Mittels Solarzellen betriebenes elektrisches Kleingerät, insbesondere Solaruhr

Abstract

 Ein mittels Solarzellen (4) betriebenes elektrisches Kleingerät, insbesondere eine Solaruhr (1) mit Anlaufschaltung (3) für den Betrieb ihres Uhrwerks (2) über einen kapazitiven Ladungsspeicher (5), soll sicheren Anlauf bei der Inbetriebnahme mit noch ungeladenem Speicher (5) gewährleisten. Anlaufstörungen werden vermieden, indem die Anlaufschaltung (3) Ober eine Schwellwertschaltung (14) die Speisung von Verbrauchem erst freigibt, wenn am Speicher (5) die Verbraucher-Anlaufspannung wenigstens erreicht ist. Eine unter der Einschaltspannung (I) liegende Abschaltspannung (0) der Schwellwertschaltung (14) verhindert Betriebsbeginn-Unterbrechungen nach Art eines Kippschwingverhaltens aufgrund vorübergehend erhöhten Anlauf-Leistungsbedarfes, indem die Verbraucher nur und erst dann wieder abgeschaltet werden, wenn am Speicher (5) eine Mindestspannung für deren Betrieb wieder unterschritten worden sein sollte. Dadurch können über die Anlaufschaltung (3) ibs. Zusatzfunktionen, die (wie eine Funkuhr mit automatischer Zeigersteileinrichtung oder Antennenschwenkeinrichtung, wie eine Zierpendel-Uhr oder wie Termin- oder Schlagerwerksuhren) elektrische Verbraucher erhöhten Anlauf-Leistungsbedarfes aufweisen, «batterielos- aus Solarzellen (4) gespeist werden, ohne den Pufferspeicher (5) für die Anlaufbelastung überdimensionieren zu müssen und dadurch den Anlauf ab Bestrahlung der Solarzellen (4) unnötig zu verzögern.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Solaruhr gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

[0002] Ein solches Gerät ist als Solaruhr bekannt aus dem Beitrag VA 1 "NO BATTERY" ANALOG QUARTZ WATCH, Seiten 75 bis 79 in Berichtsband Nr. 2 des XI. Internationalen Kongresses für Chronometrie (Oktober 1984 Besancon), dort Fig. 13. Als Anlaufschaltung ist, zusätzlich zu Lade- und Entlade-Kreisen für einen als Betriebs-Speicher dienenden Kondensator sehr großer Kapazität, ein kleiner Hilfskondensator vorgesehen, der der Uhrenschaltung direkt und der Solarzelle über eine Rücklauf-Sperrdiode parallelgeschaltet ist. Dadurch soll erreicht werden, daß aufgrund der geringen Zeitkonstante der kleinen Kapazität schon nach kurzzeitiger Bestrahlung der Solarzelle die Uhr anläuft.,

[0003] Nachteilig bei jener Realisierung einer Anlaufhilfe ist jedoch der Preis und der Raumbedarf für zwei Kondensatoren, und in betriebstechnischer Hinsicht darüberhinaus insbesondere die geringe Kapazität des Anlauf-Speichers. Aus der geringen Kapazität resultiert nämlich, daß zwar schon nach kurzer Bestrahlungszeit der Betrieb der Uhr einsetzt - daß dieser andererseits aber alsbald schon wieder aussetzt, wenn die Bestrahlung nur kurz andauerte. Wenn ein Konsument sich also beispielsweise durch Einschalten einer Raumbeleuchtung darüber vergewissert hat, daß die Solaruhr angelaufen ist, kann er keineswegs gewiß sein, daß sie auch beispielsweise den Rest einer Nacht durchläuft, wenn er danach die Raumbeleuchtung wieder abschaltet.

[0004] Der Einsatz nachladbarer elektrochemischen Ladungsspeicher (Akkumulatoren oder Sekundärelemente) kommt bei Solaruhren der hier in Betracht gezogenen Art nicht in Frage, da die beschränkte Lebensdauer derartiger Elemente, trotz der Pufferung aus der Solarzelle, doch wieder ion Zeit zu Zeit einen Batterieaustausch durch den Konsumenten erfordert; was bei einer sogenannten batterielosen Solaruhr der vorliegenden Gattung jedoch gerade vermieden werden soll.

