CN202872471U - 利用环境微弱能量供电的间隙性数字式传感器工作电源 - Google Patents
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Abstract
一种利用环境微弱能量供电的间隙性数字式传感器工作电源，涉及弱电供电技术领域，所解决的是降低传感器施工工作量，及减少传感器布线对周边电气设备影响的技术问题。该电源包括储能回路、电压切换回路、微弱能量收集装置；所述微弱能量收集装置用于收集环境微弱能量为储能回路充电；所述储能回路由储能电容构成，用于储存电能及输出电能；所述电压切换回路包括一个切换比较器、一个电子切换开关；所述储能回路通过电子切换开关输出电能，所述切换比较器用于检测储能回路的端电压，根据储能回路的端电压值控制电子切换开关间歇性通断。本实用新型提供的电源，适用于内部电路间隙使用的微功耗传感器的工作电源供给。
Description
技术领域
本实用新型涉及弱电供电技术，特别是涉及一种利用环境微弱能量供电的间隙性数字式传感器工作电源的技术。
背景技术
传感器是工业或楼宇自动化领域的重要设备，用于将自动化设备需要采集的温度、流量、振动、照度、浓度等非电信号以及电流、电压等电气信号转换成自动化设备能够采集的模拟信号或数字信号。发送数字测量信号的传感器可以简称为数字传感器。
现有的数字式传感器，因其内部存在微处理器、采样电路和通讯接口等器件，需要为其提供5V或3.3V或其它规格直流电压。因此现有传感器是需要采用电池供电或外部电源线供电的，这些外部电源线提供诸如AC220V或DC24V或其它规格电源，例如采用CT输出供电等，通过传感器内部的DC/DC或三端稳压器件输出5V或3.3V或其它规格直流电压，为传感器的内部电路提供所需要的工作电源。由于大多数自动化设备对信号量采集的密度要求不高，因此数字式传感器可以采用类似“休眠-唤醒工作-休眠-再次唤醒工作”这种间隙性的工作模式。
采用电池供电的传感器，由于电池容量有限，并且电池自身存在泄漏电流，使得这类传感器必须定期更换电池，才能保持长期工作。当工业自动化现场安装的传感器数量庞大的场合，例如一个县级电网的电力设备如果在所有关心点监测点均安装上在线温度传感器，那么所需要的温度传感器数量可能达上万套，因此在这种安装规模下，更换电池将变成一桩非常困难的事。
采用外部电源线供电的传感器，必须涉及到电源线的布设，这将在施工时增加工作量，而在有些高电压场合，布设的电源线将严重影响原有电气设备的绝缘性能。
实用新型内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种无需布设大量电源线，能降低施工工作量，减少间隙性数字式传感器布线对周边电气设备影响的利用环境微弱能量供电的间隙性数字式传感器工作电源。
为了解决上述技术问题，本实用新型所提供的一种利用环境微弱能量供电的间隙性数字式传感器工作电源，其特征在于：包括储能回路、电压切换回路，及至少一个用于收集环境微弱能量的微弱能量收集装置；
所述微弱能量收集装置有两类，其中一类为输出交流电的微弱能量收集装置，另一类为输出直流电的微弱能量收集装置；
输出交流电的各微弱能量收集装置的电源输出端经一整流回路接到储能回路的正负电源端；
输出直流电的各微弱能量收集装置的正负电源输出端分别接到储能回路的正负电源端；
所述储能回路由单个储能电容构成，或由多个储能电容以串并联方式组合而成，储能回路的负电源端构成工作电源的负电源供电端；
所述电压切换回路包括一个切换比较器、一个电子切换开关；
所述切换比较器的输出端接到电子切换开关的控制端，切换比较器的正相输入端接到外部参考电压发生源，切换比较器的反相输入端经一分压电阻接到储能回路的负电源端，并经另一分压电阻接到储能回路的正电源端；
