CN220086992U - 一种用于健身器材的运动能量回收发电装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种用于健身器材的运动能量回收发电装置，包括：发电机构，与所述健身器材的运动部件相连，基于所述健身器材的运动部件的移动进行发电；整流和电荷暂存模块，与所述发电机构的输出端相连，用于对所述发电机构产生的电压信号进行整流和滤波；电荷汇集器，与所述整流和电荷暂存模块的输出端相连，用于收集经过所述整流和电荷暂存模块的电压；阈值选通开关，与所述电荷汇集器的输出端相连，用于根据所述电荷汇集器汇集的电压选择不同的导电通路，每条导电通路上配置有不同的充电管理模块；充电电池，与所述充电管理模块相连，用于对输入电压的电荷进行存储。本实用新型能够对宽范围的输入电压(包括小电荷)进行储存。
Description
技术领域
本实用新型涉及蓄能发电式健身器技术领域，特别是涉及一种用于健身器材的运动能量回收发电装置。
背景技术
随着人们的生活水平提高，户内运动健身器材已经普遍。使用者在使用过程中将自身的运动动能转化为运动健身器材的机械势能，而运动健身器材的机械势能只能变为热能消耗掉，如果散热不良容易造成运动健身器材的损坏，减少运动健身器材的使用寿命，同时还造成了能源的浪费。
现有专利文献CN201969271U公开了一种蓄能发电式健身器，包括健身器材、健身器材液压泵、液压蓄能器和油路分配控制模块、发电模块组成，其中，健身器材液压泵与健身器材联动连接，液压蓄能器与健身器材液压泵相连，实现健身能量回收，发电模块与液压蓄能器相连，将回收的健身能量释放并发电。该健身器在原来健身器材系统中增加一个蓄能式系统，代替原来的摩擦式系统。有效地实现健身能量回收和能量释放时发电功能，提高了能量的利用率。但是，上述结构虽然可以达到储存电荷的功能，但是储存效果较差，其电荷的利用效率同样较差。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种用于健身器材的运动能量回收发电装置，能够对宽范围的输入电压(包括小电荷)进行储存。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于健身器材的运动能量回收发电装置，包括：
发电机构，与所述健身器材的运动部件相连，基于所述健身器材的运动部件的移动进行发电；
整流和电荷暂存模块，与所述发电机构的输出端相连，用于对所述发电机构产生的电压信号进行整流和滤波；
电荷汇集器，与所述整流和电荷暂存模块的输出端相连，用于收集经过所述整流和电荷暂存模块的电压；
阈值选通开关，与所述电荷汇集器的输出端相连，用于根据所述电荷汇集器汇集的电压选择不同的导电通路，每条导电通路上配置有不同的充电管理模块；
充电电池，与所述充电管理模块相连，用于对输入电压的电荷进行存储。
所述整流和电荷暂存模块包括依次连接的二极管桥式整流电路、滤波电容及二极管。
所述阈值选通开关包括第一阈值开关电路和第二阈值开关电路，第一阈值开关电路包括第一比较器和第一开关管；所述第一比较器的正相输入端与电压基准源的输出端相连，反相输入端与所述电荷汇集器的输出端相连，输出端与第一开关管的控制端相连；所述第二阈值开关电路包括第二比较器和第二开关管；所述第二比较器的正相输入端与所述电荷汇集器的输出端相连，反相输入端与电压基准源的输出端相连，输出端与第二开关管的控制端相连。
所述电荷汇集器为超级电容。
所述电压基准源采用REF193GSZ芯片实现。
所述第一比较器和第二比较器通过LM339AD芯片实现。
所述电荷汇集器还用于为所述电压基准源供电；所述电荷汇集器上的电压高于所述电压基准源的额定电压时，所述电荷汇集器直接为所述电压基准源供电；所述电荷汇集器上的电压低于所述电压基准源的额定电压时，通过储能电容中储存的电荷对所述电压基准源供电。
所述充电管理模块包括由MAX5035芯片构成的降压型DC-DC转换器和由TPS63061芯片构成的升压/降压型转换器。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本实用新型与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本实用新型通过电荷汇集电容对电荷进行暂存，能够根据输入电压大小对电荷进行分级，导通不同的三极管，使电荷进入与其相适应的充电模块，整个电路不需要外接电源，完全实现自供电，采用高效率、低功耗元件，可以对宽范围的输入电压(包括小电荷)进行储存，可做成充电器产品，不仅可以实现健身器械能量的存储，也可以对其他形式发电能量的高效存储。
