CN203406803U - 压电式微型发电机功率调节电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种压电式微型发电机功率调节电路，电机主振子的输出端连接第一整流电路的输入端，第一整流电路的输出端连接储存器的输入端，储存器的输出端连接电子开关的一端，发电机辅振子的输出端连接第二整流电路的输入端，第二整流电路的输出端连接稳压电路的输入端，稳压电路的输出端连接控制器，控制器的输出端与电子开关连接，控制器的输入端通过电压采样电路连接储能器的输出端。本实用新型能提高功率因素，满足振动环境中无线传感器网络、遥控系统和嵌入式结构电路的要求。

Description

压电式微型发电机功率调节电路

技术领域

本实用新型涉及水力发电机技术领域，特别是一种压电式微型发电机功率调节电路。

背景技术

压电式双振子微型发电机简化结构为，在一个基体上制作出两个臂长和质量块一样的振子，使它们的共振频率基本一致，一个作为主要发电源，一个作为辅助发电源。每个振子是由质量块和双面涂有压电薄膜PZT的悬臂梁构成。外界环境中的振动传到发电机振子上，质量块带动悬臂梁和压电薄膜一起振动，由于压电薄膜的正压电效应，在悬臂梁的上下表面产生电荷，形成电势差。根据分析，悬臂梁在谐振频率为ω的振动条件下，压电薄膜表面产生的电荷为：

$Q=-b{\∫}_{l_0}^{l_1}{d}_{31}\frac{h}{2}\frac{{\∂}^2\mathrm{\ω}}{\∂x^2}\mathrm{dx}+b{\∫}_{l_0}^{l_1}{\mathrm{\ϵ}}_{33}{E}_{\≈}\mathrm{dz}---\left(1\right)$

其中，d₃₁为压电薄膜31模型的压电应变常数，ε₃₃为电介常数，h为梁的厚度，b为梁的宽度，l₀到l₁为从梁的固定端沿x方向到质量块的积分，Ez为压电片在z方向的电场。

由于E=一V／△，△为压电薄膜层厚度，压电薄膜表面电荷的微分就是输出给外接阻抗的电流，且，I=ωQ，因此当外接阻抗是一纯电阻R时，由，I=V／R的关系，可以得到一个振子的平均输出功率为

$\stackrel{\‾}{P}=\mathrm{VI}=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{b}^2{h}^2{d}_{31}^2{\stackrel{\‾}{A}}^2}{4{(1+\mathrm{bL}{\mathrm{\ϵ}}_{33}\frac{\mathrm{\ωR}}{\mathrm{\Δ}})}^2}R---\left(2\right)$

其中

为梁的平均振幅，L为梁表面压电薄膜的长度。

由式(2)可知，单振子振动发电的输出功率取决于很多参数，当一些参数，如d₃₁、ε₃₃、h、b、L和△等确定后，实际应用重点考虑的是谐振频率、平均振幅

电阻R。而ω与梁的长度和质量块重量有关，振动加速度有关。一般在振动梁的设计尺寸比较小，工作频率为几十赫兹到几百赫兹，环境振动加速度在0.1g_n到1g_n范围内，单个振子的输出功率在十几微瓦到几百微瓦之间。如果外接负载功耗小于发电机振子产生的平均功率，则功率调节电路变得很简单，只需将振子电极接一个桥式整流滤波电路，再接稳压电路就能维持负载连续工作。如果外接负载功耗大于发电机振子产生的平均功率，一些设计采用了图1所示的功率调节电路方案。在这个方案中，发电机振子产生的交流信号，经过整流滤波电路和储能器后，储能器的输出电压一方面作为被检测电压，另一方面作为电压比较电路和开关控制电路的工作电压，容易造成电压比较电路参考电压的不稳定，引起电路功能失调。经实验，当整流滤波电路输入信号较大时，储能器上的电压迅速上升，电路可以正常工作。但当采用压电式微型发电机时，由于其振子振动产生的电荷输出功率在十几微瓦到几百微瓦之间，输出功率低，储能器上的电压上升缓慢，电压比较器工作不正常，引起开关控制失效，电子开关不能正常关断和开启，使那些像汽车轮胎工况智能监测系统的发射模块、机器故障振动监测无线传感器网络的发射模块等对能源的输出功率和瞬时电流要求都比较大的负载无法正常工作。

发明内容

针对上述技术问题，本实用新型需要解决的技术问题是提供一种提高输出功率的压电式微型发电机功率调节电路。

压电式微型发电机功率调节电路，包括发电机主振子、第一整流电路、储能器、电子开关、发电机辅振子、第二整流电路、稳压电路、电压采样电路以及控制器，所述电机主振子的输出端连接第一整流电路的输入端，第一整流电路的输出端连接储存器的输入端，储存器的输出端连接电子开关的一端，发电机辅振子的输出端连接第二整流电路的输入端，第二整流电路的输出端连接稳压电路的输入端，稳压电路的输出端连接控制器，控制器的输出端与电子开关连接，控制器的输入端通过电压采样电路连接储能器的输出端。