所述电子切换开关的一端接到储能回路的正电源端，另一端构成电压切换回路的正电源输出端。
进一步的，所述切换比较器是一施密特比较器，所述电子切换开关是一场效应开关管。
进一步的，所述整流回路由一全桥整流器件构成，所述全桥整流器件的两个输出端分别接到储能回路的正负电源端，全桥整流器件的两个输入端分别接到输出交流电的各微弱能量收集装置的电源输出端。
进一步的，还包括一稳压回路，所述稳压回路设有一正电源输入端、一负电源输入端、一正电源输出端，稳压回路的正电源输入端接到电压切换回路的正电源输出端，稳压回路的负电源输入端接到储能回路的负电源端，稳压回路的正电源输出端构成工作电源的正电源稳压供电端。
进一步的，所述稳压回路由一个三端稳压器构成，所述三端稳压器的正电源输入端接到电压切换回路的正电源输出端，三端稳压器的负电源输入端接到储能回路的负电源端，三端稳压器的正电源输出端构成工作电源的正电源稳压供电端。
进一步的，还包括一限压回路，所述限压回路与储能回路并联。
进一步的，所述限压回路由单个稳压二极管构成，该稳压二极管的正负电源端分别接到储能回路的正负电源端。
进一步的，所述微弱能量收集装置包括电磁感应电收集装置、光电转换装置、风电转换装置、压电转换装置、热电转换装置。
本实用新型提供的利用环境微弱能量供电的间隙性数字式传感器工作电源，利用微弱能量收集装置收集间隙性数字式传感器周边容易获得的环境微弱能源，利用储能电容储存收集的能量集中间隙使用，为间隙性数字式传感器提供所需的工作电源，无需布设大量电源线，能降低间隙性数字式传感器的布设施工工作量，能减少间隙性数字式传感器布线对周边电气设备的影响。
附图说明
图1是本实用新型实施例的利用环境微弱能量供电的间隙性数字式传感器工作电源的电路图。
具体实施方式
以下结合附图说明对本实用新型的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本实用新型，凡是采用本实用新型的相似结构及其相似变化，均应列入本实用新型的保护范围。
如图1所示，本实用新型实施例所提供的一种利用环境微弱能量供电的间隙性数字式传感器工作电源，其特征在于：包括储能回路、电压切换回路、稳压回路、限压回路，及至少一个用于收集环境微弱能量的微弱能量收集装置（图中未示）；
所述微弱能量收集装置有两类，其中一类为输出交流电的微弱能量收集装置，另一类为输出直流电的微弱能量收集装置；
输出交流电的各微弱能量收集装置的电源输出端Vin经一整流回路接到储能回路的正负电源端；
输出直流电的各微弱能量收集装置的正负电源输出端（图中未示）分别接到储能回路的正负电源端；
所述储能回路由单个储能电容C1构成，储能回路的负电源端构成工作电源的负电源供电端Vout-；
所述电压切换回路包括一个切换比较器U1、一个电子切换开关D2；
所述切换比较器U1是一施密特比较器，所述电子切换开关D2是一场效应开关管；
所述切换比较器U1的输出端接到电子切换开关D2的控制端（栅极），切换比较器U1的正相输入端接到外部参考电压发生源Vref，切换比较器U1的反相输入端经一分压电阻R2接到储能回路的负电源端，并经另一分压电阻R1接到储能回路的正电源端；
所述电子切换开关D2的一端（源极）接到储能回路的正电源端，另一端（漏极）构成电压切换回路的正电源输出端；
所述稳压回路设有一正电源输入端、一负电源输入端、一正电源输出端，稳压回路的正电源输入端接到电压切换回路的正电源输出端（即电子切换开关D2的漏极），稳压回路的负电源输入端接到储能回路的负电源端，稳压回路的正电源输出端构成工作电源的正电源稳压供电端Vout+；
所述限压回路与储能回路并联。
本实用新型实施例中，所述储能回路中的储能电容C1是钽电容，或是铝电解电容，或是固态电解电容，或是超级电容；