附图说明
图1是本发明实施方式的结构示意图；
图2是本发明实施方式中电压基准源的电路图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本实用新型的实施方式涉及一种用于健身器材的运动能量回收发电装置，如图1所示，包括：发电机构1，与所述健身器材的运动部件相连，基于所述健身器材的运动部件的移动进行发电；整流和电荷暂存模块2，与所述发电机构1的输出端相连，用于对所述发电机构1产生的电压信号进行整流和滤波；电荷汇集器3，与所述整流和电荷暂存模块2的输出端相连，用于收集经过所述整流和电荷暂存模块2的电压；阈值选通开关4，与所述电荷汇集器3的输出端相连，用于根据所述电荷汇集器3汇集的电压选择不同的导电通路，每条导电通路上配置有不同的充电管理模块；充电电池5，与所述充电管理模块相连，用于对输入电压的电荷进行存储。
本实施方式中的整流和电荷暂存模块包括依次连接的二极管桥式整流电路、滤波电容及二极管。
阈值选通开关包括阈值开关I(即第一阈值开关电路)和阈值开关II(即第二阈值开关电路)，该阈值选通开关通过一个基准电压源，两个比较器以及两个开关管共同实现，两个比较器分别控制其对应的开关管导通与关断。
该阈值选通开关包括由一个电压基准源U1、比较器U2A、比较器U2B组成，开关管选用三极管，比较器U2A的输出端与三极管Q1的基极相连，比较器U2B的输出端与三极管Q2的基极相连。当电荷汇集器上的电压高于阈值，三极管Q1导通，当电压低于阈值，三极管Q2导通，电荷可进入不同的充电管理模块，进而可以实现对不同输入电压的电荷进行分级处理。本实施方式中的电荷汇集器选用超级电容，进而可以达到充电速度快，使用寿命长和能量转换率高等优点。
如图2所示，本实施方式中的电压基准源U1为低功耗电压基准源，其选用REF193GSZ芯片，该芯片额定输入3.3V，最大输入18V，使其能够稳定的3V电压，为了使电压基准源稳定工作，配置有二极管D4、电容C3和电容C4。
当电荷汇集器上的电压高于电压基准源的额定电压时，可直接对其供电；当电荷汇集器上的电压小于电压基准源的额定电压，可通过存储电容C5(图中未示出)中储存的电荷对其供电，使电压源处于正常工作状态，保证整个电路稳定运行。为了防止电容C4对主充电电路产生影响，在其与电荷汇集器之间加上二极管D4与电容C3作为隔离。此外为防止电压基准源U1芯片输入电压过高，烧坏芯片，在电容C5处并联一个15V稳压管。
比较器U2A和比较器U2B可以选用LM339AD芯片实现，该LM339AD芯片的电源端与电荷汇集器直接连接，该电荷汇集器上的电压经高阻值电阻R1和R2分压后接入比较器U2A的反相输入端以及比较器U2B的正相输入端，电压基准源的输出电压接入比较器U2A的同相输入端以及比较器U2B的反相输入端。
三极管Q1的基极与比较器U2A的输出端相连，三极管Q2的基极与比较器U2B的输出端相连，三极管Q1和三极管Q2的发射极均与电荷汇集器C2直接连接，三极管Q1和三极管Q2的集电极作为电压输出与各自的充电管理模块相连。对于比较器，其电源端与对应的三极管的发射极直接连接在电荷汇集器C2，若其正相输入端电压高于反相输入端，输出接近于电源电压值，此时三极管的基极与发射极几乎等电位，三极管不导通。比较器的正相输入端电压小于反相输入端，则输出为0，此时三极管的发射极电位高于基极电位，三极管导通，发电机构输入电荷经整流滤波后通过三极管输出，经充电管理模块为电池充电。
本实施方式的基准电压源的输出接在两个比较器不同的输入端，不同的电压输入总能实现对一个三极管的导通和另一个三极管的关断，其开关值电压为10V左右，恒压源的输出电压为3V，由于电阻R1和电阻R2的分压，可得10×R2/(R1+R3)＝3，因此可以将电阻R1和电阻R2的阻值设为4.64MΩ、2MΩ，这样如果输入电压高于10V，其分压后的阻值大于3V，使三极管Q1导通，否则三极管Q2导通，并且由于电阻很大，功耗很小。如果希望实现不同的阈值，调节电阻R1和电阻R2的比值即可。
借助上述比较电路，电荷汇集器的电压大小决定了电压比较器的输出状态，从而控制三极管Q1和三极管Q2的导通与截止，实现了对不同电压输入电荷的分级。
