CN105322633A - 一种电源产生方法及电路，无线通信装置和传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电源产生方法及电路，无线通信装置和传感器，其中电源电路包括:电能转换器件(10)和升压电路(20)，所述电能转换器件(10)根据热电效应或压电效应将温度差或机械能转换为电能；所述升压电路(20)将所述电能缓慢累积存储。本发明通过将热电转换成电源或将机械转换成电源的原理，解决了无线通信装置供电的问题，从而解决了智能传感器的电源问题。

Description

一种电源产生方法及电路，无线通信装置和传感器

技术领域

本发明涉及传感器供电技术，特别涉及一种电源产生方法及电路，无线通信装置和传感器。

背景技术

随着社会的发展，目前人类已经进入数字化、智能化时代，智能电网、智能建筑等越来越成为社会进步的追求，绿色低碳的生活理念已深入人心，因此使得各类传感器尤其智能传感器得到了世界主要发达国家的重视，各国投入了巨量资金和科学家进行智能传感器的研究，目前各领域已经出现了各种应用类型的智能传感器，在智能建筑、节能降耗、智能电网等领域开始得到广泛应用。

但由于目前几乎所有的传感器必须要解决供电问题才能正常工作，无论电磁感应取能、太阳能、风能、电池供电均不仅只能解决部分问题，而且电磁感应取电、电池供电均存在能耗、环境污染等严重问题，太阳能、风能因转换效率、尺寸、安装维护、可靠性等问题，目前还无法在智能传感器领域得到有效应用，并且在大多数场合，如电缆供电线路、矿井、建筑、交通、化工、军事装备、情报、航空等各种场合，对无源智能传感器出现了井喷似需求。

但目前国内外主要传感器均需要由电源供电，无法适用于未来的世界。

发明内容

考虑到成本以及制造工艺的简单化，最重要的是考虑到装置的尺寸必须适用于各种空间，包括非常小的空间，因此不可能采用面积非常大的电能转换器件，因此直接利用电能转换器件直接为无线通信装置供电是不现实的。本发明就是通过电源电路将微弱的电能缓慢累积存储能至足够大时输出，给无线通信装置提供电源。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种电源电路，该电路包括电能转换器件和升压电路；电能转换器件根据热电效应或压电效应将温度差或机械能转换为电能；升压电路将电能缓慢累积存储。

优选地，电能转换器件为热电转换器件，热电转换器件输入端的其中一端接入冷端，另一端接入热端，其输出端与升压电路连接；热电转换器件根据热电效应将冷端和热端的温度差转换为电能。

优选地，电能转换器件为压电转换器件，压电转换器件根据压电效应将机械能转换为电能。

优选，升压电路包括：变压器、第一电容、第二电容、二极管和电子开关；其中

变压器具有原线圈和副线圈，原线圈的一端与电能转换器件的输出端，以及第一电容的第一端连接；原线圈的另一端与电子开关的控制端；副线圈的一端与二极管的阳极，以及电子开关的一端连接；副线圈的另一端与第一电容的第一端连接；第一电容的另一端与电能转换器件的输出端，以及电子开关接地；二极管的阴极和第二电容连接；电能缓慢累积存储在第二电容。

优选地，电子开关为低导通电阻场效应管器件。

优选地，升压电路还包括输出电路；该输出电路在需要时输出电压。

优选地，输出电路还包括：稳压管、比较器、基准电压、低压差线性稳压器、第一电阻和第二电阻；其中

比较器比较第二电容缓慢累积存储的电能和基准电压；第二电容缓慢累积存储的电能为比较器的同相输入端或比较器的反相输入端的一端接入信号，基准电压为比较器的同相输入端或比较器的反相输入端的另一端接入信号；当比较器的同相输入端电压大于比较器反相输入端的电压时，比较器输出第一电平信号；当比较器的同相输入端电压小于所述比较器的反相输入端的电压时，比较器输出第二电平信号；低压差线性稳压器包括输入端、使能端和反馈端；当比较器输出的第一电平信号或第二电平信号为低压差线形稳压器的使能端信号时，低压差线性稳压器的输出电压根据第一电阻和第二电阻的比例来调节；当低压差线性稳压器被禁止时，低压差线性稳压器停止工作；稳压管给低压差线性稳压器提供稳定的输入电压。

第二方面，本发明提供了一种无线通信装置，该无线通信装置包括电源电路、逻辑控制电路和无线收发装置；其中，电源电路,用于输出电能，启动逻辑控制电路；逻辑控制电路，在处理物理量、数字信息技术后，控制开关闭合，使无线收发装置获得电能；无线收发装置通过数据接口接受逻辑控制电路的无线通信的信息；逻辑控制电路驱使无线收发装置将接受到的信息发送出去，并接受上位机的确认信息；当无线收发装置成功收发信息后，控制开关断开,使电源电路进入下一轮取能过程。

第三方面，本发明提供了一种传感器，该传感器包括上述无线通信装置。

第四方面，本发明提供了一种电源产生方法，该方法包括以下步骤:

根据热电效应或压电效应将温度差或机械能转换为电能；将电能缓慢累积存储。

优选地，根据热电效应或压电效应将温度差或机械能转换为电能的步骤包括：

电能转换器件根据热电效应将冷端和热端的温度差转换为电能；或者由压电转换器件根据压电效应将机械能转换为电能。

本发明通过将热电转换成电源或将机械转换成电源的原理，解决了无线通信装置供电的问题，从而解决了智能传感器的电源问题。

附图说明

下面将参照附图对本发明的具体实施方案进行更详细的说明，在附图中：

图1是本发明实施例提供的一种无线通信装置结构示意图；

图2是图1所示无线通信装置的一种电源电路结构示意图；

图3是图1所示无线通信装置的另一种电源电路结构示意图；

图4是图1所示无线通信装置的又一种电源电路结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种电源电路结构示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本申请实施例的技术方案做进一步的详细描述。

本发明实施例提供的电源电路，在传感器领域将会得到广泛应用，因为不需要真正意义上的电源(电池、电磁感应)，这一取能技术不仅不需要矿石能源，并且节能环保，这一技术的推广使得智能传感器尤其带无线通信能力的智能传感器可以根据人们需要的安装在如何人们需要的地方，为构建节能型、智能型、数字化社会提供了技术保障。

大多数物理量的检测，包括汽车尾气、智能建筑的机械和电气环境监测、机器人信号与人类的交流、军事情报监测、航空智能传感器、交通、教育、科研等领域，均需要大量的智能数字化传感器，这些传感器大都有一个共同特点，就是需要实现无线通信功能，便于信息、数据远传。

图1是本发明实施例提供的一种无线通信装置结构示意框图。如图1所示，无线通信装置包括电源电路100、逻辑控制电路200和无线收发装置300。VDD的值为例如3.6V。

电源电路100输出电压为例如3.6V，启动逻辑控制电路200；当逻辑控制电路200处理完所有的物理量、数字信息技术后，并控制开关K闭合，使无线收发装置300获得电源电压(例如3.6V)；逻辑控制装置200通过数据接口给无线收发装置300传送无线通信的消息，并且逻辑控制装置200驱使无线通信装置300将受到的信息发送出去，并接受上位机的确认信息；当无线收发装置300成功收发消息后，控制开关K断开,使电源电路100进入下一轮取能过程。

图2是图1所示无线通信装置的一种电源电路结构示意图。如图2所示，电源电路100包括电能转换器件10和升压电路20，其中电能转换器件10根据热电效应或压电效应将温度差或机械能转换为电能；升压电路20将电能缓慢累积存储。

图3是图1所示无线通信装置的另一种电源电路结构示意图。如图3所示，电能转换器件10为热电转换器件11，热电转换器件11输入端的其中一端接入冷端，另一端接入热端，其输出端与升压电路20连接；热电转换器件11根据热电效应将冷端和热端的温度差转换为电能；升压电路20将电能缓慢累积存储。

图4是图1所示无线通信装置的又一种电源电路结构示意图。如图4所示，电能转换器件10为压电转换器件12，压电转换器件12根据压电效应将机械能转换为电能；升压电路20将电能转换器件10产生的电能缓慢累积存储。

图5是本发明的一个实施例的电源电路。该电源电路包括热电转换器件11和升压电路20，其中热电转换器件11的输入端的一端接入冷端，另一端接入热端，根据热电效应将冷热端的温度差转化为电压差；升压电路20将热电转换器件产生的电压差缓慢累积存储。

升压电路20可以包括变压器L、第一电容C1、第二电容C2、二极管D1、电子开关K1。

电子开关K1可以是低导通电阻场效应管；第二电容C2的充电过程是缓慢渐变的，主要是实用型传感器的尺寸决定了热电转换器件的尺寸不是很大，小尺寸的热电转换器件输出比较弱，因此第二电容C2的电能是缓慢增加的，这个过程短则数秒，多则数分钟。

升压电路20工作过程为给第二电容C2充电。热电转换器件输出电压给第一电容C1进行充电，随着充电过程的进行，当第一电容C1上的电压超过电子开关K1的启动电压时，K1闭合；在电子开关K1闭合期间，副线圈处于磁能储能过程，与此同时，由于原线圈与副线圈之间的电磁感应，使得原线圈产生反向电动势，该反向电动势与第一电容C1的两端电压大小相近方向相反，使得第一电容C1两端的电压被释放掉，电子开关K1断开；热电转换器件的输出电压继续给第一电容C1充电，此时第一电容C1的两端电压与副线圈储能电压叠加后给第二电容C2进行充电。当第一电容C1上的电压超过电子开关K1的启动电压时，K1再次闭合，副线圈再次进入磁能储能过程，周而复始，循环给第二电容C2充电；给第二电容C2充电的周期由第一电容C1容值和原线圈的电感系数L1决定，随着给第二电容C2充电的进行，第二电容C2的两端电压越来越高，从而实现升压功能。

该电源电路还可以包括输出电路。该输出电路包括例如基准电压VREF、比较器U1、低压差线性稳压器U2、第一电阻R1和第二电阻R2。在热电转换器件给第二电容C2充电过程中，比较器U1和低压差线性稳压器U2处于不工作状态，此时功耗非常低。当第二电容C2的电压积累到一定程度或者根据需要，可以通过输出电路输出电源电压。

产生3.6V电源电压的过程：第二电容C2输出产生基准电压VREF；第二电容C2可以为比较器U1的同相输入端信号或反相输入端信号的一端输入信号，基准电压VREF可以为比较器U1的同相输入端信号或反相输入端信号的另一端输入信号；比较器U1通过比较同相输入端信号与反相输入端信号，当同相输入端信号大于反相输入端信号，比较器U1输出为高电平，当同相输入端信号小于反相输入端信号，比较器U1输出为低电平；比较器U1的输出作为低压差线性稳压器U2使能端EN的信号；低压差线性稳压器U2在使能端EN为高电平或低电平，以及输入端Vin有输入的条件下，低压差线性稳压器U2的输出电压根据第一电阻R1和第二电阻R2的比例来调整，低压差线性稳压器U2的输出电压就是供给无线通信装置100的电源电压3.6V。

热电转换器件11输出的电压差经过升压电路20给第二电容C2充电，产生的电源电压3.6V，解决了无线通信装置供电问题。

本发明实施例通过将热电转换成电源或将机械转换成电源的原理，解决了无线通信装置供电的问题，从而解决了智能传感器的电源问题。本发明实施例可以应用到其它领域的传感器，比如光通信传感器、以太网有线通信传感器、工业总线型传感器等。

显而易见，在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下，在此描述的本发明可以有许多变化。因此，所有对于本领域技术人员来说显而易见的改变，都应包括在本权利要求书所涵盖的范围之内。本发明所要求保护的范围仅由所述的权利要求书进行限定。

Claims (11)

1.一种电源电路，其特征在于，包括:电能转换器件(10)和升压电路(20)；所述电能转换器件(10)根据热电效应或压电效应将温度差或机械能转换为电能；所述升压电路(20)将所述电能缓慢累积存储。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电能转换器件(10)为热电转换器件(11)，所述热电转换器件(11)输入端的其中一端接入冷端，另一端接入热端，其输出端与所述升压电路(20)连接；所述热电转换器件(11)根据热电效应将所述冷端和所述热端的温度差转换为电能。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电能转换器件(10)为压电转换器件(12)，所述压电转换器件(12)根据压电效应将机械能转换为电能。

4.根据权利要求1、2或3所述的电路，其特征在于，所述升压电路(20)包括：变压器(L)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、二极管(D1)和电子开关(K1)；其中

所述变压器(L)具有原线圈和副线圈，所述原线圈的一端与所述电能转换器件(10)的输出端，以及所述第一电容(C1)的第一端连接；所述原线圈的另一端与所述电子开关(K1)的控制端；所述副线圈的一端与所述二极管(D1)的阳极，以及所述电子开关(K1)的一端连接；所述副线圈的另一端与所述第一电容(C1)的第一端连接；所述第一电容(C1)的另一端与所述电能转换器件(10)的输出端，以及所述电子开关(K1)接地；所述二极管(D1)的阴极和所述第二电容(C2)连接；电能缓慢累积存储在所述第二电容(C2)。

5.根据权利要求4所述电路，其特征在于，所述电子开关(K1)为低导通电阻场效应管器件。

6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述升压电路还包括输出电路；该输出电路在需要时输出电压。

7.根据权利要求要求6所述的电路，其特征在于，所述输出电路还包括：稳压管(D2)、比较器(U1)、基准电压(VREF)、低压差线性稳压器(U2)、第一电阻(R1)和第二电阻(R2)；其中

所述比较器(U1)比较第二电容(C2)缓慢累积存储的电能和基准电压(VREF)；所述第二电容(C2)缓慢累积存储的电能为所述比较器(U1)的同相输入端或所述比较器(U1)的反相输入端的一端接入信号，所述基准电压(VREF)为所述比较器(U1)的同相输入端或所述比较器(U1)的反相输入端的另一端接入信号；当比较器(U1)的同相输入端电压大于所述比较器(U1)反相输入端的电压时，所述比较器(U1)输出第一电平信号；当所述比较器(U1)的同相输入端电压小于所述比较器(U1)的反相输入端的电压时，所述比较器(U1)输出第二电平信号；

所述低压差线性稳压器(U2)包括输入端(Vin)、使能端(EN)和反馈端(FB)；当所述比较器(U1)输出的所述第一电平信号或所述第二电平信号为所述低压差线形稳压器(U2)的所述使能端(EN)信号时，所述低压差线性稳压器(U2)的输出电压根据所述第一电阻(R1)和所述第二电阻(R2)的比例来调节；当所述低压差线性稳压器(U2)被禁止时，所述低压差线性稳压器(U2)停止工作；

所述稳压管(D2)给所述低压差线性稳压器(U2)提供稳定的输入电压。

8.一种无线通信装置，其特征在于，包括：如权利要求1所述的电源电路(100)、逻辑控制电路(200)和无线收发装置(300)；其中，

所述电源电路(100),用于输出电能(VDD)，启动所述逻辑控制电路(200)；

所述逻辑控制电路(200)，在处理物理量、数字信息技术后，控制开关(K)闭合，使所述无线收发装置(300)获得电能(VDD)；

所述无线收发装置(300)通过数据接口接受所述逻辑控制电路(200)的无线通信的信息；所述逻辑控制电路(200)驱使所述无线收发装置将接受到的信息发送出去，并接受上位机的确认信息；当所述无线收发装置(300)成功收发信息后，控制所述开关(K)断开,使所述电源电路(100)进入下一轮取能过程。

9.一种传感器，其特征在于，包括如权利要求7所述的无线通信装置。

10.一种电源产生方法，其特征在于，包括以下步骤:

根据热电效应或压电效应将温度差或机械能转换为电能；

将所述电能缓慢累积存储。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述根据热电效应或压电效应将温度差或机械能转换为电能的步骤包括：

电能转换器件根据热电效应将冷端和热端的温度差转换为电能；或者由压电转换器件根据压电效应将机械能转换为电能。