CN103490493A - 一种无源压电式的能量获取电路 - Google Patents

Abstract

针对现有压电转换电路的电能利用率低、输出电压不稳定等不足，本产品提供一种无源压电式的能量获取电路，包括储能装置、压电装置、第一电感、第二电感、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管和第六二极管。本产品的有益技术效果为：本产品结构简单且具有能量转化效率高的优点；本产品的输出电压脉动小、使用寿命长；尤其是采用本结构后二极管所承受的反向电压小，使用过程中存在损坏的风险小。

Description

一种无源压电式的能量获取电路

技术领域

本发明属于电子技术领域，具体涉及一种无源压电式的能量获取电路。

背景技术

无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，无线传感器网络节点一般采用电池供电，并且大多数工作在野外环境或者人员不宜到达的地方，大大增加了电池更换的难度和成本。振动是一种广泛存在的现象，特别是在高速公路、机场、桥梁或有大型机械工作的多种场合中，而这些场合往往是无线传感器网络系统应用的重点领域，因此研究人员和系统设计人员正在研究如何发掘能量捕获的潜力--把周围环境中的振动能转化为可供传感器节点使用的电能。

压电获能器产生的是交流电压，压电获能器产生的电流比较微弱且是瞬间和交替的，又因为压电获能器从环境中获得的电能并不能直接应用在微电子设备上，所以需要通过整流电路将压电振子输出的嘈杂电信号转为适合外部电子设备的电信号。现有的压电能量获取装置采用的多为桥式整流电路。桥式整流器利用二极管的单向导通性将四个二极管两两对接，输入交变波的正半部分时两只管导通，得到正的输出；输入交变波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到交变波的正半部分，从而达到将交流电转换为直流电的目的。桥式整流电路存在以下缺陷：（1）电源利用率低；（2）压电装置输出的电压脉动大，会减少储能装置的使用寿命；（3）二极管所承受的反向电压较大，使用过程中存在损坏的风险。

发明内容

本发明的目的在于避免传统的整流电路能源利用率低、输出电压不稳定、对元器件要求较高等不足，提供一种二极管与电感器相结合的无源电路，在储能元件的流程中加入电感器，压电装置充电时电感器还可以暂时存储压电装置散逸出来的能量，以进行二次充电，提高了能源利用率、输出电压的稳定性，延长了压电获能器的使用寿命，降低了电路成本和电路的复杂性，大大提高了压电获能装置的性能。

一种无源压电式的能量获取电路，包括储能装置ESD和压电装置PD，储能装置ESD上设有正极和负极，压电装置PD上设有正向输出端口A和负向输出端口B，此外，还设有两个电感和六个二极管，依次为第一电感L1、第二电感L2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5和第六二极管D6；

 压电装置PD的正向输出端口A与第二二极管D2的正极相连接，第二二极管D2的负极与第一电感L1的一端口相连接，第一电感L1的另一端口与储能装置ESD的正极相连接；

压电装置PD的负向输出端口B与第五二极管D5的正极相连接，第五二极管D5的负极与第六二极管D6的负极相连接；第五二极管D5负极与第六二极管D6负极之间的连接节点同储能装置ESD的正极之间串联有第二电感L2；

第二二极管D2的正极与压电装置PD的正向输出端口A之间的连接节点同第三二极管D3的负极相连接；第二二极管D2的负极与第一电感L1之间的连接节点同第一二极管D1的负极相连接；第五二极管D5的正极与压电装置PD的负向输出端口B之间的连接节点同第四二极管D4的负极相连接；第一二极管D1的正极、第三二极管D3的正极、第四二极管D4的正极和第六二极管D6的正极共同与储能装置ESD的负极相连接；

自储能装置ESD的正极引出一个负载正向端口子，自储能装置ESD的负极引出一个负载负向端口子。

使用时，压电装置PD在一个振动周期内所产生的交流电呈正弦波状；

当压电装置PD处于前半个振动周期时，压电装置PD的正向输出端口A为正压状态，压电装置PD的负向输出端口B为负压状态；压电装置PD对第二二极管D2和第四二极管D4施加正向偏压，第二二极管D2和第四二极管D4导通；压电装置PD对第一二极管D1、第三二极管D3、第五二极管D5和第六二极管D6施加逆向偏压，第一二极管D1、第三二极管D3、第五二极管D5和第六二极管D6截至；通过第二二极管D2，自压电装置PD正向输出端口A流出的瞬时电流向第一电感L1和储能装置ESD充电；压电装置PD产生的电流依次经储能装置ESD的负极、第四二极管D4流回压电装置PD的负向输出端口B；

