CN204046281U - 一种适合随机变形机械能输入的微功耗压电能量收集装置 - Google Patents

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Abstract

一种适合随机变形机械能输入的微功耗压电能量收集装置，包括压电装置、桥式整流电路、由一级储能电容与能量传输电感组成的一级谐振电路以及二级储能电容与能量传输电感组成的二级谐振电路；在桥式整流电路的第二端口与能量传输电感之间装有重置开关；二级储能电容与能量传输电感之间装有二极管。本实用新型通过设重置开关，作为电能量收集装置的控制核心，动作迅速可靠，能够根据输入电压信号是否达到峰值，自适应闭路进行电能收集或开路等待下一次的电能收集，不需要任何其他控制电路，提高能量收集效率；设一级储能电容、能量传输电感及二级储能电容，电能逐级传输，以适应外界电能输入信号的变化，不影响能量收集的效率。

Description

一种适合随机变形机械能输入的微功耗压电能量收集装置
技术领域
 本实用新型涉及一种电学设备，特别涉及一种适合随机变形机械能输入的微功耗压电能量收集装置。
背景技术
近年来，随着移动智能终端和移动互联网的发展，智能手机、各类无线设备、可穿戴设备的应用越来越普及，被誉为新一轮的技术浪潮，但是这一新技术也面临着发展瓶颈——功耗日益增加，而自身的持续供电能力不足，需要经常充电，严重影响了使用体验。
利用压电材料从周围环境中收集机械变形能量，简称为“压电集能”，是突破这一瓶颈的极具潜力的技术解决方案。压电集能技术是将压电材料粘贴或嵌入于宿主结构（如智能手机柔性屏幕、智能手表表带）上，当宿主结构产生机械变形时，压电元件产生诱导应变，在两极面上产生电荷，通过压电元件两极间连接的能量收集电路，将电荷抽取出来，存储于一个专门的储电装置中，此储电装置即可作为电子设备的电源。
目前，压电集能技术都是针对机械振动能量的收集，而日常应用中宿主结构往往处于随机变形状态，而不是处于机械振动状态，能量收集的效率将受到极大影响。此外，现有的能量收集电路均需要较为复杂的控制电路和大量的元器件，以适应外界电能输入信号的变化，这些元器件本身就需要消耗掉大部分收集到的能量，进一步降低了能量收集的效率。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种设计合理，具备极高的能量收集效率的适合随机变形机械能输入的微功耗压电能量收集装置。
本实用新型所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的，本实用新型是一种适合随机变形机械能输入的微功耗压电能量收集装置，其特点是，包括压电装置、桥式整流电路、由一级储能电容C1与能量传输电感L组成的一级谐振电路以及二级储能电容C2与能量传输电感L组成的二级谐振电路，二级谐振电路通过连通开关S2与负载相接；所述压电装置的两极与桥式整流电路的第一端口、第三端口相接，桥式整流电路的第二端口、第四端口与一级储能电容C1相接，在桥式整流电路的第二端口与一级储能电容C1之间装有二极管D1，在桥式整流电路的第二端口与能量传输电感L之间装有重置开关S1，所述重置开关由PNP三极管与NPN三极管相接而成，PNP三极管的集电极与NPN三极管的基极相接，NPN三极管的集电极与PNP三极管的基极相接,PNP三极管的基极与桥式整流电路的第二端口相接，PNP三极管的发射极接在二极管D1与一级储能电容C1之间；所述二级储能电容C2与能量传输电感L之间装有二极管D2，所述NPN三极管的发射极接在二极管D2与能量传输电感L之间。
本实用新型所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，所述压电装置包括基板和设在基板上方的压板，压板铰接在基板的一端，所述基板与压板之间设有压电片，压电片通过铰支与基板相接，在压板底部设有与压电片中心配合的压头。
本实用新型所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，所述压头呈倒三角形。
本实用新型所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，所述一级储能电容C1的电容值为压电装置电容值的0.5-2倍。
本实用新型所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，所述一级谐振电路和二级谐振电路的谐振周期小于压电装置的输入脉冲宽度。
本实用新型通过设重置开关，重置开关作为电能量收集装置的控制核心，结构简单，动作迅速可靠，使得电能量收集装置能够根据输入电压信号是否达到峰值，自适应闭路进行电能收集或开路等待下一次的电能收集，不需要附加任何其他控制电路，仅由于电子器件固有的内阻消耗掉很少的能量，极大地提高能量收集效率；设一级储能电容C1、能量传输电感L及二级储能电容C2，电能逐级传输，以适应外界电能输入信号的变化，不会影响能量收集的效率；本实用新型所述的电能量收集装置中的所有元器件均不需要外界稳压或稳流类供电设备提供能量输入，并且也不需要任何外界控制指令，具有良好的自适应性。与现有技术相比，其设计合理，使用方便，具有良好的适应性，提高了能量收集效率。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是压电装置的结构示意图。
