一種無源壓電式的能量獲取電路的製作方法
2023-06-29 04:30:11
一種無源壓電式的能量獲取電路的製作方法
【專利摘要】針對現有壓電轉換電路的電能利用率低、輸出電壓不穩定等不足，本產品提供一種無源壓電式的能量獲取電路，包括儲能裝置、壓電裝置、第一電感、第二電感、第一二極體、第二二極體、第三二極體、第四二極體、第五二極體和第六二極體。本產品的有益技術效果為：本產品結構簡單且具有能量轉化效率高的優點；本產品的輸出電壓脈動小、使用壽命長；尤其是採用本結構後二極體所承受的反向電壓小，使用過程中存在損壞的風險小。
【專利說明】一種無源壓電式的能量獲取電路
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於電子【技術領域】，具體涉及一種無源壓電式的能量獲取電路。
【背景技術】
[0002]無線傳感器網絡的出現為隨機性的研究數據獲取提供了便利，無線傳感器網絡節點一般採用電池供電，並且大多數工作在野外環境或者人員不宜到達的地方，大大增加了電池更換的難度和成本。振動是一種廣泛存在的現象，特別是在高速公路、機場、橋梁或有大型機械工作的多種場合中，而這些場合往往是無線傳感器網絡系統應用的重點領域，因此研究人員和系統設計人員正在研究如何發掘能量捕獲的潛力一把周圍環境中的振動能轉化為可供傳感器節點使用的電能。
[0003]壓電獲能器產生的是交流電壓，壓電獲能器產生的電流比較微弱且是瞬間和交替的，又因為壓電獲能器從環境中獲得的電能並不能直接應用在微電子設備上，所以需要通過整流電路將壓電振子輸出的嘈雜電信號轉為適合外部電子設備的電信號。現有的壓電能量獲取裝置採用的多為橋式整流電路。橋式整流器利用二極體的單向導通性將四個二極體兩兩對接，輸入交變波的正半部分時兩隻管導通，得到正的輸出；輸入交變波的負半部分時，另兩隻管導通，由於這兩隻管是反接的，所以輸出還是得到交變波的正半部分，從而達到將交流電轉換為直流電的目的。橋式整流電路存在以下缺陷:(1)電源利用率低；(2)壓電裝置輸出的電壓脈動大，會減少儲能裝置的使用壽命；(3) 二極體所承受的反向電壓較大，使用過程中存在損壞的風險。
實用新型內容
[0004]本實用新型的目的在於避免傳統的整流電路能源利用率低、輸出電壓不穩定、對元器件要求較高等不足，提供一種二極體與電感器相結合的無源電路，在儲能元件的流程中加入電感器，壓電裝置充電時電感器還可以暫時存儲壓電裝置散逸出來的能量，以進行二次充電，提高了能源利用率、輸出電壓的穩定性，延長了壓電獲能器的使用壽命，降低了電路成本和電路的複雜性，大大提高了壓電獲能裝置的性能。
[0005]一種無源壓電式的能量獲取電路，包括儲能裝置ESD和壓電裝置PD，儲能裝置ESD上設有正極和負極，壓電裝置ro上設有正向輸出埠 A和負向輸出埠 B，此外，還設有兩個電感和六個二極體，依次為第一電感L1、第二電感L2、第一二極體D1、第二二極體D2、第三二極體D3、第四二極體D4、第五二極體D5和第六二極體D6 ；
[0006]壓電裝置ro的正向輸出埠 A與第二二極體D2的正極相連接，第二二極體D2的負極與第一電感LI的一埠相連接，第一電感LI的另一埠與儲能裝置ESD的正極相連接；
[0007]壓電裝置ro的負向輸出埠 B與第五二極體D5的正極相連接，第五二極體D5的負極與第六二極體D6的負極相連接；第五二極體D5負極與第六二極體D6負極之間的連接節點同儲能裝置ESD的正極之間串聯有第二電感L2 ；[0008]第二二極體D2的正極與壓電裝置ro的正向輸出埠 A之間的連接節點同第三二極體D3的負極相連接；第二二極體D2的負極與第一電感L1之間的連接節點同第一二極體D1的負極相連接；第五二極體D5的正極與壓電裝置的負向輸出埠 B之間的連接節點同第四二極體D4的負極相連接；第一二極體D1的正極、第三二極體D3的正極、第四二極體D4的正極和第六二極體D6的正極共同與儲能裝置ESD的負極相連接；
[0009]自儲能裝置ESD的正極引出一個負載正向埠子，自儲能裝置ESD的負極引出一個負載負向埠子。
