CN113037105A - 一种基于振动能量的供电装置 - Google Patents

一种基于振动能量的供电装置 Download PDF

Info

Publication number
CN113037105A
CN113037105A CN202110483273.6A CN202110483273A CN113037105A CN 113037105 A CN113037105 A CN 113037105A CN 202110483273 A CN202110483273 A CN 202110483273A CN 113037105 A CN113037105 A CN 113037105A
Authority
CN
China
Prior art keywords
voltage
resistor
output
circuit
alternating current
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110483273.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113037105B (zh
Inventor
文世峰
王晓强
周燕
李浩博
朱彦
陈鹏
陶亚坤
刘宇佳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huazhong University of Science and Technology
Original Assignee
Huazhong University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huazhong University of Science and Technology filed Critical Huazhong University of Science and Technology
Priority to CN202110483273.6A priority Critical patent/CN113037105B/zh
Publication of CN113037105A publication Critical patent/CN113037105A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113037105B publication Critical patent/CN113037105B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/06Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes without control electrode or semiconductor devices without control electrode
    • H02M7/10Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes without control electrode or semiconductor devices without control electrode arranged for operation in series, e.g. for multiplication of voltage
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10Regulating voltage or current
    • G05F1/46Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/561Voltage to current converters
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/14Arrangements for reducing ripples from dc input or output
