一种自供能二次同步开关能量提取电路及其实现方法

本发明涉及压电能量收集
技术领域：
，具体涉及一种机械开关与电子开关结合实现自供能的二次同步开关能量提取电路及其实现方法。
背景技术：
：随着无线传感网络与各种低功耗技术的发展，使用无线传感网络时的电能供应问题成为其广泛使用的瓶颈，压电元件基于压电效应可以将环境中的振动能转化成电能为无线传感网络供电，设计高效的压电能量收集电路可以实现整个系统的自供能。传统的压电能量收集技术中对于电路的设计通常是一个整流桥，这种设计对于能量提取的范围和效率十分有限，通过研究学者的广泛研究，利用电感同步开关提取电路可以将压电元件在电压翻转过程中的电压进一步提升，在后端连接不同负载时，提取的功率会随着负载的变化而变化，将其与提取功率不随负载变化的同步电荷提取电路进行结合可以得到二次同步开关能量提取电路，然而由于需要对两个开关进行控制，通常会造成更多的能量损耗，这不符合压电能量收集的初衷。技术实现要素：有鉴于此，本发明提供了自供能二次同步开关能量提取电路及其实现方法，本发明提供的自供能二次同步开关能量提取电路具有提取效率和范围高及提取的功率不随着负载的变化而变化的优点。本发明提供了一种自供能二次同步开关能量提取电路，包括串联电感同步开关提取电路、升降压斩波电路；优选的，所述串联电感同步开关提取电路，包括机械开关、二极管d1、二极管d2、电感l1、电阻r1、电容c1。优选的，所述电阻r1、电容c1作为包络检测器。优选的，所述升降压斩波电路，包括三极管q1、三极管q2、电感l2、二极管d3电容c2、负载rl，并使用三极管q1、三极管q2作为电子开关。优选的，所述机械开关包括悬臂梁、压电元件、质量块、弹性杆、开关触点、质量球；优选的，所述开关触点、质量球为导体。优选的，所述悬臂梁、质量块、弹性杆为绝缘体。优选的，所述压电元件下表面与质量球采用导线连接。优选的，所述开关触点1与开关触点2相连接，并与外部电路相连，最终回到压电元件上表面。本发明提供了上述技术方案所述自供能二次同步开关能量提取电路的构成，包括以下部分：所述串联电感同步开关提取电路利用机械开关进行开关的控制；所述升降压斩波电路利用电子开关进行开关的控制；所述机械开关作为第一开关；所述电子开关作为第二开关；本发明提供了一种自供能二次同步开关能量提取电路，包括二次同步开关能量提取电路设置于所述的串联电感同步开关提取电路、升降压斩波电路。本发明提供的自供能二次同步开关能量提取电路在串联电感同步开关提取电路之间设置机械开关，在升降压斩波电路之间设置电子开关。串联电感同步开关提取电路包括机械开关、二极管d1、二极管d2、电感l1、电阻r1、电容c1，机械开关包括(1)压电元件、(2)悬臂梁、(3)夹型质量块、(4)弹性杆、(5)开关触点1、(6)质量球、(7)开关触点2。升降压斩波电路包括三极管q1、三极管q2、电感l2、二极管d3、电容c2、负载rl。三极管q1、三极管q2作为电子开关。电子开关用于控制串联电感同步开关提取电路是否工作，在压电元件位移达到极值时进行串联电感同步开关提取电路的工作；机械开关用于控制升降压斩波电路是否工作，在第一储能电容c1中的电压达到一定值时进行升降压斩波电路的工作，在电子开关断开时，电感l2中的能量向第二储能电容c2和负载rl传递。本发明提供的自供能二次同步开关能量提取电路通过机械开关和电子开关对自供能二次同步开关能量提取电路的控制，使自供能二次同步开关能量提取电路具有提取效率和范围高和提取的功率不随着负载的变化而变化的优点。由实施例的结果表明，本发明提供的自供能二次同步开关能量提取电路的提取功率是全桥整流的五倍，并且提取功率不随负载阻值变化而改变。附图说明图1为本发明的完整的电路图；图2为本发明的第一开关及为第一储能电容c1充电的工作原理图；图3为本发明的机械开关具体细节图；图4为本发明的串联外部电路部分；图5为对比例1的电路图；图6为对比例2的简化电路图；图7为对比例3的简化电路图。具体实施方式本发明提供的一种自供能二次同步开关能量提取电路，包括串联电感同步开关提取电路、升降压斩波电路；本发明提供的自供能二次同步开关能量提取电路包括串联电感同步开关提取电路，所述串联电感同步开关提取电路包括机械开关、二极管d1、二极管d2、电感l1、电阻r1、电容c1；本发明提供的自供能二次同步开关能量提取电路包括升降压斩波电路，所述升降压斩波电路包括三极管q1、三极管q2、电感l2、二极管d3、电容c2、负载rl；在本发明中，所述机械开关包括(1)压电元件、(2)悬臂梁、(3)夹型质量块、(4)弹性杆、(5)开关触点1、(6)质量球、(7)开关触点2；在本发明中，所述开关触点、质量球为导体；在本发明中，所述悬臂梁、质量块、弹性杆为绝缘体；在本发明中，所述压电元件下表面与质量球采用导线连接；在本发明中，所述三极管q1、三极管q2作为电子开关；在本发明中，所述电阻r1、电容c1构成包络检测器；本发明提供了上述技术方案所述自供能二次同步开关能量提取电路构成，包括以下部分：所述自供能二次同步开关能量提取电路，包括串联电感同步开关提取电路、升降压斩波电路；所述串联电感同步开关提取电路包括机械开关、二极管d1、二极管d2、电感l1、电阻r1、电容c1；所述升降压斩波电路包括三极管q1、三极管q2、电感l2、二极管d3、电容c2、负载rl；所述机械开关包括悬臂梁、压电元件、质量块、弹性杆、开关触点、质量球；所述三极管q1、三极管q2作为电子开关；所述电阻r1、电容c1构成包络检测器；所述开关触点、质量球为导体；所述悬臂梁、质量块、弹性杆为绝缘体；所述压电元件下表面与质量球采用导线连接；所述开关触点1与开关触点2相连接，并与外部电路相连，最终回到压电元件上表面。本发明所述机械开关作为第一开关设置于串联电感同步开关提取电路中；在本发明中，所述串联电感同步开关提取电路使用机械开关作为第一开关，本发明通过调整压电元件的位置使压电元件向上弯曲时下表面积蓄负电荷，上表面则呈正电，使压电元件向下弯曲时上表面积蓄负电荷，下表面呈正电。本发明在压电元件达到极值时对压电元件积蓄的电能进行提取，具体为，当悬臂梁带动压电元件向上弯曲达到位移极值时，质量球与开关触点1进行接触，电路回路经l1→d1→r1→c1导通，将压电元件中的能量传递到第一储能元件c1中；反之，当压电元件向下弯曲达到位移极值时，质量球与开关触点2进行接触，电路回路经r1→c1→d2→l1导通，同样将压电元件中的能量传递到第一储能元件c1中。本发明中压电元件向上或向下弯曲到位移极值时，对电容c1所施加的电压均为上正下负，由此可以得到持续的能量积累。并且在本发明中质量球与开关触点的接触并非一瞬间完成，在压电元件的位移达到极值后的一段时间，以向上弯曲为例，在向上弯曲达到极值时，会进向下的弯曲，此时质量球与开关触点并未分离，此时会产生相反的电压值，但是由于电感l1的作用，相反的电压值会有进一步的提升，这就是串联电感同步开关提取电路中对电压翻转的电压提升作用。本发明是对串联电感同步开关提取电路中开关方式进行选择，对于具体元器件的选取没有特殊要求。本发明所述电子开关作为第二开关设置于升降压斩波电路中；在本发明中，所述升降压斩波电路使用电子开关作为第二开关，本发明通过包络检测器来检测第一储能电容c1中的能量，当c1中的能量达到一定值时，对三极管q1的基极施加电压，使三极管q1导通，使c1中的电压得以通过q1施加到三极管q2的基极，这样三极管q2也可以导通，由此第一储能电容c1中的能量通过lc谐振传递到升降压斩波电路中的电感l2中。在第一储能电容c1中的能量转移到l2后，第二开关断开，电感l2中的能量开始通过lc谐振向第二储能电容c2转移或者直接对负载rl进行供电。本发明是对升降压斩波电路中的开关方式进行选择，对于具体元器件的选取没有特殊要求。为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。实施例将机械开关固定在墙壁上，压电元件贴合并固定在悬臂梁上，当悬臂梁受到外加激励时，使压电元件弯曲程度与悬臂梁弯曲程度一致，保证压电元件与悬臂梁同时达到位移极值；用一个夹子形状的质量块固定在悬臂梁末端，作为增加激励时振动的效果，并且在夹子形状的尖端固定镶嵌导电的金属小球，作为开关接触时的开关触点；在质量块之间插入弹性杆，弹性杆末端插入在导电的质量球中；整个装置可以在施加激励时进行震动，并且金属杆和质量球两个结构还可以相对其他结构产生相对位移，使质量球可以在压电元件位移达到极值附近与开关触点进行接触，达到开关闭合的动作。在压电元件下表面用导线与质量球连接，使其构成一个导电的通路；再用导线将机械结构与图4串联外部电路部分进行连接，具体连接方式为：a点与压电元件上表面连接、b点与开关触点1连接、c点与开关触点2连接。通过图3与图4的连接构成了对第一储能电容c1充电的串联电感同步开关提取电路，具体的工作原理如图2所示。再将电阻r1、第一储能电容c1作为升降压斩波电路的输入端，使用电子开关连接成图1的完整电路结构。对比例1利用压电元件与四个二极管构成的整流桥形成全桥整流电路，为保证对比的效果，整个机械开关的结构保持不动，但其中的导线需要重新连接，具体为压电元件的上下表面分别连接整流桥的两个交流输入端，并在后端连接与实施例中第二储能电容c2相同的电容及负载(即标准能量提取电路)。对比例2整个机械开关结构依旧保持不变，连接方式与对比例相同，并在对比例1的压电元件与整流桥之间加入使用包含电子开关的串联开关和电感电路(即串联电感同步开关能量提取电路)。整流桥之后的电路(包括电容c2和负载rl)与对比例1相同。对比例3整个机械开关结构依旧保持不变，连接方式与对比例相同，并在对比例1的整流桥与电容c2和负载rl之间连接包含r1、c1及之后的升降压斩波电路(即同步电荷提取电路)。电容c2与负载rl的值依旧与实施例相同。测试例1通过对上述所有实施例、对比例施加相同的激励，并且这个激励使压电元件发出电压值要足够大(远大于二极管的导通阈值)。在这个激励的基础上测试每种电路输出的功率值，如果提取的功率随负载的变化而变化，那么选取提取功率最大的电阻值进行测量，即选取改变电阻值时测量的功率值最大的那个功率值，并将其与对比例1的电路提取的功率进行比较。表1实施例和对比例1、对比例2、对比例3中提取功率对比序号负载对输出功率有无影响与对比例1的最大输出功率之比对比例1有影响1对比例2有影响7对比例3无影响4实施例无影响5由表1的结果可以得出，本发明实施例通过对压电元件的提取效率的归一化计算，得到五倍于对比例1(标准能量提取电路)的功率。相对于对比例3(同步电荷提取电路)而言，在提取功率不随负载变化的同时，回收功率又有了进一步的提升；并且相对于对比例2(串联同步开关电感电路)而言，虽然效率略低于串联同步开关电感电路，但胜在输出的功率值稳定，这对于负载的供电十分重要。不仅如此本发明对整流桥和电子开关也进行了简化，在面对较低的电压值时，对自供能的体现尤为明显，表现为较低的提取能量时也能保证电路的运行。尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。当前第1页12