zusätzlichen
Segmenten in einem Display. Werden mehrere Module oder Teilsegmente
eines Moduls durch die zuvor beschriebene Ansteuerung betrieben,
ist ein Eingriff in den Steuerprozess problematisch, da eine Variation
der aktiven Fläche
des Moduls einen nicht definierten Zustand darstellt. Die Aktivierung
der Umschaltvorrichtung ist ein einmaliger Vorgang bei jedem erneuten
Start der Steuerung. Bei Zuschaltung von weiteren Segmenten würde somit trotz
der Überschreitung
des maximalen Zellenstromes potentiostatisch beladen und dadurch
die elektrochrome Zelle durch zu hohe Ströme stark belastet.
Weitere
Vorrichtungen zur Ansteuerung von elektrochromen Zellen werden in
den folgenden Druckschriften beschrieben:
EP 1 065 557 A2 (G. Brüchmann,
et al, Verfahren zur Regelung der Lichtdurchlässigkeit eines elektrochromen
Glases), WO 97/28484 (R. Batchelor, Electrochromic Devices),
EP 0 683 419 B1 (C. Lefrou,
Method of supplying power to an electrochromic system),
EP 0 584 003 B1 (X. Ripoche,
Power supply for an electrochromic cell) und
US 5654736 (M. Green, Apparatus for
the Control of an electrochromic window). Diese weisen jedoch zahlreiche,
spezifische Nachteile auf und erfüllen insbesondere nicht die
speziellen Anforderungen, die bei der Ansteuerung von elektrochromen
Anzeigevorrichtungen zu berücksichtigen
sind.
Vor
dem Hintergrund der oben beschriebenen Nachteile ist es daher Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, eine vergleichsweise einfache und die elektrochrome
Zelle schonende Schaltung bereitzustellen.
Diese
Aufgabe wird durch eine gattungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Eine
vorteilhafte Verwendung ergibt sich aus dem weiteren nebengeordneten Anspruch.
Die
erfindungsgemäße elektronische
Schaltung weist wenigstens eine elektrochrome Zelle auf. Dabei handelt
es sich im Allgemeinen um eine Zelle, die beim Anlegen einer äußeren Spannung
ihre optischen Eigenschaften ändert.
Diese Änderung
erfolgt durch Ein- oder
Auslagerung von Ionen. Dies können beispielsweise
Wasserstoffionen oder Alkalimetallionen sein, die in Übergangsmetalloxide
eingelagert werden. Die Kristallstruktur der Metalloxide bleibt
im Allgemeinen bei dieser sogenannten Interkalation unverändert. Durch
die Interkalation ändert
sich beispielsweise die Oxidationsstufe der Übergangsmetalloxide und mit
ihr die Bandstruktur, was wiederum eine Änderung der elektrischen Leitfähigkeit
und der optischen Eigenschaften, beispielsweise der transmissiven
oder reflektiven Eigenschaften, zur Folge hat. Als sehr vielversprechendes
elektrochromes Material hat sich Wolframoxid WO3 erwiesen.
Bezüglich eines
beispielhaften Aufbaus wird auf die WO 95/28663 verwiesen, ohne
dass dabei die vorliegende Erfindung auf diesen Aufbau beschränkt ist.
Vielmehr eignet sich die vorliegende Erfindung aufgrund des allgemeinen
Funktionsprinzips der elektrochromen Zelle, bei der die oben beschriebene Umlagerung
mit einer Energiespeicherung verbunden ist, für alle Arten von elektrochromen
Zellen, unabhängig
von deren Aufbau. Die erfindungsgemäße Schaltung sieht ferner Mittel
zum Färben
oder Entfärben
der elektrochromen Zelle vor. Beispielsweise umfassen die Mittel
eine Stromversorgung, die an die Elektroden der elektrochemischen
Zelle angeschlossen ist, um so eine Spannung zwischen den Elektroden
anzulegen oder einen Strom zu den Elektroden oder von den Elektroden
abfließen
zu lassen, um die oben beschriebene Ein- oder Auslagerung von Ionen im
elektrochromen Material der Zelle zu bewirken. Dabei sind die Mittel
so ausgelegt, dass die elektrochrome Zelle galvanostatisch und potentiostatisch beschaltet
werden kann. Galvanostatisch ist dabei so zu verstehen, dass die
zu oder von den Elektroden abfließenden Ströme im Wesentlichen konstant
sind. Ferner ist potentiostatisch so zu verstehen, dass die an den
Elektroden der elektrochromen Zelle anliegenden Spannungen, d.h.
