CN103715941A

CN103715941A - 一种多悬臂梁压电换能器电路

Info

Publication number: CN103715941A
Application number: CN201410005945.2A
Authority: CN
Inventors: 李朋伟; 罗翠线; 胡杰; 李刚; 刘颖; 桑胜波; 张文栋
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2014-01-07
Filing date: 2014-01-07
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2034-01-07
Also published as: CN103715941B

Abstract

本发明涉及压电换能电路，具体为一种多悬臂梁压电换能器电路，该电路包括压电换能器模块、整流模块、电压控制模块、稳压模块和负载模块，压电换能器模块由n个压电换能器组成，从而可在n个不同的频点将振动能转化为电能，提高能量转化效率；整流模块由n个整流电路组成，电压控制模块由运算放大器和场效应管组成，利用运算放大器作为滞回比较器，控制场效应管的打开与关断；稳压模块由整流二极管、滤波器和稳压二极管组成，负载选择为发光二极管、微型传感器等一些低功耗微纳电子器件，本发明的最大平均采集功率的理论值是标准能量采集电路的12倍，可用于解决多悬臂梁压电换能器中能量的转化与调协输出问题，提高能量的转化与利用效率。

Description

一种多悬臂梁压电换能器电路

技术领域

本发明涉及微能源技术领域，尤其涉及微能源技术领域中的压电换能电路，具体为一种多悬臂梁压电换能器电路。

背景技术

在科技飞速发展的今天，能源的重要性不言而喻，人们一直以来都非常关注周围环境及工业设备自身中各种能量（如：太阳能、风能、振动能）的回收利用，一般情况下，环境能量密度通常很低，而工程监测设备、医疗检测仪器和桥梁、楼宇智能监控系统等常用电子设备的功耗较大，环境能量回收过程中所用采能装置单位体积的采能效率远远达不到实际电子设备的需求，且环境能量采集成本高昂。但是，随着微电子制造技术与微纳米技术的进步和发展，微小器件取代传统庞大电子设备已成必然趋势。随着电子器件体积和功耗的不断降低，利用环境能量来给电子设备供电已成为可能。近几年来，微能源技术的研究已在世界范围内得到越来越多研究者的关注。

在众多环境能量中，振动能量是其中一种相对普遍的能量形式，它广泛存在于公路、桥梁、楼宇、车辆、船舶、飞行器、机械运作等各种生产和生活中，甚至存在于人的肢体运动、心脏跳动与血液流动等生命过程中。振动能量的采集主要有三种形式：静电式、电磁式和压电式。压电式振动能量采集主要利用压电效应，压电材料会将外界振动所产生的应力转化为电荷输出，进而产生电信号。与其他两种振动能量采集方式相比，压电式能量采集方式的能量密度大，结构简单便于集成化，这种优势使基于微能源技术的振动能量采集成为可能。

压电式能量采集一般选用压电换能器，然而，压电换能器所采集到电能具有高压、交变以及小电流等特征，输出电压可达几伏特到几十伏特，而提供的电流为微安级，功率是微瓦级，而且不能直接提供给负载，因此需要对压电换能器产生的电能进行转换和调整，使其转化效率与输出功率达到最大化。目前，国内外关于能量采集电路的设计已有较多研究：公告号为CN102170247N的中国专利设计了一种压电-磁电复合式振动驱动微能源装置的能量采集电路，提高了振动能量的输出与存储效率，但电路较为复杂，并且只完成了能量存储设计，没有直接将电能供给负载。Richard等人基于非线性电压同步控制处理技术提出了Synchronous Charge Extraction、Parallel-SSHI、Series-SSHI等为代表的功率调理电路，提高力电转化效率和输出功率，但是其电路只是针对单一频率的拾振结构，转化的电能密度自身相对较低。Stephen P. Beeby等人做出了一个类似于信用卡大小的能量采集电路，为一个小的CPU供电，将其安装在飞机上，采集飞机飞行过程中的各种数据并发送回到基站，但其能量转化效率不高，电路不成熟，没有得到广泛应用。彭敏强等人针对宽频响应的微小型压电式振动设计出了一种功率调理电路，其中包含同步电荷转移模块、电荷汇集电容、可控电压阈值DC/DC转换模块以及储能器件四个部分，完成了对微能量的存储，但没有实际供给负载电能，并且在能量转化效率方面没有太大改善。综合国内外研究现状可以发现，关于单一振子的能量采集电路研究已较为成熟，但是单一振子振动能量采集器产生的能量较小，能量转换效率不高。

发明内容

本发明为了解决单一振子振动能量采集器产生的能量较小和能量转换效率不高的问题，提供了一种多悬臂梁压电换能器电路。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种多悬臂梁压电换能器电路，包括压电换能器模块、整流模块、电压控制模块、稳压模块和负载，压电换能器模块包括N个压电换能器，整流模块包括N个整流电路，每个压电换能器的输出端和一个整流电路的输入端连接，每个整流电路的输出端都和一单相二极管的正极相连，单相二极管的负极相连，电压控制模块包括运算放大器OP和场效应管Q1，运算放大器OP的同相输入端通过第一电阻R1接地，还通过第二电阻R2和单相二极管的负极连接，第二电阻R2和单相二极管的负极连接的一端还通过第一电容C1接地，运算放大器OP的反相输入端和场效应管Q1的源极连接，运算放大器OP的接地端接地，输出端和场效应管Q1的栅极连接，输出端还通过第三电阻R3和同相输入端连接，场效应管Q1的源极通过第四电阻R4接地，漏极通过电感L1和单相二极管的负极连接，稳压模块包括二极管SD、第二电容C2和稳压管DZ，场效应管Q1的漏极和二极管SD的正极连接，二极管SD的负极和第二电容C2的一端连接，第二电容C2的另一端和场效应管Q1的源极连接（即第二电容C2的另一端还和运算放大器OP的反相输入端连接），运算放大器OP的电源端和二极管SD的负极连接，运算放大器OP的电源端还通过第五电阻R5和稳压管DZ的负极连接，稳压管DZ的正极和第二电容C2的另一端连接，负载并联在稳压管DZ两端。

压电换能器模块包括N个压电换能器，N个压电换能器可放置在N个不同的频点，将不同频点的振动能转换为电能，提高了能量转化效率；整流模块中的整流电路对每个压电换能器所采集的交流电进行整流，将交流电变为直流电，然后并联，电路的等效电阻变小，输出电流变大；电压控制模块中的运算放大器OP作为滞回比较器控制场效应管Q1的打开与关断，运算放大器OP的同相输入端输入的为第一电阻R1的电压，反相输入端输入的为第四电阻R4两端的电压，开始时，第四电阻R4两端的电压小于第一电阻R1的电压，运算放大器OP的输出端输出高电平到场效应管Q1的栅极，场效应管Q1导通，同时场效应管Q1将负载短路，电感L1持续充能，流过第四电阻R4两端的电流也逐渐增大，当第四电阻R4两端的电压大于运算放大器OP的较大门限值时，运算放大器OP的输出端输出低电平到场效应管Q1的栅极，场效应管Q1截止，电感L1为负载供电，当电感L1中的电能逐渐消耗，流过负载的电流减小，第四电阻R4两端的电压也减小，当第四电阻R4两端的电压小于运算放大器OP的较小门限值时，运算放大器OP输出高电平到效应管Q1的栅极，场效应管Q1导通，场效应管Q1将负载短路，电感L1再充能，然后重复以上过程，运算放大器OP通过控制场效应管Q1的通断，实现电感L1给负载稳定供电；二极管SD能防止逆流现象的发生，第二电容C2能滤除掉电路中的脉动成分，稳压二极管DZ可使得供给负载的电压更稳定。

本发明将各个压电换能器采集到的交流电分别通过整流电路整流后相互并联，并联后的能量之和可以作为整个电路的输入，这样提高了能量转化效率，而且输出电流也较大，再利用运算放大器作为滞回比较器，控制场效应管的导通与关断，实现电感L1给负载稳定供电，最后再利用二极管，电容和稳压二极管共同作用使得电路输出的电压稳定可靠，从而为发光二极管、微型传感器等一些低功耗微纳电子器件负载供电。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明的电路原理图。