本实施方式中的充电管理模块共有两块，分别为由MAX5035芯片构成的降压型DC-DC转换器和由TPS63061芯片构成的升压/降压型转换器。
由MAX5035芯片构成的降压型DC-DC转换器是易于应用的高效(效率高达94％)、高压、降压型DC－DC转换器，使用高达76V输入电压工作，空载时仅消耗270μA静态电流。
由TPS63061芯片构成的升压/降压型转换器拥有2.5V至12V的宽电压输入范围，效率高达93％，并且有2.25A开关电流限制，此升压/降压型转换器基于一个使用同步整流的固定频率、脉宽调制控制器以获得最高效率，在低负载电流情况下，此转换器进入省电模式以在宽负载电流范围内保持高效率，而且此器件封装在一个10引脚的3mm×3mm的小外形尺寸的封装内，致使达到体积小，节省空间的优点。
MAX5035芯片的输入范围是7.5V－76V，TPS63061芯片的输入范围是2.5V－12V，这样，两个芯片之间存在一个从7.5V-12V的输入范围交集，而前一环节的电压判别阈值为10V，这样通过两个芯片的联合使用，便实现了2.5V-76V宽范围的输入电压转换成5V电压给电池充电，同时，这两块芯片的效率很高，都在90％以上，进而可以很好实现对发电能量的存储。
如果电压输入大于10V，三极管Q1导通，三极管Q2截止，输入电荷从三极管Q1的发射极流入集电极进入充电模块，经过MAX5035DC－DC降压型芯片为5V电池充电，如果输入的电压经整流滤波后小于10V，则三极管Q2导通，电荷从三极管Q2的发射极流入集电极进入充电模块，通过TPS63061芯片转换成5V电压为电池充电。
不难发现，本实用新型能够通过电荷汇集器对电荷进行暂存，根据输入电压大小对电荷进行分级，导通不同的三极管，使电荷进入与其相适应的充电模块，整个电路不需要外接电源，完全实现自供电，采用高效率、低功耗元件，可以对宽范围的输入电压包括小电荷进行储存，可做成充电器产品，不仅可以实现健身器械能量的存储，也可以对其他形式发电能量的高效存储。
Claims (8)
1.一种用于健身器材的运动能量回收发电装置，其特征在于，包括：
发电机构，与所述健身器材的运动部件相连，基于所述健身器材的运动部件的移动进行发电；
整流和电荷暂存模块，与所述发电机构的输出端相连，用于对所述发电机构产生的电压信号进行整流和滤波；
电荷汇集器，与所述整流和电荷暂存模块的输出端相连，用于收集经过所述整流和电荷暂存模块的电压；
阈值选通开关，与所述电荷汇集器的输出端相连，用于根据所述电荷汇集器汇集的电压选择不同的导电通路，每条导电通路上配置有不同的充电管理模块；
充电电池，与所述充电管理模块相连，用于对输入电压的电荷进行存储。
2.根据权利要求1所述的用于健身器材的运动能量回收发电装置，其特征在于，所述整流和电荷暂存模块包括依次连接的二极管桥式整流电路、滤波电容及二极管。
3.根据权利要求1所述的用于健身器材的运动能量回收发电装置，其特征在于，所述阈值选通开关包括第一阈值开关电路和第二阈值开关电路，第一阈值开关电路包括第一比较器和第一开关管；所述第一比较器的正相输入端与电压基准源的输出端相连，反相输入端与所述电荷汇集器的输出端相连，输出端与第一开关管的控制端相连；所述第二阈值开关电路包括第二比较器和第二开关管；所述第二比较器的正相输入端与所述电荷汇集器的输出端相连，反相输入端与电压基准源的输出端相连，输出端与第二开关管的控制端相连。
4.根据权利要求1所述的用于健身器材的运动能量回收发电装置，其特征在于，所述电荷汇集器为超级电容。
5.根据权利要求3所述的用于健身器材的运动能量回收发电装置，其特征在于，所述电压基准源采用REF193GSZ芯片实现。
6.根据权利要求3所述的用于健身器材的运动能量回收发电装置，其特征在于，所述第一比较器和第二比较器通过LM339AD芯片实现。
7.根据权利要求3所述的用于健身器材的运动能量回收发电装置，其特征在于，所述电荷汇集器还用于为所述电压基准源供电；所述电荷汇集器上的电压高于所述电压基准源的额定电压时，所述电荷汇集器直接为所述电压基准源供电；所述电荷汇集器上的电压低于所述电压基准源的额定电压时，通过储能电容中储存的电荷对所述电压基准源供电。
8.根据权利要求1所述的用于健身器材的运动能量回收发电装置，其特征在于，所述充电管理模块包括由MAX5035芯片构成的降压型DC-DC转换器和由TPS63061芯片构成的升压/降压型转换器。
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