寬頻帶壓電發(fā)電用非線性接口電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及振動(dòng)壓電發(fā)電領(lǐng)域，特別提供一種寬頻帶壓電發(fā)電用非線性接口 電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 嵌入式無(wú)線傳感技術(shù)由于具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，可工作在高速高溫腐蝕環(huán)境、 裝備內(nèi)部或偏遠(yuǎn)位置等，近些年來(lái)在工業(yè)監(jiān)控、安全監(jiān)控、智能交通、環(huán)保監(jiān)測(cè)、醫(yī)療監(jiān)護(hù)等 領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但目前無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)主要還是利用電池或外部電源方式進(jìn)行供 電，盡管在一定應(yīng)用場(chǎng)合能滿足需求，但仍存在諸多缺陷：外部電源布線困難、不易于集成 化、安裝困難;電池體積較大、使用壽命有限、替換困難、不易嵌入集成等。因此，如何為無(wú)線 傳感器節(jié)點(diǎn)持續(xù)供電是目前制約嵌入式傳感發(fā)展和應(yīng)用的首要技術(shù)瓶頸。隨著無(wú)線傳感器 節(jié)點(diǎn)功耗越來(lái)越低，收集環(huán)境能量并轉(zhuǎn)化為電能為其提供持久電能正成為一種重要技術(shù)途 徑，其中尤以振動(dòng)壓電發(fā)電受到關(guān)注最多，這是因?yàn)榄h(huán)境中振動(dòng)普遍存在，且壓電發(fā)電能量 密度高、易于微小化集成。
[0003] 壓電發(fā)電輸出的是大電壓、高阻抗、小電流的交流電，不能直接為負(fù)載供電，必須 進(jìn)行交流電到直流電(AC-DC)轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)橋式整流電路雖然可以方便地實(shí)現(xiàn)AC-DC轉(zhuǎn)換，但 缺點(diǎn)是它要求負(fù)載阻抗與壓電電源輸出阻抗匹配，以保證負(fù)載上獲取最大的能量。而壓電 發(fā)電的輸出阻抗很高，難以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。針對(duì)該問題，近年來(lái)基于同步開關(guān)的非線性接口 電路受到高度關(guān)注和廣泛應(yīng)用，其基本思想是當(dāng)壓電振子到達(dá)最大振幅位置時(shí)閉合開關(guān)， 此時(shí)產(chǎn)生電荷累積最多，之后再通過電感與壓電材料寄生電容形成LC振蕩回路將累積電荷 全部提取出來(lái)。非線性接口電路與傳統(tǒng)橋式整流電路相比，大大提高了AC-DC的轉(zhuǎn)換效率。
[0004] 但是，上述非線性接口電路的AC-DC轉(zhuǎn)換效率取決于整流電容電壓與最優(yōu)電壓的 接近程度。二者越接近則AC-DC轉(zhuǎn)換效率越大。在一些應(yīng)用場(chǎng)合，環(huán)境振動(dòng)并不是單頻的，而 是分布在寬頻帶內(nèi)，有的甚至是時(shí)變的。在這些環(huán)境下使用的非線性接口電路的整流電容 電壓，會(huì)隨環(huán)境振動(dòng)發(fā)生改變，有時(shí)會(huì)嚴(yán)重偏離該最優(yōu)電壓，造成非線性接口電路AC-DC轉(zhuǎn) 換效率大大降低。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 本實(shí)用新型的目的在于提供一種寬頻帶壓電發(fā)電用非線性接口電路，本實(shí)用新型 主要解決了現(xiàn)有非線性接口電路在寬頻帶環(huán)境中AC-DC轉(zhuǎn)換效率低的技術(shù)問題。
[0006] 本實(shí)用新型提供一種寬頻帶壓電發(fā)電用非線性接口電路，包括:電子開關(guān)電路，外 接寬頻帶壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)的輸出端，用于檢測(cè)振動(dòng)激勵(lì)的最大幅值;橋式整流電路，用于將寬 頻帶壓電發(fā)電輸出的交流電轉(zhuǎn)化為直流電；電壓控制電路，用于調(diào)整橋式整流電路中整流 電容兩端的電壓范圍為[￥孔^10，使心2;^:2^1^為整流電容的最優(yōu)電壓;0(：-0(：轉(zhuǎn) 換電路，用于將橋式整流電路輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為低直流電壓;上述四個(gè)組成電路串聯(lián) 電連接。
[0007] 進(jìn)一步地，電壓控制電路包括與橋式整流電路電連接的施密特觸發(fā)器模塊山和耦 合于施密特觸發(fā)器模塊的穩(wěn)壓管Dn、D12，施密特觸發(fā)器模塊U 1的正閾值為v?、反閾值電壓 為Vtl;穩(wěn)壓管Dn、D12，輸出端耦合于DC-DC轉(zhuǎn)換電路，用于保證電壓控制電路的輸出電平不 超出DC-DC轉(zhuǎn)換電路允許的電平范圍。
