DE1614923C - Photoelektrischer Wandler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf photoelektrische Wandler, insbesondere auf eine Energiequelle, in einer elektrisch angetriebenen Uhr, mit einem Photoelement, dessen aktive Fläche dem Einfall von aktinischer Energie aussetzbar ist, wobei der Wandler zum Laden einer Batterie verwendbar ist.

Schon seit einigen Jahren sind Photoelemente, beispielsweise als sogenannte Halbleitersonnenzellen, bekannt. Diese Zellen wandeln Licht-(aktinische)-Energie in elektrische Energie um. Sie werden manchmal auch dazu benutzt, 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 Zellen so gebaut werden, daß sie durch ein helles Licht nicht nachteilig beeinflußt werden. Der elektrische Ausgangs^ strom 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 benutzte 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. Gemäß der Erfindung ist der Wandler ferner kompakt, gedrungen, unter-· licgt keinen mechanischen und elektrischen Störurigen und ist ferner billig in der Herstellung. . ..

Das phototrope Material verdunkelt 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 Materini. Auf diese Weise wird die das Phntoclumcnt erreichende Lichtmenge pio Zeiteinheit auf eine verhältnismäßig konstaiite 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.
5 Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nächfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung, die Ausführungsbeispiele der Erfindung enthält. In der Zeich. nung zeigt

F i g. 1 eine schaubildliche Ansicht eines Photoelements — auch Sonnenzelle genannt — gemäß der Erfindung,

F i g. 2 eine Blockschaltung, wie sie im Zusam-

menhang mit der Erfindung verwendet werden kann, F i g. 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-Schicht2 und eine n-Schicht3 hat. Der Ausdruck ρ bezieht sich auf die im wesentliehen durch Löcher gegebene Leitfähigkeit, die in dieser Halbleiterschicht auftritt. In der n-Schicht3 erfolgt die Leitung in der Hauptsache durch Elektronen. Der Halbleiterkörper, vorzugsweise ein hochreines Silizium, ist mit Verunreinigungen derart dotiert, daß ein Überschuß oder ein Mangel an Valenz-Elektronen auftritt, die durch Licht versetzt werden können (aktinische Strahlung). Die Grenzfläche zwischen den p- und η-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 η-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 HaIbleitervorrichtungen, 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 anderen 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 darauf fallenden . Lichtintensität ist. Ein geeignetes phototropisches Material ist beispielsweise ein amorphes Siliziumglas mit einer Volumenkonzentration zwischen 0,01 und 0,1 der lichtempfindlichen Kristalle. Geeignete Kri-" stalle sind Silberchlorid, Silberbromid und Silberjodidkristalle 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.-Patentschriftcn 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 hergestellt wird, ultraviolette Strahlen unterhalb 330 rri|i, es ist in der

Nähe des ultravioletten Bereiches abgedunkelt und im übrigen Teil des sichtbaren Spektrums durchlässig, d. h., es ergibt sich ein Durchlaß von ungefähr 90 ^ü/o für das sichtbare Licht oberhalb 450 ηΐμ. Es wird also hauptsächlich in der Nähe des ultravioletten Bereichs abgedunkelt bzw. es absorbiert. Dieses Glas wird vorzugsweise mit Photoelementen zusammen verwendet, die in erster Linie bei Ansprechen auf eine in der Nähe des ultravioletten Bereiches liegende Strahlung Elektrizität erzeugen.

In Fig. 2 ist das Photoelement mit seiner phototropen Abdeckung als Zelle 4 dargestellt. Diese ist mit einer Halbleiterdiode 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 dei . Dunkelheit als eine passive Belastung niedriger Impedanz.

Parallel zur Zelle 4 und zur Batterie 5 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 Nickel. Der Elektrolyt ist eine alkalische Flüssigkeit. In einem der unter dem Warenzeichen »Duräc« bekannten Nickel-Cadmium-Akkumulatoren sind die Elektroden aus mit Nickel- und Cadmiumsalzen imprägniertem Nickelcarbonyl. 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 in 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 Zinkhydroxyd 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 mit einem abgewandelten, eine konstante Spannung aufweisenden Verfahren von einer Gleichstromquelle 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 Schütz 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 4 a, das eine Zelle gemäß der vorliegenden Erfindung nach Fig.! 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 4 α führen Drähte zu einem aufladbaren Miniaturakkumulator W. 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 3 046 460 dargestellt und beschrieben.

Claims (15)

1. Patentansprüche:

   ■1. Photoelektrischer Wandler, insbesondere als Energiequelle in einer elektrisch angetriebenen Uhr, mit einem Photoelement, dessen aktive Fläche dem Einfall von aktinischer Energie aussetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß vor der aktiven Fläche in Richtung auf den Einfall aktinischer Energie ein phototropes Material (1) angeordnet ist.
2. 2. Photoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das phototrope Material (1) 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.
3. 3. Photoelektrischer Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das phototrope Material (1) in seinem spektralen Ansprechen dem spektralen Ansprechen des Photoelements (2, 3) angepaßt ist.
4. 4. Photoelektrischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das phototrope Material (1) ultraviolette Strahlen ungefähr unterhalb 330 πΐμ absorbiert.
5. 5. Photoelektrischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das phototrope Material (1) in der Nähe des ultravioletten Bereiches sich verdunkelt.
6. 6. Photoelektrischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Photoelement (2, 3) derart ist, daß es elektrische Energie hauptsächlich in der Nähe des ultravioletten Bereichs erzeugt.
7. 7. Photoelektrischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Photoelement (2, 3) e^:n Halbleitermaterial mit einem p-n-Übergang ist.
8. 8. Photoelektrischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das phototrope Material als Schicht (1) auf im wesentlichen der ganzen aktiven Fläche des Photoelements (2, 3) fest aufgebracht ist.
9. 9. Photoelektrischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das phototrope Material im Abstand vom Photoelement angeordnet ist.
10. 10. Photoelektrischer Wandler nach einem der vorhergehenden - Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Photoelement im Uhrgehäuse untergebracht ist und in Richtung des Einfalls aktinischer Energie vor dem Photoelement (2, 3) eine Schicht (1) aus phototropem Material angeordnet ist. .
11. 11. Photoelektrischer Wandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Photoelement (1, 2) das Zifferblatt (4 a) einer Uhr bildet.
12. 12. Photoelektrischer Wandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das phototrope Material (2,3) die Abdeckung des

    Zifferblattes (4 a) entweder unmittelbar auf diesem oder als übliche Zifferblattabdeckung (8) im Abstand vom Zifferblatt (4 d) bildet.
13. 13. Photoelektrischer Wandler nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Photoelemerit (2, 3) an einen im Uhrgehäuse angeordneten Akkumulator (10) angeschlossen ist und mit beiden eine zum Antrieb der Zeiger dienende elektrische Antriebsvorrichtung (12) verbunden ist.
14. 14. Photoelektrischer Wandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Diode (5) in Reihe mit dem Photoelement (2, 3) angeordnet ist.
15. 15. Photoelektrischer Wandler nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Akkumulator (6) ein Nickel-Kadmium-Akkumulator ist.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen