使用超级电容器的电子定时器及其方法 【技术领域】
本发明是有关于一种电子定时器及其方法，且特别是有关于一种使用超级电容器的电子定时器及其方法。背景技术
电子定时器通常需要一计时电路，例如含有电容器、二极管、电感、缓存器与晶体管等的振荡电路，来达到所要的时间长短或时间顺序的控制。为了有宽大的时间延长范围，一般定时器必须使用精密配合的晶体管与电容器，或具有低漏电的计时电容器，如Davis的第3,970,899号美国专利，就公开一项多重振荡电路改良的时间迟滞调整器。所以，由前述的构想而使用许多昂贵与大体积的电子零件来制作延长器或定时器，而与今日电子元件的小型化、轻量及低价的趋势不符。发明内容
本发明的目的是提供一种使用超级电容器的电子定时器及其方法，其使用最少数目及便宜的组件，而达到计时目的的电子定时器为重量轻、小型、可靠，并且容易安装与操作。
本发明提供一种使用超级电容器的电子定时器，此电子定时器的第一电源输入端与第二电源输入端连接至一电源，一负载电性连接在此电源的一端与此电子定时器的一控制端之间。此电子定时器包括一超级电容器、一可变电阻、一电磁继电器、一开关、一交流转直流装置与一二极管。超级电容器具有一能量密度高与一功率密度高地特性，可变电阻与超级电容器并联，电磁继电器分别电性连接在超级电容器的两端、第二电源输入端与控制端之间，当超级电容器提供一操作电压给电磁继电器时，则电磁继电器使此电源提供电源给负载，开关的第一端连接至该第一电源输入端，交流转直流装置用以将交流电源转换为一直流电源，交流转直流装置的第一交流输入端连接至开关的第二端，交流转直流装置的第二交流输入端连接至第二电源输入端，交流转直流装置的第一直流输出端同时连接至超级电容器的一端、可变电阻的一端与电磁继电器的一端，以及，二极管的正极连接至交流转直流装置的第二直流输出端，二极管的负极同时连接至超级电容器的另一端、可变电阻的另一端与电磁继电器的另一端。此外，可依前述的电路架构来做不同的组合，仍可完成计时的目的。
本发明提出一种使用超级电容器的电子计时方法，使用在一电子定时器，此电子定时器包括一超级电容器、一可变电阻与一电磁继电器，一电源提供电源给一负载。此使用超级电容器的电子计时方法的步骤为：首先，由具有一能量密度高与一功率密度高的特性的超级电容器提供一操作电压给电磁继电器，接着，在电磁继电器得到超级电容器所提供的操作电压后，由电磁继电器控制此电源来提供电源给负载，其次，改变可变电阻的阻值，以改变此电源提供电源给负载的时间长短，以及，当超级电容器所提供的操作电压是低于电磁继电器的截止电压时，则由电磁继电器控制此电源结束提供电源给负载。如此，可达到计时的功能外，还可达到时间迟滞调整及促动时间的线性控制。附图说明
图1为本发明的电路方框图；
图2为本发明的另一种电路方框图；
图3为本发明的再一种电路方框图；
图4为本发明增加可变电的电路方框图。
10：电子定时器
12，12’：电池
14：超级电容器
15：可变电阻
16：电磁继电器
18，30：开关
20：二极管
22，28：串联电路
24：负载
26：线圈
32：交流转直流装置
34：交流电源具体实施方式
超级电容器(super capacitor)是一种能量密度高于传统的电容器，功率密度高于所有已知电池的储能组件。由于此两种特性，超级电容器可像电池般作为备用电源，例如在Reasoner等的第5,608,684号美国专利中，支持随机存储器(RAM)与只读存储器(ROM)的长期数据保留，这两种内存消耗数百微安培至数毫安的电流。另一方面，超级电容器可输出或接受数百安培的电流，例如在Tamagawa等的第6,222,334号专利中，超级电容器在一再生剎车系统中回收废弃能量。
超级电容器又可称为电双层电容器(electric double layercapacitor)或超级电容器(ultra capacitor)，其储存的能量可从百分之一法拉(farad，F)到数百法拉的电荷。如同传统的电容器，超级电容器可突然释放全部储存的能量而产生巨大的瞬间电流，也可按负载的耗能缓缓放电而得到计时的功能。由于超级电容器不受电磁干扰(EMI)、湿度、振动及工作温度改变的影响，因此超级电容器比基于半导体组件如晶体管与FET更为可靠。因此，使用超级电容器做为电子定时器的组件是可信赖的。
请参照图1，其为本发明的电路方框图。在图1中，电池12’与负载24形成一组串联电路22后，而此串联电路22再与电子定时器10串联。电子定时器10中的电磁继电器16分别电性连接在超级电容器14与串联电路22之间，电池12、开关18与二极管20分别串联成一组内部串联电路28后再与超级电容器14并联。
在图1中，当开关18闭合(Close)时，电池12同时提供电源给超级电容器14与电磁继电器16，而电池12可为一次电池，二次电池，燃料电池或太阳电池。为保护电池12，二极管20串联于电池12与超级电容器14间，以防止电流从超级电容器14逆流至电池12。当电池12提供的电流流经电磁继电器16中的线圈26时，由于线圈激磁而产生磁场的吸引，电磁继电器16的极片S将从常闭(NormalClose)接点B移至常开(Normal Open)接点A。一旦极片S与常开接点A两点间的电气接通，则电池12’将提供电源给负载24，而负载24可为灯泡或警报器，因而会发光或鸣叫。当开关18开路(Open)时，超级电容器14将继续对电磁继电器16供电，以维持极片S与常开接点A间的连接，直至超级电容器14所提供的操作电压低于电磁继电器16的截止电压，线圈26所产生的磁场不再足以使极片S与常开接点A间连接，则极片S将与常闭接点B连接，使电池12’不再提供电源给负载24。因此，负载24的延长工作的时间长短，即由超级电容器14的电容量与电磁继电器16的耗能决定。若负载24为一盏灯，则关掉主电源后，人们可有足够的照明时间离开所在区域。
图2为本发明的另一种电路方框图。图2与图1不同之处是在超级电容器14与电磁继电器16之间串联一开关30，而此开关30与开关18具有连动的功能，即开关18开路时，则开关30闭合，开关18闭合时，则开关30开路。
在图2中，在开关18闭合且开关30开路时，电池12对超级电容器14充电，电磁继电器16的极片S与常闭接点B连接，所以电池12’没有提供电源给负载24。在开关18开路且开关30闭合时，电池12不再对超级电容器14充电，超级电容器14提供一操作电压给电磁继电器16的线圈26，使线圈26产生磁场而将极片S与常开接点A连接起来，所以电池12’提供电源给负载24。在此电路架构下，电磁继电器16的促动时间(即线圈26激磁后使极片S与常开接点A连接)与电池12’提供电源给负载24的时间，其由超级电容器14的电容量与电磁继电器16的耗能决定。
采用图1的控制原理，在图3为本发明的再一种电路方框图中，交流电源34(如市电)替代了电池12与电池12’，并作为电子定时器10的电源。电子定时器10的电源输入端SI1与电源输入端SI2连接至交流电源34，负载24连接在交流电源34的一端与电子定时器10的控制端CT之间。电子定时器10中的电磁继电器16分别电性连接在超级电容器14的两端、电子定时器10的电源输入端SI2与控制端CT之间，开关18的第一端连接至电子定时器10的电源输入端SI1，交流转直流装置32的交流输入端AI1连接至开关18的第二端，交流转直流装置32的交流输入端AI2连接至电子定时器10的电源输入端SI2，交流转直流装置32的直流输出端DO2同时连接至超级电容器14的一端与电磁继电器16中线圈26的一端，二极管20的正极连接至交流转直流装置32的直流输出端DO1，二极管20的负极同时连接至超级电容器14的另一端与电磁继电器16中线圈26的另一端。
在图3中，当开关18闭合时，交流电源34提供电源给交流转直流装置32，交流转直流装置32将交流电转换为直流电后对超级电容器14充电及提供电源给电磁继电器16。同样地，二极管20是防止电流从超级电容器14逆流至交流转直流装置32。当交流转直流装置32提供的电流流经电磁继电器16中的线圈26时，由于线圈激磁而产生磁场的吸引，电磁继电器16的极片S将从常闭接点B移至常开接点A。一旦极片S与常开接点A两点间的电气接通，则交流电源34将提供电源给负载24。当开关18开路时，交流转直流装置32不再提供直流电，此时超级电容器14将继续对电磁继电器16供电，以维持极片S与常开接点A间的连接，直至超级电容器14所提供的操作电压低于电磁继电器16的截止电压，线圈26所产生的磁场不再足以使极片S与常开接点A间连接，则极片S将与常闭接点B连接，使交流电源34不再提供电源给负载24。因此，负载24的延长工作的时间长短，即由超级电容器14的电容量与电磁继电器16的耗能决定。
其中，交流转直流装置32还包含电压下降及其它保护或限制电路，例如限制超级电容器14的漏电的电路。由交流转直流装置32将交流电转换为直流电，转换后的直流电的电压不能超过超级电容器14的额定电压，同时转换后的直流电的电流也不能超过电磁继电器16的额定电流，以避免损坏两种组件。不过，只要充电用直流电的电压不超过超级电容器14的额定电压的10％，超级电容器14可接受任何大小的充电电流。超级电容器14一般可充放电一百万次或更久，因此它们是免保养且耐用的。电磁继电器16具有截止电压，例如继电器规格为LEG-3T的截止电压为0.6V，此截止电压也为超级电容器14的放电的终止点。