[0008] 進(jìn)一步地，施密特觸發(fā)器模塊U1的輸入端與橋式整流電路的輸出端相連，施密特 觸發(fā)器模塊U1的輸出端與穩(wěn)壓管D 11、D12相連，同時(shí)施密特觸發(fā)器模塊U1的輸出端還與DC-DC 轉(zhuǎn)換電路的使能端相連。
[0009] 進(jìn)一步地，電子開關(guān)電路包括彼此通過電感線圈L串聯(lián)的振動(dòng)波峰檢測(cè)器和振動(dòng) 波谷檢測(cè)器，振動(dòng)波峰檢測(cè)器用于檢測(cè)振動(dòng)激勵(lì)的波峰時(shí)刻，包括電容C 1、電阻R1、二極管 D1、D2、D3和三極管T1、T2;振動(dòng)波谷檢測(cè)器用于檢測(cè)振動(dòng)激勵(lì)的波谷時(shí)刻，電容C 2、電阻R2、二 極管D4、D5、D6和三極管T 3、T4。
[0010] 進(jìn)一步地，振動(dòng)波峰檢測(cè)器由電容d、電阻R1、二極管D1U3和三極管^組成， 電容C1的一端與二極管0:相連接，另一端與電感線圈L相連接，二極管0:的另一端與電阻心 相連接，三極管!^的基極同時(shí)與電阻R 1和電容D3的一端相連接;三極管T1的發(fā)射極分別與二 極管D 1和電容C1的一端相連接，三極管!^的集電極與二極管D2的一端相連接，三極管!^的基 極與二極管D 2的一端相連接，三極管T2的發(fā)射極與電感電容L的一端相連接，三極管T2的集 電極與二極管D 3的一端相連接。
[0011 ] 進(jìn)一步地，振動(dòng)波谷檢測(cè)器由電容C2、電阻R2、二極管D4、D5、D 6和三極管T3、T4組成， 其中：電容C2的一端與二極管D4相連接，另一端與電感電容L相連接，二極管D4的另一端與電 阻R2相連接;三極管Τ3的基極分別與電阻R2和二極管D4的一端相連接，三極管Τ3的發(fā)射極分 別與二極管D 4和電容C2的一端相連接，三極管T3的集電極與二極管D5的一端相連接，三極管 T4的基極與二極管05的一端相連接，三極管Τ4的發(fā)射極與電感電容L的一端相連接，三極管 T4的集電極與二極管D6的一端相連接。
[0012] 進(jìn)一步地，橋式整流電路包括四個(gè)彼此橋式電連接的整流二極管和與整流二極管 的輸出端電連接的整流電容，整流二極管為導(dǎo)通壓降小于0.7伏的肖特基二極管。
[0013] 進(jìn)一步地，DC-DC轉(zhuǎn)換電路為DC-DC轉(zhuǎn)換芯片；寬頻帶壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)由壓電材料和 彈性基體組成，壓電材料為鋯鈦酸鉛壓電材料或聚偏氟乙烯壓電材料;彈性基體為鋁基體 或銅基體;寬頻帶壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)為矩形、梯形、三角形或圓形。
[0014] 進(jìn)一步地，所用電能由壓電發(fā)電產(chǎn)生。
[0015] 本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)：
[0016] 本實(shí)用新型提供的寬頻帶壓電發(fā)電用非線性接口電路通過在傳統(tǒng)非線性接口電 路中增加了電壓控制電路，從而使得整流電容兩端電壓保持在最優(yōu)電壓附近，提高了該電 路對(duì)寬頻帶壓電發(fā)電的AC-DC轉(zhuǎn)換效率。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 現(xiàn)在將參考附圖更詳細(xì)地解釋本實(shí)用新型，其中：
[0018] 圖1是本實(shí)用新型的寬頻帶壓電發(fā)電用非線性接口電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖2是本實(shí)用新型寬頻帶壓電發(fā)電系統(tǒng)等效電路示意圖；
[0020] 圖3是實(shí)測(cè)Vre^t電壓波形；
[0021] 圖4是傳統(tǒng)非線性接口電路與本實(shí)用新型提供的電路的使用效果對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 本實(shí)用新型提供了一種用于寬頻振動(dòng)壓電發(fā)電的寬頻帶壓電發(fā)電用非線性接口 電路，包括：電子開關(guān)電路，外接寬頻帶壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)的輸出端，用于檢測(cè)振動(dòng)激勵(lì)的最大 幅值;橋式整流電路，用于將寬頻帶壓電發(fā)電輸出的交流電轉(zhuǎn)化為直流電；電壓控制電路， 用于調(diào)整橋式整流電路中整流電容兩端的電壓范圍為[V TL，VTH]為整 流電容的最優(yōu)電壓;DC-DC轉(zhuǎn)換電路，用于將橋式整流電路輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為低直流電 壓;上述四個(gè)電路串聯(lián)電連接。
[0023] 通過設(shè)置電控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)橋式整流電路中整流電容兩端的電壓進(jìn)行控制，使其 一直處于最優(yōu)電路的附近，避免在寬頻帶環(huán)境中容易出現(xiàn)的，由于該電壓偏離最優(yōu)值過遠(yuǎn) 導(dǎo)致的，AD-DC轉(zhuǎn)換效率過低的問題出現(xiàn)。從而提高