具体实施方式

一种多悬臂梁压电换能器电路，包括压电换能器模块、整流模块、电压控制模块、稳压模块和负载，压电换能器模块包括三个压电换能器；整流模块包括三个全波整流桥电路，每个压电换能器的输出端和一个全波整流桥电路的输入端连接，每个全波整流桥电路的输出端都和一单相二极管的正极相连，单相二极管的负极相连，电压控制模块包括运算放大器OP和场效应管Q1，运算放大器OP的同相输入端通过第一电阻R1接地，还通过第二电阻R2和单相二极管的负极连接，第二电阻R2和单相二极管的负极连接的一端还通过第一电容C1接地，运算放大器OP的反相输入端和场效应管Q1的源极连接，运算放大器OP的接地端接地，输出端和场效应管Q1的栅极连接，输出端还通过第三电阻R3和同相输入端连接，场效应管Q1的源极通过第四电阻R4接地，漏极通过电感L1和单相二极管的负极连接，稳压模块包括二极管SD、第二电容C2和稳压管DZ，场效应管Q1的漏极和二极管SD的正极连接，二极管SD的负极和第二电容C2的一端连接，第二电容C2的另一端和场效应管Q1的源极连接，运算放大器OP的电源端和二极管SD的负极连接，运算放大器OP的电源端还通过第五电阻R5和稳压管DZ的负极连接，稳压管DZ的正极和第二电容C2的另一端连接，负载并联在稳压管DZ两端。

此电路的输出电流为，这是3个不同压电换能器并联后输出的电流之和，这就克服了电压过大，电流过小的情况，使得电路的能量转化效率与利用效率得到提高。现有的标准能量采集电路平均功率P、振动位移为幅值时的最佳整流电压值

和最大平均采集功率

Figure 2014100059452100002DEST_PATH_IMAGE003

，分别为（1）~（3）式，

（1），

Figure 2014100059452100002DEST_PATH_IMAGE005

（2），

（3），式中，

Figure 2014100059452100002DEST_PATH_IMAGE007

为压电换能器的平均电压值，

为压电换能器的振动位移幅值，ω为共振角频率，

Figure 2014100059452100002DEST_PATH_IMAGE009

为压电换能器的受夹电容，α为力因子，假定三个相同压电换能器的开路电压分别为

、

Figure 2014100059452100002DEST_PATH_IMAGE011

和

，且

Figure 2014100059452100002DEST_PATH_IMAGE013

，由于3个压电换能器之间相互并联，则并联之后开路状态时的压电电压为

，等效电容

Figure 2014100059452100002DEST_PATH_IMAGE015

,压电电压的极大值

，

Figure 2014100059452100002DEST_PATH_IMAGE017

为压电换能器的振动位移幅值以及最大平均采集功率P，则：

（4），

Figure 2014100059452100002DEST_PATH_IMAGE019

（5），

（6），比较（3）和（6）式可得：当采用相同的压电换能器（即α相同），相同共振角频率ω和振动位移幅值时，此电路的最大平均采集功率的理论值是现有的标准能量采集电路的12倍，能量采集功率得到显著提高。

Claims

1.一种多悬臂梁压电换能器电路，其特征在于包括压电换能器模块、整流模块、电压控制模块、稳压模块和负载，压电换能器模块包括N个压电换能器，整流模块包括N个整流电路，每个压电换能器的输出端和一个整流电路的输入端连接，每个整流电路的输出端都和一单相二极管的正极相连，单相二极管的负极相连，电压控制模块包括运算放大器OP和场效应管Q1，运算放大器OP的同相输入端通过第一电阻R1接地，还通过第二电阻R2和单相二极管的负极连接，第二电阻R2和单相二极管的负极连接的一端还通过第一电容C1接地，运算放大器OP的反相输入端和场效应管Q1的源极连接，运算放大器OP的接地端接地，输出端和场效应管Q1的栅极连接，输出端还通过第三电阻R3和同相输入端连接，场效应管Q1的源极通过第四电阻R4接地，漏极通过电感L1和单相二极管的负极连接，稳压模块包括二极管SD、第二电容C2和稳压管DZ，场效应管Q1的漏极和二极管SD的正极连接，二极管SD的负极和第二电容C2的一端连接，第二电容C2的另一端和场效应管Q1的源极连接，运算放大器OP的电源端和二极管SD的负极连接，运算放大器OP的电源端还通过第五电阻R5和稳压管DZ的负极连接，稳压管DZ的正极和第二电容C2的另一端连接，负载并联在稳压管DZ两端。