多模态下压电振动能量收集器的等效电路仿真

结合有限元分析法和电子电路分析法建立了多模态下压电振动能量收集器与交流-直流（AC-DC）非线性负载电路相连接的等效电路仿真模型。利用有限元分析软件ANSYS确定了压电能量收集器的等效电路参数,根据这些等效电路参数,在PSPICE软件中建立了非线性负载电路条件下压电振动能量收集器的等效电路仿真模型,并实现了其输出电压和功率的快速仿真。仿真结果表明,等效电路仿真模型可得非线性负载电路条件下压电振动能量收集器的输出电压和功率,而这是单独使用ANSYS软件完全不能解决的。这为多模态下压电振动能量收集器的电能预测提供了一种简便而有效的分析方法,更为解决任意复杂非线性负载电路条件下压电振动能量收集器的输出电能预测打下了基础。     

基于压电材料的振动能量获取技术的研究

根据压电原理、力学理论及其电学等效模型,设计了能量收集电路,它由四倍压整流电路,3F超级电容器和微型电源管理芯片MAX1811组成。实验表明,电源管理芯片输出电压为4.17V时,PZT压电材料振动产生的电能,可通过该电路将电能储存于锂电池中。     

一种道路用小型压电发电及储存装置的研究

为了收集并利用汽车通过公路时所产生的振动能量,设计了一种利用压电材料的正压电效应采集环境振动能量,把振动能转换成电能的道路用振动发电装置。为使压电材料和道路振动能巧妙结合从而吸收最大的外部能量,获得高的发电效率,进行了以下研究:分析了压电材料变形量对发电能力的影响,并设计了能找到压电材料产生最大电能的最小变形量的模型。通过实验分析压电片的联接方式对电能输出的影响,得到了以并联为主,串联为辅的混联电路模型。设计并制作了道路用压电发电装置模型,通过模拟实验测得其发电功率为0.061 2 W,电容储电功率为0.026 4 W,发电效率为14.42%,电容储电效率6.21%。     

压电发电机AC-DC输出性能的优化与仿真研究

交流-直流(AC-DC)转换电路对压电振动发电机的输出性能影响较大,为提高压电发电机AC-DC转换电路的输出性能和能量转换效率,该文首先给出了压电振动发电机系统等效电路模型,基于该模型利用力学平衡原理和电路理论推导了发电机稳态运行时AC-DC输出电压和输出功率表达式。以输出功率最大化为优化目标,通过微分计算对发电机AC-DC转换电路在不同负载电阻下的输出功率进行了优化分析,分别得到了发电机在开路谐振和短路谐振状态下优化的负载电阻、振动位移、输出电压和输出功率。仿真与对比分析了发电机优化后的输出性能,结果表明,优化AC-DC转换电路的输出性能可提高压电振动发电机的整体输出性能和能量转换效率。     

一种道路用小型压电发电及储存装置的研究

为了收集并利用汽车通过公路时所产生的振动能量,设计了一种利用压电材料的正压电效应采集环境振动能量,把振动能转换成电能的道路用振动发电装置。为使压电材料和道路振动能巧妙结合从而吸收最大的外部能量,获得高的发电效率,进行了以下研究：分析了压电材料变形量对发电能力的影响,并设计了能找到压电材料产生最大电能的最小变形量的模型。通过实验分析压电片的联接方式对电能输出的影响,得到了以并联为主,串联为辅的混联电路模型。设计并制作了道路用压电发电装置模型,通过模拟实验测得其发电功率为0.061 2 W,电容储电功率为0.026 4 W,发电效率为14.42%,电容储电效率6.21%。     

直管谐振式低频压电声能量回收系统

为了高效回收环境中的声能,基于阵列式压电换能器、直管谐振腔以及能量回收电路提出了一种声能量回收系统.当声波进入直管谐振腔,管中产生谐振驻波作用于压电换能器,将声能转换为电能.本文设计了能量回收电路并且进行理论、仿真分析实验研究了压电振子数量、声波频率、声压级对输出电压的影响,分析了负载电阻对输出电压及功率的影响.实验结果表明,该装置可回收不同频率的声能量,在声波频率为96Hz时发电效果最优.当入射声压级为110dB时,不使用能量回收电路,输出交流电压有效值最高达12.9V,输出交流功率最高达到799μW;使用设计的能量回收电路,最高输出直流电压为64.2V,最高输出直流功率为473μW.该声能量回收系统不仅可以作为声能量采集器,还能对无线传感节点等独立工作的微型电子系统供能.     

稳压电路原理及其基本应用分析

稳压电路是指输入端输入的电压已经是直流电压,通过稳压电路使输出的直流工作电压Vo稳定在一数字上,而不随输入电压和负载变化而变化。稳压电路的种类较多,常见的有三种。(一)硅稳压二级管稳压电路;(二)串联调整管稳压电路;(三)开关型稳压电路。大多数家用电器都要用到稳压电路,在检修实践中稳压电路的故障也较多,下面分述其基本原理和常用电路分析。     

基于压电效应的风力发电方法研究

为实现利用压电材料进行环境能量转换的目的,设计了一种能利用风能驱动多片压电片振动发电的装置。该装置通过风能驱动叶轮旋转,利用叶轮的旋转扭力迫使压电片振动,将压电片振动产生的电能通过整流电路、储能电容及DC-DC转换后供负载使用。通过实验对压电片在不同条件下的发电性能进行了测试,实验结果表明,该装置可实现多片压电片对环境能量的收集转换,为此类装置的设计提供了参考,同时也为压电环境能量采集技术提供了新思路。     

基于光伏电池组件的ZigBee芯片供电电路设计

介绍了一种用于光伏电池组件的ZigBee芯片监控系统直接从光伏电池组件中获取电能、以保证ZigBee芯片监控系统正常工作的一种高效自适应供电电路设计。由于光伏电池组件输出电压在一天中变化较大,一般稳压电路模块不能承受这样的输入电压,同时因受安装空间和成本限制,一般DC/DC电路模块也不能选择。针对这样的情况,利用ZigBee芯片CC2430、RC延时电路、VMOS管调整电路、3.3 V稳压模块等通过巧妙设计,实现了在较大的直流电压波动环境下,高效稳定的输出3.3 V直流电压,为ZigBee芯片系统提供了稳定可靠的工作电能。     

基于钹式压电阵列的新型引信发电装置设计

设计了一种基于钹式压电换能器阵列的新型引信用发电装置,使用等静压压电常效法研究了钹式换能器及其阵列的发电特性,分析了发电装置在弹药发射环境下的电能输出特性.研究结果表明,该发电装置能有效收集发射环境中的冲击能,并将其先转换为振动能再转换为持续的电能,延长了压电换能器的电能输出时间,解决了现有引信压电电源电能输出小,供电时间短等问题.     

Power harvesting with PZT ceramics and circuits design

Power generated from a piezoelectric material usually comes with poor characteristics such as high voltage, low current and high impedance. In order to drive the embedded sensor circuit, piezoelectric power needs to be characterized and regulated. In this paper, we present an analysis on the power generation characteristics and the efficiency of power conversion of the stiff lead zirconate titanate (PZT) ceramics. Moreover, a power circuit design is put forward in the application where PZT elements are used for power generation in a TKR implant. A hybrid direct current (DC)–DC, comprising a switched capacitor (SC) DC–DC converter and a low dropout (LDO) linear voltage regulator, is presented. The variable ratio SC converter has been taped out with 0.35 μm CMOS technology. The test results show that the SC converter can transfer the input voltage that ranges from 5 to 14 V from the PZT ceramics into the voltage ranging from 2 to 2.5 V which will be dealt with by LDO circuit whose efficiency can reach 80%.     

一种基于新型欠压闭锁电路的能量收集方法

目前自供电无线压电传感器网络已被广泛应用在智能家居及环境监测等领域。组成网络的每个压电传感器节点需要完成不同功耗的任务,如数据采集、存储等低功耗任务和数据无线传输的高功耗任务。针对低功耗和高功耗任务,该文设计了基于新型欠压闭锁电路的双模组能量收集电路,电路具有蓄能周期短和容量大的特点,可分别用于低功耗任务的低功耗级蓄能模组和高功耗任务的高功耗级蓄能模组,解决了传统单模组能量收集电路因压电传感器节点工作时能量不足或充电过于频繁导致传感器网络无法正常工作的问题。实验结果表明,采用新型欠压闭锁电路的能量收集电路最短蓄能周期仅10 min,能量收集电路最长可驱动压电传感器节点在高功耗模式下工作52 s,是解决自供电无线压电传感器网络能量供给问题的有效办法。     

Evaluation of a betavoltaic energy converter supporting scalable modular structure

Distinct from conventional energy‐harvesting (EH) technologies, such as the use of photovoltaic, piezoelectric, and thermoelectric effects, betavoltaic energy conversion can consistently generate uniform electric power, independent of environmental variations, and provide a constant output of high DC voltage, even under conditions of ultra‐low‐power EH. It can also dramatically reduce the energy loss incurred in the processes of voltage boosting and regulation. This study realized betavoltaic cells comprised of p‐i‐n junctions based on silicon carbide, fabricated through a customized semiconductor recipe, and a Ni foil plated with a Ni‐63 radioisotope. The betavoltaic energy converter (BEC) includes an array of 16 parallel‐connected betavoltaic cells. Experimental results demonstrate that the series and parallel connections of two BECs result in an open‐circuit voltage V_oc of 3.06 V with a short‐circuit current I_sc of 48.5 nA, and a V_oc of 1.50 V with an I_sc of 92.6 nA, respectively. The capacitor charging efficiency in terms of the current generated from the two series‐connected BECs was measured to be approximately 90.7%.     

低功耗自供电压电能量管理电路的研究

为了提高压电能量采集系统的采集效率,该文提出了一种用于压电能量采集的自供电能量管理电路。采用基于并联同步开关感应(PSSHI)技术的有源全桥整流电路来提高压电采能器的功率,降低整流电路上的导通损耗;采用低功耗稳压降压集成芯片配合超级电容器,实现能量的高效采集存储。仿真结果表明,在模拟输出电压幅值为20 V时,该整流电路的输出功率为1.084 6 W,比传统整流电路的平均输出功率提高了16.8%,在最高输出电压为5 V时,30 s内储存能量可以达到4.137 1 J。     

多悬臂梁压电换能器电路的设计与实现

介绍了一种多悬臂梁压电换能器电路。与标准能量采集电路(SEH)相比,三悬臂梁压电换能器电路的理论最大平均采集功率提高了300%。利用Multisim软件仿真,结果表明,三悬臂梁压电换能器电路的最终输出电压为SEH电路的2.11倍;进一步搭建实际电路,其最终最大输出功率为SEH电路的3.12倍,能量转化与利用效率显著提高。     

自供能压电振动能量回收接口电路优化设计

为了更适用于为无线传感网络供电,设计了一种自供能双同步开关电感电路(Self-powered DSSH电路).在压电换能器中增加了2个压电片:一片为传感器,通过微分器和比较器产生与振动同步的脉冲信号;另一片为供能片,为微分器和比较器供能.由无源峰值检测开关组成的DC-DC变换器能及时地将能量回收为负载供电.实验结果证明,设计的自供能双同步开关电感电路输出功率达到305 μW,相比标准电路提高了3.05倍,且一直保持最佳输出功率.     

一种实现50 ms断电维持供电的电路设计

针对机载28 V直流供电系统50 ms供电中断的情况,基于钽电容储能作用,采用充电电路、储能电容、放电电路的结构,设计了一种50 ms断电维持供电电路。在输入正常时,由充电电路将钽电容充电至高压来存储能量;当输入断电时,由放电电路将钽电容储能尽可能释放给后级DC-DC变换器,从而实现50 ms不间断供电。分析了电容充电浪涌电流和断电维持电压振荡的问题,提出了充电限流和宽滞回电压欠压保护方案。经实验电路测试验证,满足指标要求。     

面向压电能量收集的传感器自供电电源设计

随着物联网传感器网络的快速发展,微弱能量收集电路因其诸多优越性而备受关注。该文设计了一种基于压电能量收集技术的电路,其通过收集环境中的低频机械振动能量,经压电陶瓷(PZT)换能器产生交流电压,再经四倍压电路放大,并通过LTC3588-1电源管理电路整流变换,最终产生一个可供低功耗传感器工作的可切换的标准电压。实验结果表明,该电路可有效支持低功耗传感器正常工作。     

A Low-Power Stand-Alone Adaptive Circuit for Harvesting Energy From a Piezoelectric Micropower Generator

An adaptive energy-harvesting circuit with low power dissipation is presented and demonstrated, which is useful for efficient ac/dc voltage conversion of a piezoelectric micropower generator. The circuit operates stand-alone, and it extracts the piezoelectric strain energy independent of the load and piezoelectric parameters without using any external sensor. The circuit consists of a voltage-doubler rectifier, a step-down switching converter, and an analog controller operating with a single supply voltage in the range of 2.5–15 V. The controller uses the piezoelectric voltage as a feedback and regulates the rectified voltage to adaptively improve the extracted power. The nonscalable power dissipation of the controller unit is less than 0.05 mW, and the efficiency of the circuit is about 60% for output power levels above 0.5 mW. Experimental verifications of the circuit show the following: 1) the circuit notably increases the extracted power from a piezoelectric element compared to a simple full-bridge diode rectifier without control circuitry, and 2) the efficiency of the circuit is dominantly determined by its switching converter. The simplicity of the circuit facilitates the development of efficient piezoelectric energy harvesters for low-power applications such as wireless sensors and portable devices.