[0010]使用時，壓電裝置ro在一個振動周期內所產生的交流電呈正弦波狀；
toon] 當壓電裝置ro處於前半個振動周期時，壓電裝置ro的正向輸出埠 A為正壓狀態，壓電裝置ro的負向輸出埠 b為負壓狀態；壓電裝置ro對第二二極體D2和第四二極體D4施加正向偏壓，第二二極體D2和第四二極體D4導通；壓電裝置ro對第一二極體D1、第三二極體D3、第五二極體D5和第六二極體D6施加逆向偏壓，第一二極體D1、第三二極體D3、第五二極體D5和第六二極體D6截至；通過第二二極體D2，自壓電裝置正向輸出埠 A流出的瞬時電流向第一電感L1和儲能裝置ESD充電；壓電裝置產生的電流依次經儲能裝置ESD的負極、第四二極體D4流回壓電裝置的負向輸出埠 B ；
[0012]當壓電裝置ro正向輸出埠 A的正電壓等於或小於儲能裝置ESD的電壓時，第一電感器L1處於負電壓的狀態,從而使得第一二極體D1處於正向偏壓且導通的狀態，第一電感器L1使得第二二極體D2、第三二極體D3、第四二極體D4、第五二極體D5和第六二極體D6處於逆向偏壓且截至的狀態，第一電感L1所儲存的電流經第一電感L1流入儲能裝置ESD的正極，並從儲能裝置ESD的負極流出後流經第一二極體D1流回第一電感L1，第一電感L1中儲存的電能持續給儲能裝置ESD充電，直到第一電感L1的電壓等於儲能裝置ESD的電壓；
[0013]當壓電裝置ro處於後半個振動周期時，壓電裝置ro的正向輸出埠 A為負壓狀態，壓電裝置ro的負向輸出埠 b為正壓狀態；壓電裝置ro對第三二極體D3和第五二極體D5施加順向偏壓，即第三二極體D3和第五二極體D5處於導通的狀態；壓電裝置ro對第一二極體D1、第二二極體D2、第四二極體D4和第六二極體D6施加逆向偏壓，即第一二極體D1、第二二極體D2、第四二極體D4和第六二極體D6均處於截至的狀態；壓電裝置所產生瞬時電流依次經過壓電裝置的負向輸出埠 B、第五二極體D5流向第二電感L2，壓電裝置產生的電能存於第二電感L2中，並經過第二電感L2流向儲能裝置ESD的正極，瞬時電流依次經過儲能裝置ESD的負極、第三二極體D3後流回壓電裝置的正向輸出埠A ；
[0014]當壓電裝置ro的電壓等於或小於儲能裝置ESD的電壓時，第二電感L2上存儲的負電壓使第六二極體D6處於順向偏壓且導通的狀態，使第一二極體D1、第二二極體D2、第三二極體D3、第四二極體D4和第五二極體D5均處於逆向偏壓且截至的狀態；第二電感L2所存儲的電能自儲能裝置ESD的正極流入並自儲能裝置ESD的負極流出後，經第六二極體D6再流回第二電感L2，即第二電感L2中儲存的電能持續給儲能裝置ESD充電，直到第二電感L2的電壓等於儲能裝置ESD的電壓。
[0015]此外，第一二極體D1、第二二極體D2、第三二極體D3、第四二極體D4、第五二極體D5和第六二極體D6採用SR3200型肖特基二極體、SR5100型肖特基二極體、1N4148型高效開關二極體或1N4448型高效開關二極體；第一電感LI和第二電感L2採用型號為SP0406-100UH.6028-100UH 或 CD53-47UH 的電感線圈。
[0016]此外，儲能裝置ESD為功率在IOOmw以內且額定電壓大於充電電壓的超級電容或電解電容；壓電裝置I3D為一個長、寬、高依次為70mm、20mm、0.8mm的單層壓電陶瓷，壓電裝置I3D懸臂梁產生的平均功率不小於45mw。
[0017]有益的技術效果
[0018]本產品結構簡單且具有能量轉化效率高的優點；本產品的輸出電壓脈動小、使用壽命長；尤其是採用本結構後二極體所承受的反向電壓小，使用過程中存在損壞的風險小。
[0019]本產品有效克服了傳統整流電路中能源利用率低、輸出電壓不穩定、對元器件要求較高等不足。本產品提供一種二極體與電感器相結合的無源電路，在儲能元件的流程中加入電感器，壓電裝置充電時電感器還可以暫時存儲壓電裝置散逸出來的能量，以進行二次充電，提高了能源利用率、輸出電壓的穩定性，延長了壓電獲能器的使用壽命，降低了電路成本和電路的複雜性，大大提高了壓電獲能裝置的性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是本產品的電路結構框圖。