图4为本发明增加可变电阻的电路方框图。图4与图3不同之处是在电子定时器10中增加一个可变电阻15，其与超级电容器14是并联的，而图4的电路操作原理与图3的电路操作原理是相同的，在此不多加赘述。
在图4中，加入可变电阻器15于电子定时器10中，可对电源供应负载24的时间迟滞调整或电磁继电器16的促动时间(指电磁继电器16只受超级电容器14的供电)提供线性控制。可变电阻15与超级电容器14并联，因而可变电阻15的阻值能线性改变超级电容器14的放电时间。可变电阻15的阻值可从1Ω调至百万Ω，因此可产生数个数量级的缩小时间迟滞的范围。当可变电阻15设定于一较大电阻值时，超级电容器14的两端电压的下降速度将变慢，而电源供应负载24的时间迟滞调整也将较长。电源供应负载24的时间迟滞调整与控制超级电容器14的两端电压的线性反应，及电磁继电器16的促动时间与超级电容器14的两端电压的线性互动，均很容易由可变电阻15来校正。因此，具有控制转盘的电子定时器10具即可依图4的电路方框图的理念制作。虽然超级电容器14及电磁继电器16可用极低的电压操作，例如3V，但它们所组成的计时电路可应用在高的交流电压，例如110V AC或更高，然而，电子定时器10的控制并不需要变压器(未绘出)。
以各种市售与自制的超级电容器与上述的LEG-3T电磁继电器依图3所显示的电路，并以一灯泡为负载组成的电路，以展示本发明的独特性。各超级电容器14以3A的定电流充电一固定时间，或充电至2.5V，然后，将开关18开路，记录灯泡的发光时间，如表1列举对应于超级电容器的不同充电时间的时间迟滞调整所示，所得数据即为时间迟滞调整。
虽然不同厂商使用不同材料，不同工艺与包装来制作超级电容器，所制作的任何超级电容器均可用于实施本发明。依所需的时间迟滞调整范围，使用者可选用电气规格、尺寸及价格均合适的超级电容器。表1不在于比较超级电容器的品质，而是用以显示超级电容器的电容量，对时间迟滞调整的效应。由表1的结果可见灯泡的延长发光时间主要由超级电容器的电容量决定。表1所测试的超级电容器为圆筒及钮扣型，但其它如长方形、正方形或锥体形也可适用。相对于超级电容器的功率密度，测试的电磁继电器的耗电(0.11A)是属于低负载，使超级电容器的内电阻ESR(等效串联电阻)对时间迟滞调整，并不产生影响。以第8号超级电容器的小尺寸搭配继电器的小体积(15mm×19mm×15mm高)，简易小型的计时电路即可产生。为解释小型化，表1测试一电解电容(第9号)，其允许电压为50V，标示电容为10,000μF。如同其它测试样品，传统的电容器也充电3分钟，但它只产生1秒钟的时间迟滞调整。明显地，传统的电容器的电容量太低而体积太大，无法像本发明的超级电容器的能用以制作小型化电子定时器。
因此，本发明的优点是使用最少数目及便宜的元件，而达到计时目的的电子定时器为重量轻、小型、可靠，并且容易安装与操作。 # 超高电容器来源 电气规格 尺寸 (mm×mm) ESR 充电时间(秒) 时间迟滞延长(秒) 1 ELNAa 2.5V×20F 18×40 57.2 mΩ 10 390 60 537 180 564 2 Matsushitab 2.5V×10F 18×35 45.1 mΩ 10 290 60 315 180 328 3 Tokinc 5.5V×2.2F 28.3×18.4 2.47 mΩ 10 35 60 47 180 50 4 Tokinc 5.5V×1F 28.3×11.1 628 mΩ 10 25 60 26 180 28 5 Tokinc 5.5V×0.47F 21×11 1.22 mΩ 10 12 60 12 180 12 6 Homed Made 2.5V×2F 16×25 85.9 mΩ 10 37 60 49 180 54 7 Homed Made 2.5V×2F 19×3.2 1.75 mΩ 10 19 60 35 180 46 8 Homed Made 2.5V×2F 19×3.2 2.66 mΩ 10 13 60 40 180 49 9 Electrolytic 50V×104μA 35.5×46 18.2 mΩ 180 1
a.来自ELNA Co的DZ系列(Kanagawa，Japan)。
b.来自Matsushita的A1系列Electronic Components Co(Osaka，Japan)。
c.来自Tokin Corp的FT系列(Tokyo，Japan)。
d.友昕科技自制雏形样品(台湾，新竹)。
表1