具体实施方式
以下参照附图，进一步描述本实用新型的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。
参照图1和图2，一种适合随机变形机械能输入的微功耗压电能量收集装置，包括压电装置1、桥式整流电路2、由一级储能电容C1 13与能量传输电感L 8组成的一级谐振电路以及二级储能电容C2 10与能量传输电感L 8组成的二级谐振电路，二级谐振电路通过连通开关S2 11与负载12相接；所述压电装置1的两极与桥式整流电路2的第一端口3、第三端口14相接，桥式整流电路2的第二端口4、第四端口15与一级储能电容C1 13相接，在桥式整流电路2的第二端口4与一级储能电容C1 13之间装有二极管D1 5，在桥式整流电路2的第二端口4与能量传输电感L 8之间装有重置开关S1，所述重置开关S1由PNP三极管6与NPN三极管7相接而成，PNP三极管6的集电极与NPN三极管7的基极相接，NPN三极管7的集电极与PNP三极管6的基极相接,PNP三极管6的基极与桥式整流电路2的第二端口4相接，PNP三极管6的发射极接在二极管D1 5与一级储能电容C1 13之间；所述二级储能电容C2 10与能量传输电感L 8之间装有二极管D2 9，所述NPN三极管7的发射极接在二极管D2 9与能量传输电感L 8之间。
所述压电装置1包括基板16和设在基板16上方的压板17，压板17铰接在基板16的一端，所述基板16与压板17之间设有压电片19，压电片19通过铰支20与基板16相接，在压板17底部设有与压电片19中心配合的压头18。
所述压头18呈倒三角形，保证良好的压电效果。
所述一级储能电容C1 13的电容值为压电装置1电容值的0.5-2倍。
所述一级谐振电路和二级谐振电路的谐振周期小于压电装置1的输入脉冲宽度。
所述的电能量收集装置中的所有元器件均不需要外界稳压或稳流类供电设备提供能量输入，并且也不需要任何外界控制指令；二级储能电容C2 10的电容值由负载确定；能量传输电感L 8的电感值为0.2mH～5mH，具体电感值还需根据一级储能电容C1 13、二级储能电容C2 10的电容值确定，使由能量传输电感L 8分别和一级储能电容C1 13、二级储能电容C2 10组成的两个谐振电路的谐振周期远小于压电装置的输入脉冲的宽度；重置开关S1根据压电装置的输出电压是否达到峰值来确定其开路和闭路状态，重置开关S1为完全自主动作，闭路时间仅为毫秒级别，即可完成由一级储能电容C1 13、能量传输电感L 8和二级储能电容C2 10之间的能量传输。
电能由压电装置和一级储能电容C1 13传输给能量传输电感L 8，再由能量传输电感L 8传输给二级储能电容C2 10，并储存起来，作为外界工作负载的电源。
在整个压电能量收集装置的原始状态，压电装置没有变形，NPN三极管7和PNP三极管6均处于截止状态，重置开关S1处于开路状态。
在压电装置1变形后，其表面产生诱导电荷，通过桥式整流电路2和二极管D1 5，传输给一级储能电容C1 13，此时，二极管D1 5的第一端口3（PNP三极管6的基极）电压高于第二端口4（PNP三极管7的发射极）电压，PNP三极管6处于截止状态，重置开关S1处于开路状态；在压电装置的输入电压达到峰值VP并开始下降后，由于二极管D1的单向效应，二极管D1 5的第二端口4的电压保持不变，约等于峰值电压VP-0.7V，第一端口3的电压开始下降，在第一端口3电压降低到VP-1.4V，低于第二端口4电压约0.7V后，PNP三极管6的发射极的电压将高于基极约0.7V，达到发射极与基极间的导通电压（一般约0.7V），PNP三极管6由截止工作状态进入放大工作状态；由于发射极与基极之间，仅有二极管D1 5是工作在负载状态，其导通电阻极低，导致发射极与基极间的电流迅速增加，PNP三极管6由放大工作状态进入饱和工作状态，此时，PNP三极管6的集电极的电压低于发射极约0.3V，NPN三极管7的基极的电压U1约为VP-1V，集电极的电压U2约为VP-1.4V，发射极的电压U3仍为0，三个极之间的电压关系为U1>U2>U3, NPN三极管7也由截止工作状态进入饱和工作状态。在两个三极管都处于饱和工作状态下，重置开关S1为闭路状态，存储于压电装置和一级储能电容C1 13的电能在几毫秒的时间内传输给能量传输电感L 8，再由传输给最终的二级储能电容C2 10，作为外界用电器件的电源。
在压电装置1和一级储能电容C1 13的电能传输完成后，其电压下降到约为0，此时PNP三极管6的发射极和基极之间的压差低于0.7V，三极管由饱和工作状态进入截止状态，同样，NPN三极管7也由于各极之间的压差降低而由饱和工作状态进入截止状态。此时，两个三极管都处于截止工作状态下，重置开关S1恢复到开路状态，能量传输停止，一个完整的能量传输过程结束，一级储能电容C1 13重新开始接受由压电装置1传输来的电能，等待下一个能量收集过程。