[0005] Es hat sich gezeigt, daß für die Sicherung des fortlaufenden Betriebes der mit einem kapazitiven Ladungsspeicher ausgestatteten Solaruhr auch nicht ohne weiteres der Weg einschlagbar ist, die Speicherkapazität einfach noch einmal wesentlich zu erhöhen. Denn damit vergrößert sich die Ladezeitkonstante; der Anstieg der Spannung auf einen für den Betrieb oder gar Anlauf von elektrischen und elektromechanischen Schaltungskomponenten erforderlichen Wert verlangsamt sich also unzumutbar. Dem Konsumenten ist nämlich nicht zuzumuten, nach der Entnahme des "batterielosen" Kleingerätes aus seiner Verpackung eine größere Zeitspanne zuzuwarten, bis ihm der Betriebsübergang in eine ordnungsgemäße Funktion erkennbar wird.

[0006] Es kommt hinzu, daß paradoxerweise gerade auch die Vergrößerung der Kapazität des Ladungsspeichers den ordnungsgemäßen Anlauf eines Kleingerätes ganz unterbinden kann; nämlich dann, wenn es Schaltungskomponenten aufweist, die sich durch hohen Leistungsbedarf und/oder deutlich unterschiedliche Mindest-Betriebsspannungen auszeichnen. Aufgrund des durch die große Kapazität erzwungenen langsamen Spannungsanstiegs setzen sich dann verschiedene Teile z.B. einer Uhrenschaltung zu sehr unterschiedlichen Zeitpunkten nach Beginn der Solarzellen-Bestrahlung in Funktion und vermindern womöglich sogar durch ihren großen Leistungsbedarf die Speicherladung wieder; so daß sich das ordnungsgemäße Zusammenspiel der Schaltungskomponenten für den stationären Betrieb gar nicht einstellen kann bzw. sogar in ständiges Kippschwingungsverhalten übergeht, ohne jemals einen stationären Betriebszustand zu erreichen.

[0007] Solche ungünstigen Lastzustände-unmittelbar bei Inbetriebnahme eines Gerätes sind insbesondere dann gegeben, wenn es sich beispielsweise um eine Funkuhr handelt; wenn also zu Betriebsbeginn ein erhöhter Leistungsbedarf für den Betrieb des Funkempfängers (und seiner Dekodierschaltung für die empfangene Zeitinformation), sowie für den Eilantrieb des Räderwerks im Zuge des Einfahrens der Uhrenzeiger in ihre Referenzstellung, anfällt. Ähnliche ungünstige Betriebsverhältnisse insbesondere sogleich nach Inbetriebnahme eines Gerätes sind gegeben, wenn aus der Bewegung zunächst noch in Ruhe befindliche dekorative Elemente wie Zierpendel, Zappelfiguren oder dergleichen in Bewegung versetzt werden müssen, zumal wenn ein elektromotorischer Wandler vorgesehen ist, dessen hoher Anlaufstrom erst nach Einsetzen beispielsweise einer Rotorbewegung durch die Induktionswirkungen auf stationären Betriebsbedarf reduziert wird. In solchen Fällen kann also der anfangs erhöhte Leistungsbedarf bewirken, daß der Ladezustand des Speichers gar nicht denjenigen Spannungswert stationär erreicht, der für die dauernde ordnungsgemäße Betriebsweise der Gesamtheit aller Schaltungskomponenten erforderlich ist; so daß ein freier Anlauf aus der ungeladenen Speichersituation heraus nicht gewährleistet ist.

[0008] In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Gerät gattungsgemäßer Art zu schaffen, bei dem auch bei Schaltungskomponenten mit unterschiedlichen Anlaufspannungen, und insbesondere bei großer elektrischer Belastung insbesondere zu Betriebsbeginn, ein sicherer Anlauf in die stationäre Betriebsweise sichergestellt ist.

[0009] Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Gerät im wesentlichen dadurch gelöst, daß es gemäß dem Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 ausgestattet ist.

