一種適合隨機(jī)變形機(jī)械能輸入的微功耗壓電能量收集裝置制造方法
【專利摘要】一種適合隨機(jī)變形機(jī)械能輸入的微功耗壓電能量收集裝置，包括壓電裝置、橋式整流電路、由一級儲能電容與能量傳輸電感組成的一級諧振電路以及二級儲能電容與能量傳輸電感組成的二級諧振電路；在橋式整流電路的第二端口與能量傳輸電感之間裝有重置開關(guān)；二級儲能電容與能量傳輸電感之間裝有二極管。本實(shí)用新型通過設(shè)重置開關(guān)，作為電能量收集裝置的控制核心，動作迅速可靠，能夠根據(jù)輸入電壓信號是否達(dá)到峰值，自適應(yīng)閉路進(jìn)行電能收集或開路等待下一次的電能收集，不需要任何其他控制電路，提高能量收集效率；設(shè)一級儲能電容、能量傳輸電感及二級儲能電容，電能逐級傳輸，以適應(yīng)外界電能輸入信號的變化，不影響能量收集的效率。
【專利說明】一種適合隨機(jī)變形機(jī)械能輸入的微功耗壓電能量收集裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種電學(xué)設(shè)備，特別涉及一種適合隨機(jī)變形機(jī)械能輸入的微功耗壓電能量收集裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著移動智能終端和移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，智能手機(jī)、各類無線設(shè)備、可穿戴設(shè)備的應(yīng)用越來越普及，被譽(yù)為新一輪的技術(shù)浪潮，但是這一新技術(shù)也面臨著發(fā)展瓶頸——功耗日益增加，而自身的持續(xù)供電能力不足，需要經(jīng)常充電，嚴(yán)重影響了使用體驗(yàn)。
[0003]利用壓電材料從周圍環(huán)境中收集機(jī)械變形能量，簡稱為“壓電集能”，是突破這一瓶頸的極具潛力的技術(shù)解決方案。壓電集能技術(shù)是將壓電材料粘貼或嵌入于宿主結(jié)構(gòu)(如智能手機(jī)柔性屏幕、智能手表表帶)上，當(dāng)宿主結(jié)構(gòu)產(chǎn)生機(jī)械變形時，壓電元件產(chǎn)生誘導(dǎo)應(yīng)變，在兩極面上產(chǎn)生電荷，通過壓電元件兩極間連接的能量收集電路，將電荷抽取出來，存儲于一個專門的儲電裝置中，此儲電裝置即可作為電子設(shè)備的電源。
[0004]目前，壓電集能技術(shù)都是針對機(jī)械振動能量的收集，而日常應(yīng)用中宿主結(jié)構(gòu)往往處于隨機(jī)變形狀態(tài)，而不是處于機(jī)械振動狀態(tài)，能量收集的效率將受到極大影響。此外，現(xiàn)有的能量收集電路均需要較為復(fù)雜的控制電路和大量的元器件，以適應(yīng)外界電能輸入信號的變化，這些元器件本身就需要消耗掉大部分收集到的能量，進(jìn)一步降低了能量收集的效率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種設(shè)計合理，具備極高的能量收集效率的適合隨機(jī)變形機(jī)械能輸入的微功耗壓電能量收集裝置。
[0006]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是通過以下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的，本實(shí)用新型是一種適合隨機(jī)變形機(jī)械能輸入的微功耗壓電能量收集裝置，其特點(diǎn)是，包括壓電裝置、橋式整流電路、由一級儲能電容Cl與能量傳輸電感L組成的一級諧振電路以及二級儲能電容C2與能量傳輸電感L組成的二級諧振電路，二級諧振電路通過連通開關(guān)S2與負(fù)載相接；所述壓電裝置的兩極與橋式整流電路的第一端口、第三端口相接，橋式整流電路的第二端口、第四端口與一級儲能電容Cl相接，在橋式整流電路的第二端口與一級儲能電容Cl之間裝有二極管D1，在橋式整流電路的第二端口與能量傳輸電感L之間裝有重置開關(guān)SI，所述重置開關(guān)由PNP三極管與NPN三極管相接而成，PNP三極管的集電極與NPN三極管的基極相接，NPN三極管的集電極與PNP三極管的基極相接，PNP三極管的基極與橋式整流電路的第二端口相接，PNP三極管的發(fā)射極接在二極管Dl與一級儲能電容Cl之間；所述二級儲能電容C2與能量傳輸電感L之間裝有二極管D2，所述NPN三極管的發(fā)射極接在二極管D2與能量傳輸電感L之間。