当压电装置PD正向输出端口A的正电压等于或小于储能装置ESD的电压时，第一电感L1处于负电压的状态，从而使得第一二极管D1处于正向偏压且导通的状态，第一电感L1使得第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5和第六二极管D6处于逆向偏压且截至的状态，第一电感L1所储存的电流经第一电感L1流入储能装置ESD的正极，并从储能装置ESD的负极流出后流经第一二极管D1流回第一电L1，第一电L1中储存的电能持续给储能装置ESD充电，直到第一电L1的电压等于储能装置ESD的电压；

当压电装置PD处于后半个振动周期时，压电装置PD的正向输出端口A为负压状态，压电装置PD的负向输出端口B为正压状态；压电装置PD对第三二极管D3和第五二极管D5施加顺向偏压，即第三二极管D3和第五二极管D5处于导通的状态；压电装置PD对第一二极管D1、第二二极管D2、第四二极管D4和第六二极管D6施加逆向偏压，即第一二极管D1、第二二极管D2、第四二极管D4和第六二极管D6均处于截至的状态；压电装置PD所产生瞬时电流依次经过压电装置PD的负向输出端口B、第五二极管D5流向第二电感L2，压电装置PD产生的电能存于第二电感L2中，并经过第二电感L2流向储能装置ESD的正极，瞬时电流依次经过储能装置ESD的负极、第三二极管D3后流回压电装置PD的正向输出端口A；

当压电装置PD的电压等于或小于储能装置ESD的电压时，第二电感L2上存储的负电压使第六二极管D6处于顺向偏压且导通的状态，使第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4和第五二极管D5均处于逆向偏压且截至的状态；第二电感L2所存储的电能自储能装置ESD的正极流入并自储能装置ESD的负极流出后，经第六二极管D6再流回第二电感L2，即第二电感L2中储存的电能持续给储能装置ESD充电，直到第二电感L2的电压等于储能装置ESD的电压。

此外，第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5和第六二极管D6采用SR3200型肖特基二极管、SR5100型肖特基二极管、1N4148型高效开关二极管或1N4448型高效开关二极管；第一电感L1和第二电感L2采用型号为SP0406-100UH、6028-100UH或CD53-47UH的电感线圈。

此外，储能装置ESD为功率在100mw以内且额定电压大于充电电压的超级电容或电解电容；压电装置PD为一个长、宽、高依次为70mm、20mm、0.8mm的单层压电陶瓷，压电装置PD悬臂梁产生的平均功率不小于45mw。

有益的技术效果

本产品结构简单且具有能量转化效率高的优点；本产品的输出电压脉动小、使用寿命长；尤其是采用本结构后二极管所承受的反向电压小，使用过程中存在损坏的风险小。

本产品有效克服了传统整流电路中能源利用率低、输出电压不稳定、对元器件要求较高等不足。本产品提供一种二极管与电感器相结合的无源电路，在储能元件的流程中加入电感器，压电装置充电时电感器还可以暂时存储压电装置散逸出来的能量，以进行二次充电，提高了能源利用率、输出电压的稳定性，延长了压电获能器的使用寿命，降低了电路成本和电路的复杂性，大大提高了压电获能装置的性能。

附图说明

图1是本产品的电路结构框图。

图2是图1中由压电装置PD的正向输出端A向储能装置ESD充电的电流示意图。

图3是图1中由第一电感L1向储能装置ESD充电的电流示意图。

图4是图1中由压电装置PD的负向输出端口B向储能装置ESD充电的电流示意图。

图5是图1中由第二电感L2向储能装置ESD充电的电流示意图。

图6是图1在一个充电周期内的“时间——电流图”。

图7是图1中储能装置ESD完成一次充电的充电曲线图。

图中的序号为：储能装置ESD、压电装置PD、第一电感L1、第二电感L2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、正向输出端口A、负向输出端口B。

具体的实施方式

现结合附图详细说明本发明创造的特点。

参见图1，一种无源压电式的能量获取电路，包括储能装置ESD和压电装置PD，储能装置ESD上设有正极和负极，压电装置PD上设有正向输出端口A和负向输出端口B，此外，还设有两个电感和六个二极管，依次为第一电感L1、第二电感L2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5和第六二极管D6；

压电装置PD的正向输出端口A与第二二极管D2的正极相连接，第二二极管D2的负极与第一电感L1的一端口相连接，第一电感L1的另一端口与储能装置ESD的正极相连接；

压电装置PD的负向输出端口B与第五二极管D5的正极相连接，第五二极管D5的负极与第六二极管D6的负极相连接；第五二极管D5负极与第六二极管D6负极之间的连接节点同储能装置ESD的正极之间串联有第二电感L2；

第二二极管D2的正极与压电装置PD的正向输出端口A之间的连接节点同第三二极管D3的负极相连接；第二二极管D2的负极与第一电感L1之间的连接节点同第一二极管D1的负极相连接；第五二极管D5的正极与压电装置PD的负向输出端口B之间的连接节点同第四二极管D4的负极相连接；第一二极管D1的正极、第三二极管D3的正极、第四二极管D4的正极和第六二极管D6的正极共同与储能装置ESD的负极相连接；