[0010] Nach dieser Lösung bleibt, über die Schwellwertschaltung, eine Belastung des Speichers bei Betriebsbeginn vorübergehend noch unterbunden; so daß praktisch die gesamte von der Solarzelle gelieferte elektrische Energie der Speicher-Aufladung zur Verfügung steht, mit der Folge eines raschen Anstiegs des Spannung über den Betriebs-Mindestwert. Erst dann gibt die Schwellwertschaltung die Speicher-Belastung durch Verbraucher frei, die nun, unabhängig von ihren schaltungstechnisch bedingten unterschiedlichen Minimal-Betriebsspannungen, gleichzeitig in Funktion gehen; womit das ordnungsgemäße stationäre Zusammenspiel aller Schaltungskomponenten selbst dann sichergestellt ist, wenn zu Betriebsbeginn erhöhte Belastungen auftreten und dadurch die Speicherspannung vorübergehend nicht weiter ansteigt oder sogar wieder etwas abfällt.

[0011] Vorzugsweise schaltet die Schwellwertschaltung noch nicht wieder ab, wenn die Einschaltspannung einmal unterschritten werden sollte. Denn nach dem Betriebsbeginn ist der Leistungsbedarf generell geringer; beispielsweise aufgrund bereits in die Sollstellung eingeschwenkter Zeiger einer Funkuhr oder aufgrund der kinetischen Energie von schon in Bewegung versetzten Konstruktionsteilen. Die Abschaltspannung der Schwellwertschaltung kann also wesentlich niedriger gewählt werden, als die Einschaltspannung, wodurch eine Betriebsunterbrechung aufgrund vorübergehender Spannungseinbrüche am Speicher praktisch unterbunden ist.

[0012] Zweckmäßigerweise ist die Schwellwertschaltung nicht unmittelbar sondern nur funktionell in Serie mit Leistungsverbrauchern geschaltet; also als Steuerstufe ausgelegt, die Einschalt- bzw. Ausschalt-Steuersignale an die maßgeblichen Schaltungsteile abgibt. Dadurch sind Leistungsverluste vermieden, die sonst - bei Versorgung größerer Verbraucher über Hilfsschaltungen hinweg - auftreten könnten. Es muß dann nur sichergestellt sein, daß die Steuerschaltungen für solche Verbraucher bei Betriebsbeginn zunächst sperren und den Verbraucher erst dann an die Versorgung anschließen, wenn die Schwellwertschaltung das Überschreiten der Einschaltspannung festgestellt hat.

[0013] Eine obere Spannungsbegrenzung hinter der Solarzelle wird möglichst vermieden, um die quadratisch in die Leistungsbilanz eingehenden Spannungsspitzen bei der Aufladung des Speichers mit verwerten zu können. Wo sich daraus Nachteile für den Betrieb von Verbrauchern (z.B. aufgrund bei größerer Spannung zurückgehendem Wirkungsgrad) ergeben würden, lassen sich diese Nachteile einfach durch einen Strombegrenzer vor dem Verbraucher vermeiden.

[0014] Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und - auch unter Berücksichtigung der Darlegungen in der Zusammenfassung - aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche stark vereinfacht skizzierten bevorzugten Realisierungsbeispiels zur erfindungsgemäßen Lösung. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt als abstrahiertes Blockschaltbild den Betrieb eines elektromechanischen Gerätes aus einer Solarzelle als Leistungsquelle für den Anwendungsfall bei einem Uhrwerk.

[0015] Die als das Kleingerät dargestellte Solaruhr 1 weist ein - vorzugsweise elektromechanisches - Uhrwerk 2 auf, das über eine Anlaufschaltung 3 aus wenigstens einer Solarzelle 4 gespeist wird; unter Parallelschaltung eines Ladungsspeichers 5 zur Uberbrückungs-Bereitstellung von elektrischer Energie für Zeitspannen, in denen die Anregung der Solarzelle 4 mit Strahlungsenergie 6 über kurze bis mittlere Zeitspannen umweltbedingt unterbrochen ist.

[0016] Das Uhrwerk 2 weist einen elektromechanischen Wandler, z.B. einen Schritt-Motor 7, auf, der über wenigstens eine getriebliche Kopplung 8 mit Bewegungselementen 9 wie Zeigern, Zierpendeln, Figuren, Richtantennen, mechanischen Schlagwerkseinrichtungen oder dergleichen verbunden ist, die ihren mechanischen Antrieb aus dem Betrieb des Motors 7 heraus erfahren. Der Motor 7 bezieht seine Betriebsenergie über eine Steuerschaltung 10 (beispielsweise eine Polwender-Brückenschaltung im Falle eines einphasig betriebenen Schrittmotors) möglichst direkt aus der Leistungsquelle in Form der Solarzelle 4 (bzw. der Leistungshilfsquelle in Form des Ladungsspeichers 5), um Verluste in in diesen Leistungspfad etwa eingeschalteten elektrischen Bauelementen nach Möglichkeit zu vermeiden.

[0017] Die Ansteuerung der Steuerschaltung 10 ihrerseits erfolgt aus einer Betriebsschaltung 11, bei der es sich insbesondere um eine quarzstabilisierte, also zeithaltende elektronische Uhrenschaltung handeln kann. Stattdessen oder alternativ kann die Ansteuerung aber auch aus einer Zusatzschaltung 12 erfolgen, wie in der Zeichnung gestrichelt angedeutet; bei dieser handelt es sich insbesondere beispielsweise um einen Funkuhren-Empfänger und -Dekodierer, wie er in der älteren Anmeldung P 34 39 638.1 vom 30. Oktober 1984 näher beschrieben ist.

[0018] Wenn die Solaruhr 1 erstmals in Betrieb genommen werden soll, ist der Speicher 5 noch nicht geladen. Von der Strahlungsenergie 6 hervorgerufene elektrische Ladung führt über die Versorgungsleitungen 13 wegen der großen Kapazität des direkt angeschlossenen Speichers 5 zu einem exponentiellen Anstieg der Spannung U über der Zeit t, wie in der Zeichnung bei der dem kapazitiven Speicher 5 parallelliegenden Schaltung 14 skizziert. Die Ansprechspannen der unterschiedlichen an die Versorgungsleitungen 13 angeschlossenen Verbraucher (elektronische Schaltungen und elektromechanische Bauelemente) sind, ebenso wie ihr jeweiliger Leistungsbedarf, relativ unterschiedlich; mit der Folge, daß zu unterschiedlichen Zeitpunkten während des Ansteigens der Spannung U unterschiedliche Verbraucher wirksam werden und dann den Anstieg der Spannung U zumindest verzögern, womöglich durch das Anwachsen des Energiebedarfes unterbinden und gar wieder rückgängig machen können. Daraus resultiert, daß Verbraucher, die die höchste Ansprechspannung für ihre ordnungsgemäße Betriebsweise bzw. den größten Anlauf-Leistungsbedarf aufweisen, womöglich gar keinen regulären Betriebszustand erreichen, und somit eine stabile Betriebsweise der Solaruhr 1 insgesamt dann nie erreicht werden kann.

[0019] Um diese Anlauf-Problematik zu überwinden, um also unabhängig von dem sehr unterschiedlichen Ansprech- und Betriebsverhalten der einzelnen elektrischen Komponenten auch ohne Anfangs-Ladung des Speichers 5 die Uhr 1 unmittelbar aus der Bestrahlung ihrer Solarzellen 4 in Betrieb nehmen zu können, ist ihrem Ausfallüberbrückungs-Ladungsspeicher 5 eine Schwellwertschaltung 14 nachgeschaltet, vorzugsweise - wegen der erwähnten Problematik des Spannungsabfalles in Leistungskreisen - parallel-geschaltet. Diese läßt den Betrieb von Verbrauchern erst zu, wenn eine Einschaltspannung I auf den Versorgungsleitungen 13, also über dem Speicher 5, mindestens erreicht ist; so daß eine danach stagnierende Steigerung der Ladespannung U nicht gleich wieder zum Aussetzen des soeben angelaufenen Betriebs führt. Vorzugsweise ist die Schwellwertschaltung 14 sogar mit einer Abschalt-Hysterese ausgestattet, also mit einer Abschalt-Ansprechspannung 0 die unter dem Potential der Einschaltspannung I liegt; wodurch sichergestellt ist, daß selbst ein gewisser Einbruch der Versorgungs-Spannung U noch nicht wieder zur Unterbrechnung des gerade erst eingesetzten Betriebes führt. Es kann auch vorgesehen sein - wie in der Zeichnung durch eine Mehrzahl an Steuerleitungen 15 berücksichtigt -, für hinsichtlich ihres elektrischen Betriebsverhaltens sehr unterschiedliche Verbraucher oder Verbrauchergruppen unterschiedliche Einschalt-oder Abschalt- Spannungen I/0 innerhalb der Schwellwertschaltung 14 abzufragen und diese Verbraucher dementsprechend mit unabhängig voneinander erscheinenden natürlich funktionell aufeinander abgestimmten) Steuersignalen 16 freizugeben bzw. wieder zu sperren.

[0020] Jedenfalls ist durch die von der Schwellwertschaltung 14 gelieferten Steuersignale 16 sichergestellt, daß die Versorgungsleitungen 13 erst belastet werden können, wenn die Ladespannung U des Speichers 5 für ordnungsgemäßen Betriebseinsatz und hinreichend dauerstabilen Betrieb ausreicht, weil die Einschaltspannung I bereits überschritten und eine Abschaltspannung 0 noch nicht wieder unterschritten ist - mit der angestrebten Folge, daß ein Kippschwingbetrieb der elektrischen Verbraucher bei Einsatz größeren Leistungsbedarfes und damit eine Unterbindung ordnungsgemäß einsetzenden Betriebes des Gerätes insgesamt sicher vermieden ist. Die Steuerschaltung 10, die bei Betriebsbeginn abgeschaltet ist, steuert also z.B. den Motor 7 erst an, nachdem die Einschaltspanndng I erreicht ist.

[0021] Da die Funktion der Schwellwertschaltung 14 keines Spannungsbegrenzers zwischen der Solarzelle 4 und dem Überbrückungs-Speicher 5 bedarf, ist es insoweit von Vorteil, daß die volle aus der Strahlungsenerie 6 gewonnene Spannung, die quadratisch in die Energiebilanz eingeht, für den Betrieb der Verbraucher (Schaltungen und sonstigen, beispielsweise elektromechanischen Bauelemente) zur Verfügung steht. Andererseits ist es zweckmäßig, eine Strombegrenzungsschaltung 17 in Serie mit solchen Verbrauchern vorzusehen, deren Betriebsweise stark vom Energieinhalt der Ansteuersignale abhängt; wie im Falle eines SchrittMotors 7, dessen Schrittschalt-Drehmoment sowohl bei kleineren wie auch bei größeren Motorimpuls-Spannungen stark abfällt. Da zu kleine Spannungen durch die Vorgabe der Abschaltspannung 0 vermieden sind, braucht die Schaltung 17 zur Optimierung des Motorbetriebes nicht als Leistungskonstanter, sondern nur zur Strombegrenzung bei der Motoransteuerung ausgelegt zu werden; was durch ein Bauelement mit Konstantstromkennlinie (beispielsweise realisiert durch einen Transistor) mit geringem schaltungstechnischem Aufwand realisierbar ist.

Ansprüche

1. Mittels Solarzellen (4) über einen kapazitiven Ladungsspeicher (5) betriebenes elektrisches Kleingerät, insbesondere Solaruhr (1) mit Anlaufschaltung (3) für den Betrieb ihres Uhrwerks (2),
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Ladungsspeicher (5) eine Schwellwertschaltung (14) mit definierter Einschaltspannung (I) nachgeschaltet ist.

2. Gerät nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schwellwertschaltung (14) eine niedriger als die Einschaltspannung (I) liegende Abschaltspannung (0) aufweist.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schwellwertschaltung (14) parallel zu anderen Verbrauchern an den Ladungsspeicher (5) angeschlossen ist, die über Steuerleitungen (15) von der Schwellwertschaltung (14) freigebbar sind.

4. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schwellwertschaltung (14) eine Steuerschaltung (10) für einen elektromechanischen Wandler (Motor 7) ansteuert, dem eine Strombegrenzungsschaltung (17) vorgeschaltet ist. •

5. Gerät nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der elektromechanische Wandler für den Antrieb von Zusatzeinrichtungen - wie einem Eilgang-Antrieb von Funkuhren-Zeigern und/oder einem Antrieb von Zierpendeln - ausgelegt ist, die typischerweise unmittelbar nach Betriebsbeginn einen höheren elektrischen Leistungsbedarf aufweisen, als während der überwiegenden Zeitspanne stationärer Betriebsweise des Gerätes.

Zeichnung