本实用新型其他实施例中，所述储能回路也可以由多个储能电容以串并联方式组合而成，而且可以采用多种规格的储能电容组合，各个储能电容的容量根据间隙性数字式传感器的工作耗能需求进行选择。
本实用新型其它实施例中，所述电压切换回路中的电子切换开关D2也可以采用能实现同等功能的微型继电器、三极管等其它器件来替代。
本实用新型实施例中，所述整流回路由一全桥整流器件D1构成，所述全桥整流器件D1的两个输出端分别接到储能回路的正负电源端，全桥整流器件D1的两个输入端分别接到输出交流电的各微弱能量收集装置的电源输出端Vin；
本实用新型其他实施例中，所述整流回路也可以采用由单个二极管构成半波整流的整流回路，或采用由两个二极管构成全波整流的整流回路，或采用由四个二极管构成全桥整流的整流回路。
本实用新型实施例中，所述稳压回路由一个78L系列的三端稳压器U2构成，所述三端稳压器U2的正电源输入端接到电压切换回路的正电源输出端（即电子切换开关D2的漏极），三端稳压器U2的负电源输入端接到储能回路的负电源端，三端稳压器U2的正电源输出端构成工作电源的正电源稳压供电端Vout+。
本实用新型其他实施例中，所述稳压回路也可以由其他三端稳压器构成，例如采用一个AM1117系列的低压差三端稳压器构成稳压回路，所述稳压回路还可以由微功耗的DC/DC变换芯片与相应的被动元件组合而成。
本实用新型实施例中，所述外部参考电压发生源是指用于生成参考电压的电路，这种生成参考电压的电路为现有技术，生成参考电压的现有电路有多种。
本实用新型实施例中，所述限压回路由单个稳压二极管Z1构成，该稳压二极管Z1的正负电源端分别接到储能回路的正负电源端，该稳压二极管Z1的稳压值范围根据储能回路、电压切换回路和稳压回路中相关电子元器件的允许输入电压值确定，本实施例中该稳压二极管Z1的稳压值范围在5～10伏之间。
本实用新型实施例中，所述微弱能量收集装置为现有技术，用于收集间隙性数字式传感器布设点周边容易获得的环境微弱能量，所述环境微弱能量是指根据间隙性数字式传感器安装位置的实际情况，可以方便获得且可方便转换成微弱交、直流电压或电流输出的各种能源，包括间隙性数字式传感器布设点周边的电磁场感应能、光能、风能、机械振动能、热能、机械形变能等各种形式的能量，所述微弱能量收集装置包括电磁感应电收集装置、光电转换装置、风电转换装置、压电转换装置、热电转换装置。
本实用新型实施例使用时，将间隙性数字式传感器的正电源供电端接到工作电源的正电源稳压供电端Vout+，将间隙性数字式传感器的负电源供电端接到工作电源的负电源供电端Vout-，即可利用本实用新型实施例收集间隙性数字式传感器布设点周边环境的微弱能量为间隙性数字式传感器提供工作电源。
如果间隙性数字式传感器内部电路具有较宽的工作电压范围，能适应储能回路提供的波动端电压时，也可以不使用稳压回路，将间隙性数字式传感器的正电源供电端直接接到电压切换回路的正电源输出端（即电子切换开关D2的漏极）。
本实用新型实施例的工作原理如下：
输出交流电的各微弱能量收集装置收集间隙性数字式传感器布设点周边环境的微弱能量后，通过整流回路转换成直流电流为储能回路中的储能电容充电；
输出直流电的各微弱能量收集装置收集间隙性数字式传感器布设点周边环境的微弱能量后，直接为储能回路中的储能电容充电；
随着各微弱能量收集装置的持续性或间隙性充电，储能回路的端电压逐渐升高；
限压回路能防止储能回路中的储能电容在电荷积累过程中出现过高电压，以避免过高电压可能会造成的对储能电容或其它电子元器件的永久性损伤；
电压切换回路中，分压电阻R1、R2形成电阻分压，所得的分压值与外部参考电压发生源Vref的参考电压值通过具有施密特特性且迟滞门槛电压为Vt的切换比较器U1进行比较，当储能回路的端电压高于工作电压高设定值（参考电压值+迟滞门槛电压）时，切换比较器U1输出低电平，使电子切换开关D2导通，储能回路即开始为稳压回路供电，储能回路放电至端电压低于工作电压低设定值（参考电压值）时，切换比较器U1输出高电平，使电子切换开关D2截止，储能回路即停止为稳压回路供电；
稳压回路能将储能回路呈衰减输出的电压，转换为稳定输出的工作电压。
本实用新型实施例中，所述电压切换回路的功能是：当储能回路的端电压高于工作电压高设定值时，使储能回路与稳压回路连通，当储能回路的端电压低于工作电压低设定值时，使储能回路与稳压回路断开；本实用新型其它实施例中，所述电压切换回路也可以采用能实现同等功能的其它回路来替代。
本实用新型实施例适用于内部电路间隙使用的微功耗传感器的工作电源供给。
Claims (8)
1.一种利用环境微弱能量供电的间隙性数字式传感器工作电源，其特征在于：包括储能回路、电压切换回路，及至少一个用于收集环境微弱能量的微弱能量收集装置；
所述微弱能量收集装置有两类，其中一类为输出交流电的微弱能量收集装置，另一类为输出直流电的微弱能量收集装置；
输出交流电的各微弱能量收集装置的电源输出端经一整流回路接到储能回路的正负电源端；
输出直流电的各微弱能量收集装置的正负电源输出端分别接到储能回路的正负电源端；
所述储能回路由单个储能电容构成，或由多个储能电容以串并联方式组合而成，储能回路的负电源端构成工作电源的负电源供电端；
所述电压切换回路包括一个切换比较器、一个电子切换开关；
所述切换比较器的输出端接到电子切换开关的控制端，切换比较器的正相输入端接到外部参考电压发生源，切换比较器的反相输入端经一分压电阻接到储能回路的负电源端，并经另一分压电阻接到储能回路的正电源端；
所述电子切换开关的一端接到储能回路的正电源端，另一端构成电压切换回路的正电源输出端。
2.根据权利要求1所述的利用环境微弱能量供电的间隙性数字式传感器工作电源，其特征在于：所述切换比较器是一施密特比较器，所述电子切换开关是一场效应开关管。
3.根据权利要求1所述的利用环境微弱能量供电的间隙性数字式传感器工作电源，其特征在于：所述整流回路由一全桥整流器件构成，所述全桥整流器件的两个输出端分别接到储能回路的正负电源端，全桥整流器件的两个输入端分别接到输出交流电的各微弱能量收集装置的电源输出端。
4.根据权利要求1所述的利用环境微弱能量供电的间隙性数字式传感器工作电源，其特征在于：还包括一稳压回路，所述稳压回路设有一正电源输入端、一负电源输入端、一正电源输出端，稳压回路的正电源输入端接到电压切换回路的正电源输出端，稳压回路的负电源输入端接到储能回路的负电源端，稳压回路的正电源输出端构成工作电源的正电源稳压供电端。
5.根据权利要求4所述的利用环境微弱能量供电的间隙性数字式传感器工作电源，其特征在于：所述稳压回路由一个三端稳压器构成，所述三端稳压器的正电源输入端接到电压切换回路的正电源输出端，三端稳压器的负电源输入端接到储能回路的负电源端，三端稳压器的正电源输出端构成工作电源的正电源稳压供电端。
6.根据权利要求1所述的利用环境微弱能量供电的间隙性数字式传感器工作电源，其特征在于：还包括一限压回路，所述限压回路与储能回路并联。
7.根据权利要求6所述的利用环境微弱能量供电的间隙性数字式传感器工作电源，其特征在于：所述限压回路由单个稳压二极管构成，该稳压二极管的正负电源端分别接到储能回路的正负电源端。
8.根据权利要求1或2或3或4或5或6或7所述的利用环境微弱能量供电的间隙性数字式传感器工作电源，其特征在于：所述微弱能量收集装置包括电磁感应电收集装置、光电转换装置、风电转换装置、压电转换装置、热电转换装置。
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