die zwischen den Elektroden vorliegende Potentialdifferenz, im Wesentlichen konstant
ist. Beispielsweise ist die Stromversorgung bezüglich der abzugebenden Spannung
und des abzugebenden Stromes stabilisiert. Dadurch wird erreicht,
dass es nicht zur Überbelastung
der elektrochemischen Zelle hinsichtlich der anzulegenden Ströme und Spannungen
kommt. Dadurch kann die Lebensdauer der Zelle gesteigert werden.
Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung ist die Stromversorgung der elektrochemischen
Zelle bezüglich
der beiden Stabilisierungen umschaltbar. So kann beispielsweise
in Abhängigkeit
der Impedanz oder in Abhängigkeit
des zu erreichenden Färbezustands
der elektrochromen Zelle die Spannung oder der Strom stabilisiert
werden. Neben der sich dadurch ergebenden, schonenden Betreibung
der relativ teuren, elektrochemischen Zelle führt dies zu einem vergleichsweise
einfachen Aufbau, da u.a. mehrere separate Stromversorgungen und
gegebenenfalls mehrfache Kontaktierungen der Elektroden entfallen.
Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind Mittel zur Steuerung
der Schaltung vorgesehen, die so ausgelegt sind, dass wenigstens
beim Umschalten von Färben
nach Entfärben
und/oder umgekehrt der elektrochromen Zelle diese galvanostatisch
beschaltet ist. Unter Färben
und/oder Entfärben
sind die Vorgänge
zu verstehen, die mit der Ein- und Auslagerung von Ionen im elektrochromen
Material verbunden sind. Im Allgemeinen variiert dieser Ein- oder
Auslagerungsvorgang mit der an der elektrochromen Zelle anliegenden
Spannung. Es hat sich gezeigt, dass elektrochrome Zellen beim Färben oder
Entfärben
und insbesondere im Umschaltzeitpunkt sehr niedrige Impedanzen aufweisen
können. Dadurch
können
insbesondere bei diesen Vorgängen ausgeprägte Stromspitzen
auftreten. Dies führt
oft zu einer Beschädigung
der elektrochromen Zelle, oder schränkt deren Lebensdauer drastisch
ein. Versuche haben gezeigt, dass die Lebensdauer einer elektrochromen
Zelle um 8000 Zyklen gegenüber
einer nicht galvanostatischen Beschaltung erhöht wird und eine Lebensdauer
von 20000 Zyklen erreicht werden kann. Dabei umfasst ein Zyklus
einen Färbe-
und Entfärbevorgang.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorteilhaft die galvanostatische
Beschaltung der elektrochromen Zellen auf im Wesentlichen den gesamten
Färbe-
oder Entfärbevorgang
ausgedehnt. Die bei der galvanostatischen Beschaltung eingehaltene
Stromstärke
kann beim Färbevorgang gegenüber der
beim Entfärbevorgang
unterschiedliche Werte aufweisen.
Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung
sind die Mittel zu Steuerung der Schaltung so ausgelegt, dass bei
Erreichen des Färbe-
und/oder Entfärbezustandes
der elektrochromen Zelle, diese im Wesentlichen potentiostatisch
beschaltet ist. Dabei ist der Färbe- oder Entfärbezustand
so zu verstehen, dass es sich um vorgegebene Zustände der
elektrochromen Zelle handelt, deren optische Eigenschaften für einen
vergleichsweise längeren
Zeitraum beizubehalten sind. Im Allgemeinen bleiben die oben beschriebenen, elektrochromen
Schichten nach der Interkalation nur einige Zeit aufgeladen. Um
die jeweiligen optischen Zustände
und dabei insbesondere den Färbezustand beizubehalten,
ist bei dieser Ausgestaltung vorgesehen, die elektrochrome Zelle
bei gleich bleibender Potentialdifferenz zwischen den Elektroden
zu beschalten. Einer Entladung der Zelle wird so vorteilhaft entgegengewirkt,
die optischen Eigenschaften werden für einen längeren Zeitraum beibehalten.
