一种无源压电振动发电机接口电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种无源压电振动发电机接口电路，包括压电元件Cp、整流桥Q、电容C1、二极管D1和三极管T1，所述压电元件Cp两端分别连接整流桥Q引脚1和整流桥Q引脚3，整流桥Q引脚2分别连接电阻R1、电阻R2和二极管D2正极，电阻R1另一端连接二极管D1正极，二极管D1负极分别连接电容C1和三极管T1发射极，三极管T1基极连接电阻R2另一端。本实用新型根据无线传感器网络对自供能电源的需求，提出了低功耗、自给能量的无源同步电荷提取电路，并应用于悬臂梁式压电发电机，电路实际最大输出功率达到1.135mW，为经典电路实际功率的2.98倍以上，为无线传感器自供电提供了依据。
【专利说明】
一种无源压电振动发电机接口电路
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种接口电路，具体是一种无源压电振动发电机接口电路。
【背景技术】
[0002]近年来，微机电系统发展迅速，广泛应用于工业、农业、通信、国防、航空航天、医学等领域。小尺寸、低功耗、低成本的微机电节点，通过无线通信方式组成分布式、自组织的无线传感器网络。无线传感器网络采用电力线供电或定期更换电池等传统供电方式。然而，采用电力线供电方式成本较高、体积与质量较大且维护困难;而采用电池供电寿命有限，且在特定应用场合更换困难。目前，利用环境能量为无线传感器节点供电，已成为解决无线传感器网络能量自给问题的有效方法之一。各种环境能量中，振动能量因其存在广泛，已成为近年来无线传感器网络自供能研究领域的热点。根据能量转换原理不同，振动发电技术可分为静电式、电磁式及压电式3类。其中，压电发电装置发展最快，其优势在于机电能量转换效率较高、易于与微机电系统集成、成本较低、无电磁干扰且结构简单。由于压电元件输出电压是交变的，而无线传感器节点通常需要稳定的直流电压，因此需要在压电元件与负载之间设计接口电路。经典电路由整流桥和滤波电路组成，Lef euvre等人提出了 3种由同步开关阻尼电路改进的接口电路，分别是并联同步开关电感电路、串联同步开关电感电路及同步电荷提取电路。其中，并联、串联同步开关电感电路及经典电路均存在负载匹配问题，即仅当负载与最优负载值一致时，压电发电机输出功率才达到最大。相反，同步开关电荷电路输出功率与负载无关，且输出功率可以达到经典电路的4倍以上。然而，多数同步开关阻尼电路均由DSP处理器及集成电路组成，开关电路本身的功耗甚至超过了压电发电机所能输出的最大功率。
【实用新型内容】
[0003]本实用新型的目的在于提供一种无源压电振动发电机接口电路，以解决上述【背景技术】中提出的问题。
[0004]为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案:
[0005]—种无源压电振动发电机接口电路，包括压电元件Cp、整流桥Q、电容Cl、二极管DI和三极管Tl，所述压电元件Cp两端分别连接整流桥Q引脚I和整流桥Q引脚3，整流桥Q引脚2分别连接电阻R1、电阻R2和二极管D2正极，电阻Rl另一端连接二极管Dl正极，二极管Dl负极分别连接电容Cl和三极管Tl发射极，三极管Tl基极连接电阻R2另一端，三极管Tl集电极连接二极管D3正极，二极管D3负极连接三极管T3基极，三极管T3集电极连接二极管D2负极，三极管T3发射极连接变压器L初级线圈，变压器L次级线圈一端连接二极管D正极，二极管D负极分别连接电容Cf和负载RL，负载RL另一端分别连接电容Cf另一端、变压器L次级线圈另一端、变压器L初级线圈另一端、电容Cl另一端和整流桥Q引脚4并接地。
[0006]作为本实用新型再进一步的方案:所述电阻R1、二极管D1、电容Cl、三极管Tl、电阻R2、二极管D3、三极管T3和二极管D2组成峰值检测开关电路。
[0007]与现有技术相比，本实用新型的有益效果是:本实用新型根据无线传感器网络对自供能电源的需求，提出了低功耗、自给能量的无源同步电荷提取电路，并应用于悬臂梁式压电发电机，电路实际最大输出功率达到1.135mW，为经典电路实际功率的2.98倍以上，为无线传感器自供电提供了依据。
【附图说明】
[0008]图1为无源压电振动发电机接口电路的电路图。
【具体实施方式】