[0007]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題還可以通過以下的技術(shù)方案來進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)，所述壓電裝置包括基板和設(shè)在基板上方的壓板，壓板鉸接在基板的一端，所述基板與壓板之間設(shè)有壓電片，壓電片通過鉸支與基板相接，在壓板底部設(shè)有與壓電片中心配合的壓頭。
[0008]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題還可以通過以下的技術(shù)方案來進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)，所述壓頭呈倒三角形。
[0009]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題還可以通過以下的技術(shù)方案來進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)，所述一級儲能電容Cl的電容值為壓電裝置電容值的0.5-2倍。
[0010]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題還可以通過以下的技術(shù)方案來進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)，所述一級諧振電路和二級諧振電路的諧振周期小于壓電裝置的輸入脈沖寬度。
[0011]本實(shí)用新型通過設(shè)重置開關(guān)，重置開關(guān)作為電能量收集裝置的控制核心，結(jié)構(gòu)簡單，動作迅速可靠，使得電能量收集裝置能夠根據(jù)輸入電壓信號是否達(dá)到峰值，自適應(yīng)閉路進(jìn)行電能收集或開路等待下一次的電能收集，不需要附加任何其他控制電路，僅由于電子器件固有的內(nèi)阻消耗掉很少的能量，極大地提高能量收集效率；設(shè)一級儲能電容Cl、能量傳輸電感L及二級儲能電容C2，電能逐級傳輸，以適應(yīng)外界電能輸入信號的變化，不會影響能量收集的效率；本實(shí)用新型所述的電能量收集裝置中的所有元器件均不需要外界穩(wěn)壓或穩(wěn)流類供電設(shè)備提供能量輸入，并且也不需要任何外界控制指令，具有良好的自適應(yīng)性。與現(xiàn)有技術(shù)相比，其設(shè)計合理，使用方便，具有良好的適應(yīng)性，提高了能量收集效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2是壓電裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0014]以下參照附圖，進(jìn)一步描述本實(shí)用新型的具體技術(shù)方案，以便于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步地理解本發(fā)明，而不構(gòu)成對其權(quán)利的限制。