[0021]圖2是圖1中由壓電裝置ro的正向輸出端A向儲能裝置ESD充電的電流示意圖。
[0022]圖3是圖1中由第一電感LI向儲能裝置ESD充電的電流示意圖。
[0023]圖4是圖1中由壓電裝置I3D的負向輸出埠 B向儲能裝置ESD充電的電流示意圖。
[0024]圖5是圖1中由第二電感L2向儲能裝置ESD充電的電流示意圖。
[0025]圖6是圖1在一個充電周期內的「時間——電流圖」。
[0026]圖7是圖1中儲能裝置ESD完成一次充電的充電曲線圖。
[0027]圖中的序號為:儲能裝置ESD、壓電裝置H)、第一電感L1、第二電感L2、第一二極體D1、第二二極體D2、第三二極體D3、第四二極體D4、第五二極體D5、第六二極體D6、正向輸出埠 A、負向輸出埠 B。
[0028]【具體實施方式】
[0029]現結合附圖詳細說明本實用新型創造的特點。
[0030]參見圖1，一種無源壓電式的能量獲取電路，包括儲能裝置ESD和壓電裝置H)，儲能裝置ESD上設有正極和負極，壓電裝置ro上設有正向輸出埠 A和負向輸出埠 B，此外，還設有兩個電感和六個二極體，依次為第一電感L1、第二電感L2、第一二極體D1、第二二極體D2、第三二極體D3、第四二極體D4、第五二極體D5和第六二極體D6 ；
[0031]壓電裝置ro的正向輸出埠 A與第二二極體D2的正極相連接，第二二極體D2的負極與第一電感LI的一埠相連接，第一電感LI的另一埠與儲能裝置ESD的正極相連接；
[0032]壓電裝置ro的負向輸出埠 B與第五二極體D5的正極相連接，第五二極體D5的負極與第六二極體D6的負極相連接；第五二極體D5負極與第六二極體D6負極之間的連接節點同儲能裝置ESD的正極之間串聯有第二電感L2 ；
[0033]第二二極體D2的正極與壓電裝置的正向輸出埠 A之間的連接節點同第三二極體D3的負極相連接；第二二極體D2的負極與第一電感LI之間的連接節點同第一二極體Dl的負極相連接；第五二極體D5的正極與壓電裝置I3D的負向輸出埠 B之間的連接節點同第四二極體D4的負極相連接；第一二極體Dl的正極、第三二極體D3的正極、第四二極體D4的正極和第六二極體D6的正極共同與儲能裝置ESD的負極相連接；
[0034]自儲能裝置ESD的正極引出一個負載正向埠子，自儲能裝置ESD的負極引出一個負載負向埠子；
[0035]使用時，壓電裝置ro在一個振動周期內所產生的交流電呈正弦波狀。
[0036]參見圖2，當壓電裝置ro處於前半個振動周期時，壓電裝置ro的正向輸出埠 A為正壓狀態，壓電裝置ro的負向輸出埠 B為負壓狀態；壓電裝置ro對第二二極體D2和第四二極體D4施加正向偏壓，第二二極體D2和第四二極體D4導通；壓電裝置ro對第一二極體D1、第三二極體D3、第五二極體D5和第六二極體D6施加逆向偏壓，第一二極體D1、第三二極體D3、第五二極體D5和第六二極體D6截至；通過第二二極體D2，自壓電裝置正向輸出埠 A流出的瞬時電流向第一電感LI和儲能裝置ESD充電；壓電裝置產生的電流依次經儲能裝置ESD的負極、第四二極體D4流回壓電裝置的負向輸出埠 B。
[0037]參見圖3，當壓電裝置ro正向輸出埠 A的正電壓等於或小於儲能裝置ESD的電壓時，第一電感LI處於負電壓的狀態,從而使得第一二極體Dl處於正向偏壓且導通的狀態，第一電感LI使得第二二極體D2、第三二極體D3、第四二極體D4、第五二極體D5和第六二極體D6處於逆向偏壓且截至的狀態，第一電感器LI所儲存的電流經第一電感器LI流入儲能裝置ESD的正極，並從儲能裝置ESD的負極流出後流經第一二極體Dl流回第一電感LI，第一電感LI中儲存的電能持續給儲能裝置ESD充電，直到第一電感LI的電壓等於儲能裝置ESD的電壓。