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02BCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Rectifiers (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于振动能量的供电装置,属于电子电路领域,包括:N个交流信号源,交流信号源内含压电材料,用于将环境中的振动能量转换为交流电信号;N个倍压整流电路,输入端分别与N个交流信号源相连,用于将各交流信号源输出的交流电信号进行倍压放大并整流为直流电信号;滤波储能电路,N个倍压整流电路的输出端并联后与其输入端相连,其用于抑制直流电信号的纹波后进行存储;稳压输出电路,其输入端与滤波储能电路的输出端相连,输出端用于连接负载,其用于将滤波储能电路存储的直流电能量转换为大小可调节且稳定的直流电压,对所连接的负载供电。本发明能够收集环境中的振动能量,并有效地利用所收集的振动能量为负载供电。

Description

一种基于振动能量的供电装置
技术领域
本发明属于电子电路领域,更具体地,涉及一种基于振动能量的供电装置。
背景技术
环境中存在许许多多振动能量和压力能量,压电材料可以将环境中的振动能量转换为交流电能量,实现对这些振动能量的收集。但是,由于环境中的振动能量十分微弱,相应地,经压电材料转换得到交流电信号也十分微弱,并不能直接用于为负载供电。为了收集振动能量并加以利用,已有研究人员提出了经典的能量回收电路,同步电荷提取电路,并联电感同步收集电路。
经典的能量回收电路主体是一个桥式整流电路,整流后对储能电容进行直接充电,然后外接负载使用。由于储能电容和负载直接相连,负载改变时系统的功率会受到很大的影响。同步电荷提取电路和并联电感同步收集电路,在传统的桥式整流电路的基础上,通过开关周期性控制,相比传统回收电路,减小了负载对系统功率的影响,而且系统的工作功率也更高。但需要引入脉冲控制,加大了系统的复杂性,不适宜做自供电电路。
总体而言,现有的用于回收环境中振动能量的电路结构,并不能有效地利用所收集的振动能量为负载供电。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求,本发明提供了一种基于振动能量的供电装置,其目的在于,收集环境中的振动能量,并有效地利用所收集的振动能量为负载供电。
为实现上述目的,本发明提供了一种基于振动能量的供电装置,包括:N个交流信号源、N个倍压整流电路、滤波储能电路和稳压输出电路;N为正整数;
交流信号源内含压电材料,用于将环境中的振动能量转换为交流电信号;
N个倍压整流电路的输入端分别与N个交流信号源相连,用于将各交流信号源输出的交流电信号进行倍压放大并整流为直流电信号;
N个倍压整流电路的输出端并联后,与滤波储能电路的输入端相连;滤波储能电路用于抑制直流电信号的纹波后对直流电能量进行存储;
稳压输出电路的输入端与滤波储能电路的输出端相连,输出端用于连接负载;稳压输出电路用于将滤波储能电路存储的直流电能量转换为大小可调节且稳定的直流电压,对所连接的负载供电。
本发明利用压电材料将环境中的振动能量转换为交流电信号,之后依次进行倍压整流和滤波储能,实现了振动能量的收集,并缓解了转换得到交流电信号微弱的问题;在此基础上,本发明利用稳压输出电路对滤波储能电路存储的直流电信号能量转换为大小可调节且稳定的直流电压,再对所连接的负载供电,避免了负载直接与滤波储能电路相连接,从而能够减小负载发生改变时对系统功率的影响;此外,本发明直接利用稳压输出电路对提供给负载的电压进行调节,不依赖于开关信号的控制,有效降低了系统的控制复杂度。总体而言,本发明所提供的基于振动能量的供电装置,能够为负载提供稳定的合适大小的电压,在负载发生变化时,系统功率受影响较小,且系统控制复杂度低,能够有效利用所收集的振动能量为负载供电。
进一步地,稳压输出电路包括:稳压芯片、电阻R4和电阻R5;
稳压芯片为LM系列的稳压芯片,其输入端与滤波储能电路的正极相连接;
电阻R4和/或电阻R5的电阻大小可调,电阻R4的一端与电阻R5的一端连接,连接端与稳压芯片的可调子端连接;电阻R5的另一端与稳压芯片的输出端连接,连接端作为稳压输出电路的输出端正极;电阻R4的另一端与滤波储能电路的负极连接,连接端作为稳压输出电路的输出端负极。
本发明利用LM系列的稳压芯片及配套的外围电路搭建稳压输出电路,LM系列芯片能够有效实现稳压功能,并且具有较大的电压调节范围,基于该芯片与电阻R4和电阻R5之间的连接关系,通过调节电阻R4和电阻R5的比值大小,即可对提供给负载的输出电压大小进行调节,为负载提供稳定且大小合适的供电电压。