Claims (5)

1.一种适合随机变形机械能输入的微功耗压电能量收集装置，其特征在于：包括压电装置、桥式整流电路、由一级储能电容C1与能量传输电感L组成的一级谐振电路以及二级储能电容C2与能量传输电感L组成的二级谐振电路，二级谐振电路通过连通开关S2与负载相接；所述压电装置的两极与桥式整流电路的第一端口、第三端口相接，桥式整流电路的第二端口、第四端口与一级储能电容C1相接，在桥式整流电路的第二端口与一级储能电容C1之间装有二极管D1，在桥式整流电路的第二端口与能量传输电感L之间装有重置开关S1，所述重置开关由PNP三极管与NPN三极管相接而成，PNP三极管的集电极与NPN三极管的基极相接，NPN三极管的集电极与PNP三极管的基极相接,PNP三极管的基极与桥式整流电路的第二端口相接，PNP三极管的发射极接在二极管D1与一级储能电容C1之间；所述二级储能电容C2与能量传输电感L之间装有二极管D2，所述NPN三极管的发射极接在二极管D2与能量传输电感L之间。
2.根据权利要求1所述的适合随机变形机械能输入的微功耗压电能量收集装置，其特征在于：所述压电装置包括基板和设在基板上方的压板，压板铰接在基板的一端，所述基板与压板之间设有压电片，压电片通过铰支与基板相接，在压板底部设有与压电片中心配合的压头。
3.根据权利要求2所述的适合随机变形机械能输入的微功耗压电能量收集装置，其特征在于：所述压头呈倒三角形。
4.根据权利要求1所述的适合随机变形机械能输入的微功耗压电能量收集装置，其特征在于：所述一级储能电容C1的电容值为压电装置电容值的0.5-2倍。
5.根据权利要求1所述的适合随机变形机械能输入的微功耗压电能量收集装置，其特征在于：所述一级谐振电路和二级谐振电路的谐振周期小于压电装置的输入脉冲宽度。
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