KR19980070246A

KR19980070246A - 광-볼타 전원에 의해 전력을 받는 전기장치

Info

Publication number: KR19980070246A
Application number: KR1019970076127A
Authority: KR
Inventors: 파린피엘-앙드레; 바텐호퍼진-피엘
Original assignee: 루돌프딩거; 아스라브쏘시에떼아노님
Priority date: 1997-01-09
Filing date: 1997-12-29
Publication date: 1998-10-26
Also published as: SG66419A1; CN1197944A; HK1015041A1; US6118258A; CN1106599C; CH691010A5; JP4652491B2; JPH10206565A; TW359771B; KR100458819B1

Abstract

저전력소모 전기장치는 단일 광-볼타 전지, 전기 축전지(7) 및 축전지를 충전시키기 위해 전원(9)과 축전지사이에 연결된 전압 승압기(10, 11, TR1, TR3)를 포함하는 공급장치(8)를 가진다. 전압 승압기는 예정된 주파수의 펄스 신호에 의해 제어된다.

축전지가 완전 방전될 때 장치를 개시시킬 수 있도록 매우 낮은 전압, 즉 단일 광-볼타전지의 전압에서 작동할 수 있는 오실레이터에 의해 적어도 일시적으로 펄스신호가 발생될 수 있다.

장치가 시계일 경우에 상기 오실레이터는 축전지(7)가 충분히 충전되자마자 시계의 시간 유지회로(1)의 오실레이터(2)로 대체될 수 있다.

Description

광-볼타 전원에 의해 전력을 받는 전기장치

본 발명은 광-볼타 전환에 의해 작동하는 전원, 전기 축전지 및 전원과 축전지 사이에 연결된 전압 승압기를 가지는 자치 저전력 소모 전기장치에 관계한다.

특히, 본 발명은 광-볼타전지를 사용하는 소스를 수단으로 시계 또는 알람시계, 휴대용 계산기, 소형 라디오, IR 또는 라디오 원격조정기, 무선 전화, GPS 수신기등과 같은 저전력 소모 장치의 전력 공급원에 관계하며 광-전력원을 수단으로 충전 상태가 유지되는 전력 축전기를 포함하는 자치 전력 공급원을 갖는 장치에 관계한다.

이들 저전력 소모장치에 전력을 공급하기 위해 현재 사용되는 광-볼타원 또는 전지는 이들이 반도체형인지 또는 광-화학형인지 여부에 따라 요소당 대략 0.3 내지 0.5V의 전압을 제공한다. 게다가 전자 소자는 1V보다 큰 공급전압을 필요로 하므로 여러개의 전지가 이러한 회로의 전력공급 보장을 위해서 직렬로 연결된다.

미학적 이유와 공간 및 가격 때문에 (이들은 시계 기술에서 특히 중요한 기준이다) 단일 광-볼타 전지가 장치에 전력을 공급하기에 충분한 디자인 방법이 현재 추구된다.

따라서 단일 광-볼타전지에 의해 공급된 낮은 전압은 위에서 언급된 종류의 장치 작동에 필요한 전류 직접회로의 전압요구와 양립할 수 없음을 예견할 수 있다.

이러한 상반성을 치유하기 위해서 본 출원인은 전압 승압기를 통해 단일 광-볼타 전지로 부터 축전지가 충전되는 회로를 장치에 공급하는 것을 이미 제안했는데 (1997. 2. 17일자의 특허출원 제 PCT/CH97/00052호 참조) 전압 승압기는 예컨대 초퍼-증폭기형이다.

축전지는 현재 시판되는 리튬이온 축전지와 같은 화학축전지와 초축전지 또는 슈퍼캡으로 언급되는 전기화학 축전기이다.

상기 문헌에 기술된 회로는 축전지의 전하를 사용된 전자회로에 충분한 전압으로 유지시킬 수 있으면서도 단지 0.3 내지 0.5V의 전압을 제공하는 단일 태양전지로 작동할 수 있다.

