专利名称：利用光生伏打电池为蓄电池充电的装置和包含这种充电装置的钟表的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于为蓄电池充电的一种装置，该装置包括与该蓄电池耦合的一个光生伏打电池电源，和串联连接在电源与蓄电池之间的一个倍压器。
本发明还涉及包含这种充电装置的电子钟表，特别是手表或闹钟。
但是，根据本发明构成的这种充电装置的应用并不局限于钟表领域，而是可以涉及任何包含蓄电池和用于为该蓄电池充电的光生伏打电池电源的电子装置，例如，袖珍电子计算器或台式电子计算器、无线电发射器或接收器、红外信号遥控装置、传感器、以及存储由太阳能电池产生的电能的任何装置。
目前，人们希望低能耗电子装置在尽可能低例如1.0至1.5伏特量级的电压下工作，这个范围表示目前某些电子器件正常工作的下限工作电压。但是，目前优选的用于为这些装置供电的光生伏打电池，无论是光化学型的，还是半导体型的，通常只能提供较低的电压，一般为0.3至0.5伏特的量级，因此需要将至少三个这样的光电池串联(例如参见英国专利文献GB-A-2149942)。这些电池通常并列设置在这类装置的可见表面上，以使它们得益于相同的光照条件。这种结构可能具有缺点。一方面，在小型装置中，制造几个较小的电池盒比制造一个较大的电池盒成本高。另一方面，在美学外观很重要的物体中，例如在钟表领域中，并列设置的电池之间的分界线常常是不便设置的，并且如果可以使用单个电池，或者两个叠置的准透明电池，则可能看不到分界线，如在专利文献WO-93/19405中所述。
在应用于手表时，由相互串联的多个并列设置的光生伏打电池构成的电源还具有易受衣服阴影影响的缺点例如如果衣袖使其中一个电池处于阴影中，则由后者提供的电压会明显地下降，因此这些电池的总输出电压可能会下降到不足以为蓄电池充电的电压值。
德国专利申请DE-A-2900622中描述了能够借助于一个太阳能电池为蓄电池充电的一种装置，其中太阳能电池的输出电压低于蓄电池两极间的电压，这是由于使用电压转换器的结果，该电压转换器包括串联连接在电源和蓄电池之间的一个电感器和一个二极管。电感器和二极管之间的接点通过由一个单稳态器件控制的一个晶体管周期地接地。后者接收从一个光阻传感器产生的输入信号，该传感器测量太阳能电池受到的照度。当照度增大时，单稳态器件的时间常数增大，使得太阳能电池的充电电阻下降，从而使之最佳化。
但是，当对于光电池的照度相对较低时，上述装置将消耗比它产生能量更多的能量，这最终将导致蓄电池放电。此外，由于太阳能电池的照度响应特性和光敏电阻通常是不同的，所以难以使其工作达到最佳状态。另一方面，将光敏电阻作为一个附加的外部器件设置存在许多缺陷，特别是在应用于手表的情况下，因为必须为其保留空间，制造成本高，并且还可能使太阳能电池受到不同的光照度。
本发明的一个目的是通过提供一种高效率的、结构简单的、成本低廉的充电装置以避免上述的缺陷，这种装置可以应用于钟表，特别是手表中。
本发明的一个具体目的是设置充电装置，使得在蓄电池处于低充电状态和光生伏打电池仅仅受到微弱照度或者根本没有受到光照时，它只消耗极其少量的能量。
本发明的另一个具体目的是在本发明装置应用于电子钟表时，将该装置与手表的能量消耗电路结合，以避免蓄电池过度放电。
根据本发明的第一方面，提供在序言部分所指出类型的一种充电装置，其特征在于它包括用于根据电源输出电压和蓄电池充电状态打开和关闭倍压器的控制装置。
因此，当光生伏打电源足以使蓄电池被确实充电时，和仅仅当需要充电时，能够将充电装置的工作时间限制在合理的范围，尤其是能够避免过度充电，否则会减少蓄电池的寿命。
利用其提供的电压只是蓄电池两极之间标称电压的几分之一的单个光生伏打电池作为电源是可能的。如果需要的话，也可以使用由至少两个光生伏打电池串联构成的电源，但是它们共同提供的电压可以小于蓄电池两极之间的电压。
本发明的第二方面涉及一种电子钟表，它包括一个蓄电池、和由该蓄电池供电的计时装置和显示装置，其特征在于它包括如上文所定义的一个光生伏打电池和倍压器充电装置。
