專利名稱：使用超級電容器的電子定時器及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種電子定時器及其方法，且特別是有關(guān)于一種使用超級電容器的電子定時器及其方法。
本發(fā)明提供一種使用超級電容器的電子定時器，此電子定時器的第一電源輸入端與第二電源輸入端連接至一電源，一負(fù)載電性連接在此電源的一端與此電子定時器的一控制端之間。此電子定時器包括一超級電容器、一可變電阻、一電磁繼電器、一開關(guān)、一交流轉(zhuǎn)直流裝置與一二極管。超級電容器具有一能量密度高與一功率密度高的特性，可變電阻與超級電容器并聯(lián)，電磁繼電器分別電性連接在超級電容器的兩端、第二電源輸入端與控制端之間，當(dāng)超級電容器提供一操作電壓給電磁繼電器時，則電磁繼電器使此電源提供電源給負(fù)載，開關(guān)的第一端連接至該第一電源輸入端，交流轉(zhuǎn)直流裝置用以將交流電源轉(zhuǎn)換為一直流電源，交流轉(zhuǎn)直流裝置的第一交流輸入端連接至開關(guān)的第二端，交流轉(zhuǎn)直流裝置的第二交流輸入端連接至第二電源輸入端，交流轉(zhuǎn)直流裝置的第一直流輸出端同時連接至超級電容器的一端、可變電阻的一端與電磁繼電器的一端，以及，二極管的正極連接至交流轉(zhuǎn)直流裝置的第二直流輸出端，二極管的負(fù)極同時連接至超級電容器的另一端、可變電阻的另一端與電磁繼電器的另一端。此外，可依前述的電路架構(gòu)來做不同的組合，仍可完成計時的目的。
本發(fā)明提出一種使用超級電容器的電子計時方法，使用在一電子定時器，此電子定時器包括一超級電容器、一可變電阻與一電磁繼電器，一電源提供電源給一負(fù)載。此使用超級電容器的電子計時方法的步驟為首先，由具有一能量密度高與一功率密度高的特性的超級電容器提供一操作電壓給電磁繼電器，接著，在電磁繼電器得到超級電容器所提供的操作電壓后，由電磁繼電器控制此電源來提供電源給負(fù)載，其次，改變可變電阻的阻值，以改變此電源提供電源給負(fù)載的時間長短，以及，當(dāng)超級電容器所提供的操作電壓是低于電磁繼電器的截止電壓時，則由電磁繼電器控制此電源結(jié)束提供電源給負(fù)載。如此，可達(dá)到計時的功能外，還可達(dá)到時間遲滯調(diào)整及促動時間的線性控制。
10電子定時器12，12’電池14超級電容器15可變電阻16電磁繼電器18，30開關(guān)20二極管22，28串聯(lián)電路24負(fù)載26線圈32交流轉(zhuǎn)直流裝置34交流電源超級電容器又可稱為電雙層電容器(electric double layercapacitor)或超級電容器(ultra capacitor)，其儲存的能量可從百分之一法拉(farad，F(xiàn))到數(shù)百法拉的電荷。如同傳統(tǒng)的電容器，超級電容器可突然釋放全部儲存的能量而產(chǎn)生巨大的瞬間電流，也可按負(fù)載的耗能緩緩放電而得到計時的功能。由于超級電容器不受電磁干擾(EMI)、濕度、振動及工作溫度改變的影響，因此超級電容器比基于半導(dǎo)體組件如晶體管與FET更為可靠。因此，使用超級電容器做為電子定時器的組件是可信賴的。
請參照

圖1，其為本發(fā)明的電路方框圖。在圖1中，電池12’與負(fù)載24形成一組串聯(lián)電路22后，而此串聯(lián)電路22再與電子定時器10串聯(lián)。電子定時器10中的電磁繼電器16分別電性連接在超級電容器14與串聯(lián)電路22之間，電池12、開關(guān)18與二極管20分別串聯(lián)成一組內(nèi)部串聯(lián)電路28后再與超級電容器14并聯(lián)。