[0038]參見圖4，當壓電裝置ro處於後半個振動周期時，壓電裝置ro的正向輸出埠 A為負壓狀態，壓電裝置ro的負向輸出埠 B為正壓狀態；壓電裝置ro對第三二極體D3和第五二極體D5施加順向偏壓，即第三二極體D3和第五二極體D5處於導通的狀態；壓電裝置ro對第一二極體D1、第二二極體D2`、第四二極體D4和第六二極體D6施加逆向偏壓，即第一二極體D1、第二二極體D2、第四二極體D4和第六二極體D6均處於截至的狀態；壓電裝置ro所產生瞬時電流依次經過壓電裝置ro的負向輸出埠 B、第五二極體D5流向第二電感L2，壓電裝置產生的電能存於第二電感L2中，並經過第二電感L2流向儲能裝置ESD的正極，瞬時電流依次經過儲能裝置ESD的負極、第三二極體D3後流回壓電裝置的正向輸出埠 A。
[0039]參見圖5，當壓電裝置ro的電壓等於或小於儲能裝置ESD的電壓時，第二電感L2上存儲的負電壓使第六二極體D6處於順向偏壓且導通的狀態，使第一二極體Dl、第二二極體D2、第三二極體D3、第四二極體D4和第五二極體D5均處於逆向偏壓且截至的狀態；第二電感L2所存儲的電能自儲能裝置ESD的正極流入並自儲能裝置ESD的負極流出後，經第六二極體D6再流回第二電感L2，即第二電感L2中儲存的電能持續給儲能裝置ESD充電，直到第二電感L2的電壓等於儲能裝置ESD的電壓。
[0040]本實施例中，第一二極體D1、第二二極體D2、第三二極體D3、第四二極體D4、第五二極體D5和第六二極體D6採用SR3200型肖特基二極體?』第一電感LI和第二電感L2採用型號為SP0406-100UH的電感線圈，壓電裝置I3D為一個長寬高依次為70mm、20mm、0.8mm的單層壓電陶瓷且該壓電裝置H)懸臂梁產生的平均功率不小於45mw，儲能裝置ESD為型號為12V、1F的超級電容。將本產品放置在振動測試臺上，操作振動測試臺模擬振動頻率不大於300Hz的持續震動(0Hz至300Hz的線性周期變換，平均的振動頻率為50Hz)。實測懸臂梁的輸出功率為45mw，即壓電裝置的輸出功率為45mw ;儲能裝置ESD的瞬時充電電流在0到15mA之間周期交替，其輸出功率為38mw，功率損耗為16%，儲能裝置ESD 10秒完成充電，且二極體承受的最大反向電壓為8V。詳見圖6和圖7，其中，圖6是整流電路的流通時間_電流曲線，0-0.01為如半周期時間_電流曲線，0.01-0.02為後半周期時間_電流曲線，從該曲線可以看出儲能裝置產生的電流較傳統的橋式儲能電路要平穩、連續。圖7是超級電容的充電時間曲線，從該圖可以看出該儲能電路可以在10秒中完成儲能裝置的充電。而採用傳統的橋式整流電路，儲能裝置的充電電流峰值僅為11mA，測得其輸出功率僅為29mw，功率損耗為38%，且儲能裝置充滿電需要30秒，二極體承受的最大反向電壓為12V。本產品的輸出效率損耗減少42%，且輸出功率提高130%，承受的反向電壓減少50%，效率與性能的提高顯著。
【權利要求】
1.一種無源壓電式的能量獲取電路，包括儲能裝置ESD和壓電裝置PD，儲能裝置ESD上設有正極和負極，壓電裝置ro上設有正向輸出埠 A和負向輸出埠 B，其特徵在於，還設有兩個電感和六個二極體，依次為第一電感L1、第二電感L2、第一二極體D1、第二二極體D2、第三二極體D3、第四二極體D4、第五二極體D5和第六二極體D6 ； 壓電裝置I3D的正向輸出埠 A與第二二極體D2的正極相連接，第二二極體D2的負極與第一電感LI的一埠相連接，第一電感LI的另一埠與儲能裝置ESD的正極相連接；壓電裝置的負向輸出埠 B與第五二極體D5的正極相連接，第五二極體D5的負極與第六二極體D6的負極相連接；第五二極體D5負極與第六二極體D6負極之間的連接節點同儲能裝置ESD的正極之間串聯有第二電感L2 ； 第二二極體D2的正極與壓電裝置ro的正向輸出埠 A之間的連接節點同第三二極體D3的負極相連接；第二二極體D2的負極與第一電感LI之間的連接節點同第一二極體Dl的負極相連接；第五二極體D5的正極與壓電裝置ro的負向輸出埠 