将根据本发明构成的充电装置与电子钟表相结合是特别可取的，因为即使所说的光电池属于具有相对较低输出电压的类型，也可以使用单个光生伏打电池。这样就避免了上述的与美观和制造成本有关的缺陷。这也便于使用透明和隐形的光电池，可取的是在可以看到显示装置的一侧覆盖显示装置的整个区域，并且给设计者在表盘外观和钟表整体设计方面留下充分的自由度。
本发明的第三方面涉及一种电子钟表，它包括一个蓄电池、和由该蓄电池供电的计时装置(horometric)和显示装置、以及一个充电装置，该充电装置包括与蓄电池相连的一个光生伏打电池电源，其特征在于该充电装置包括串联连接在电源和蓄电池之间的一个倍压器，该倍压器包括一个电感器，该电感器由一个线圈形成，以构成钟表的显示装置或其它装置的一部分。特别是，如果显示装置包括一个马达，所说线圈可以构成所说马达的一部分。
这种组合结构是尤其可取的，因为这样避免在倍压器中使用附加的电感线圈。所说线圈是倍压器中唯一相对笨重的部件，其它部件可以制作在集成电路中。省略一个线圈还使得钟表的装配工作简化。
按照本发明的第二和第三方面，上述用于充电装置的控制装置可以与钟表的常规电子装置结合，以便当蓄电池的充电不足时节省能量，特别是根据蓄电池放电的一种或多种限制状态切断向显示装置和/或计时装置的供电，同时停止倍压器的工作。
通过以下结合附图和仅以举例的形式对优选实施例的描述可以了解本发明的其它特征和优点，在所说附图中
图1为安装有蓄电池和根据本发明构成的倍压器充电装置的手表的局部剖示意图；图2为手表电路的方块示意图；和图3示意性表示倍压器的一个优选实施例。
图1中示意性表示的手表1包括一个表壳2，其上安装有一块晶体3，例如借助于一个密封垫圈4。使用者以常规的方式透过晶体3可以看到显示装置，显示装置包括表盘5和在表盘上移动的表针6和7。光生伏打电池8设置在例如表针与晶体3之间，它由一个环形件9顶靠在表盘5上。在这个实例中，这是一个透明的光生伏打电池，其特性和结构在专利文献WO-93/19405中有介绍。这个电池完全覆盖了显示装置，由于它是透明的，所以它对于读取时间和表盘的外观没有影响。当它接收到光时，它的输出电压根据光照状态的不同在0.3至0.5伏特之间变化。应当指出，电池8还可以设置在表盘5上或构成表盘本身。在这种情况下，可以使用一种不透明的电池，特别是硅电池。
在表盘5之下，表壳2中包含电子钟表机芯10和一个蓄电池11。在这个实例中，该蓄电池是一个化学蓄电池，特别是锂离子型电池，其工作电压在1.0至1.5之间。但是应当指出，本发明也可以使用其它类型的蓄电池和电化学电容器，特别是超导电容器。光生伏打电池8的电极借助于两根导线12与位于表盘5下面的电路相连，图1中只表示了其中一根导线。
参见图2，表1的显示装置包括一个步进马达13，其利用由蓄电池11提供的能量驱动表针6和7。马达13由一个常规的时钟集成电路20控制，所说集成电路20包括一个例如由一个石英谐振器控制的振荡器21和一个电子单元22，该电子单元22包括一个分频电路和存储器，它们与马达的驱动电路23相连。振荡器21的输出信号由单元22处理，其以适合的方式控制驱动电路23，利用表针6和7在表盘5上显示时间。为了监测蓄电池两端的电压VDD，集成电路20还包括一个监测电路24，它将该电压与一个或多个电压限值进行比较，并输出一个数字信号EOL，该信号可以取不同的值以指示蓄电池电压高于或低于这些不同的限值。这种类型的电路有时被称为寿命终结判断电路，用于指示一个电池是否已经达到其寿命终结点，在钟表领域是众所周知的。
蓄电池11的充电装置中除了光生伏打电池8之外，还包括由一个倍压器26构成、并且由一个互补静态单元组件27控制的直流-直流转换器。倍压器26接收从光生伏打电池8产生的输出直流电流，输入电压为可变电压USC当倍压器26打开时，它根据其设置将所说电压放大2至4倍，以供给高于蓄电池11的现有电压VDD的一个输出电压。
互补静态单元组件包括一个静态比较器28、一个逻辑单元29和一个开关单元30，这三个单元均由蓄电池电压VDD供电。在这个实例中，静态比较器28最好包括一个倒相器或跟随器电路CMOS LV，其开关电压设置为0.4伏特。这个值根据光电池8的电压特性选择。它是由倒相器的一对p沟道和n沟道的几何尺寸限定的。比较器28接收输出电压USC作为输入信号，并且根据这个电压是否小于或大于开关电压，向逻辑单元29发出一个二进制输出信号VSD，当USC＜O.4伏特时，这个信号的值为1，当USC＞0.4伏特时，这个信号的值为0。应当指出，可以用具有等价作用的其它比较电路代替静态比较器28。但是，静态比较器具有可以不使用基准电压源的优点。
逻辑单元29接收信号VSC和EOL，并且根据其状态，按照下述的逻辑规则，向开关单元30发出二进制输出信号CONV、OSC和DRIVE。这些信号控制单元30中的电子开关分别向倍压器26、振荡器21和单元22组件、以及马达13的驱动电路23提供电压VDD。
在图2所示装置的一个实施例中，监测单元24将蓄电池11的电压VDD与一个限值，例如1.0伏特，进行比较，即它的输出信号EOL是一个二进制信号。因此，在逻辑单元29的输入端产生的这两个二进制信号VSC和EOL可以具有四种可能的组合方式，分别对应于表I所示的四种情形A至D，该表表示了在各个情形下赋予信号CONV、OSC和DRIVE的值。数值1表示相应的元件处于工作状态，数值0表示处于非工作状态。
应当指出，只有当光电池8输出的电压大于或等于0.4伏特时，电压转换器或倍压器26才进入工作状态。利用这里所用类型的蓄电池，由于在完全充电的蓄电池两端的电压上升到接近2伏特，而这个电压值是光电池电压经过倍增之后也无法达到的，所以不存在过度充电的危险。
当蓄电池11的端电压低于1.0伏特的限值时，时钟电路21和22以及显示装置23和13都关闭以节省能量。这个限值是经过选择的，以保持在蓄电池充电量的10至20％之间，从而当光电池8在经过长时间处于黑暗环境之后重新开始工作时仍然能够启动充电装置，根据蓄电池自放电电流的不同，这段时间最长可达1年。
在OSC列中的符号*表示一种变量的可能性，按照这种可能性，监测电路24根据蓄电池11的放电曲线监测两个不同的电压限值，例如，一个1.1伏特的第一限值和一个1.0伏特的第二限值。因此，信号EOL具有若干位。在这种情况下，在电压处于1.1至1.0伏特的放电第一阶段时，逻辑单元29使信号DRIVE具有0值，以关闭消耗最大电流的器件23和13，即，使显示器停止工作。相反，计时电路21至22继续工作，从而手表在蓄电池充电时计时。只有当电压VDD下降到1.0伏特以下时，信号OSC变为0，使计时电路停止工作。当光电池8再次受到光照时，蓄电池中的剩余电量已不足以使充电装置工作。
应当指出，监测电路24还可以利用信号EOL指示蓄电池11的充电量已经非常高。于是，逻辑单元29可以利用信号CONV关闭倍压器26，以控制蓄电池的充电。
图3表示直流倍压器26的一个已知实施例，它包括在节点33和地电位之间与蓄电池并联的一个电子开关32，在节点33与蓄电池之间串联着一个肖特基二极管34，同时在节点33与从光生伏打电池8中接受电压USC的输入端36之间串联着一个电感器35。开关32在一个控制电路37的控制下周期地打开和关闭，该控制电路37由从开关单元30产生的一个有效信号EN CNV触发。开关32每次打开时，由于电感器35的缘故由高压产生的感生电流为蓄电池11充电。开关32及其控制电路37可以由例如Maxim公司生产的MAX 631型电路构成。
这种倍压器的一个优点在于使用步进马达13的定子电感线圈作为电感器35，这种电感线圈通常用于驱动手表的显示装置。因为这种马达仅仅为显示工作很短的片刻，所以可以在这些时刻以外，即大部分时间里将其线圈与倍压器26相连。因此，无需通过在手表中增加线圈来构成本发明的装置，这种线圈是相对笨重和占据空间的元件。该线圈之前和之后分别为电子开关装置38和39，用于根据从驱动电路23产生的控制信号X使该线圈交替地与倍压器26和马达电路13相连。应当指出，由于使用了二极管34，所以并非在所有情况下装置39都是必需的。
除了马达13的定子线圈，充电装置还可以使用钟表中的其它装置，特别是闹钟装置、用于为例如电照明元件供电的变压器中的任何其它现有线圈，或与压电马达并联的线圈。
使用马达线圈或其它装置的线圈作为电压转换器的电感器35使得能够获得一个重量轻、体积紧凑和成本低廉的结构，因此这种结构极为适合于钟表领域的应用，因为转换器的其它部分可以很容易地包括在一个包含静态单元27的集成电路中，特别是上文所述的集成电路20。