在圖1中，當(dāng)開關(guān)18閉合(Close)時，電池12同時提供電源給超級電容器14與電磁繼電器16，而電池12可為一次電池，二次電池，燃料電池或太陽電池。為保護(hù)電池12，二極管20串聯(lián)于電池12與超級電容器14間，以防止電流從超級電容器14逆流至電池12。當(dāng)電池12提供的電流流經(jīng)電磁繼電器16中的線圈26時，由于線圈激磁而產(chǎn)生磁場的吸引，電磁繼電器16的極片S將從常閉(NormalClose)接點B移至常開(Normal Open)接點A。一旦極片S與常開接點A兩點間的電氣接通，則電池12’將提供電源給負(fù)載24，而負(fù)載24可為燈泡或警報器，因而會發(fā)光或鳴叫。當(dāng)開關(guān)18開路(Open)時，超級電容器14將繼續(xù)對電磁繼電器16供電，以維持極片S與常開接點A間的連接，直至超級電容器14所提供的操作電壓低于電磁繼電器16的截止電壓，線圈26所產(chǎn)生的磁場不再足以使極片S與常開接點A間連接，則極片S將與常閉接點B連接，使電池12’不再提供電源給負(fù)載24。因此，負(fù)載24的延長工作的時間長短，即由超級電容器14的電容量與電磁繼電器16的耗能決定。若負(fù)載24為一盞燈，則關(guān)掉主電源后，人們可有足夠的照明時間離開所在區(qū)域。
圖2為本發(fā)明的另一種電路方框圖。圖2與圖1不同之處是在超級電容器14與電磁繼電器16之間串聯(lián)一開關(guān)30，而此開關(guān)30與開關(guān)18具有連動的功能，即開關(guān)18開路時，則開關(guān)30閉合，開關(guān)18閉合時，則開關(guān)30開路。
在圖2中，在開關(guān)18閉合且開關(guān)30開路時，電池12對超級電容器14充電，電磁繼電器16的極片S與常閉接點B連接，所以電池12’沒有提供電源給負(fù)載24。在開關(guān)18開路且開關(guān)30閉合時，電池12不再對超級電容器14充電，超級電容器14提供一操作電壓給電磁繼電器16的線圈26，使線圈26產(chǎn)生磁場而將極片S與常開接點A連接起來，所以電池12’提供電源給負(fù)載24。在此電路架構(gòu)下，電磁繼電器16的促動時間(即線圈26激磁后使極片S與常開接點A連接)與電池12’提供電源給負(fù)載24的時間，其由超級電容器14的電容量與電磁繼電器16的耗能決定。
采用圖1的控制原理，在圖3為本發(fā)明的再一種電路方框圖中，交流電源34(如市電)替代了電池12與電池12’，并作為電子定時器10的電源。電子定時器10的電源輸入端SI1與電源輸入端SI2連接至交流電源34，負(fù)載24連接在交流電源34的一端與電子定時器10的控制端CT之間。電子定時器10中的電磁繼電器16分別電性連接在超級電容器14的兩端、電子定時器10的電源輸入端SI2與控制端CT之間，開關(guān)18的第一端連接至電子定時器10的電源輸入端SI1，交流轉(zhuǎn)直流裝置32的交流輸入端AI1連接至開關(guān)18的第二端，交流轉(zhuǎn)直流裝置32的交流輸入端AI2連接至電子定時器10的電源輸入端SI2，交流轉(zhuǎn)直流裝置32的直流輸出端DO2同時連接至超級電容器14的一端與電磁繼電器16中線圈26的一端，二極管20的正極連接至交流轉(zhuǎn)直流裝置32的直流輸出端DO1，二極管20的負(fù)極同時連接至超級電容器14的另一端與電磁繼電器16中線圈26的另一端。