[0015]參照圖1和圖2，一種適合隨機(jī)變形機(jī)械能輸入的微功耗壓電能量收集裝置，包括壓電裝置1、橋式整流電路2、由一級儲能電容Cl 13與能量傳輸電感L 8組成的一級諧振電路以及二級儲能電容C2 10與能量傳輸電感L 8組成的二級諧振電路，二級諧振電路通過連通開關(guān)S2 11與負(fù)載12相接；所述壓電裝置I的兩極與橋式整流電路2的第一端口 3、第三端口 14相接，橋式整流電路2的第二端口 4、第四端口 15與一級儲能電容Cl 13相接，在橋式整流電路2的第二端口 4與一級儲能電容Cl 13之間裝有二極管Dl 5，在橋式整流電路2的第二端口 4與能量傳輸電感L 8之間裝有重置開關(guān)SI，所述重置開關(guān)SI由PNP三極管6與NPN三極管7相接而成，PNP三極管6的集電極與NPN三極管7的基極相接，NPN三極管7的集電極與PNP三極管6的基極相接，PNP三極管6的基極與橋式整流電路2的第二端口 4相接，PNP三極管6的發(fā)射極接在二極管Dl 5與一級儲能電容Cl 13之間；所述二級儲能電容C2 10與能量傳輸電感L 8之間裝有二極管D2 9，所述NPN三極管7的發(fā)射極接在二極管D2 9與能量傳輸電感L 8之間。
[0016]所述壓電裝置I包括基板16和設(shè)在基板16上方的壓板17，壓板17鉸接在基板16的一端，所述基板16與壓板17之間設(shè)有壓電片19，壓電片19通過鉸支20與基板16相接，在壓板17底部設(shè)有與壓電片19中心配合的壓頭18。
[0017]所述壓頭18呈倒三角形，保證良好的壓電效果。
[0018]所述一級儲能電容Cl 13的電容值為壓電裝置I電容值的0.5-2倍。
[0019]所述一級諧振電路和二級諧振電路的諧振周期小于壓電裝置I的輸入脈沖寬度。
[0020]所述的電能量收集裝置中的所有元器件均不需要外界穩(wěn)壓或穩(wěn)流類供電設(shè)備提供能量輸入，并且也不需要任何外界控制指令；二級儲能電容C2 10的電容值由負(fù)載確定；能量傳輸電感L 8的電感值為0.2mH?5mH，具體電感值還需根據(jù)一級儲能電容Cl 13、二級儲能電容C2 10的電容值確定，使由能量傳輸電感L 8分別和一級儲能電容Cl 13、二級儲能電容C2 10組成的兩個諧振電路的諧振周期遠(yuǎn)小于壓電裝置的輸入脈沖的寬度；重置開關(guān)SI根據(jù)壓電裝置的輸出電壓是否達(dá)到峰值來確定其開路和閉路狀態(tài)，重置開關(guān)SI為完全自主動作，閉路時間僅為毫秒級別，即可完成由一級儲能電容Cl 13、能量傳輸電感L8和二級儲能電容C2 10之間的能量傳輸。
[0021]電能由壓電裝置和一級儲能電容Cl 13傳輸給能量傳輸電感L 8,再由能量傳輸電感L 8傳輸給二級儲能電容C2 10，并儲存起來，作為外界工作負(fù)載的電源。
[0022]在整個壓電能量收集裝置的原始狀態(tài)，壓電裝置沒有變形，NPN三極管7和PNP三極管6均處于截止?fàn)顟B(tài)，重置開關(guān)SI處于開路狀態(tài)。
[0023]在壓電裝置I變形后，其表面產(chǎn)生誘導(dǎo)電荷，通過橋式整流電路2和二極管Dl 5，傳輸給一級儲能電容Cl 13，此時，二極管Dl 5的第一端口 3 (PNP三極管6的基極)電壓高于第二端口 4 (PNP三極管7的發(fā)射極)電壓，PNP三極管6處于截止?fàn)顟B(tài)，重置開關(guān)SI處于開路狀態(tài)；在壓電裝置的輸入電壓達(dá)到峰值Vp并開始下降后，由于二極管Dl的單向效應(yīng)，二極管Dl 5的第二端口 4的電壓保持不變，約等于峰值電壓Vp-0.7V，第一端口 3的電壓開始下降，在第一端口 3電壓降低到Vp-L 4V，低于第二端口 4電壓約0.7V后，PNP三極管6的發(fā)射極的電壓將高于基極約0.7V，達(dá)到發(fā)射極與基極間的導(dǎo)通電壓(一般約0.7V)，PNP三極管6由截止工作狀態(tài)進(jìn)入放大工作狀態(tài)；由于發(fā)射極與基極之間，僅有二極管Dl 5是工作在負(fù)載狀態(tài)，其導(dǎo)通電阻極低，導(dǎo)致發(fā)射極與基極間的電流迅速增加，PNP三極管6由放大工作狀態(tài)進(jìn)入飽和工作狀態(tài)，此時，PNP三極管6的集電極的電壓低于發(fā)射極約0.3V,NPN三極管7的基極的電壓U1約為Vp-1V,集電極的電壓U2約為Vp-L 4V，發(fā)射極的電壓U3仍為0，三個極之間的電壓關(guān)系為Ui>U2>U3，NPN三極管7也由截止工作狀態(tài)進(jìn)入飽和工作狀態(tài)。在兩個三極管都處于飽和工作狀態(tài)下，重置開關(guān)SI為閉路狀態(tài),存儲于壓電裝置和一級儲能電容Cl 13的電能在幾毫秒的時間內(nèi)傳輸給能量傳輸電感L 8,再由傳輸給最終的二級儲能電容C2 10，作為外界用電器件的電源。
