一種無源壓電振動發電機接口電路的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種無源壓電振動發電機接口電路，包括壓電元件Cp、整流橋Q、電容C1、二極管D1和三極管T1，所述壓電元件Cp兩端分別連接整流橋Q引腳1和整流橋Q引腳3，整流橋Q引腳2分別連接電阻R1、電阻R2和二極管D2正極，電阻R1另一端連接二極管D1正極，二極管D1負極分別連接電容C1和三極管T1發射極，三極管T1基極連接電阻R2另一端。本實用新型根據無線傳感器網絡對自供能電源的需求，提出了低功耗、自給能量的無源同步電荷提取電路，并應用于懸臂梁式壓電發電機，電路實際最大輸出功率達到1.135mW，為經典電路實際功率的2.98倍以上，為無線傳感器自供電提供了依據。
【專利說明】
一種無源壓電振動發電機接口電路
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種接口電路，具體是一種無源壓電振動發電機接口電路。
【背景技術】
[0002]近年來，微機電系統發展迅速，廣泛應用于工業、農業、通信、國防、航空航天、醫學等領域。小尺寸、低功耗、低成本的微機電節點，通過無線通信方式組成分布式、自組織的無線傳感器網絡。無線傳感器網絡采用電力線供電或定期更換電池等傳統供電方式。然而，采用電力線供電方式成本較高、體積與質量較大且維護困難;而采用電池供電壽命有限，且在特定應用場合更換困難。目前，利用環境能量為無線傳感器節點供電，已成為解決無線傳感器網絡能量自給問題的有效方法之一。各種環境能量中，振動能量因其存在廣泛，已成為近年來無線傳感器網絡自供能研究領域的熱點。根據能量轉換原理不同，振動發電技術可分為靜電式、電磁式及壓電式3類。其中，壓電發電裝置發展最快，其優勢在于機電能量轉換效率較高、易于與微機電系統集成、成本較低、無電磁干擾且結構簡單。由于壓電元件輸出電壓是交變的，而無線傳感器節點通常需要穩定的直流電壓，因此需要在壓電元件與負載之間設計接口電路。經典電路由整流橋和濾波電路組成，Lef euvre等人提出了 3種由同步開關阻尼電路改進的接口電路，分別是并聯同步開關電感電路、串聯同步開關電感電路及同步電荷提取電路。其中，并聯、串聯同步開關電感電路及經典電路均存在負載匹配問題，即僅當負載與最優負載值一致時，壓電發電機輸出功率才達到最大。相反，同步開關電荷電路輸出功率與負載無關，且輸出功率可以達到經典電路的4倍以上。然而，多數同步開關阻尼電路均由DSP處理器及集成電路組成，開關電路本身的功耗甚至超過了壓電發電機所能輸出的最大功率。
【實用新型內容】
[0003]本實用新型的目的在于提供一種無源壓電振動發電機接口電路，以解決上述【背景技術】中提出的問題。
[0004]為實現上述目的，本實用新型提供如下技術方案:
[0005]—種無源壓電振動發電機接口電路，包括壓電元件Cp、整流橋Q、電容Cl、二極管DI和三極管Tl，所述壓電元件Cp兩端分別連接整流橋Q引腳I和整流橋Q引腳3，整流橋Q引腳2分別連接電阻R1、電阻R2和二極管D2正極，電阻Rl另一端連接二極管Dl正極，二極管Dl負極分別連接電容Cl和三極管Tl發射極，三極管Tl基極連接電阻R2另一端，三極管Tl集電極連接二極管D3正極，二極管D3負極連接三極管T3基極，三極管T3集電極連接二極管D2負極，三極管T3發射極連接變壓器L初級線圈，變壓器L次級線圈一端連接二極管D正極，二極管D負極分別連接電容Cf和負載RL，負載RL另一端分別連接電容Cf另一端、變壓器L次級線圈另一端、變壓器L初級線圈另一端、電容Cl另一端和整流橋Q引腳4并接地。
[0006]作為本實用新型再進一步的方案:所述電阻R1、二極管D1、電容Cl、三極管Tl、電阻R2、二極管D3、三極管T3和二極管D2組成峰值檢測開關電路。
[0007]與現有技術相比，本實用新型的有益效果是:本實用新型根據無線傳感器網絡對自供能電源的需求，提出了低功耗、自給能量的無源同步電荷提取電路，并應用于懸臂梁式壓電發電機，電路實際最大輸出功率達到1.135mW，為經典電路實際功率的2.98倍以上，為無線傳感器自供電提供了依據。
【附圖說明】
[0008]圖1為無源壓電振動發電機接口電路的電路圖。
【具體實施方式】
[0009]下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0010]請參閱圖1，本實用新型實施例中，一種無源壓電振動發電機接口電路，包括壓電元件Cp、整流橋Q、電容Cl、二極管Dl和三極管Tl，所述壓電元件Cp兩端分別連接整流橋Q引腳I和整流橋Q引腳3，整流橋Q引腳2分別連接電阻R1、電阻R2和二極管D2正極，電阻Rl另一端連接二極管Dl正極，二極管Dl負極分別連接電容Cl和三極管Tl發射極，三極管Tl基極連接電阻R2另一端，三極管Tl集電極連接二極管D3正極，二極管D3負極連接三極管T3基極，三極管T3集電極連接二極管D2負極，三極管T3發射極連接變壓器L初級線圈，變壓器L次級線圈一端連接二極管D正極，二極管D負極分別連接電容Cf和負載RL，負載RL另一端分別連接電容Cf另一端、變壓器L次級線圈另一端、變壓器L初級線圈另一端、電容Cl另一端和整流橋Q引腳4并接地;所述電阻Rl、二極管Dl、電容Cl、三極管Tl、電阻R2、二極管D3、三極管T3和二極管D2組成峰值檢測開關電路。
[0011]本實用新型的工作原理是:請參閱圖1，設t為壓電發電機機械振動周期，在[O，t/4)期間，電容Cl兩端電壓Vl為壓電元件Cp電壓Vp的延時，Vp始終大于Vl，D1導通，而D2，D3，Tl，T3均截止;t = t/4時，Vp到達峰值后開始減小，直到Vl與Vp電壓差大于Tl導通電壓后，二極管01截止，而開關管1'1，03，了3，02導通<?經過整流橋及02 33與變壓器1'的初級線圈形成L一Cp振蕩回路(取變壓器T初級線圈與次級線圈的電感均等于L，且耦合系數為I，即兩者互感M也等于L)，在[O，t/4)期間，壓電元件Cp兩端電壓通過整流橋及開關電路加在初級線圈上，設初級線圈與次級線圈上的電壓分別為Ul，U2，流經初級線圈與次級線圈的電流分別為i I，i 2，在[O，t/4 )期間，有UI > O，則次級線圈上的感應電壓為U2 < O，使二極管D截止，濾波電容Cf為負載提供電能，即次級線圈開路，壓電元件Cp輸出的電能轉換為初級線圈的磁能存儲。因此i I從零開始增加，在t = t/4時達到最大值I IMax。此后，i I開始減小，次級線圈的感應電勢U2反向，二極管D導通，存儲在變壓器T中的磁能通過D向負載釋放。磁能的釋放使初級線圈電壓Ul迅速減小為負值，開關管T3截止，變壓器T與壓電元件Cp斷開連接，開關T3導通時間近似等于L 一 Cp振蕩周期的1/4。
[0012]壓電元件Cp電壓在峰值處反向至零，反向時間為L一Cp振蕩周期的1/4;電壓反向后，壓電元件Cp開路，電壓隨位移變化，當無源峰值開關電路檢測到壓電電壓峰值時，開關閉合，次級線圈中無電流，初級線圈中電流從零增至最大值，至開關斷開，初級線圈中電流迅速衰減至零，次級線圈為負載RL供電。
[0013]本實用新型根據無線傳感器網絡對自供能電源的需求，提出了低功耗、自給能量的無源同步電荷提取電路，并應用于懸臂梁式壓電發電機，電路實際最大輸出功率達到1.135mW，為經典電路實際功率的2.98倍以上，為無線傳感器自供電提供了依據。
[0014]對于本領域技術人員而言，顯然本實用新型不限于上述示范性實施例的細節，而且在不背離本實用新型的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現本實用新型。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本實用新型的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化囊括在本實用新型內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。
[0015]此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。
【主權項】
1.一種無源壓電振動發電機接口電路，包括壓電元件Cp、整流橋Q、電容Cl、二極管DI和三極管Tl，其特征在于，所述壓電元件Cp兩端分別連接整流橋Q引腳I和整流橋Q引腳3，整流橋Q引腳2分別連接電阻R1、電阻R2和二極管D2正極，電阻Rl另一端連接二極管Dl正極，二極管Dl負極分別連接電容Cl和三極管Tl發射極，三極管Tl基極連接電阻R2另一端，三極管Tl集電極連接二極管D3正極，二極管D3負極連接三極管T3基極，三極管T3集電極連接二極管D2負極，三極管T3發射極連接變壓器L初級線圈，變壓器L次級線圈一端連接二極管D正極，二極管D負極分別連接電容Cf和負載RL，負載RL另一端分別連接電容Cf另一端、變壓器L次級線圈另一端、變壓器L初級線圈另一端、電容Cl另一端和整流橋Q引腳4并接地。2.根據權利要求1所述的無源壓電振動發電機接口電路，其特征在于，所述電阻R1、二極管Dl、電容Cl、三極管Tl、電阻R2、二極管D3、三極管T3和二極管D2組成峰值檢測開關電路。
【文檔編號】H02N2/18GK205610495SQ201620323392
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年4月18日
【發明人】鄭麗
【申請人】四川建筑職業技術學院