在圖3中，當(dāng)開關(guān)18閉合時，交流電源34提供電源給交流轉(zhuǎn)直流裝置32，交流轉(zhuǎn)直流裝置32將交流電轉(zhuǎn)換為直流電后對超級電容器14充電及提供電源給電磁繼電器16。同樣地，二極管20是防止電流從超級電容器14逆流至交流轉(zhuǎn)直流裝置32。當(dāng)交流轉(zhuǎn)直流裝置32提供的電流流經(jīng)電磁繼電器16中的線圈26時，由于線圈激磁而產(chǎn)生磁場的吸引，電磁繼電器16的極片S將從常閉接點B移至常開接點A。一旦極片S與常開接點A兩點間的電氣接通，則交流電源34將提供電源給負(fù)載24。當(dāng)開關(guān)18開路時，交流轉(zhuǎn)直流裝置32不再提供直流電，此時超級電容器14將繼續(xù)對電磁繼電器16供電，以維持極片S與常開接點A間的連接，直至超級電容器14所提供的操作電壓低于電磁繼電器16的截止電壓，線圈26所產(chǎn)生的磁場不再足以使極片S與常開接點A間連接，則極片S將與常閉接點B連接，使交流電源34不再提供電源給負(fù)載24。因此，負(fù)載24的延長工作的時間長短，即由超級電容器14的電容量與電磁繼電器16的耗能決定。
其中，交流轉(zhuǎn)直流裝置32還包含電壓下降及其它保護(hù)或限制電路，例如限制超級電容器14的漏電的電路。由交流轉(zhuǎn)直流裝置32將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，轉(zhuǎn)換后的直流電的電壓不能超過超級電容器14的額定電壓，同時轉(zhuǎn)換后的直流電的電流也不能超過電磁繼電器16的額定電流，以避免損壞兩種組件。不過，只要充電用直流電的電壓不超過超級電容器14的額定電壓的10％，超級電容器14可接受任何大小的充電電流。超級電容器14一般可充放電一百萬次或更久，因此它們是免保養(yǎng)且耐用的。電磁繼電器16具有截止電壓，例如繼電器規(guī)格為LEG-3T的截止電壓為0.6V，此截止電壓也為超級電容器14的放電的終止點。
圖4為本發(fā)明增加可變電阻的電路方框圖。圖4與圖3不同之處是在電子定時器10中增加一個可變電阻15，其與超級電容器14是并聯(lián)的，而圖4的電路操作原理與圖3的電路操作原理是相同的，在此不多加贅述。
在圖4中，加入可變電阻器15于電子定時器10中，可對電源供應(yīng)負(fù)載24的時間遲滯調(diào)整或電磁繼電器16的促動時間(指電磁繼電器16只受超級電容器14的供電)提供線性控制。可變電阻15與超級電容器14并聯(lián)，因而可變電阻15的阻值能線性改變超級電容器14的放電時間?？勺冸娮?5的阻值可從1Ω調(diào)至百萬Ω，因此可產(chǎn)生數(shù)個數(shù)量級的縮小時間遲滯的范圍。當(dāng)可變電阻15設(shè)定于一較大電阻值時，超級電容器14的兩端電壓的下降速度將變慢，而電源供應(yīng)負(fù)載24的時間遲滯調(diào)整也將較長。電源供應(yīng)負(fù)載24的時間遲滯調(diào)整與控制超級電容器14的兩端電壓的線性反應(yīng)，及電磁繼電器16的促動時間與超級電容器14的兩端電壓的線性互動，均很容易由可變電阻15來校正。因此，具有控制轉(zhuǎn)盤的電子定時器10具即可依圖4的電路方框圖的理念制作。雖然超級電容器14及電磁繼電器16可用極低的電壓操作，例如3V，但它們所組成的計時電路可應(yīng)用在高的交流電壓，例如110V AC或更高，然而，電子定時器10的控制并不需要變壓器(未繪出)。