B之間的連接節點同第四二極體D4的負極相連接；第一二極體Dl的正極、第三二極體D3的正極、第四二極體D4的正極和第六二極體D6的正極共同與儲能裝置ESD的負極相連接； 自儲能裝置ESD的正極引出一個負載正向埠子，自儲能裝置ESD的負極引出一個負載負向埠子； 使用時，壓電裝置ro在一個振動周期內所產生的交流電呈正弦波狀； 當壓電裝置ro處於前半個振動周期時，壓電裝置ro的正向輸出埠 A為正壓狀態，壓電裝置ro的負向輸出埠 B為負壓狀態；壓電裝置ro對第二二極體D2和第四二極體D4施加正向偏壓，第二二極體D2和第四二極體D4導通；壓電裝置ro對第一二極體Dl、第三二極體D3、第五二極體D5和第六二極體D6施加逆向偏壓，第一二極體D1、第三二極體D3、第五二極體D5和第六二極體D6截至；通過第二二極體D2，自壓電裝置正向輸出埠 A流出的瞬時電流向第一電感LI`和儲能裝置ESD充電；壓電裝置ro產生的電流依次經儲能裝置ESD的負極、第四二極體D4流回壓電裝置的負向輸出埠 B ； 當壓電裝置ro正向輸出埠 A的正電壓等於或小於儲能裝置ESD的電壓時，第一電感LI處於負電壓的狀態,從而使得第一二極體Dl處於正向偏壓且導通的狀態,第一電感LI使得第二二極體D2、第三二極體D3、第四二極體D4、第五二極體D5和第六二極體D6處於逆向偏壓且截至的狀態，第一電感LI所儲存的電流經第一電感LI流入儲能裝置ESD的正極，並從儲能裝置ESD的負極流出後流經第一二極體Dl流回第一電感LI，第一電感LI中儲存的電能持續給儲能裝置ESD充電，直到第一電感LI的電壓等於儲能裝置ESD的電壓； 當壓電裝置ro處於後半個振動周期時，壓電裝置ro的正向輸出埠 A為負壓狀態，壓電裝置ro的負向輸出埠 B為正壓狀態；壓電裝置ro對第三二極體D3和第五二極體D5施加順向偏壓，即第三二極體D3和第五二極體D5處於導通的狀態；壓電裝置對第一二極體D1、第二二極體D2、第四二極體D4和第六二極體D6施加逆向偏壓，即第一二極體D1、第二二極體D2、第四二極體D4和第六二極體D6均處於截至的狀態；壓電裝置所產生瞬時電流依次經過壓電裝置的負向輸出埠 B、第五二極體D5流向第二電感L2，壓電裝置PD產生的電能存於第二電感L2中，並經過第二電感L2流向儲能裝置ESD的正極，瞬時電流依次經過儲能裝置ESD的負極、第三二極體D3後流回壓電裝置的正向輸出埠 A ； 當壓電裝置ro的電壓等於或小於儲能裝置ESD的電壓時，第二電感L2上存儲的負電壓使第六二極體D6處於順向偏壓且導通的狀態，使第一二極體D1、第二二極體D2、第三二極體D3、第四二極體D4和第五二極體D5均處於逆向偏壓且截至的狀態；第二電感L2所存儲的電能自儲能裝置ESD的正極流入並自儲能裝置ESD的負極流出後，經第六二極體D6再流回第二電感L2，即第二電感L2中儲存的電能持續給儲能裝置ESD充電，直到第二電感L2的電壓等於儲能裝置ESD的電壓。
2.根據權利要求1所述的一種無源壓電式的能量獲取電路，其特徵在於，第一二極體D1、第二二極體D2、第三二極體D3、第四二極體D4、第五二極體D5和第六二極體D6採用SR3200型肖特基二極體、SR5100型肖特基二極體、1N4148型高效開關二極體或1N4448型高效開關二極體；第一電感L1和第二電感L2採用型號為SP0406-100UH、6028-100UH或⑶53-47UH的電感線圈。
3.根據權利要求1或2所述的一種無源壓電式的能量獲取電路，其特徵在於，儲能裝置ESD為功率在lOOmw以內且額定電壓大於充電電壓的超級電容或電解電容；壓電裝置為一個長、寬、高依次為70mm、20mm、0.8mm的單層壓電陶瓷，壓電裝置Η)懸臂梁產生的平均功率不小於45mw。
【文檔編號】H02J7/34GK203466612SQ201320576257
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年9月17日 優先權日:2013年9月17日
【發明者】王海, 周璇 申請人:安徽工程大學