專利名稱：一種基于壓電材料的自供電振動能量提取電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于振動能量收集領(lǐng)域，特別是涉及一種基于壓電材料的自供電振動能量提取電路。
背景技術(shù)：
隨著微功耗電子元器件的發(fā)展，將傳感器和無線通信節(jié)點(diǎn)結(jié)合在一起的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)正得到越來越廣泛的應(yīng)用。這些應(yīng)用可以提高大型機(jī)械設(shè)備、高速交通工具以及大跨度橋梁等結(jié)構(gòu)的可靠性，降低它們的維護(hù)費(fèi)用。還可以實(shí)時有效地監(jiān)測野外生態(tài)環(huán)境，如三峽庫區(qū)的生態(tài)監(jiān)測，確保該地區(qū)生態(tài)能夠及時得到保護(hù)。目前來講，絕大多數(shù)無線傳感器節(jié)點(diǎn)仍采用電池供電，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)存在著尺寸大、重量重以及連續(xù)工作壽命短等問題。大量的使用電池，也給環(huán)境帶來了很大污染。由于節(jié)點(diǎn)的功耗極低，外界壞境中存在多種類型的能量滿足節(jié)點(diǎn)的能量消耗。例如太陽能、熱能、振動能等等。值得一提的是，在外界系統(tǒng)中，振動能量無處不在并時時刻刻地存在，因此回收這些振動能并將其轉(zhuǎn)換成電能正吸引著大批學(xué)者的注意。將振動能轉(zhuǎn)化成電能一般米用三種方法電磁式、靜電式和壓電式。由于壓電材料具有較高的能量密度，且便于集成，因此該材料成為了環(huán)境振動能量回收技術(shù)的首選。利用壓電回收振動能量的裝置一般由帶壓電耦合材料的振蕩結(jié)構(gòu)，能量提取電路以及被供電的電子器件組成。然而，目前的振蕩結(jié)構(gòu)大多是線性結(jié)構(gòu)，有自身的固有頻率，且較難改變。環(huán)境的振動頻率和結(jié)構(gòu)本身固有頻率一致時，才會產(chǎn)生較大的回收功率，一旦頻率不一致，回收的功率會急劇降低。因此，很多學(xué)者開始致力于非線性結(jié)構(gòu)的研究，使得結(jié)構(gòu)能夠在較寬的頻帶范圍內(nèi)，均能回收較高的能量。這樣振動頻率就不能確定，但是壓電元件又具有電容性，因此等效電路中，相當(dāng)于供電電源的阻抗不能固定。一般來說如果將“電源”直接和負(fù)載連接，負(fù)載阻抗必須和“電源”實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，才能得到較高的功率。利用壓電材料的振動能量提取裝置顯然不能滿足這一要求。為了避免這一問題，許多非線性能量提取電路被提了出來，這些電路均能從一定程度上提高發(fā)電裝置的能量密度，但并非所有的電路都能完全避免阻抗匹配的問題。目前提出的非線性電路中，均能滿足上述要求兩點(diǎn)電路并不多，主要有同步電荷提取 SECE (Synchronous Electric Charge Extraction),雙同步開關(guān)米集 DSSH(Doubled Synchronized Switch Harvesting),增強(qiáng)型雙同步開關(guān)米集 ESSH (EnhancedSynchronized Switch Harvesting),初始能量注入(Energy Injection)等電路,其中后三種電路均是在同步電荷提取技術(shù)的基礎(chǔ)上提出來的，即均在壓電元件上電荷達(dá)到極大值時，一次性完全提取上面的電荷，并將電荷通過電感等電子元件，轉(zhuǎn)移到后續(xù)的負(fù)載電路中去。這一方法有效的將負(fù)載和發(fā)電裝置隔離了起來，使得負(fù)載阻抗和結(jié)構(gòu)回收的功率相對獨(dú)立。然而，這些電路在理論上非常具有優(yōu)勢，實(shí)際實(shí)現(xiàn)起來卻過于復(fù)雜。主要是同步電荷提取SECE技術(shù)中涉及到電子開關(guān)的閉合時間，該閉合時間在微秒級別并且要求非常精確，在實(shí)際能量回收裝置中，比較難實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明要解決得技術(shù)問題是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)的基于壓電材料的自供電振動能量提取電路。該電路不僅優(yōu)化了傳統(tǒng)的非線性能量提取電路開關(guān)閉合時間，而且使回收功率不受環(huán)境振動頻率的影響，從而提高本發(fā)明電路能量回收的能量密度。同時，由于能量回收裝置必須獨(dú)立工作，本電路自身能夠提供開關(guān)驅(qū)動信號來保證其正常工作。