以各種市售與自制的超級電容器與上述的LEG-3T電磁繼電器依圖3所顯示的電路，并以一燈泡為負(fù)載組成的電路，以展示本發(fā)明的獨特性。各超級電容器14以3A的定電流充電一固定時間，或充電至2.5V，然后，將開關(guān)18開路，記錄燈泡的發(fā)光時間，如表1列舉對應(yīng)于超級電容器的不同充電時間的時間遲滯調(diào)整所示，所得數(shù)據(jù)即為時間遲滯調(diào)整。
雖然不同廠商使用不同材料，不同工藝與包裝來制作超級電容器，所制作的任何超級電容器均可用于實施本發(fā)明。依所需的時間遲滯調(diào)整范圍，使用者可選用電氣規(guī)格、尺寸及價格均合適的超級電容器。表1不在于比較超級電容器的品質(zhì)，而是用以顯示超級電容器的電容量，對時間遲滯調(diào)整的效應(yīng)。由表1的結(jié)果可見燈泡的延長發(fā)光時間主要由超級電容器的電容量決定。表1所測試的超級電容器為圓筒及鈕扣型，但其它如長方形、正方形或錐體形也可適用。相對于超級電容器的功率密度，測試的電磁繼電器的耗電(0.11A)是屬于低負(fù)載，使超級電容器的內(nèi)電阻ESR(等效串聯(lián)電阻)對時間遲滯調(diào)整，并不產(chǎn)生影響。以第8號超級電容器的小尺寸搭配繼電器的小體積(15mm×19mm×15mm高)，簡易小型的計時電路即可產(chǎn)生。為解釋小型化，表1測試一電解電容(第9號)，其允許電壓為50V，標(biāo)示電容為10,000μF。如同其它測試樣品，傳統(tǒng)的電容器也充電3分鐘，但它只產(chǎn)生1秒鐘的時間遲滯調(diào)整。明顯地，傳統(tǒng)的電容器的電容量太低而體積太大，無法像本發(fā)明的超級電容器的能用以制作小型化電子定時器。
因此，本發(fā)明的優(yōu)點是使用最少數(shù)目及便宜的元件，而達(dá)到計時目的的電子定時器為重量輕、小型、可靠，并且容易安裝與操作。

a.來自ELNA Co的DZ系列(Kanagawa，Japan)。
b.來自Matsushita的A1系列Electronic Components Co(Osaka，Japan)。
c.來自Tokin Corp的FT系列(Tokyo，Japan)。
d.友昕科技自制雛形樣品(臺灣，新竹)。
表權(quán)利要求
1.一種使用超級電容器的電子定時器，一電源及一負(fù)載形成一串聯(lián)電路后與該電子定時器串聯(lián)，其特征是，該電子定時器包括一具有能量密度高與功率密度高特性的超級電容器；以及一電磁繼電器，分別電性連接在該超級電容器與該串聯(lián)電路之間，當(dāng)該超級電容器提供一操作電壓給該電磁繼電器時，則該電磁繼電器使該電源提供電源給該負(fù)載。
2.如權(quán)利要求1所述的使用超級電容器的電子定時器，其特征是，該超級電容器為一超級電容器與一電雙層電容器二者其中之一。
3.如權(quán)利要求1所述的使用超級電容器的電子定時器，其特征是，該超級電容器的外型為一圓筒型、一鈕扣型、一長方型、一正方型與一錐體型的其中之一。
4.如權(quán)利要求1所述的使用超級電容器的電子定時器，其特征是，該定時器更包括一內(nèi)部電源、一開關(guān)與一二極管，該內(nèi)部電源、該開關(guān)與該二極管分別串聯(lián)成一內(nèi)部串聯(lián)電路后與該超級電容器并聯(lián)。
5.如權(quán)利要求4所述的使用超級電容器的電子定時器，其特征是，該電源與該內(nèi)部電源為一直流電源。
6.如權(quán)利要求5所述的使用超級電容器的電子定時器，其特征是，該直流電源為一一次電池、一二次電池、一燃料電池與一太陽電池的其中之一。
7.如權(quán)利要求1所述的使用超級電容器的電子定時器，其特征是，該定時器更包括一內(nèi)部電源、一第一開關(guān)、一第二開關(guān)與一二極管，該內(nèi)部電源、該第一開關(guān)與該二極管分別串聯(lián)成一內(nèi)部串聯(lián)電路后與該超級電容器并聯(lián)，該第二開關(guān)串聯(lián)在該超級電容器的一端與該電磁繼電器的一端之間。
8.如權(quán)利要求7所述的使用超級電容器的電子定時器，其特征是，該電源與該內(nèi)部電源為一直流電源。
9.如權(quán)利要求8所述的使用超級電容器的電子定時器，其特征是，該直流電源為一一次電池、一二次電池、一燃料電池與一太陽電池的其中之一。
10.一種使用超級電容器的電子定時器，該電子定時器的一第一電源輸入端與一第二電源輸入端連接至一電源，一負(fù)載電性連接在該電源的一端與該電子定時器的一控制端之間，其特征是，該電子定時器包括一具有能量密度高與功率密度高特性的超級電容器；以及一電磁繼電器，分別電性連接在該超級電容器的兩端、該第二電源輸入端與該控制端之間，當(dāng)該超級電容器提供一操作電壓給該電磁繼電器時，則該電磁繼電器使該電源提供電源給該負(fù)載。
11.如權(quán)利要求10所述的使用超級電容器的電子定時器，其特征是，該超級電容器為一超級電容器與一電雙層電容器二者其中之一。
12.如權(quán)利要求10所述的使用超級電容器的電子定時器，其特征是，該超級電容器的外型為一圓筒型、一鈕扣型、一長方型、一正方型與一錐體型的其中之一。
13.如權(quán)利要求10所述的使用超級電容器的電子定時器，其特征是，該電源為一交流電源。
14.如權(quán)利要求13所述的使用超級電容器的電子定時器，其特征是，該定時器更包括一開關(guān)，該開關(guān)的第一端連接至該第一電源輸入端；一交流轉(zhuǎn)直流裝置，用以將該交流電源轉(zhuǎn)換為一直流電源，該交流轉(zhuǎn)直流裝置的一第一交流輸入端連接至該開關(guān)的第二端，該交流轉(zhuǎn)直流裝置的一第二交流輸入端連接至該第二電源輸入端，該交流轉(zhuǎn)直流裝置的一第一直流輸出端同時連接至該超級電容器的一端與該電磁繼電器的一端；以及一二極管，該二極管的正極連接至該交流轉(zhuǎn)直流裝置的一第二直流輸出端，該二極管的負(fù)極同時連接至該超級電容器的另一端與該電磁繼電器的另一端。
15.一種使用超級電容器的電子定時器，該電子定時器的一第一電源輸入端與一第二電源輸入端連接至一電源，一負(fù)載電性連接在該電源的一端與該電子定時器的一控制端之間，其特征是，該電子定時器包括一具有能量密度高與功率密度高特性的超級電容器；一可變電阻，與該超級電容器并聯(lián)；以及一電磁繼電器，電性連接在該超級電容器的兩端、該第二電源輸入端與該控制端之間，當(dāng)該超級電容器提供一操作電壓給該電磁繼電器時，則該電磁繼電器使該電源提供電源給該負(fù)載。
16.如權(quán)利要求15所述的使用超級電容器的電子定時器，其特征是，該超級電容器為一超級電容器與一電雙層電容器二者其中之一。
17.如權(quán)利要求15所述的使用超級電容器的電子定時器，其特征是，該超級電容器的外型為一圓筒型、一鈕扣型、一長方型、一正方型與一錐體型的其中之一。
18.如權(quán)利要求15所述的使用超級電容器的電子定時器，其特征是，該電源為一交流電源。