进一步地,稳压芯片的输入端和滤波储能电路的正极之间还连接有PNP三极管Tr2和NPN三极管Tr3;
PNP三极管Tr2的集电极与NPN三极管Tr3的基极相连,PNP三极管Tr2的发射极和NPN三极管Tr3的集电极均与滤波储能电路的输出端正极相连,PNP三极管Tr2的基极与稳压芯片的输入端相连,NPN三极管Tr3的发射极与稳压输出电路的输出端正极相连。
由于振动能量本身极其微弱,经过倍压整流和滤波储能后,信号强度仍然较弱;本发明按照上述连接关系在稳压芯片的输入端和滤波储能电路的正极之间接入PNP三极管Tr2和NPN三极管Tr3,在不影响稳压芯片工作的情况下,有效提高稳压芯片的输出电流,从而更好地为负载供电。
使稳压芯片更好的工作,进一步提高对负载的供电电压的稳定性。
进一步地,在NPN三极管Tr3的集电极与滤波储能电路的输出端正极之间还连接有电阻R1,由此能够防止电流直接流入NPN三极管Tr3的集电极而对NPN三极管Tr3造成损坏;
和/或在稳压芯片的输入端与滤波储能电路的输出端正极之间还连接有电阻R2,由此能够避免电流直接流入稳压芯片而对稳压芯片造成损坏;
和/或在稳压芯片的输入端与PNP三极管Tr2的基极之间还连接有电阻R3,由此能够避免电流直接流入稳压芯片或PNP三极管Tr2的基极而对稳压芯片和PNP三极管Tr2造成损坏;
和/或在NPN三极管Tr3的发射极和NPN三极管Tr3的基极之间还连接有电阻R7,由此能够避免电流直接流入NPN三极管Tr3的基极而对NPN三极管Tr3造成损坏。
进一步地,稳压输出电路还包括PNP三极管Tr1,其发射极与滤波储能电路的输出端正极相连,其集电极与PNP三极管Tr2的基极相连,其基极与NPN三极管Tr3的集电极相连,由此能够避免电流直接流入NPN三极管Tr3的集电极或PNP三极管Tr2的基极而对NPN三极管Tr3和PNP三极管Tr2造成损坏。
进一步地,稳压输出电路的输入端还并联有电容C6,由此能够稳定稳压输出电路的输入电压;
和/或稳压输出电路的输出端还并联有电容C8,由此能够在输出短路时立即放电;
和/或稳压输出电路的输出端正极和负极之间还连接有电阻R6,电阻R6与电阻R4和电阻R5并联,总电阻变小,由此能够提高稳压芯片的输出电流,保证其正常工作。
进一步地,电阻R4和电阻R5的连接端和输出端负极之间还连接有电容C7;所连接的电容C7能够进一步减小提供给负载的输出电压的纹波,提高供电稳定性。
进一步地,稳压输出电路还包括二极管D4,二极管D4的正极与电阻R4和电阻R5的连接端相连,二极管D4的负极与稳压输出电路的输出端正极相连,由此能够在输出短路时防止稳压芯片内部产生反向偏压而对稳压芯片造成损坏。
在一些可选的实施例中,滤波储能电路包括相互并联的滤波电容和超级电容C5;
超级电容C5的正极和负极分别与交流信号源的正极和负极相连,超级电容C5的正极和负极还分别作为滤波储能电路的输出端正极和输出端负极;
滤波电容用于抑制交流信号源输出的直流电信号中的纹波;
超级电容C5用于对抑制纹波后的直流电信号的能量进行存储。
由于稳压输出电路可以保证提供给负载的供电电压的稳定性,本发明在滤波储能电路中仅设置一个滤波电容,由所有倍压整流电路共用,能够在保证供电稳定性的同时,有效简化滤波储能电路的结构并降低成本。
在一些可选的实施例中,滤波储能电路包括相互并联的N个滤波电容和超级电容C5;
超级电容C5的正极和负极分别与交流信号源的正极和负极相连,超级电容C5的正极和负极还分别作为滤波储能电路的输出端正极和输出端负极;
N个滤波电容的频率与N个交流信号源的频率一一对应,分别用于对N个交流信号输出的交流信号经倍压整流电路整流后得到的直流电信号中的纹波进行抑制。
本发明在滤波储能电路中为每一个倍压整流电路分别设置频率相匹配的滤波电容,能够有效抑制各直流电信号中的纹波,使得提供给负载的供电电压的稳定性最大化。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案,能够对环境中微弱振动信号的收集和再利用,实现无用机械能到电能的转变利用;通过LM系列稳压芯片对输出电压大小进行调节,形成稳定的输出直流电压,然后进行利用;在其优选方案中,在稳压输出电路中设置了过流保护电路,减小纹波电路,增大输出电流电路,有效保证了电路的安全性和供电质量。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于振动能量的供电装置示意图;
图2为本发明实施例提供的交流电信号处于负半周时,倍压整流电路中的电流流向及电容极性;
图3为本发明实施例提供的交流电信号处于正半周时,倍压整流电路中的电流流向及电容极性;
图4为本发明实施例提供的输入电流处于正常工作条件下时,稳压输出电路的局部电流工作过程示意图;
图5为本发明实施例提供的输入电流过大时,稳压输出电路的局部电流工作过程示意图;
图6为本发明实施例提供的输出短路时,稳压输出电路的局部电流工作过程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中,本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
为了实现对环境中微弱振动信号的收集和有效利用,在本发明的实施例1中,提供了一种基于振动能量的供电装置,如图1所示,包括:N个交流信号源、N个倍压整流电路、滤波储能电路和稳压输出电路;N为正整数,具体可根据环境中振动能量的分布情况设定一个或多个,不失一般性地,本实施例中,N=2;
交流信号源内含压电材料,用于将环境中的振动能量转换为交流电信号;
N个倍压整流电路的输入端分别与N个交流信号源相连,用于将各交流信号源输出的交流电信号进行倍压放大并整流为直流电信号;
N个倍压整流电路的输出端并联后,与滤波储能电路的输入端相连;滤波储能电路用于抑制直流电信号的纹波后对直流电能量进行存储;
稳压输出电路的输入端与滤波储能电路的输出端相连,输出端用于连接负载;稳压输出电路用于将滤波储能电路存储的直流电能量转换为大小可调节且稳定的直流电压,对所连接的负载供电。
如图1所示,本实施例中,倍压整流电路设置有两个,分别记为第一倍压整流电路和第二倍压整流电路,第一倍压整流电路由电容C1、C2、C3和二极管D1、D2、D3,第二倍压整流电路由电容C1'、C2'、C3'和二极管D1'、D2'、D3',两个倍压整流电路的结构相同,以第一倍压整流电路为例,如图1所示,其所连接的交流信号源的正极与电容C1相连,C1与D1、C2串联于微弱交流电的另一端,D2与C2并联连接,D3与C3串联接于电路中。当微弱交流电处于负半周时,D2、D3导通,D1截止,电容器C1和C3都充电到Vm,其电流流向及电容的极性如图2所示。当交流电源处于正半周时,D2,D3截止,D1导通,电容器C2充电到2Vm,其电流流向及电容的极性如图3所示。由于C2和C3串联,所以输出的直流电压V=3Vm,正半周时,D1及D3所承受的最大逆向电压为2Vm,负半周时,二极管D2所承受的最大逆向电压为2Vm;考虑到二极管所需承受的最大逆向电压为2Vm,本实施例中,各二极管的最大反向峰值电压PIV>2Vm。
对于第二倍压整流电路,其中器件之间的连接关系,以及交流电信号在正半周和负半周时,电流流向及电容极性均相同,在此将不作复述。
如图2所示,本实施例中,滤波储能电路包括相互并联的2个滤波电容和超级电容C5;
超级电容C5的正极和负极分别与交流信号源的正极和负极相连,超级电容C5的正极和负极还分别作为滤波储能电路的输出端正极和输出端负极;
本实施例中,所并联的2个滤波电容分别记为C4和C4',其中,滤波电容C4的频率与第一倍压整流电路相匹配,用于对第一倍压整流电路输出的直流电信号进行纹波抑制,滤波电容C4'的频率与第二倍压整流电容相匹配,用于对第二倍压整流电路输出的直流电信号进行纹波抑制;本实施例在滤波储能电路中为每一个倍压整流电路分别设置频率相匹配的滤波电容,能够有效抑制各直流电信号中的纹波,使得提供给负载的供电电压的稳定性最大化。
电容滤波电容利用电容的充放电作用,可以使输出电压趋于平缓,本实施例中,滤波电容选择容量较大的电解电容。当C2和C3两端的电压高于C4两端电压时,对C4电容充电;当C2和C3两端的电压低于C4两端电压时,电容放电,使得超级电容C5的充电电压基本稳定。另一个交流信号源的原理与此相同,通过C4'的滤波作用起到滤波的效果,滤波过后,此直流电对超级电容C5进行充电,不断的将电能预存储于超级电容C5中。随着能量的积累,随着C5两端电压的不断升高,当达到稳压输出电路的开启电压时,稳压输出电路开始工作。
如图1所示,本实施例中,稳压输出电路包括:稳压芯片、电阻R4和电阻R5;