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的作者在同步電荷提取SECE電路的基礎(chǔ)上提出了一種優(yōu)化電路，叫優(yōu)化同步電荷提取OSECE (Optimized Synchronous Electric ChargeExtraction)電路。本發(fā)明的一種基于壓電材料的自供電振動能量提取電路包括非線性能量提取電路和兩個結(jié)構(gòu)相同的第一極值檢測電路和第二極值檢測電路；其中，所述非線性能量提取電路包括兩個模擬開關(guān)，分別用于控制所述非線性能量提取電路的通斷；所述極值檢測電路用來檢測壓電材料由于應(yīng)變在其表面產(chǎn)生的電荷；
當(dāng)檢測到壓電材料表面的電荷量處于極值并開始下降時，分別采用所述第一、第二極值檢測電路產(chǎn)生電壓信號作用于所述非線性能量提取電路的兩個模擬開關(guān)上，控制非線性能量提取電路中兩個模擬開關(guān)的閉合；所述非線性能量提取電路提取壓電材料由于應(yīng)變產(chǎn)生的電荷，并將其轉(zhuǎn)換為直流電壓后輸出給外接負(fù)載。作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述極值檢測電路包括第一、第二、第三電阻、第四二極管、微電容以及三極管；其中第一、第二電阻的一端為極值檢測電路檢測信號輸入端，連接所述壓電材料的一個表面，所述三極管的基極連接所述第一電阻的另一端，所述三極管的發(fā)射極連接第四二極管的陰極、微電容的一端，所述三極管的集電極連接第三電阻的一端；所述第四二極管的陽極連接所述第二電阻的另一端，所述微電容的另一端連接所述第三電阻的另一端并接地；
所述三極管的集電極為極值檢測電路的電壓信號輸出端，當(dāng)所述極值檢測電路檢測到壓電材料表面由于應(yīng)變產(chǎn)生的電荷處于極值并開始下降時，微電容電壓達(dá)到極值后保持不變，此時所述三極管發(fā)射極電壓大于基極電壓，三極管導(dǎo)通，所述極值檢測電路輸出電壓信號到所述非線性能量提取電路。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述非線性能量提取電路包括一個高品質(zhì)因數(shù)的反激式變壓器，以及第一、第二 N通道MOS管以及第一、第二、第三整流二極管；其中，所述反激式變壓器含有第一、第二原邊和一個副邊；所述第一整流二極管的陽極分別連接所述壓電材料的一個表面和第一極值檢測電路的檢測信號輸入端，第一整流二極管的陰極連接所述反激式變壓器的第一原邊的一端；所述第一 N通道MOS管的漏極連接所述反激式變壓器的第一原邊的另一端，第一 N通道MOS管的源極連接所述壓電材料的另一個表面，第一 N通道MOS管的柵極連接所述第一極值檢電路的電壓輸出端；所述第二整流二極管的陽極分別連接所述第一 N通道MOS管的源極和第二極值檢測電路的檢測信號輸入端，第二整流二極管的陰極連接所述反激式變壓器的第二原邊的一端；所述第二 N通道MOS管的漏極連接所述反激式變壓器的第二原邊的另一端，第二 N通道MOS管的柵極接接所述第二極值檢電路的電壓輸出端；所述反激式變壓器的副邊的一端連接第三二極管的正極，反激式變壓器的副邊的另一端接地；電阻性負(fù)載或電容性負(fù)載并聯(lián)在所述反激式變壓器的副第三二極管的陰極和地之間；當(dāng)所述第一、第二極值檢測電路輸出的電壓使第一、第二N通道MOS管導(dǎo)通時，所述自供電能量提取電路導(dǎo)通工作，通過高品質(zhì)因數(shù)的反激式變壓器將壓電材料由于應(yīng)變產(chǎn)生的電荷量轉(zhuǎn)換成直流電后輸送到所述高品質(zhì)因數(shù)的反激式變壓器副邊電路連接的負(fù)載。本發(fā)明電路中的反激式變壓器將能量提取電路分成兩部分，左邊部分包含兩個原邊線圈以及模擬開關(guān)和整流二極管，直接連接到壓電元件上面。當(dāng)振蕩結(jié)構(gòu)在外力的作用下發(fā)生振動時，壓電兀件將產(chǎn)生交變的電壓信號，電壓信號出現(xiàn)極大值時，電路中的模擬開關(guān)閉合，和壓電元件，第一整流二極管，變壓器第一原邊線圈組成了一個閉合回路，由于壓電元件的電容性，該電路類似于LC振蕩電路，電路中的電荷將會在壓電元件和變壓器第一原邊線圈之間來回交替變化。相對于環(huán)境振動周期，非線性能量提取電路中左邊部分LC振蕩電路的振蕩周期其實(shí)非常短，一般低于環(huán)境振動周期的二十分之一。而壓電元件處于振蕩周期的時間每次均在四分之一到二分之一個振蕩周期之間，更加遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于環(huán)境振動周期。因此大部分時間中，壓電元件均處于開路狀態(tài)。