自储能装置ESD的正极引出一个负载正向端口子，自储能装置ESD的负极引出一个负载负向端口子；

使用时，压电装置PD在一个振动周期内所产生的交流电呈正弦波状。

参见图2，当压电装置PD处于前半个振动周期时，压电装置PD的正向输出端口A为正压状态，压电装置PD的负向输出端口B为负压状态；压电装置PD对第二二极管D2和第四二极管D4施加正向偏压，第二二极管D2和第四二极管D4导通；压电装置PD对第一二极管D1、第三二极管D3、第五二极管D5和第六二极管D6施加逆向偏压，第一二极管D1、第三二极管D3、第五二极管D5和第六二极管D6截至；通过第二二极管D2，自压电装置PD正向输出端口A流出的瞬时电流向第一电感L1和储能装置ESD充电；压电装置PD产生的电流依次经储能装置ESD的负极、第四二极管D4流回压电装置PD的负向输出端口B。

参见图3，当压电装置PD正向输出端口A的正电压等于或小于储能装置ESD的电压时，第一电感L1处于负电压的状态，从而使得第一二极管D1处于正向偏压且导通的状态，第一电感L1使的第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5和第六二极管D6处于逆向偏压且截至的状态，第一电感L1所储存的电流经第一电感L1流入储能装置ESD的正极，并从储能装置ESD的负极流出后流经第一二极管D1流回第一电感L1，第一电感L1中储存的电能持续给储能装置ESD充电，直到第一电感L1的电压等于储能装置ESD的电压。

参见图4，当压电装置PD处于后半个振动周期时，压电装置PD的正向输出端口A为负压状态，压电装置PD的负向输出端口B为正压状态；压电装置PD对第三二极管D3和第五二极管D5施加顺向偏压，即第三二极管D3和第五二极管D5处于导通的状态；压电装置PD对第一二极管D1、第二二极管D2、第四二极管D4和第六二极管D6施加逆向偏压，即第一二极管D1、第二二极管D2、第四二极管D4和第六二极管D6均处于截至的状态；压电装置PD所产生瞬时电流依次经过压电装置PD的负向输出端口B、第五二极管D5流向第二电感L2，压电装置PD产生的电能存于第二电感L2中，并经过第二电感L2流向储能装置ESD的正极，瞬时电流依次经过储能装置ESD的负极、第三二极管D3后流回压电装置PD的正向输出端口A。

参见图5，当压电装置PD的电压等于或小于储能装置ESD的电压时，第二电感L2上存储的负电压使第六二极管D6处于顺向偏压且导通的状态，使第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4和第五二极管D5均处于逆向偏压且截至的状态；第二电感L2所存储的电能自储能装置ESD的正极流入并自储能装置ESD的负极流出后，经第六二极管D6再流回第二电感L2，即第二电感L2中储存的电能持续给储能装置ESD充电，直到第二电感L2的电压等于储能装置ESD的电压。

本实施例中，第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5和第六二极管D6采用SR3200型肖特基二极管；第一电感L1和第二电感L2采用型号为SP0406-100UH的电感线圈，压电装置PD为一个长、宽、高依次为70mm、20mm、0.8mm的单层压电陶瓷且该压电装置PD悬臂梁产生的平均功率不小于45mw，储能装置ESD为型号为12V、1F的超级电容。将本产品放置在振动测试台上，操作振动测试台模拟振动频率不大于300Hz的持续震动（0Hz至300Hz的线性周期变换，平均的振动频率为50Hz）。实测悬臂梁的输出功率为45mw，即压电装置PD的输出功率为45mw；储能装置ESD的瞬时充电电流在0到15mA之间周期交替，其输出功率为38mw，功率损耗为16%，储能装置ESD 10秒完成充电，且二极管承受的最大反向电压为8V。详见图6和图7，其中，图6是整流电路的流通时间-电流曲线，0-0.01为前半周期时间-电流曲线，0.01-0.02为后半周期时间-电流曲线，从该曲线可以看出储能装置产生的电流较传统的桥式储能电路要平稳、连续。图7是超级电容的充电时间曲线，从该图可以看出该储能电路可以在10秒中完成储能装置的充电。而采用传统的桥式整流电路，储能装置的充电电流峰值仅为11mA,测得其输出功率仅为29mw，功率损耗为38%，且储能装置充满电需要30秒, 二极管承受的最大反向电压为12V。本产品的输出效率损耗减少42%，且输出功率提高130%，承受的反向电压减少50%，效率与性能的提高显著。

Claims (3)