稳压芯片为LM系列的稳压芯片,本实施例中,具体为LM317系列的稳压芯片,其输入端与滤波储能电路的正极相连接;
电阻R4的电阻大小可调,电阻R4的一端与电阻R5的一端连接,连接端与稳压芯片的可调子端连接;电阻R5的另一端与稳压芯片的输出端连接,连接端作为稳压输出电路的输出端正极;电阻R4的另一端与滤波储能电路的负极连接,连接端作为稳压输出电路的输出端负极;
本实施例利用LM系列的稳压芯片及配套的外围电路搭建稳压输出电路,LM系列芯片能够有效实现稳压功能,并且具有较大的电压调节范围,基于该芯片与电阻R4和电阻R5之间的连接关系,通过调节电阻R4和电阻R5的比值大小,即可对提供给负载的输出电压大小进行调节,为负载提供稳定且大小合适的供电电压;在本发明其他的一些实施例中,也可是电阻R4为固定电阻,而电阻R5为可调电阻,或者使电阻R4和电阻R5均为可调电阻。
如图1所示,本实施例中,稳压芯片的输入端和滤波储能电路的正极之间还连接有PNP三极管Tr2和NPN三极管Tr3;
PNP三极管Tr2的集电极与NPN三极管Tr3的基极相连,PNP三极管Tr2的发射极和NPN三极管Tr3的集电极均与滤波储能电路的输出端正极相连,PNP三极管Tr2的基极与稳压芯片的输入端相连,NPN三极管Tr3的发射极与稳压输出电路的输出端正极相连;
由于振动能量本身极其微弱,经过倍压整流和滤波储能后,信号强度仍然较弱;本发明按照上述连接关系在稳压芯片的输入端和滤波储能电路的正极之间接入PNP三极管Tr2和NPN三极管Tr3,在不影响稳压芯片工作的情况下,有效提高稳压芯片的输出电流,从而更好地为负载供电。
如图1所示,本实施例中,在NPN三极管Tr3的集电极与滤波储能电路的输出端正极之间还连接有电阻R1,由此能够防止电流直接流入NPN三极管Tr3的集电极而对NPN三极管Tr3造成损坏;
在稳压芯片的输入端与滤波储能电路的输出端正极之间还连接有电阻R2,由此能够避免电流直接流入稳压芯片而对稳压芯片造成损坏;
在稳压芯片的输入端与PNP三极管Tr2的基极之间还连接有电阻R3,由此能够避免电流直接流入稳压芯片或PNP三极管Tr2的基极而对稳压芯片和PNP三极管Tr2造成损坏;
在NPN三极管Tr3的发射极和NPN三极管Tr3的基极之间还连接有电阻R7,由此能够避免电流直接流入NPN三极管Tr3的基极而对NPN三极管Tr3造成损坏;
稳压输出电路还包括PNP三极管Tr1,其发射极与滤波储能电路的输出端正极相连,其集电极与PNP三极管Tr2的基极相连,其基极与NPN三极管Tr3的集电极相连,由此能够避免电流直接流入NPN三极管Tr3的集电极或PNP三极管Tr2的基极而对NPN三极管Tr3和PNP三极管Tr2造成损坏;
以上电路设计,能够有效保证供电装置的供电安全性。
为了进一步保证供电安全性和稳定性,如图1所示,本实施例中,稳压输出电路的输入端还并联有电容C6,由此能够稳定稳压输出电路的输入电压;
稳压输出电路的输出端还并联有电容C8,由此能够在输出短路时立即放电;
稳压输出电路的输出端正极和负极之间还连接有电阻R6,电阻R6与电阻R4和电阻R5并联,总电阻变小,由此能够提高LM芯片的输出电流,保证其正常工作。
电阻R4和电阻R5的连接端和输出端负极之间还连接有电容C7;所连接的电容C7能够进一步减小提供给负载的输出电压的纹波,提高供电稳定性;
稳压输出电路还包括二极管D4,二极管D4的正极与电阻R4和电阻R5的连接端相连,二极管D4的负极与稳压输出电路的输出端正极相连,由此能够在输出短路时防止稳压芯片内部产生反向偏压而对稳压芯片造成损坏;二极管D4还可以在输出短路时使电容C7的电荷快速释放。
以下对本实施例中的稳压输出电路在不同场景下的工作原理进行简要说明,本实施例中,稳压输出电路的输出端负极接地;当输入电流处于正常工作条件下时,具体的电流工作过程如图4所示,输入电流正常时,电阻R1的值很小,设置为0.2Ω左右,此时三极管Tr1的基极和发射级之间的电压不能达到其导通电压的大小,三极管Tr1不工作,此时由于两个互补三极管Tr2和Tr3的放大作用,此时流入芯片LM317的电流大小IREG与稳压芯片的输出电流Io的关系为:
Figure BDA0003049994440000111
其中hFE2和hFE3分别为三极管的放大系数;流入LM317的电流IREG很小,此时流经稳压器内部的损耗几乎可以忽略不计,由于三极管的两次放大作用,可以有效提高稳压芯片的输出电流。Tr3上的损耗为:PC3=(VIN-VO)×IO,Tr2上的损耗为:
Figure BDA0003049994440000112
VIN和VO分别表示稳压输出电路的输入电压和输出电压,VBE3表示三极管Tr3基极电压VB和发射级电压VE之间的差,约为0.7V;相比之下,Tr2上的损耗比Tr3上的损耗小得多。此时电容C7和C8都保持充电的状态,C7和LM317的可调子端相连,起到减小纹波的作用。由于LM317的可调子端与输出端口OUT之间存在电压VREF,一般简化表达的输出电压VOUT和VREF之间的关系为:
Figure BDA0003049994440000113
稳压芯片的可调子端的输出电流IADJ一般较小,而VREF标准值一般取1.25V,所以上式可简化为:
Figure BDA0003049994440000114
于是可以通过改变可变电阻R4的值对电阻R4和电阻R5的比值调节,最终调控输出电压的大小;考虑到LM317稳压器的输出电流必须在1.5mA以上,否则无法正常工作,所以本实施例在输出端之间连接了一个分压电阻R6。
当输入电流过大时,流经电阻R1的电流增大,使得其分压也增加,当电压达到三极管Tr1的正向导通电压时,三极管开始工作,进行分流,防止过大的电流流入,起到过流保护作用。其具体的局部电流示意图如图5所示。由于三极管Tr1的分流作用,使得供给Tr2的电流减小,限制了输出电流的大小,起到过流保护的作用。电流流经其他部位的方式与正常工作电流流向一致,起到相同的功能。
当输出短路时,此时为了防止内部元器件产生反向偏压,以及LM317的可调子端残留正电压,电容C7、C8和二极管D4开始工作。具体的工作过程如图6所示。当输出短路时,此时C7和C8电容存有电荷,这些电荷会立马放电,由于D4的存在,C7的电荷会通过D4释放,时间常数会大幅度降低。应防止LM317的可调子端残留正电压。
总体而言,总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案,能够对环境中微弱振动信号的收集和再利用,实现无用机械能到电能的转变利用;通过LM系列稳压芯片对输出电压大小进行调节,形成稳定的输出直流电压,然后进行利用;在其优选方案中,在稳压输出电路中设置了过流保护电路,减小纹波电路,增大输出电流电路,有效保证了电路的安全性和供电质量。
在本发明的实施例2中,提供了一种基于振动能量的供电装置,本实施例1与上述实施例1类似,所不同之处在于,本实施例中,滤波储能电路包括相互并联的滤波电容和超级电容C5;
超级电容C5的正极和负极分别与交流信号源的正极和负极相连,超级电容C5的正极和负极还分别作为滤波储能电路的输出端正极和输出端负极;
滤波电容用于抑制交流信号源输出的直流电信号中的纹波;
超级电容C5用于对抑制纹波后的直流电信号的能量进行存储。
由于稳压输出电路可以保证提供给负载的供电电压的稳定性,本实施例在滤波储能电路中仅设置一个滤波电容,由所有倍压整流电路共用,能够在保证供电稳定性的同时,有效简化滤波储能电路的结构并降低成本。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于振动能量的供电装置,其特征在于,包括:N个交流信号源、N个倍压整流电路、滤波储能电路和稳压输出电路;N为正整数;
所述交流信号源内含压电材料,用于将环境中的振动能量转换为交流电信号;
所述N个倍压整流电路的输入端分别与所述N个交流信号源相连,用于将各交流信号源输出的交流电信号进行倍压放大并整流为直流电信号;
所述N个倍压整流电路的输出端并联后,与所述滤波储能电路的输入端相连;所述滤波储能电路用于抑制直流电信号的纹波后对直流电能量进行存储;
所述稳压输出电路的输入端与所述滤波储能电路的输出端相连,输出端用于连接负载;所述稳压输出电路用于将所述滤波储能电路存储的直流电能量转换为大小可调节且稳定的直流电压,对所连接的负载供电。
2.如权利要求1所述的基于振动能量的供电装置,其特征在于,所述稳压输出电路包括:稳压芯片、电阻R4和电阻R5;
所述稳压芯片为LM系列的稳压芯片,其输入端与所述滤波储能电路的正极相连接;
所述电阻R4和/或所述电阻R5的电阻大小可调,所述电阻R4的一端与所述电阻R5的一端连接,连接端与所述稳压芯片的可调子端连接;所述电阻R5的另一端与所述稳压芯片的输出端连接,连接端作为所述稳压输出电路的输出端正极;所述电阻R4的另一端与所述滤波储能电路的负极连接,连接端作为所述稳压输出电路的输出端负极。