采用了上述方案，通过本实用新型的调整电路，整个电路的平均功耗在40微瓦以下，而发电机辅助振子产生的平均功率一般情况下都在80微瓦以上，可以让调节电路可靠工作；当主回路输出功率达不到负载要求时输出关断，储能器无泄漏式储能；当储能足够时输出接通，瞬时提供一定时间大功率输出，有效解决了发射模块启动时需要维持1～2秒20mA左右工作电流和持续间歇式发射所需毫安级电流与微型发电机微功率输出低的矛盾。

进一步地，还包括第一滤波电路和第二滤波电路，第一滤波电路的输入端连接于电子开关的输出端，第二滤波电路连接于第二整流电路与稳压电路之间。通过第一滤波电路，有利于提高供电质量。通过第二滤波电路，有利于增大供控制器供电的质量及稳定性。

进一步地，还包括辅助充电电路，该辅助充电电路一端连接第二整流电路输出端，辅助充电电路的另一端连接储能器，辅助充电电路还与控制器连接。当控制器输出为高电平时，控制器控制辅助充电电路处于关断状态，从第二整流电路输出端的电流无法通过辅助充电电路对储能器进行充电。但当控制器输出为低电平时，控制器则控制辅助充电电路接通，从第二整流电路输出端的电流通过辅助充电电路对储能器进行充电，以增大主回路接通后的输出功率。

附图说明

图1为现有技术中压电式微型发电机功率调节电路的方框图；

图2为本实用新型的压电式微型发电机功率调节电路的方框图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

参照图2，压电式微型发电机功率调节电路，包括发电机主振子10、第一整流电路20、储能器30、电子开关40、发电机辅振子50、第二整流电路60、稳压电路70、电压采样电路80以及控制器90。所述电机主振子10的输出端连接第一整流电路20的输入端，第一整流电路20的输出端连接储存器30的输入端，储存器30为蓄电池。储存器30的输出端连接电子开关40的一端，电子开关40为三极管，电子开关40受控制器90的控制导通或截止。发电机辅振子50的输出端连接第二整流电路60的输入端，第二整流电路60的输出端连接稳压电路70的输入端，稳压电路70的输出端连接控制器90，控制器90的输出端与电子开关连接，控制器的输入端通过电压采样电路80连接储能器的输出端。

进一步地，还包括第一滤波电路100和第二滤波电路110，第一滤波电路100的输入端连接于电子开关的输出端，第二滤波电路连接于第二整流电路与稳压电路之间。通过第一滤波电路，有利于提高供电质量。通过第二滤波电路，有利于增大供控制器供电的质量及稳定性。

进一步地，还包括辅助充电电路120，该辅助充电电路一端连接第二整流电路输出端，辅助充电电路的另一端连接储能器，辅助充电电路还与控制器连接。当控制器输出为高电平时，控制器控制辅助充电电路处于关断状态，从第二整流电路输出端的电流无法通过辅助充电电路对储能器进行充电。但当控制器输出为低电平时，控制器则控制辅助充电电路接通，从第二整流电路输出端的电流通过辅助充电电路对储能器进行充电，以增大主回路接通后的输出功率。

本实用新型工作时，发电机主振子随振动产生的交变电压流入第一整流电路整流后对储能器进行充电储能。发电机辅振子产生交变电压接流入第二整流电路，经整流后形成直流电压，再经过稳压电路处理后为控制器提供工作电压。储能器的电压通过电子开关后对负载供电，同时储能器的电压经电压采样电路采样后送至控制器，控制器将获得的采样电压与设置的电压值进行比较，当储能器的电压逐渐增大而小于控制器设定的上限阈值时，控制器输出高电平，用于控制电子开关关断；当储能器的电压达到上限阈值电平，控制器输出低电平控制电子开关接通；当储能器的电压达到上限阈值电平以后开始下降，在没下降到控制器内设定的下限阈值时，控制器仍然输出低电平，控制电子开关持续接通；当储能器的电压下降到控制器设定的下限电压阈值时，控制器输出高电平控制电子开关关断。

Claims (3)

1.压电式微型发电机功率调节电路，其特征在于，包括发电机主振子、第一整流电路、储能器、电子开关、发电机辅振子、第二整流电路、稳压电路、电压采样电路以及控制器，所述电机主振子的输出端连接第一整流电路的输入端，第一整流电路的输出端连接储存器的输入端，储存器的输出端连接电子开关的一端，发电机辅振子的输出端连接第二整流电路的输入端，第二整流电路的输出端连接稳压电路的输入端，稳压电路的输出端连接控制器，控制器的输出端与电子开关连接，控制器的输入端通过电压采样电路连接储能器的输出端。

2.根据权利要求1所述的压电式微型发电机功率调节电路，其特征在于，还包括第一滤波电路和第二滤波电路，第一滤波电路的输入端连接于电子开关的输出端，第二滤波电路连接于第二整流电路与稳压电路之间。

3.根据权利要求1所述的压电式微型发电机功率调节电路，其特征在于，还包括辅助充电电路，该辅助充电电路一端连接第二整流电路输出端，辅助充电电路的另一端连接储能器，辅助充电电路还与控制器连接。

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