광-볼타전지, 축전지 및 전압승압기에 의해 전력을 받는 장치에서 나타나는 문제점은 이 장치가 장기간 동안 어둠속에 남겨질 수 있다는 것이다. 만약 장치가 어둠속에서 작동을 유지하면 (시계의 경우일 수 있다) 축전지의 전하가 보충됨이 없이 소모되어서 장치는 주어진 시간에 작동을 멈추고 축전지는 필요한 전압을 공급하기에는 너무 낮은 잔류 전하만을 가지게 된다.

그러나 이러한 잔류 축전지 전하도 자체 방전에 의해 손실되어서 암흑기간이 계속된다면 축전지 전압은 0이 될 것이다.

사용자가 장치를 암흑으로 부터 벗어나게 하면 전지는 다시 에너지를 공급하지만 기껏해야 0.5V의 자체전압으로 공급한다. 장치 작동에 필수적이며 전압 승압기를 제어하는 소자가 이러한 공급전압에서 작동할 수 없으므로 장치는 더 이상 개시할 수 없으며 비록 폐기되지는 않을지라도 외부 충전장치에 의해 충전되도록 축전지 가계에 보내져야 한다.

이러한 결함을 극복하기 위해서 앞서 인용된 특허출원은 장치의 에너지 소모회로를 차단하여서 축전지가 항상 최소 10 내지 20%의 전하를 유지하게 하는 것을 제안한다. 이러한 방식으로 장치가 암흑에서 벗어나면 축전지에 보존된 에너지에 문제없이 장치가 개시되고 정상 작동동안 광-볼타전지를 통해 축전지가 재충전될 수 있다.

그러나 장치가 매우 장시간 암흑에 유지된다면 10 내지 20%의 축전지 전하 조차도 결국 자체방전을 통해 소모될 것이다. 그러면 축전지 전압이 장치의 한계작동값 보다 낮은 순간에 도달되어서 상기 특허문헌에 발표된 방법이 장치의 개시에 관한 모든 경우를 해결할 수는 없다.

본 발명의 목적은 장치가 기능을 수행하는데 필요한 성분의 최소 작동전압보다 낮은 전압을 제공하는 광-볼타원의 사용에도 불구하고 모든 상황에서 개시가 가능한 전기장치를 제공하는 것이다.

도 1 은 저전력 소모 전기장치, 특히 시계의 다이아그램을 보여준다.

* 부호 설명

1...시간유지회로 2...오실레이터

3...주파수 분할기 4...제어회로

5...스테핑 모터 6...바늘

7...축전지 8...공급장치

9...광-볼타전지 10...유도자

11...Schottky 다이오드 12...노드

13,14,16a,16b,16c...인버터 15...오실레이터

17...전압 승압기 18...노드

따라서 본 발명은 광-볼타 전환에 의해 작동하는 전원을 포함한 공급장치, 전기 축전지 및 상기 축전지 충전을 위해 전원과 축전지사이에 연결된 전압 승압기를 가지는 자치 저전력소모 전기장치에 관계하며, 상기 전원은 불충분한 전압을 공급하여 장치의 필수 부분이 그 기능을 수행하도록 작동시키며 상기 전압 승압기는 연결된 제 1 발생기에 의해 공급된 예정된 주파수의 펄스 신호에 의해 제어되며, 상기 제 1 펄스신호 발생기가 상기 광-볼타원에 의해 공급된 전압이하의 전압에서 작동하도록 배치된 오실레이터를 포함함을 특징으로 한다.

이러한 특징의 결과로서, 광-볼타 전원이 공급전력을 발생시키도록 조명이 충분히 강한 상황에 장치가 놓이자마자 전압 승압기 제어에 필요한 오실레이터가 작동하기 때문에 축전지가 완전히 방전될지라도 장치는 개시될 수 있다.

도 1 에 도시된 구체예에 따라서 본 발명은 시계(PH)에 적용된다. 본 발명의 저전력 소모장치는 축전지를 충전시키는 광-볼타 전원을 수단으로 자치적으로 작동하는 임의의 장치일 수 있다.