[0024]在壓電裝置I和一級儲能電容Cl 13的電能傳輸完成后，其電壓下降到約為0，此時PNP三極管6的發(fā)射極和基極之間的壓差低于0.7V，三極管由飽和工作狀態(tài)進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，同樣，NPN三極管7也由于各極之間的壓差降低而由飽和工作狀態(tài)進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。此時，兩個三極管都處于截止工作狀態(tài)下，重置開關(guān)SI恢復(fù)到開路狀態(tài)，能量傳輸停止，一個完整的能量傳輸過程結(jié)束，一級儲能電容Cl 13重新開始接受由壓電裝置I傳輸來的電能，等待下一個能量收集過程。
【權(quán)利要求】
1.一種適合隨機(jī)變形機(jī)械能輸入的微功耗壓電能量收集裝置，其特征在于:包括壓電裝置、橋式整流電路、由一級儲能電容Cl與能量傳輸電感L組成的一級諧振電路以及二級儲能電容C2與能量傳輸電感L組成的二級諧振電路，二級諧振電路通過連通開關(guān)S2與負(fù)載相接；所述壓電裝置的兩極與橋式整流電路的第一端口、第三端口相接，橋式整流電路的第二端口、第四端口與一級儲能電容Cl相接，在橋式整流電路的第二端口與一級儲能電容Cl之間裝有二極管D1，在橋式整流電路的第二端口與能量傳輸電感L之間裝有重置開關(guān)SI，所述重置開關(guān)由PNP三極管與NPN三極管相接而成，PNP三極管的集電極與NPN三極管的基極相接，NPN三極管的集電極與PNP三極管的基極相接，PNP三極管的基極與橋式整流電路的第二端口相接，PNP三極管的發(fā)射極接在二極管Dl與一級儲能電容Cl之間；所述二級儲能電容C2與能量傳輸電感L之間裝有二極管D2，所述NPN三極管的發(fā)射極接在二極管D2與能量傳輸電感L之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適合隨機(jī)變形機(jī)械能輸入的微功耗壓電能量收集裝置，其特征在于:所述壓電裝置包括基板和設(shè)在基板上方的壓板，壓板鉸接在基板的一端，所述基板與壓板之間設(shè)有壓電片，壓電片通過鉸支與基板相接，在壓板底部設(shè)有與壓電片中心配合的壓頭。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的適合隨機(jī)變形機(jī)械能輸入的微功耗壓電能量收集裝置，其特征在于:所述壓頭呈倒三角形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適合隨機(jī)變形機(jī)械能輸入的微功耗壓電能量收集裝置，其特征在于:所述一級儲能電容Cl的電容值為壓電裝置電容值的0.5-2倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適合隨機(jī)變形機(jī)械能輸入的微功耗壓電能量收集裝置，其特征在于:所述一級諧振電路和二級諧振電路的諧振周期小于壓電裝置的輸入脈沖寬度。
【文檔編號】H02N2/18GK204046281SQ201420439969
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年8月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月6日
【發(fā)明者】孫浩, 張玲凌, 孫正 申請人:孫浩, 張玲凌