Ferner wird so eine tiefere Einfärbung
der elektrochromen Zelle erreicht.
Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind Mittel zur Überwachen
der an der elektrochromen Zelle anliegenden Spannung vorgesehen. Beispielsweise
dienen diese in einer Ausgestaltung dazu festzustellen, wann das
galvanostatische Färben
oder Entfärben
abzubrechen ist. Eine zeitabhängige
Steuerung dieser Vorgänge
kann dadurch entfallen, oder die damit verbundenen Nachteile hinsichtlich
einer möglichen Überbelastung
einer elektrochromen Zelle entfallen dadurch vorteilhaft. Eine derartige Überbelastung
der Zelle kann beispielsweise auftreten, wenn nach einem nicht abgeschlossenen
Entfärbevorgang
der Färbevorgang über eine
zu lange Zeit durchgeführt
wird. Darüber
hinaus ist die Schaltung auf unterschiedliche elektrochrome Systeme
mit ungleichen Färbe-
und Entfärbezeiten
anpassbar.
In
einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung ist diese so
ausgelegt, dass Mittel zur Bestimmung der Spannung der elektrochromen
Zelle vorgesehen sind. Beispielsweise sind strom- und spannungslose Phasen in der Beschaltung
vorgesehen, in denen der Spannungszustand der Zelle und damit der
Färbe-
oder Entfärbezustand
der Zelle festgestellt werden kann. Dadurch kann die Einfärbung beliebig
eingestellt werden, ohne dass jeweils vorher entfärbt werden
muss.
Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung
wird der Strom überwacht,
der während
des Färbe-
und/oder Entfärbezustandes,
also während
der potentiostatischen Beschaltung der elektrochromen Zelle fließt. Dadurch
kann beispielsweise, dafür
gesorgt werden, dass bei Unterschreiten eines vorgegebenen Stromgrenzwertes
die potentiostatische Beschaltung der Zelle unterbrochen wird.
Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung
ist diese so ausgelegt, dass der beim Färben und/oder Entfärben an
der elektrochromen Zelle anliegende Strom gepulst ist. Dadurch wird
erreicht, dass im stromlosen Zeitabschnitt zwischen den Pulsen,
der Färbezustand
der elektrochromen Zelle überprüft werden kann.
Beispielsweise ist die Schaltung so ausgelegt, dass beim galvanostatischen
Färbe- oder Entfärbevorgang
der zugehörige
Strom gepulst wird.
Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der elektronischen Schaltung
sind Mittel zur zeitlichen Steuerung der an der elektrochromen Zelle anliegenden
Spannungen und/oder Ströme
vorgesehen. Beispielsweise wird bei Erreichen des Stromgrenzwertes
bei der potentiostatischen Beschaltung der elektrochromen Zelle
noch für
ein Zeitintervall die Spannung an die elektrochrome Zelle angelegt.
Dadurch wird eine tiefere Einfärbung
der Zelle, insbesondere bei nicht eingeschwungenen Zellen erreicht.
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der elektronischen Schaltung
umfassen die Mittel zur Steuerung der Schaltung einen Schalter zur
Umschaltung zwischen der Färbe-
und Entfärbebeschaltung
der elektrochemischen Zelle. Dadurch kann die Schaltung für Zwecke
eingesetzt werden, bei denen es von Vorteil ist, die optischen Eigenschaften
willkürlich
zwischen zwei Zuständen
zu umzuschalten, wie es beispielsweise bei der Darstellung von binären Daten
oder bei optischen Schaltern der Fall ist.
Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Schalter von
einer Logik, insbesondere einem Prozessor, angesteuert. Dadurch
eignet sich die Schaltung besonders zur Anwendung als Display. Beispielsweise
bildet die elektrochrome Zelle ein Segment oder ein Pixel eines
Displays.
Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
sehen die Mittel zur Steuerung der Schaltung eine automatische Umschaltung
zwischen der Färbe-
und Entfärbebeschaltung
der elektrochemischen Zelle, insbesondere für einen Einschwingvorgang,
vor. Beispielsweise ist die Schaltung wie folgt gesteuert: Es erfolgt
eine galvanostatische Beschaltung der elektrochromen Zelle bis zum
Erreichen des Färbezustands.
Nach Erreichen des Färbezustands,
d.h. einer vorgegebenen Färbespannung
erfolgt die potentiostatische Beschaltung, bis bei Unterschreiten
des vorgegebenen Stromgrenzwertes eine automatische Umschaltung
auf eine entgegengesetzte, galvanostatische Beschaltung der Zelle
zur Entfärbung
der Zelle vorgenommen wird. Dies wird fortgesetzt bis der Entfärbezustand,
d.h. die vorgegebene Entfärbespannung,
erreicht ist. Danach erfolgt wiederum eine potentiostatische Beschaltung,
bis der Stromgrenzwert unterschritten wird. Damit ist ein Zyklus
durchlaufen. Die Schaltung kann dann abgeschaltet werden oder man
kann den Zyklus von Neuem beginnen. Ein automatischer Durchlauf
wird zum Beispiel zur Demonstration der Schaltung verwendet. Ferner kann
ein automatischer Durchlauf von einem oder mehreren Zyklen dazu
verwendet werden, die elektrochrome Zelle einzuschwingen und damit
besonders tiefe Färbezustände zu erreichen.
Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind mehrere, insbesondere
zu einem Display verbundene, elektrochrome Zellen vorgesehen. Beispielsweise
sind mehrere elektrochrome Zellen parallel durch die Schaltung beschaltet,
d.h. durch die Schaltung werden mehrere elektrochrome Zellen mit der
gleichen Spannung beschaltet. Die erfindungsgemäße Schaltung weist den Vorteil
auf, dass bei der galvanostatischen bzw. potentiostatischen Beschaltung
der elektrochromen Zellen die Ströme bzw. Spannungen unabhängig vom
Zustand der Einzelzelle konstant gehalten werden. Ist ferner ein
Schalter vorgesehen, mit dem einzelne Zellen willkürlich oder durch
eine Logik zu- oder abgeschaltet werden, wirkt sich dies nicht nachteilig
auf die verbleibenden, entsprechend beschalteten elektrochromen
Zellen aus. Beispielsweise wird beim Zuschalten einer weiteren Zelle
bei der galvanostatischen Beschaltung sichergestellt, dass der Strom
insgesamt konstant bleibt. Es wird also vermieden, dass durch einen
geringen Widerstand in der zugeschalteten Zelle der durch die Zelle
fließende
Strom so ansteigt, dass dadurch die Struktur dieser Zelle beschädigt wird.
Die
zuvor beschriebenen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen
eignen sich zur Anwendung als Fensterelement, Spiegel oder strukturierte
Festanzeige. Dadurch kann beispielsweise die Fläche der sich im Färbezustand
befindlichen Zellen variabel und vergleichsweise einfach geschaltet
werden. Ferner werden die dabei verwendeten elektrochromen Zellen
vergleichsweise schonend beschaltet, so dass deren Lebensdauer ausgedehnt werden
kann. Als besonders vorteilhaft erweist sich die erfindungsgemäße Schaltung
bei der Verwendung zur Darstellung von Daten. Mehrere elektrochrome
Zellen, die beispielsweise zu einem Display verbunden sind, können durch
einen einzelnen Schaltkreis betrieben werden. Aufgrund der erfindungsgemäßen Auslegung
der Schaltung können
zu jedem Zeitpunkt beliebig viele weitere Zellen zugeschaltet werden,
oder beteiligte Zellen abgeschaltet werden, ohne dass dies negative
Auswirkungen auf die verbleibenden elektrochromen Zellen hat.