3.如权利要求2所述的基于振动能量的供电装置,其特征在于,所述稳压芯片的输入端和所述滤波储能电路的正极之间还连接有PNP三极管Tr2和NPN三极管Tr3;
所述PNP三极管Tr2的集电极与NPN三极管Tr3的基极相连,所述PNP三极管Tr2的发射极和所述NPN三极管Tr3的集电极均与所述滤波储能电路的输出端正极相连,所述PNP三极管Tr2的基极与所述稳压芯片的输入端相连,所述NPN三极管Tr3的发射极与所述稳压输出电路的输出端正极相连。
4.如权利要求3所述的基于振动能量的供电装置,其特征在于,在所述NPN三极管Tr3的集电极与所述滤波储能电路的输出端正极之间还连接有电阻R1;
和/或在所述稳压芯片的输入端与所述滤波储能电路的输出端正极之间还连接有电阻R2;
和/或在所述稳压芯片的输入端与所述PNP三极管Tr2的基极之间还连接有电阻R3;
和/或在所述NPN三极管Tr3的发射极和所述NPN三极管Tr3的基极之间还连接有电阻R7。
5.如权利要求3所述的基于振动能量的供电装置,其特征在于,所述稳压输出电路还包括PNP三极管Tr1,其发射极与所述滤波储能电路的输出端正极相连,其集电极与所述PNP三极管Tr2的基极相连,其基极与所述NPN三极管Tr3的集电极相连。
6.如权利要求2所述的基于振动能量的供电装置,其特征在于,所述稳压输出电路的输入端还并联有电容C6,和/或所述稳压输出电路的输出端还并联有电容C8,和/或所述稳压输出电路的输出端正极和负极之间还连接有电阻R6,所述电阻R6与所述电阻R4和所述电阻R5形成并联回路。
7.如权利要求2所述的基于振动能量的供电装置,其特征在于,所述电阻R4和所述电阻R5的连接端和所述输出端负极之间还连接有电容C7。
8.如权利要求7所述的基于振动能量的供电装置,其特征在于,所述稳压输出电路还包括二极管D4,所述二极管D4的正极与所述电阻R4和所述电阻R5的连接端相连,所述二极管D4的负极与所述稳压输出电路的输出端正极相连。
9.如权利要求1-8任一项所述的基于振动能量的供电装置,其特征在于,所述滤波储能电路包括相互并联的滤波电容和超级电容C5;
所述超级电容C5的正极和负极分别与交流信号源的正极和负极相连,所述超级电容C5的正极和负极还分别作为所述滤波储能电路的输出端正极和输出端负极;
所述滤波电容用于抑制交流信号源输出的直流电信号中的纹波;
所述超级电容C5用于对抑制纹波后的直流电信号的能量进行存储。
10.如权利要求1-8任一项所述的基于振动能量的供电装置,其特征在于,所述滤波储能电路包括相互并联的N个滤波电容和超级电容C5;
所述超级电容C5的正极和负极分别与交流信号源的正极和负极相连,所述超级电容C5的正极和负极还分别作为所述滤波储能电路的输出端正极和输出端负极;
所述N个滤波电容的频率与所述N个交流信号源的频率一一对应,分别用于对N个交流信号输出的交流信号经倍压整流电路整流后得到的直流电信号中的纹波进行抑制。
CN202110483273.6A 2021-04-30 2021-04-30 一种基于振动能量的供电装置 Active CN113037105B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110483273.6A CN113037105B (zh) 2021-04-30 2021-04-30 一种基于振动能量的供电装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110483273.6A CN113037105B (zh) 2021-04-30 2021-04-30 一种基于振动能量的供电装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113037105A true CN113037105A (zh) 2021-06-25
CN113037105B CN113037105B (zh) 2022-05-17

Family

ID=76455208