[0009]下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0010]请参阅图1，本实用新型实施例中，一种无源压电振动发电机接口电路，包括压电元件Cp、整流桥Q、电容Cl、二极管Dl和三极管Tl，所述压电元件Cp两端分别连接整流桥Q引脚I和整流桥Q引脚3，整流桥Q引脚2分别连接电阻R1、电阻R2和二极管D2正极，电阻Rl另一端连接二极管Dl正极，二极管Dl负极分别连接电容Cl和三极管Tl发射极，三极管Tl基极连接电阻R2另一端，三极管Tl集电极连接二极管D3正极，二极管D3负极连接三极管T3基极，三极管T3集电极连接二极管D2负极，三极管T3发射极连接变压器L初级线圈，变压器L次级线圈一端连接二极管D正极，二极管D负极分别连接电容Cf和负载RL，负载RL另一端分别连接电容Cf另一端、变压器L次级线圈另一端、变压器L初级线圈另一端、电容Cl另一端和整流桥Q引脚4并接地;所述电阻Rl、二极管Dl、电容Cl、三极管Tl、电阻R2、二极管D3、三极管T3和二极管D2组成峰值检测开关电路。
[0011]本实用新型的工作原理是:请参阅图1，设t为压电发电机机械振动周期，在[O，t/4)期间，电容Cl两端电压Vl为压电元件Cp电压Vp的延时，Vp始终大于Vl，D1导通，而D2，D3，Tl，T3均截止;t = t/4时，Vp到达峰值后开始减小，直到Vl与Vp电压差大于Tl导通电压后，二极管01截止，而开关管1'1，03，了3，02导通<?经过整流桥及02 33与变压器1'的初级线圈形成L一Cp振荡回路(取变压器T初级线圈与次级线圈的电感均等于L，且耦合系数为I，即两者互感M也等于L)，在[O，t/4)期间，压电元件Cp两端电压通过整流桥及开关电路加在初级线圈上，设初级线圈与次级线圈上的电压分别为Ul，U2，流经初级线圈与次级线圈的电流分别为i I，i 2，在[O，t/4 )期间，有UI > O，则次级线圈上的感应电压为U2 < O，使二极管D截止，滤波电容Cf为负载提供电能，即次级线圈开路，压电元件Cp输出的电能转换为初级线圈的磁能存储。因此i I从零开始增加，在t = t/4时达到最大值I IMax。此后，i I开始减小，次级线圈的感应电势U2反向，二极管D导通，存储在变压器T中的磁能通过D向负载释放。磁能的释放使初级线圈电压Ul迅速减小为负值，开关管T3截止，变压器T与压电元件Cp断开连接，开关T3导通时间近似等于L 一 Cp振荡周期的1/4。
[0012]压电元件Cp电压在峰值处反向至零，反向时间为L一Cp振荡周期的1/4;电压反向后，压电元件Cp开路，电压随位移变化，当无源峰值开关电路检测到压电电压峰值时，开关闭合，次级线圈中无电流，初级线圈中电流从零增至最大值，至开关断开，初级线圈中电流迅速衰减至零，次级线圈为负载RL供电。
[0013]本实用新型根据无线传感器网络对自供能电源的需求，提出了低功耗、自给能量的无源同步电荷提取电路，并应用于悬臂梁式压电发电机，电路实际最大输出功率达到1.135mW，为经典电路实际功率的2.98倍以上，为无线传感器自供电提供了依据。
[0014]对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0015]此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
【主权项】
1.一种无源压电振动发电机接口电路，包括压电元件Cp、整流桥Q、电容Cl、二极管DI和三极管Tl，其特征在于，所述压电元件Cp两端分别连接整流桥Q引脚I和整流桥Q引脚3，整流桥Q引脚2分别连接电阻R1、电阻R2和二极管D2正极，电阻Rl另一端连接二极管Dl正极，二极管Dl负极分别连接电容Cl和三极管Tl发射极，三极管Tl基极连接电阻R2另一端，三极管Tl集电极连接二极管D3正极，二极管D3负极连接三极管T3基极，三极管T3集电极连接二极管D2负极，三极管T3发射极连接变压器L初级线圈，变压器L次级线圈一端连接二极管D正极，二极管D负极分别连接电容Cf和负载RL，负载RL另一端分别连接电容Cf另一端、变压器L次级线圈另一端、变压器L初级线圈另一端、电容Cl另一端和整流桥Q引脚4并接地。2.根据权利要求1所述的无源压电振动发电机接口电路，其特征在于，所述电阻R1、二极管Dl、电容Cl、三极管Tl、电阻R2、二极管D3、三极管T3和二极管D2组成峰值检测开关电路。
【文档编号】H02N2/18GK205610495SQ201620323392
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月18日
【发明人】郑丽
【申请人】四川建筑职业技术学院