CN104270033A - 一种自供电p-sshi电路 - Google Patents
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Abstract
本发明属于能量、电源、微电子技术领域,涉及一种用压电元件在环境中收集振动能量的P-SSHI电路。其特征是该P-SSHI电路在不需要电源情况下能较多的收集压电元件的能量,与现有的压电能量收集电路相比,该电路不仅适合在高振动水平收集较多能量,也适合在低振动水平有效收集能量,有效的提高了能量收集效率。
Description
技术领域
本发明属于能量、电源技术领域,涉及一种能量收集电路。该发明可以用压电元件在振动环境中收集能量,所收集的能量电路可以为人们日常生活提供方便。
背景技术
在最近几年中,节能减排、无线技术已经渗透在生活中每一个角落。归功于无线传感网络与低功耗技术的进步,能量收集器的研究和应用日益广泛。例如结构健康监测,全球定位***等这些与日俱增的应用便对能源的需求具有很大刺激。目前,环境中存在多种形式的能量,其能量密度如表1所示。
表1环境中能量密度
在振动能收集为电能的主要方式有三种类型:电磁,静电,压电。在上述三种基本转化中,压电转化越来越被许多研究人员所关注。
在压电收集接口电路方面,也有三种形式。
1.标准接口,用整桥电路和电容使得直流电压平整化。该整桥电路由4个二极管构成。
2.同步电荷提取电路。该由整桥电路和DC-DC变换器构成,它能够快速的提取电能,并且与压电振动保持同步。
3.同步开关电感电路(SSHI),该电路由开关器件和压电元件串联或并联组成,继而分为串联同步开关电感电路S-SSHI和并联同步开关电感电路P-SSHI。开关器件由开关和电感构成。在换能器的最大处,开关闭合,压电元件的电容与电感组成振荡器,开关保持闭合直到压电元件的电压反向。这种非线性技术使得能量收集电路显著提升并适用于谐振结构。
由于同步开关电感电路SSHI电路能够在整个频段范围内收集较多的能量并适用于谐振结构,相应的缺点是输出功率只有在最优负载时能达到最大。
发明内容
本发明提供一种自供电并联同步开关电感(P-SSHI)电路。
1.技术问题是:问题一是需要额外的电源供电;问题二是能量收集效率差。
2.技术方案是:为解决上述问题,提出一种自供电并联同步开关电感(P-SSHI)电路。它包括2个检测器(检测器1,检测器2),2个MOS管(MOS管M1,MOS管M4),2个二极管(D3,D5),2个开关器件(开关器件1,开关器件2),1个整桥电路。
图1中,所述压电元件材料一般为锆钛酸铅(PZT)或聚偏氟乙烯(PVDF),结构通常为矩形、三角形、圆形形式结构。压电元件在振动环境受到激励时,压电元件内部电荷随压电元件振动的位移同步变化产生交变电压。为方便阐述,假设振动的位移呈正弦变化,压电元件内部电荷会呈正弦变化。考虑到实际的振动环境下的波形可以分解为多个简单正弦的叠加。因此激励的实验条件可以等效为一个正弦电流源iP;压电元件在大部分频率范围内通常表现为容性。因此压电元件在振动时可以等效为一个正弦电流源iP和一个电容CP的并联,如图2所示。
所述P-SSHI电路原理如下,V12表示图4中节点1和节点2电压差。所述P-SSHI为对称结构,所述电路正半个周期为参考进行原理分析。
iP在进入正半周期前一瞬间前,节点1的电压为-VD,节点2的电压为VL+VD,整桥电路的电流从节点2流向节点1;iP在从负半周期进入正半周期时,由于节点1和节点2的电压差,M4导通,M1不导通。M4使得M2管导通。
本发明的效果和益处是:
1.本发明的P-SSHI电路自主供电,具有节能、环保等优点。
2.本发明的P-SSHI电路能够不仅适合在高振动水平收集较多的能量,也适合在低振动水平有效的收集能量。
附图说明
图1是自供电压电P-SSHI电路图。
图2是自供电压电P-SSHI等效电路图。
图3是自供电压电P-SSHI等效电路仿真波形图。其中(a)是正弦电流(b)是压电元件两端的电压,(c)是电感L的电流。
图4是自供电压电P-SSHI具体实施方式图。
具体实施方式
以下结合技术方案(如图4)详细叙述本发明的具体实施方式。图中所有的节点保持一致。
实施例:
1.按照图4所示,压电元件(PZT)贴设或埋入结构表面。输入端1,2接压电元件两端(没有极性),输出端3,4接输出负载两端(输出电阻Rout或空载)。
2.当压电元件受到环境振动激励时,它会自主产生能量存储在外接电容Crect中。
Claims (4)
1.一种基于自供电P-SSHI电路。其特征是该P-SSHI电路在不需要电源情况下能较多的收集压电元件的能量,与现有的压电能量收集电路相比,该电路不仅适合在高振动水平收集较多能量,也适合在低振动水平有效收集能量,有效提高了能量收集效率。
2.根据权利1要求所述的一种基于自供电P-SSHI电路,所述P-SSHI电路包括2个检测器(检测器1,检测器2),2个MOS管(MOS管M1,MOS管M4),2个二极管(D3,D5),2个开关器件(开关器件1,开关器件2),1个整桥电路。
所述检测器1包括1个电阻R1,1个二极管D1,1个电容C1;所述检测器2包括1个电阻R2,1个二极管D2,1个电容C2;所述开关器件1包括1个二极管D4,1个MOS管M3;所述开关器件2包括1个二极管D6,1个MOS管M2;所述整桥电路由4个二极管(D7,D8,D9,D10)构成。
所述压电片一端分别与电阻R1一端,MOS管M1栅极端,二极管D4正极端,二极管D6负极端,MOS管M4的栅极端,电阻R2的一端,二极管D7的负极,二极管D8正极相连,电阻R1另一端与二极管D1的正极相连,二极管D1的负极分别与MOS管(M1)的源极端,电容(C1)的一端相连,电容C1另一端分别与压电片的另一端,电感L一端,电容C2一端,二极管D9负极端,二极管D10正极端。所述MOS管M1的漏极端与二极管D3的正极相连,所述二极管D3负极端与MOS管M3的栅极端相连,所述MOS管M3的漏极端与二极管D4的负极端相连,所述电感的另一端分别与MOS管M3的源极,MOS管M2的源极相连;所述MOS管M2的栅极与二极管D5正极相连,所述MOS管的漏极与二极管D6正极相连;所述二极管D5负极与MOS管M4漏极端相连,所述MOS管M4源极端分别与电容C2一端,二极管D2的正极相连;所述二极管D2的负极分别与电阻R2一端相连;所述二极管D7正极,二极管D9正极都与地相连,所述二极管D8负极,二极管D10负极都与输出负载(电容Crect或电容Crect与电阻Rload并联)一端相连。输出负载(电容Crect或电容Crect与电阻Rload并联)另一端与地相连。
3.根据权利要求1或2所述的P-SSHI电路,其特征在于,整桥电路中二极管选用正向导通压降小、反向截至电流小的二极管。
4.根据权利要求1或2所述的P-SSHI电路,其特征在于,MOS管选用超低功耗型号。
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