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110483273.6A Active CN113037105B (zh) 2021-04-30 2021-04-30 一种基于振动能量的供电装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113037105B (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2519526Y (zh) * 2001-03-20 2002-10-30 北京和利时系统工程股份有限公司 一种多路隔离电源模块
CN204333983U (zh) * 2015-01-14 2015-05-13 潍坊凯纳电气科技有限公司 无线测温传感器用供电装置
CN207691439U (zh) * 2017-12-28 2018-08-03 重庆沃铠电气有限公司 一种静止无功发生器
CN108418259A (zh) * 2018-03-23 2018-08-17 太原理工大学 一种微振动高效能量收集与转换装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2519526Y (zh) * 2001-03-20 2002-10-30 北京和利时系统工程股份有限公司 一种多路隔离电源模块
CN204333983U (zh) * 2015-01-14 2015-05-13 潍坊凯纳电气科技有限公司 无线测温传感器用供电装置
CN207691439U (zh) * 2017-12-28 2018-08-03 重庆沃铠电气有限公司 一种静止无功发生器
CN108418259A (zh) * 2018-03-23 2018-08-17 太原理工大学 一种微振动高效能量收集与转换装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
朱莉娅: ""压电多方向振动能量收集结构及其充电控制方法研究"", 《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113037105B (zh) 2022-05-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8488340B2 (en) Power converter with boost-buck-buck configuration utilizing an intermediate power regulating circuit
CN101753049B (zh) 电源设备和图像形成设备
US9543839B2 (en) Voltage stabilizing circuit
WO2023051576A1 (zh) 一种车载电池电源稳压电路及新能源汽车充电插座
CN113037105B (zh) 一种基于振动能量的供电装置
CN211087888U (zh) 一种背光驱动电路及电子设备
CN210183225U (zh) 一种改进型非隔离式电压变换器
CN108879919B (zh) 为无线传感器供电的压电电磁复合俘能器能量管理电路
CN217362927U (zh) 一种多路输出的电源电路、供电模块和空调器
CN116094332A (zh) 供电电路及开关电源
CN210405097U (zh) 宽电压范围直流输入开关电源
CN211127321U (zh) 一种新型独立式谐振电感供电结构
CN209824089U (zh) 一种LCC线路加LEDset2.0可设定电流线路
CN105471248A (zh) 一种开关电源启动电路
CN112738953A (zh) 电源转换器
CN113595393A (zh) Dc/dc模块、发电系统和dc/dc模块保护方法
CN108964436B (zh) 一种开关电源启动电路
JPS611228A (ja) 充電回路
CN113193747A (zh) 一种开关管升压模块
CN215580423U (zh) 一种超级电容备份电源电路
CN110474534A (zh) 一种改进型非隔离式电压变换器
CN214337797U (zh) Pfc电源模块
CN216290671U (zh) 缓启动电路及供电模块
CN216362285U (zh) 一种电源电路与电子设备
CN218976361U (zh) 一种超级电容充放电控制电路

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant