设计的压电能量收集和存储设备

亚穆纳河。m B¹,k Shanmukha桑达尔²

PG学生(电力电子),部门EEE, Dayananda Sagar工程学院,班加罗尔,印度卡纳塔克邦
教授和负责人,部门EEE, Dayananda Sagar工程学院,班加罗尔,印度卡纳塔克邦

文摘

压电能量收集在电力电子是一个非常重要的概念。电力收获可能被定义为一个获取能量的过程周围的一个系统,把它转化为电能使用。压电能量收集最可靠和节能的方法之一。压电材料的晶体结构能够将机械应变能转化为电能。它也有一个电势转换成机械应变的能力。压电陶瓷是AC波所产生的力量,而不是直接用于电池充电,因此我们使用整流电路将交流电转换为直流电,提高转炉加强价值和锂离子电池充电器电路最终充电锂离子/锂聚合物电池。

关键字

压电陶瓷、能源获取、压电转换器、数据采集(采集)单元,电池存储。

我的介绍。

压电发电的电荷累积量是由于机械应变应用。最近的微型机电系统技术进步创造了一种便携式电子设备的需求迅速增长。它也变得越来越必要的便携设备携带自己的电源。传统的电池作为电源的最佳选择在大多数情况下这些设备。从机械振动发电使用周围的振动能量收集装置作为一种能源转化成有用的电能以权力的其他设备。捕获的电子系统周围的能量并将其转换为可用的电能,延长电源的生命周期或提供源源不断的能源已经引起许多研究者和带来收获。获取周围的能源系统的一个方法是使用压电材料。压电材料有独特的能力交换机电能量。这个属性允许他们使用吸收周围的机械能一个系统,通常环境振动,并将其转换为电能,可用于其他设备。

本文提出了有效的储存能量的方法使用压电陶瓷。非常可靠使用压电陶瓷产生电能,可以用于任何便携式设备供电。压电陶瓷的基本概念是机械应变应用于陶瓷如双压电晶片零件或单压电晶将它转换成电能。今天scenerio,其中有巨大的能源需求,这个想法压电概念的作品。

二世。相关工作

压电材料作为一种使用时从周围环境中收集能量,在大多数情况下这是一个必要的手段存储生成的能源被使用。没有积累大量的能源,电力收集系统将不是一个可行的电源对于大多数电子产品。电池已经被大多数电动设备的电源。然而,有限的一生和物理维度的电池已经呈现传统电池不可接受的一些重要或维护免费实时嵌入式应用程序如无线传感器、骨科植入物、等压电电源收获方法有几个优点:体积小,在自定义形状制作的能力。以前使用压电发电技术主要集中在通用发电(即任何低功耗电子设备)。这些研究表明,充分的权力可以产生一个压电装置在一个普通的鞋功率遥测识别标签在几米在散步。这种压电工作导致的设计紧凑,维护自由和成本效益的系统在人类的日常活动,如散步、慢跑、跑步等可用于生成电能。

三世。压电陶瓷电压采集

电压采集从压电陶瓷压电能量收集的重要阶段。它isd过程中压电陶瓷单或双压电晶片零件压电受到震动和机械应力从而应用于转化为电压。这是输入电压采集电路提供能量。从周围的能量收获积累能量转换成电能。压电发电的电荷积累由于机械压力应用。悬臂梁的压电陶瓷安装并使用瓶很兴奋。这会产生电能的机械应变应用于压电陶瓷,这个电信号感觉到,获得使用采集单元(数据采集)。这种电能从而从压电陶瓷用于能源获得收获,可用于不同的目的。悬臂梁的固有频率是使用下面的公式计算。第一固有频率,

ω=悬臂梁的固有频率在哪里

E =杨氏模量(N /¯害怕害怕一个½¯½2)

ρ=密度(公斤/¯害怕害怕一个½¯½3)

L =悬臂梁的长度(厘米)

压电陶瓷电压采集装置的框图如图3.1。它由一个压电陶瓷振实使用振动器,驱动由加速度计。加速度计提供了输入的振动器振动压电陶瓷安装在悬臂梁。这对压电陶瓷产生机械应变转换为电能。数据采集单元(数据收集)是用于获取数据产生的压电陶瓷和使用虚拟仪器软件表示为波形。

的供电电源为230 v交流使用降压器减少到110 v。这个变压器提供110 v是美联储作为输入到功率放大器。功率放大器提供放大的信号和输入的人物。瓶是用来产生振动的悬臂梁压电已经安装。振动产生的振动激发光束,因此应用机械应力产生能量。由压电陶瓷产生的能量是获得使用数据采集器存储使用虚拟仪器软件开发的民族乐器。

第四。提出拓扑

提出的拓扑结构的能量收获模块使用压电陶瓷是如下所示。电路由一个压电陶瓷、整流器、直流-直流提升转换器、电池充电电路和存储设备,如电池。

图2显示了该线路图的能量采集模块。它由压电陶瓷,当受到振动产生机械能可以转化成电能。因此我们获得所需的交流信号振幅。压电陶瓷产生的电压会有一些涟漪。所以,这应该是储存到电池之前纠正和过滤。二极管整流器然后提供了一个全波整流电压,最初是由一个简单的电容滤波器过滤产生直流电压。这通常产生的直流电压仍有一些波纹或ac电压变化。调节电路消除了涟漪,还维护相同的直流值即使输入直流电压的变化,或负载连接到输出直流电压的变化。这个电压调整通常是获得使用一个流行的稳压集成电路单元。经整流电路的直流信号是输入直流-直流转换器,Boost变换器用于加强电压之前应用到电池充电电路。 The battery charging circuit designed using MCP 73862 Ic is used to charge lithium ion/ lithium polymer batteries. The MCP73862 is a highly advanced Single or Dual Cell, Fully Integrated Li-Ion/Li-Polymer Charge Management Controllers. They are linear charge management controllers for use in space-limited, costsensitive applications. The device combine high-accuracy, constant voltage and current regulation, cell preconditioning, cell temperature monitoring, advanced safety timers, automatic charge termination, internal current sensing, reverseblocking protection, charge status and fault indication. Thus at the final stage, the lithium polymer battery is used to store the charge obtained from the piezo ceramic which can be used in electrical applications.

能量收集电路工作原理:

全波桥式整流器:

全波桥式整流器四个人整流二极管连接在一个封闭的循环使用桥接配置产生所需的输出。这座桥电路的主要优点是,它不需要一个特殊的中心抽头变压器,从而减少其规模和成本。单一二次绕组连接二极管桥网络和负载的一边到另一边,如下所示。

二极管桥式整流

四个二极管D1标记D4串联排列对只有两个二极管进行电流在每个周期的一半。在正半周期的供应,二极管D1和D2进行串联二极管D3、D4反向偏置时,电流流过负载如下所示。

Boost变换器:

提升是一个受欢迎的non-isolated功率级拓扑,有时被称为一个升压功率级。提高功率级通常选择在设计因为所需的输出总是高于输入电压。提高功率级的输入电流是连续或non-pulsating因为输出二极管进行只有在开关周期的一部分。输出电容器供应整个负载电流的开关周期。提高功率级的一个简化的示意图如下图所示。电感L和C电容器构成有效的输出滤波器。电容器等效串联电阻(ESR),钢筋混凝土,电感直流电阻,RL,包括在分析中。电阻R代表负载电源的输出。boost变换器是如此设计的操作只有在连续导电模式(CCM)。

一个功率级可以在连续或电感电流断续模式。在电感电流连续模式下,电感电流连续的在整个开关周期稳态操作。在电感电流断续模式下,电感电流零切换周期的一部分。它从0开始,达到峰值,归零在每个开关周期。是理想的功率级保持只有一个模式对其预期的操作条件,因为功率级频率响应两种操作模式之间的显著变化。

锂聚合物/锂离子电池充电器电路:

在一个节省空间的16-pin 4 x 4 QFN包,或16-pin SOIC包。MCP7386X提供了一个完整的、功能齐全的,独立的最小数量的外部组件的管理解决方案。

MCP73862/4适用于双系列电池锂离子或锂聚合物电池。MCP73862/4有两个可选择的电压调节选项(8.2 v和8.4 v),使用与可口可乐和石墨阳极,并运营一个8.7 v至12 v的输入电压范围。MCP73861/2和MCP73863/4差异只在充电状态输出的功能(STAT1)当一个充电周期已经完成。MCP73861/2闪光输出,而MCP73863/4关闭了的输出。

诉实验结果

图5显示了压电陶瓷时获得的电压的波形兴奋使用振动器。波形中的X -轴代表时间在毫秒和Y轴表示电压伏。wavefom连续信号,因此在一段时间内,我们获得连续的信号,这些信号过滤,只有强信号高于某些提到切断,存储和使用范围。瓶是由功率放大器提供放大振动器的输入。230 v ac交流电源连接到降压器获得110 v交流信号提供功率放大器。瓶是用来提供振动压电悬臂梁的安装。

图6显示了不同的输出电压值的图形绘制获得通过改变频率的功率放大器提供振动器的输入。瓶是用来产生振动。保持5 v的输入电压不变,改变频率不断从0 hz。在初始级别,没有输出电压。在特定的输入频率,输出电压上升,持续几个输入频率和它落在50 hz范围内。图中我们可以看到,在200赫兹,周围是输出电压上升1 v,滴在250赫兹频率和仍在0 v范围进一步改变频率。

图7显示了提高转换器的电感电流连续导电模式。当开关关闭时,电感电流上升和能源存储在电感器。这个电感电流CCM的图所示。

图8显示了二极管的电流波形,提高转换器。当开关关闭,目前的上涨和能源存储在电感但是当开关打开,能量存储在电感器转移到负载通过二极管和电感电流下降。因此,电流通过二极管被描述为图所示。

图9显示了提高转换器的输出,输入整流器的直流直流提升转换器提供2 v左右,这是增加到5 v的提高转换器。LM 2733集成电路中使用boost变换器是一个当前模式开关式稳压器。它使用小的电感和电容,因此导致最高功率密度。40 v内部开关使这些解决方案适合提高电压of16V或更高。这些部分有一个逻辑电平关闭针可以用来降低静态电流,延长电池寿命。保护电路通过逐周期提供限流和热关闭。内部补偿电路简化设计,降低组件中使用计数。

六。结论与未来的范围

压电能量采集是一个非常有趣的概念,在当今生活中,哪里有一个伟大的对能源的需求,最好是合适的,也非常高效的能源获取方式。压电陶瓷机械应力应用于它转换成电能。进一步这个电能存储在设备锂聚合物电池,以便它可以用于便携式设备如手机或其他手持电子设备。是非常可靠的,因为它使用人类的运动如散步、慢跑等,产生能量。整流器直流直流变换器和电池充电电路中使用的项目包含最小数量的组件,因此它非常紧凑,低成本和未来变化可以毫无困难的硬件。电路中包含进一步的组件可以很容易。

七世。确认

我对这个项目的完成的工作方式,我想表达我的感激之情的人直接或间接地参与了这个项目,使这个项目成为可能。

我想表达我深深的感激我的向导和我们亲爱的H.O.D、k . Shanmukha桑达尔博士、教授和头部,电气和电子、D.S.C.E,班加罗尔一直灵感的来源在两年的学位,鉴于他宝贵的指导和建议。

我还想延长我特别感谢所有的教学和非教学人员Dayananda Sagar工程学院(D.S.C.E),班加罗尔。

我想表达我衷心的感谢我的父母支持我情感和道德在这个项目。

引用

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