1.一种无源压电式的能量获取电路，包括储能装置ESD和压电装置PD，储能装置ESD上设有正极和负极，压电装置PD上设有正向输出端口A和负向输出端口B，其特征在于，还设有两个电感和六个二极管，依次为第一电感L1、第二电感L2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5和第六二极管D6；

    压电装置PD的正向输出端口A与第二二极管D2的正极相连接，第二二极管D2的负极与第一电感L1的一端口相连接，第一电感L1的另一端口与储能装置ESD的正极相连接；

压电装置PD的负向输出端口B与第五二极管D5的正极相连接，第五二极管D5的负极与第六二极管D6的负极相连接；第五二极管D5负极与第六二极管D6负极之间的连接节点同储能装置ESD的正极之间串联有第二电感L2；

第二二极管D2的正极与压电装置PD的正向输出端口A之间的连接节点同第三二极管D3的负极相连接；第二二极管D2的负极与第一电感L1之间的连接节点同第一二极管D1的负极相连接；第五二极管D5的正极与压电装置PD的负向输出端口B之间的连接节点同第四二极管D4的负极相连接；第一二极管D1的正极、第三二极管D3的正极、第四二极管D4的正极和第六二极管D6的正极共同与储能装置ESD的负极相连接；

自储能装置ESD的正极引出一个负载正向端口子，自储能装置ESD的负极引出一个负载负向端口子；

使用时，压电装置PD在一个振动周期内所产生的交流电呈正弦波状；

当压电装置PD处于前半个振动周期时，压电装置PD的正向输出端口A为正压状态，压电装置PD的负向输出端口B为负压状态；压电装置PD对第二二极管D2和第四二极管D4施加正向偏压，第二二极管D2和第四二极管D4导通；压电装置PD对第一二极管D1、第三二极管D3、第五二极管D5和第六二极管D6施加逆向偏压，第一二极管D1、第三二极管D3、第五二极管D5和第六二极管D6截至；通过第二二极管D2，自压电装置PD正向输出端口A流出的瞬时电流向第一电感L1和储能装置ESD充电；压电装置PD产生的电流依次经储能装置ESD的负极、第四二极管D4流回压电装置PD的负向输出端口B；

当压电装置PD正向输出端口A的正电压等于或小于储能装置ESD的电压时，第一电感L1处于负电压的状态，从而使得第一二极管D1处于正向偏压且导通的状态，第一电感L1使得第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5和第六二极管D6处于逆向偏压且截至的状态，第一电感L1所储存的电流经第一电感L1流入储能装置ESD的正极，并从储能装置ESD的负极流出后流经第一二极管D1流回第一电L1，第一电L1中储存的电能持续给储能装置ESD充电，直到第一电L1的电压等于储能装置ESD的电压；

当压电装置PD处于后半个振动周期时，压电装置PD的正向输出端口A为负压状态，压电装置PD的负向输出端口B为正压状态；压电装置PD对第三二极管D3和第五二极管D5施加顺向偏压，即第三二极管D3和第五二极管D5处于导通的状态；压电装置PD对第一二极管D1、第二二极管D2、第四二极管D4和第六二极管D6施加逆向偏压，即第一二极管D1、第二二极管D2、第四二极管D4和第六二极管D6均处于截至的状态；压电装置PD所产生瞬时电流依次经过压电装置PD的负向输出端口B、第五二极管D5流向第二电感L2，压电装置PD产生的电能存于第二电感L2中，并经过第二电感L2流向储能装置ESD的正极，瞬时电流依次经过储能装置ESD的负极、第三二极管D3后流回压电装置PD的正向输出端口A；

当压电装置PD的电压等于或小于储能装置ESD的电压时，第二电感L2上存储的负电压使第六二极管D6处于顺向偏压且导通的状态，使第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4和第五二极管D5均处于逆向偏压且截至的状态；第二电感L2所存储的电能自储能装置ESD的正极流入并自储能装置ESD的负极流出后，经第六二极管D6再流回第二电感L2，即第二电感L2中储存的电能持续给储能装置ESD充电，直到第二电感L2的电压等于储能装置ESD的电压。

2.根据权利要求1所述的一种无源压电式的能量获取电路，其特征在于，第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5和第六二极管D6采用SR3200型肖特基二极管、SR5100型肖特基二极管、1N4148型高效开关二极管或1N4448型高效开关二极管；第一电感L1和第二电感L2采用型号为SP0406-100UH、6028-100UH或CD53-47UH的电感线圈。

3.根据权利要求1或2 所述的一种无源压电式的能量获取电路，其特征在于，储能装置ESD为功率在100mw以内且额定电压大于充电电压的超级电容或电解电容；压电装置PD为一个长、宽、高依次为70mm、20mm、0.8mm的单层压电陶瓷，压电装置PD悬臂梁产生的平均功率不小于45mw。

Images