시계(PH)는 도 1 에서 점선 사각형으로 도시된 시간 유지회로(1)를 포함한다. 종래의 방식으로 회로는 32768㎐의 수정 오실레이터(2), 펄스신호가 획득될 때까지 예컨대 1㎐로 오실레이터(2)의 주파수를 분할하기 위한 2개의 분할 스테이지(3a, 3b)로 표시되는 분할기(3)를 포함한다. 펄스신호는 바늘(6)을 구동시키는 스테핑 모터(5)의 제어회로(4)에 적용된다.

시계(PH)는 리튬이온 축전지나 큰 축전지로 형성된 축전지(7)와 초축전지 또는 슈퍼캡으로 불리는 성분에 의해서 전력을 공급받는다. 축전지(7)의 터미날을 따라 존재하는 전압은 V_accu이라 표기된다.

축전지(7)는 공급장치(8)의 일부를 형성한다. 이러한 공급장치(8)는 0.3 내지 0.5V, 특히 0.4V의 전압(V_cp)을 공급하는 단일 요소로 형성된 광-볼타 전지(9)를 포함한다. 반도체형이나 광화학형의 임의의 광-볼타전지가 사용될 수 있다.

직렬로 유도자(10)와 Schottky 다이오드(11)를 포함하는 전압 승압기가 광-볼타 전지(9)와 축전지(7) 사이에 장착된다. 이득이 되는 방식으로 스테핑 모터(5)의 코일이 유도자(10)로서 사용될 수 있다.

유도자(10)와 Schottky 다이오드(11) 사이의 노드(12)가 제 1 전환 트랜지스터(TR1)의 소스-드레인 경로에 연결되고 트랜지스터는 트랜지스터(TR1)의 게이트에 적용된 제어 펄스신호의 주파수에서 연결 노드를 축전지(7)의 전압과 접지에 교대로 있게 한다. 이러한 작동의 결과로서 유도자(10)의 존재 때문에 노드(12)는 전지(9)에 의해 공급된 전압(V_cp)보다 훨씬 더 높은 전압에 있게 되며 이것은 전하 축전지(7)에 충분하다.

트랜지스터(TR1)의 게이트는 인버터(13)를 통해 저항(R1)과 신호형성 트랜지스터(TR2)의 소스-드레인 경로간의 노드에 연결되며 이들 두 성분의 직렬연결은 축전지(7)의 양의 터미날과 접지사이에 연결된다. 트랜지스터(TR2)의 게이트는 시간 유지회로(1)의 분할기 스테이지(3a)의 출력에 연결되며 이 스테이지는 주파수 8192㎐의 신호를 제공한다.

따라서 축전지(7)가 충전되고 시간유지회로(1)의 필수성분에, 특히 오실레이터(2)와 분할기 스테이지(3a)에 충분한 전압을 공급할 때 전환 트랜지스터(TR1)는 분할기 스테이지(3a)의 출력신호의 주파수에 대해 교대로 전도 및 비전도한다. 동시에 시계(PH)가 빛에 노출된다면 트랜지스터(TR1)의 교대하는 전도상태는 광-볼타전지에 의해 공급되는 전압(V_cp)을 배가시켜서 축전지(7)의 전하가 일정하게 갱신된다.

본 발명에 따르면, 충전장치(8)는 소스-드레인 경로가 트랜지스터(TR1)의 경로에 병렬로 장착된 제 2 전환 트랜지스터(TR3)를 더욱 포함한다. 트랜지스터(TR3)의 게이트는 인버터(14)를 통해 저항(R2)과 제 2 신호형성 트랜지스터(TR4)간에 위치된 노드에 연결되며 이들 두 성분의 직렬 연결은 전지(9)의 양의 터미날(V_cp)과 접지사이에 연결된다.

