CN108365774A - 一种新型振动能量采集电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型振动能量采集电路，利用检测模块的两个电容取代传统电路中的电阻和二极管，同样可用来检测压电片的峰值电压，由于电容是储能元件，没有二极管的导通压降，同时也不会像电阻耗能，所以降低了电路中的消耗，有利于提升输出电压，同时可优化精简电路结构，采集时间会大大缩短，总体上可提升采集效率；另外，检测模块的两个电容可将等效寄生电容中的电荷先转移到电感中，再将电感中的电荷转移到储能电容中，这样除了直接对压电片中的电荷进行提取外，又增加了对等效寄生电容中电荷的提取，进一步提高了采集效率。
Description
技术领域
本发明涉及能量采集技术领域，尤其是一种新型振动能量采集电路。
背景技术
能量的存在形式较为多样化，大自然中的各种能量也较为丰富，若是能够将其转化为电能，则可缓解能源危机，其中振动能较为广泛，也是目前研究的重要课题。在公开号为CN107171593A的中国专利中公开了一种振动能量采集电路，参照该专利文件的说明书附图图1，虽然可以实现振动能量的提取采集，但在电路中采用了较多的二极管和电阻，使得整体电路结构变得复杂，相应地，采集时间变长，并且由于二极管是有导通压降的，电阻也是耗能元件，因此在采集过程中会耗散掉大量电能，故实际采集到的电能并不多。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种新型振动能量采集电路，减少二极管和电阻的使用而以电容进行替代，可提高采集效率。
为了弥补现有技术的不足，本发明采用的技术方案是：
一种新型振动能量采集电路，包括用于收集压电片的振动能量的能量采集器、用于检测压电片的电压峰值的检测模块、用于实现压电片中电荷的提取储存的储能模块和用于管控压电片中电荷转移及电压峰值检测的双开关模块；
所述能量采集器包括电流源、用于模拟压电片内部寄生电容的等效寄生电容和用于模拟压电片内部电阻的等效漏电电阻，所述检测模块包括第一电容和第二电容，所述双开关模块包括第一三极管、第二三极管、第三三极管和第四三极管，所述的储能模块包括肖特基二极管、电感和储能电容；
所述电流源、等效寄生电容和等效漏电电阻并联设置于电结点与参考地之间；所述第一电容与第二电容依次串联相接于电结点与参考地之间，所述第一电容与第二电容的连接处分别连接到第一三极管和第四三极管的发射极；
所述第一三极管和第四三极管的基极、所述第二三极管和第三三极管的集电极均连接到电结点，所述第一三极管的集电极连接到第二三极管的基极，所述第二三极管和第三三极管的发射极均通过电感连接到参考地，所述第三三极管的基极连接到第四三极管的集电极；
所述肖特基二极管的正极连接到电结点，负极连接到储能电容的一端，所述储能电容的另一端接到参考地。
进一步，所述的储能模块还包括输出电阻，所述的输出电阻与储能电容并联连接。
优选地，所述的肖特基二极管采用NSR0340V2T1G芯片。
优选地，所述第一三极管和第三三极管均采用2N3702芯片，所述第二三极管和第四三极管均采用2N4013芯片。
优选地，所述电流源为正弦电流源。
优选地，所述电流源的最大值为80uA，频率为30Hz。
本发明的有益效果是：利用检测模块的两个电容取代原有电路中的电阻和二极管，同样可用来检测压电片的峰值电压，由于电容是储能元件，没有二极管的导通压降，同时也不会像电阻耗能，所以降低了电路中的消耗，有利于提升输出电压，同时可优化精简电路结构，采集时间会大大缩短，总体上可提升采集效率；另外，检测模块的两个电容可将等效寄生电容中的电荷先转移到电感中，再将电感中的电荷转移到储能电容中，这样除了直接对压电片中的电荷进行提取外，又增加了对等效寄生电容中电荷的提取，进一步提高了采集效率。
附图说明
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的实施方案。
图1是本发明的电路原理图。
具体实施方式
参照图1，本发明的一种新型振动能量采集电路，包括用于收集压电片的振动能量的能量采集器1、用于检测压电片的电压峰值的检测模块2、用于实现压电片中电荷的提取储存的储能模块4和用于管控压电片中电荷转移及电压峰值检测的双开关模块3；
所述能量采集器1包括电流源Ip、用于模拟压电片内部寄生电容的等效寄生电容Cp和用于模拟压电片内部电阻的等效漏电电阻Rp，所述检测模块2包括第一电容C1和第二电容C2，所述双开关模块3包括第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3和第四三极管Q4，所述的储能模块4包括肖特基二极管D、电感L1和储能电容Cr；
所述电流源Ip、等效寄生电容Cp和等效漏电电阻Rp并联设置于电结点S与参考地之间；所述第一电容C1与第二电容C2依次串联相接于电结点S与参考地之间，所述第一电容C1与第二电容C2的连接处分别连接到第一三极管Q1和第四三极管Q4的发射极；
所述第一三极管Q1和第四三极管Q4的基极、所述第二三极管Q2和第三三极管Q3的集电极均连接到电结点S，所述第一三极管Q1的集电极连接到第二三极管Q2的基极，所述第二三极管Q2和第三三极管Q3的发射极均通过电感L1连接到参考地，所述第三三极管Q3的基极连接到第四三极管Q4的集电极；
所述肖特基二极管D的正极连接到电结点S，负极连接到储能电容Cr的一端，所述储能电容Cr的另一端接到参考地。
具体地，利用检测模块2的两个电容取代原有电路中的两个电阻和六个二极管，同样可用来检测压电片的峰值电压，利用双开关模块3中的四个晶体管取代了原先电路中的多个开关电路，同样可实现开关控制；由于电容是储能元件，没有二极管的导通压降，同时也不会像电阻耗能，所以降低了电路中的消耗，有利于提升输出电压，同时可优化精简电路结构，采集时间会大大缩短，总体上可提升采集效率；双开关模块3采用四个晶体管实现开关控制，所用元件更少，成本更低，电路响应更快；另外，检测模块2的两个电容可将等效寄生电容Cp中的电荷先转移到电感L1中，再将电感L1中的电荷转移到储能电容Cr中，这样除了直接对压电片中的电荷进行提取外，又增加了对等效寄生电容Cp中电荷的提取，进一步提高了采集效率。
参照图1，下面将详细阐述本发明的电路的工作原理：
首先将电路最左端的电流源Ip、等效寄生电容Cp以及等效漏电电阻Rp并联等效为压电片振动能量收集器，此处的压电片振动能量收集器为实际概念，应与本实施例中具有模拟性质的能量采集器1区分开来；优选地，电流源Ip等效为一个正弦波形电流源，最大值为80uA，频率为30Hz，等效寄生电容Cp即可等效为压电片振动能量收集器的内部寄生电容，等效漏电电阻Rp即可等效为压电片振动能量收集器的内部等效漏电电阻，大小约为2兆欧；优选地，所述的肖特基二极管D采用NSR0340V2T1G芯片，所述第一三极管Q1和第三三极管Q3均采用2N3702芯片，所述第二三极管Q2和第四三极管Q4均采用2N4013芯片。
在压电片振动能量收集器将振动能转化为电能的时候，能量存储在等效寄生电容Cp当中，但由于压电片的逆压电效应，压电片会将电能再次转化为振动能，同时由于内部电阻的损耗，这些因素都会降低压电片的能量采集效率，因此需要后端的电路尽可能的将压电片采集到的交流电能转化为直流电能，分为以下几种情况：
(1)当压电片的输出电压VCP＝VCr+VD时，其中VCr是储能电容Cr两端的电压，VD是肖特基二极管D的导通电压，此时，在第一电容C1上的电压是正的，由于第一三极管Q1需要负向的基极、发射极电压，所以此时第一三极管Q1截止，相应地，第二三极管Q2也截止，在此期间，第四三极管Q4虽然具有正向的导通压降，但是其不能开启第三三极管Q3，因为第三三极管Q3的集电极和发射极之间的电压也是正向的，所以在此期间所有的三极管都是截止的，由压电片产生的能量将直接通过肖特基二极管D单向导通到储能电容Cr的两端。
(2)当压电片的输出电压VCP<VCr+VD时，所有的三极管都处于截止的状态，与此同时，第一电容C1上的电压会逐渐的从正向变为负向，当第一电容C1上的电压达到了第一三极管Q1的基极和发射极之间的负向导通压降-VBE时，第一三极管Q1导通，同理，导致第二三极管Q2也导通，此时积累在等效寄生电容Cp上的电荷能够通过振荡作用转移到电感L1中，电感L1再次通过LC振荡电路由电感L1和储能电容Cr所组成将电荷转移到储能电容Cr中，这种电压的翻转及转移将一直持续下去，直到电感L1中的电流达到零，此时第一三极管Q1和第二三极管Q2将再次断开。在此期间，源电流会单独的对等效寄生电容Cp、第一电容C1和第二电容C2进行充电，直到压电片产生的电压达到-(VCr+VD),在这一期间内肖特基二极管D和所有三极管再次断开。
(3)当压电片上的电压达到-(VCr+VD)时，通过第一电容C1上的电压-VBE将使得第四三极管Q4截止，并且导致与之相连的第三三极管Q3截止。在此期间，第一三极管Q1处在正向导通压降状态，但是并不能使第二三极管Q2导通，因为第二三极管Q2的集电极和发射极之间的电压VCE2是处于负向截止的状态，因此，此时所有的三极管都是处于截止的状态，由压电片产生的能量，将通过肖特基二极管D直接传递到储能电容Cr中。同理，当压电片产生的负向电压大于-(VCr+VD)时，由于电荷的积累，第一电容C1两端的电压将会从负向电压逐渐转变为正向电压，当第一电容C1上的电压能够使得第四三极管Q4的基极和发射极之间的电压VBE4正向导通时，第四三极管Q4则开导通，并且使得与之相连的第三三极管Q3也导通。储存在等效寄生电容Cp上面的负向电压同样会由于振荡作用转移到电感L1当中，电感L1再次通过LC振荡电路将电荷转移到储能电容Cr中，直到电感L1当中的电流为零时，第三三极管Q3和第四三极管Q4会再次截止，源电流会再次将等效寄生电容Cp充电至VCr+VD,然后电路周而复始，可进行循环整流充电。
如上所述，能量采集器1是对实际的压电片振动能量收集器的一种模拟，本实施例这样设置只是为了更好的说明其工作原理，在实际中只需将能量采集器1替换为实际的压电片振动能量收集器，即可实现振动能量的采集。
其中，所述的储能模块4还包括输出电阻RL，所述的输出电阻RL与储能电容Cr并联连接；输出电阻RL可将储存于储能电容Cr内的电荷以输出电压的形式输出，由于电阻对于电压的承载作用，因此输出电阻RL的大小会影响到输出电压的大小，具体而言，近乎于正比关系，根据申请人的实验结果，具体实验数据如表一所示：
表一
以上内容对本发明的较佳实施例和基本原理作了详细论述，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员应该了解在不违背本发明精神的前提下还会有各种等同变形和替换，这些等同变形和替换都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (6)
1.一种新型振动能量采集电路，其特征在于：包括用于收集压电片的振动能量的能量采集器(1)、用于检测压电片的电压峰值的检测模块(2)、用于实现压电片中电荷的提取储存的储能模块(4)和用于管控压电片中电荷转移及电压峰值检测的双开关模块(3)；
所述能量采集器(1)包括电流源(Ip)、用于模拟压电片内部寄生电容的等效寄生电容(Cp)和用于模拟压电片内部电阻的等效漏电电阻(Rp)，所述检测模块(2)包括第一电容(C1)和第二电容(C2)，所述双开关模块(3)包括第一三极管(Q1)、第二三极管(Q2)、第三三极管(Q3)和第四三极管(Q4)，所述的储能模块(4)包括肖特基二极管(D)、电感(L1)和储能电容(Cr)；
所述电流源(Ip)、等效寄生电容(Cp)和等效漏电电阻(Rp)并联设置于电结点(S)与参考地之间；所述第一电容(C1)与第二电容(C2)依次串联相接于电结点(S)与参考地之间，所述第一电容(C1)与第二电容(C2)的连接处分别连接到第一三极管(Q1)和第四三极管(Q4)的发射极；
所述第一三极管(Q1)和第四三极管(Q4)的基极、所述第二三极管(Q2)和第三三极管(Q3)的集电极均连接到电结点(S)，所述第一三极管(Q1)的集电极连接到第二三极管(Q2)的基极，所述第二三极管(Q2)和第三三极管(Q3)的发射极均通过电感(L1)连接到参考地，所述第三三极管(Q3)的基极连接到第四三极管(Q4)的集电极；
所述肖特基二极管(D)的正极连接到电结点(S)，负极连接到储能电容(Cr)的一端，所述储能电容(Cr)的另一端接到参考地。
2.根据权利要求1所述的一种新型振动能量采集电路，其特征在于:所述的储能模块(4)还包括输出电阻(RL)，所述的输出电阻(RL)与储能电容(Cr)并联连接。
3.根据权利要求1所述的一种新型振动能量采集电路，其特征在于:所述的肖特基二极管(D)采用NSR0340V2T1G芯片。
4.根据权利要求1所述的一种新型振动能量采集电路，其特征在于:所述第一三极管(Q1)和第三三极管(Q3)均采用2N3702芯片，所述第二三极管(Q2)和第四三极管(Q4)均采用2N4013芯片。
5.根据权利要求1所述的一种新型振动能量采集电路，其特征在于:所述电流源(Ip)为正弦电流源。
6.根据权利要求5所述的一种新型振动能量采集电路，其特征在于:所述电流源(Ip)的最大值为80uA，频率为30Hz。
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