应当指出，本发明并不局限于应用在光化学型光生伏打电池的情况，也可以延伸应用于到任何其它类型，特别是单晶或多晶的非晶硅光电池。
权利要求
1．蓄电池充电装置，它包括与所说蓄电池相连的一个光生伏打电池电源(8)和串联连接在所说电源和所说蓄电池之间的一个倍压器(26)，其特征在于它包括用于根据所说电源(8)的输出电压(USC)和所说蓄电池的充电状态(EOL)打开和关闭倍压器(26)的控制装置(24、27)。
2．如权利要求1所述的充电装置，其特征在于所说电源(8)包括一个光生伏打电池。
3．如权利要求1所述的充电装置，其特征在于所说电源(8)包括至少两个串联连接的光生伏打电池。
4．如权利要求1所述的充电装置，其特征在于所说控制装置(24、27)包括一个比较器(28)，其用于接收表示所说电源(8)的输出电压(USC)的一个模拟信号，和产生一个二进制信号(VSC)，以指示所说输出电压是否大于或小于一个预定阈值。
5．如权利要求4所述的充电装置，其特征在于所说比较器(28)是由所说蓄电池供电的一个静态比较器。
6．如权利要求5所述的充电装置，其特征在于所说静态比较器(28)是一个倒相器或跟随器CMOS电路，它包括至少一对互补的p型和n型晶体管，该静态比较器具有一个开关电压，该电压根据所说晶体管的几何尺寸确定。
7．如权利要求4所述的充电装置，其特征在于所说控制装置(24、27)包括一个电压监测电路(24)，其接收所说蓄电池的端电压(VDD)作为输入信号并且产生一个蓄电池电压信号(EOL)，和一个逻辑电路(29)，其接收所说的二进制信号(VSC)和所说的蓄电池电压信号(EOL)，并产生至少一个控制信号(CONV)以打开或关闭倍压器。
8．电子钟表(1)，它包括一个蓄电池(11)、由所说蓄电池供电的计时装置(21、22)和显示装置(6、7、13、23)，其特征在于它包括如权利要求1至7中任何一项所述的一个充电装置，该充电装置包括一个光生伏打电池电源(8)、和一个倍压器。
9．钟表，它包括一个蓄电池(11)、计时装置(21、22)和显示装置(6、7、13、23)、所说计时装置和显示装置都由所说蓄电池供电，和一个充电装置，该充电装置包括一个光生伏打电池电源(8)，并与所说蓄电池(11)相连，其特征在于所说充电装置包括串联连接在所说电源与蓄电池之间的一个倍压器(26)，所说倍压器包括一个电感器(35)，该电感器由构成显示装置或该钟表的其它装置的一部分的一个线圈构成。
10．如权利要求9所述的钟表，其特征在于所说显示装置包括一个马达(13)，所说线圈构成所说马达的一部分。
11．如权利要求8或9所述的钟表，其特征在于所说充电装置包括控制装置(24、27)，其用于根据所说光生伏打电池电源(8)的输出电压(USC)打开和关闭所说倍压器。
12．如权利要求11所述的钟表，其特征在于所说控制装置(24、27)还用于当蓄电池的充电量少于一个第一限值时中断向显示装置(6、7、13、23)的供电。
13．如权利要求12所述的钟表，其特征在于所说控制装置(24、27)还用于当所说蓄电池的充电量少于第一限值或一个第二限值时中断向计时装置(21、22)供电。
14．如权利要求8至13中任何一项所述的钟表，其特征在于所说电源(8)包括一个或多个在显示装置前部延伸的、基本透明的光生伏打电池，从设置所说光电池的一侧可以看到显示装置。
全文摘要
一种为电池(11)充电的装置,它包括一个光生伏打电池电源(8),其输出电压(USC)低于电池的端电压(VDD)。所说输出电压利用由一个静态单元(27)控制的倍压器(26)根据两个独立的电压电平进行倍增。可取的是该电源包括一个光电池(8)。在包括所说的充电装置的一个钟表中,当电池(11)的电压太低时,所说静态单元(27)还可以切断向显示装置(13、23)和计时电路(21、22)的供电。倍压器还可以使用显示装置的马达线圈(13)或用于钟表中的其它线圈。
文档编号H02J7/35GK1216171SQ97193810
公开日1999年5月5日 申请日期1997年2月17日 优先权日1996年2月16日
发明者E·索雷尔, P·A·法里内 申请人:阿苏拉布股份有限公司