신호형성 트랜지스터(TR4)의 게이트는 분할기 스테이지(3a)의 출력에서 나타나는 제어신호의 주파수와 동일 또는 근사한 신호를 출력(18)에서 공급하는 보조 오실레이터(15)의 출력에 연결된다. 오실레이터(15)는 매우 낮은 공급전압, 즉 광-볼타전지(9)에 의해 공급된 전압이하의 값으로 작동할 수 있도록 설계된다. 이러한 오실레이터는 임의의 적당한 방식으로 설계될 수 있지만 공계류중인 유럽 특허출원 제 97100261.3에 기술된 설계가 선호된다. 오실레이터(15)는 링에 장착되며 낮은 전환 필드내에서 작동하는 MOS 트랜지스터를 포함하며 기질에서 MOS 트랜지스터를 구성하는 터브(tub)를 바이어스하는 3개의 인버터(16a, 16b, 16c)로 제조될 수 있다.

앞서 언급된 어셈블리를 조사하면 광-볼타전지(9)에 의해 공급된 전압의 증가는 노드(12)를 접지와 전압(V_accu) 및 다이오드(11)의 전압의 합으로 구성된 전압에 교대로 연결시킬 수 있기 때문에 트랜지스터(TR1) 또는 (TR3)의 전도상태를 변화시킴으로써 달성될 수 있다는 것이 관찰된다.

본 발명의 중요한 측면에 따르면, 시계(PH)의 시간유지회로(1)인 전력소모장치의 활성을 나타내는 신호의 함수로서 전환 트랜지스터(TR1, TR3)의 선택적인 활성화를 허용하는 수단이 제공된다. 기술된 실시예에서, 활성신호가 분할기 스테이지(3a)의 출력에서 포착되고 수정 오실레이터(2)의 작동의 증거가 된다. 그러나 활성신호는 시간유지회로의 그 밖의 장소, 예컨대 제어회로(4)의 출력에서 포착되거나 전환 트랜지스터(TR1, TR3)의 제어를 허용하도록 적당히 개조된다.

기술된 실시예에서, 오실레이터(2)와 분할기 스테이지(3a)는 이들의 공급 전압이 이들을 형성하는 성분을 작동시키기에 충분하다면 활성을 보인다. 대체로 전압은 1V 이상이지만 본 발명을 제한시키는 것으로 간주되어서는 안된다.

활성신호를 개조하기 위해서 분할기 스테이지(3a)의 출력은 설계자 Dickson이란 이름으로 공지된 회로로 형성될 수 있는 전압 승압기(17)의 입력에 연결된다.

전압승압기(17)의 출력은 저항(R3)을 통해 접지, 제 1 선택 트랜지스터(TR5)의 게이트 및 트랜지스터(TR5)와 반대 전도성을 가지는 제 2 선택 트랜지스터(TR6)의 게이트에 연결된다. 기술된 실시예에서 트랜지스터(TR5)는 N형이고 트랜지스터(TR6)는 P형이다.

트랜지스터(TR5)의 드레인-소스 경로는 접지와 오실레이터(15)의 출력 및 트랜지스터(TR4)의 게이트에 연결된 노드(18) 사이에 연결된다.

트랜지스터(TR6)의 드레인-소스 경로는 트랜지스터(TR2)의 게이트와 축전지(7)의 양의 터미날 사이에 연결된다.

설계된 시계의 작동이 하기에 기술된다.

축전지(7)가 완전 방전되고 전압(V_accu)이 0에 가깝거나 0이도록 시계가 일정기간동안 어둠속에 방치된다고 가정하자. 또한 이러한 상황에서 사용자가 시계를 다시 사용하기를 원해서 암흑에서 벗어난다고 가정하자. 시간유지회로(1)는 전력을 공급받지 않으므로 오실레이터(2)와 분할기 스테이지(3a)가 작동할 수 없기 때문에 활성신호를 제공하지 못한다. 전압 승압기(17)는 출력에 임의의 전압을 제공하지 않아서 트랜지스터(TR6)는 트랜지스터(TR1)의 제어를 방지하면서 전도하고 트랜지스터(TR5)는 비전도성이다.