19.如權(quán)利要求18所述的使用超級電容器的電子定時器，其特征是，該定時器更包括一開關(guān)，該開關(guān)的第一端連接至該第一電源輸入端；一交流轉(zhuǎn)直流裝置，用以將該交流電源轉(zhuǎn)換為一直流電源，該交流轉(zhuǎn)直流裝置的一第一交流輸入端連接至該開關(guān)的第二端，該交流轉(zhuǎn)直流裝置的一第二交流輸入端連接至該第二電源輸入端，該交流轉(zhuǎn)直流裝置的一第一直流輸出端同時連接至該超級電容器的另一端、該可變電阻的一端與該電磁繼電器的一端；以及一二極管，該二極管的正極連接至該交流轉(zhuǎn)直流裝置的一第二直流輸出端，該二極管的負(fù)極同時連接至該超級電容器的另一端、該可變電阻的另一端與該電磁繼電器的另一端。
20.一種使用超級電容器的電子計時方法，使用在一電子定時器，該電子定時器包括該超級電容器與一電磁繼電器，一電源提供電源給一負(fù)載，其特征是，該使用超級電容器的電子計時方法包括下列步驟由具有一能量密度高與一功率密度高的特性的該超級電容器提供一操作電壓給該電磁繼電器；在該電磁繼電器得到該超級電容器所提供的該操作電壓后，由該電磁繼電器控制該電源來提供電源給該負(fù)載；以及當(dāng)該超級電容器所提供的該操作電壓是低于該電磁繼電器的一截止電壓時，則由該電磁繼電器控制該電源結(jié)束提供電源給該負(fù)載。
21.如權(quán)利要求20所述的使用超級電容器的電子計時方法，其特征是，由該電源對該超級電容器充電。
22.如權(quán)利要求20所述的使用超級電容器的電子計時方法，其特征是，由該超級電容器提供該操作電壓至該電磁繼電器，到該操作電壓低于該截止電壓之間，其為該電磁繼電器的一促動時間。
23.一種使用超級電容器的電子計時方法，使用在一電子定時器，該電子定時器包括該超級電容器、一可變電阻與一電磁繼電器，一電源提供電源給一負(fù)載，其特征是，該使用超級電容器的電子計時方法包括下列步驟由具有一能量密度高與一功率密度高的特性的該超級電容器提供一操作電壓給該電磁繼電器；在該電磁繼電器得到該超級電容器所提供的該操作電壓后，由該電磁繼電器控制該電源來提供電源給該負(fù)載；改變該可變電阻的阻值，以改變該電源提供電源給該負(fù)載的時間長短；以及當(dāng)該超級電容器所提供的該操作電壓是低于該電磁繼電器的一截止電壓時，則由該電磁繼電器控制該電源結(jié)束提供電源給該負(fù)載。
24.如權(quán)利要求23所述的使用超級電容器的電子計時方法，其特征是，由該電源對該超級電容器充電。
25.如權(quán)利要求23所述的使用超級電容器的電子計時方法，其特征是，由該超級電容器提供該操作電壓至該電磁繼電器，到該操作電壓低于該截止電壓之間，其為該電磁繼電器的一促動時間。
26.如權(quán)利要求23所述的使用超級電容器的電子計時方法，其特征是，改變該可變電阻的阻值能線性改變該超級電容器的放電時間，使該電子計時器具有對一時間遲滯調(diào)整與該促動時間的線性控制。
全文摘要
一種使用超級電容器的電子定時器及其方法，其是由一個可變電阻器，一個超級電容器及一個電磁繼電器組成。當(dāng)一主電源被關(guān)閉后，由超級電容器對電磁繼電器供電，將可延長或促動一負(fù)載的運作，直到超級電容器停止放電。結(jié)合可變電阻器與其它兩個組件，則超級電容器的放電時間可被可變電阻器線性地改變，因此產(chǎn)生負(fù)載的遲滯調(diào)整及促動時間的線性配置。此種簡單、小型且便宜的定時器可用于室內(nèi)與室外照明，安全偵測系統(tǒng)及激活系統(tǒng)。
文檔編號H01H47/18GK1417825SQ0113139
公開日2003年5月14日 申請日期2001年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月29日
發(fā)明者薛立人, 謝明芳, 吳典熹, 鐘興振, 趙靜雯, 羅萬鋌, 李莉頻 申請人:友昕科技股份有限公司