전지(9)는 조명 받기 때문에 0.3 내지 0.5V의 전압으로 에너지를 공급한다. 이 전압에서 오실레이터(15)가 작동할 수 있으며 트랜지스터(TR5)의 차단 덕택에 그렇게 된다. 결과적으로 트랜지스터(TR4, TR3)가 오실레이터(15)의 주파수로 전환된다.

더욱 정확히 말하자면 트랜지스터(TR3)가 전도하고 있을 때 유도자(10)는 트랜지스터(TR3)가 차단될 때 전압피크로 갑자기 전달된 에너지를 저장한다. 전압 피크는 축전지(7)가 전지(9)에 의해 공급된 것보다 더 높은 전압으로 충전될 수 있게 한다. 인버터(14)에 의해 수반되는 트랜지스터(TR4)는 꽤 크고 상당한 입력 전기용량을 가지는 트랜지스터(TR3)와 오실레이터(15)의 출력사이에 버퍼로서 작용한다. 따라서, 축전지가 충전될 수 있다.

축전지(7)가 충분히 충전되어서 적당한 공급전압을 오실레이터(2)와 분할기 스테이지(3a)에 공급하자마자 활성 신호가 스테이지의 출력에 나타난다. 그러면 시간자유회로가 개시되고 전압 승압기(17)는 출력전압을 공급한다.

승압기는 트랜지스터(TR5)를 전도시키고 오실레이터(15)를 단락시키고 이후에 작동을 중단시킨다. 역으로 트랜지스터(TR6)는 비전도성이 되고 트랜지스터(TR2)와 인버터(13)를 통해 트랜지스터(TR1)의 제어를 전달한다. 따라서 트랜지스터(TR1)는 트랜지스터(TR3)로 대체되며 시간유지회로가 정상 작동하는 한 축전지(7)는 계속 충전될 수 있다. 따라서, 이들 트랜지스터(TR5, TR6)는 대체 제어수단으로서 작용한다.

전압 승압기(17)는 오실레이터(2)가 분할기 스테이지(3a)에 활성신호를 전달하자마자 트랜지스터(TR5, TR6)를 신속히 전환시키는 것이 바람직하다.

오실레이터(2)는 공급 터미날을 따라 충분한 전압을 탐지하여 활성신호가 나타나게 하자마자 작동하기 시작한다. 이것은 두 오실레이터(15, 2)간의 전환이 상이한 시계회로간에 존재할 수 있는 디자인 차이에 무관하게 일어남을 의미한다. 따라서 오실레이터(2) 작동을 위한 최소 전압(V_accu)은 자신의 성분의 값에 따라 독립적으로 각 회로에 의해 결정될 수 있다.

오실레이터(2)와 분할기 스테이지(3a)만을 사용하여 시간유지회로(1)를 제어할 수 있으며 오실레이터(15)는 전압 승압기를 영구적으로 제어할 수 있다. 이 경우에 트랜지스터(TR1, TR2, TR5, TR6), 인버터(13), 저항(R1, R3) 및 전압 승압기(17)가 생략될 수 있다.

Claims

광-볼타 전환에 의해 작동하는 전원(9)을 포함한 공급장치(8), 전기 축전지(7), 상기 축전지를 충전하기 위해서 전원(9)과 축전지 사이에 연결된 전압 승압기(10, 11, TR1, TR3)를 가지며, 사기 전원은 장치의 필수 부분을 작동시켜 그 기능을 수행시키기에는 불충분한 전압을 공급하며 상기 전압 승압기는 연결된 제 1 발생기에 의해 공급된 예정된 주파수의 펄스 신호에 의해 제어되는 자치 저전력 소모 전기장치에 있어서,

상기 제 1 펄스신호 발생기가 상기 광-볼타원(9)에 의해 공급된 전압(V_cp)보다 작거나 같은 전압에서 작동하도록 배치된 오실레이터(15)를 포함함을 특징으로 하는 전기장치.
제 1 항에 있어서, 상기 오실레이터(15)가 링형 오실레이터임을 특징으로 하는 전기장치.
앞선 청구항중 한 항에 있어서, 상기 전압 승압기는 다이오드(11)와 상기 축전지(7)의 직렬연결부와 상기 광-볼타원(9)간에 연결된 유도자(10)를 포함하며 상기 오실레이터(15)의 출력(18)이 상기 다이오드(11)와 상기 유도자(10)간의 노드(12)를 축전지(7)의 전압(V_accu)과 다이오드(11) 전압의 합과 동일한 전압 수준과 접지에 교대로 이동시킬 수 있는 제 1 전환수단(TR3, TR4)에 연결됨을 특징으로 하는 전기장치.
제 3 항에 있어서, 상기 제 1 전환수단이 소스-드레인 경로가 접지와 상기 노드(12) 사이에 연결되고 게이트가 오실레이터(15)에 의해 공급된 신호에 대해 형성 트랜지스터(TR4)를 통해 상기 오실레이터(15)의 출력에 연결된 전환 트랜지스터(TR3)를 포함함을 특징으로 하는 전기장치.
제 4 항에 있어서, 인버터(14)가 상기 전환 트랜지스터(TR3)와 상기 형성 트랜지스터(TR4) 사이에 연결됨을 특징으로 하는 전기장치.
제 3 항 내지 5 항중 한 항에 있어서, 상기 장치의 필수부분중 하나가 제 2 펄스신호 발생 수단(2, 3a)으로 형성되며,

- 상기 직렬 연결부(7, 11)와 상기 유도자(10)간의 노드(12)를 상기 전압수준과 접지 전압수준으로 교대로 되게 하는 제 2 전환수단;

- 장치에 의해 상기 기능의 수행을 나타내는 활성신호 발생수단;

- 상기 발생수단이 상기 활성수단을 발생시키고 상기 전압 승압기(10)에 연결시킬 때 상기 오실레이터(15) 대신에 상기 제 2 펄스신호 발생수단(2, 3a)에 대한 대체 제어수단(TR5, TR6)을 더욱 포함함을 특징으로 하는 전기장치.
제 6 항에 있어서, 상기 펄스신호 발생수단(2, 3a)이 상기 활성신호 발생수단을 형성함을 특징으로 하는 전기장치.
제 3 항 또는 5 항에 있어서, 상기 대체 제어 수단이 상기 오실레이터(15)의 출력을 단락시킬 수 있는 제 1 제어 트랜지스터(TR5)와 상기 활성신호가 나타날 때 상기 제 2 전환수단을 활성화시킬 수 있는 제 2 트랜지스터(TR6)를 포함함을 특징으로 하는 전기장치.
제 8 항에 있어서, 상기 제 2 전환수단이 소스-드레인 경로가 접지와 상기 노드(12) 사이에 연결되고 게이트가 신호형성을 위해 제 2 트랜지스터(TR2)를 통해 활성화 신호를 수신하도록 연결된 트랜지스터(TR1)를 포함함을 특징으로 하는 전기장치.
제 9 항에 있어서, 인버터(13)가 상기 제 2 전환수단의 상기 전환 트랜지스터(TR1)와 제 2 형성 트랜지스터(TR2) 사이에 연결됨을 특징으로 하는 전기장치.
제 8 항 내지 10 항중 한 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 제어 트랜지스터(TR5, TR6)가 전압 승압기(17)를 통해 상기 활성화 신호 발생 수단에 연결됨을 특징으로 하는 전기장치.
제 6 항 내지 11 항중 한 항에 있어서, 시간 유지회로(1)를 포함하며 상기 제 2 펄스신호발생 수단이 수정 오실레이터(2)와 상기 시간유지회로의 분할기(3)의 부분(3a)에 의해 형성됨을 특징으로 하는 전기장치.