該技術(shù)只要實(shí)現(xiàn)在壓電元件電壓達(dá)到極值時，觸發(fā)模擬開關(guān)并保證其閉合時間長于二分之一個振蕩周期即可。相對于同步電荷提取SECE技術(shù)中需要精確計(jì)算開關(guān)閉合時間，本發(fā)明中的優(yōu)化同步電荷提取OSECE技術(shù)大大優(yōu)化了開關(guān)控制策略。同樣相比于同步電荷提取SECE電路，在壓電材料上電壓達(dá)到極值時，會將全部的電荷提取走，該電路只提取了部分電荷，還有部分電荷仍然回流到壓電元件中。這樣做的好處就是能人為增加壓電元件上的電壓，在下一次提取時，壓電元件由于機(jī)電耦合得到的電荷將會更多，進(jìn)而相當(dāng)于提高了壓電元件的能量密度。該電路實(shí)現(xiàn)簡單并且變壓器可以獨(dú)立出來保證電路能更小型化，同時該電路優(yōu)化了裝置的回收功率，為無線傳感器節(jié)點(diǎn)，半主動振動控制器等電子模塊能獨(dú)立工作提供了可靠的技術(shù)解決方案。


圖1是自供電能量提取電路的原理 圖2顯示的是本發(fā)明提出的非線性能量提取電路、標(biāo)準(zhǔn)提取電路、同步電荷提取SECE電路的回收功率曲線 圖3是極值檢測器電路原理圖；期中，R1-R3為第一至第三電阻，D4為第四二極管，T為三極管，C為微電容；
圖4是基于壓電材料的自供電振動能量提取電路電路 其中R11、R12、R13為第一極值檢測電路的第一至第三電阻，R21、R22、R23為第二極值檢測電路的第一至第三電阻，Dll為第一極值檢測電路的第一整流二極管，D21為第二極值檢測電路的第二整流二極管，Cl1、C21分別為第一、第二極值檢測電路微電容，T11、T21為第一、第二極值檢測電路的三極管，D1、D2、D3為能量提取電路的第一至第三二極管，L1、L2為高品質(zhì)反激式變壓器第一、第二原邊線圈，L3為高品質(zhì)反激式變壓器副邊線圈，S1、S2為第一、第二 N通道MOS管，Cr是電容性負(fù)載，Rl是電阻性負(fù)載。
具體實(shí)施例方式為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行詳細(xì)的說明。如圖1所示，本實(shí)施例的基于壓電材料的自供電振動能量提取電路由非線性能量提取電路和兩個結(jié)構(gòu)相同的極值檢測模塊組成。電路中的反激式變壓器將能量提取電路分成兩部分，左邊部分包含兩個原邊線圈L1、L2以及模擬開關(guān)S1、S2和整流二極管Dl、D2，直接連接到壓電元件上面。當(dāng)振蕩結(jié)構(gòu)在外力的作用下發(fā)生振動時，壓電元件將產(chǎn)生交變的電壓信號，電壓信號出現(xiàn)極大值時，電路中的模擬開關(guān)SI閉合，和壓電元件，整流二極管D1，變壓器線圈LI組成了一個閉合回路，由于壓電元件的電容性，該電路類似于LC振蕩電路，電路中的電荷將會在壓電元件和電感LI之間來回交替變化。在開關(guān)SI閉合的一瞬間，由于壓電元件上的電壓處于極值，電荷會迅速地向電感LI上轉(zhuǎn)移，當(dāng)電荷轉(zhuǎn)移完畢時，電路中的電流達(dá)到極大值，此時由于開關(guān)SI仍處于閉合狀態(tài)，電感中的電荷將會回流到壓電元件中。由于觸發(fā)電子開關(guān)的電壓值需要達(dá)到或大于一個電壓閥值，所以并不是壓電元件上每個電壓極值信號，電子開關(guān)都閉合，在壓電元件上電壓值低于該閥值的局部極值處，能量提取電路不做任何反映，這就避免了因開關(guān)切換過于頻繁而過多地?fù)p失能量。由于變壓器的原理，原邊電壓和副邊電壓成正比關(guān)系，比值是_m (m是變壓器中原邊線圈和副邊線圈的匝數(shù)比)。此時看右邊的電路，一旦副邊線圈上的電壓達(dá)到直流電壓值VDC，副邊電壓將不再變化。這樣原邊電壓也將保持不變。由于結(jié)構(gòu)振動仍在繼續(xù)，壓電材料上產(chǎn)生的電壓此時仍將減小，這樣連接在電路中的整流二極管將立即處于反向截止?fàn)顟B(tài)，將該LC振蕩電路斷開。所以雖然開關(guān)仍處于閉合狀態(tài)，但已經(jīng)電路斷開，此時線圈LI上的電荷將不再回流到壓電元件上。此刻仍儲存在線圈LI中的電能將通過變壓器完全轉(zhuǎn)移到后續(xù)的負(fù)載電路中去。當(dāng)壓電元件上電壓信號出現(xiàn)極小值時，其將和模擬開關(guān)S2，整流二極管D2，變壓器線圈L2組成了一個閉合回路，整個過程和上述步驟類似。相對于環(huán)境振動周期，非線性能量提取電路中左邊部分LC振蕩電路的振蕩周期其實(shí)非常短，一般低于環(huán)境振動周期的二十分之一。而壓電元件處于振蕩周期的時間每次均在四分之一到二分之一個振蕩周期之間，更加遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于環(huán)境振動周期。因此大部分時間中，壓電元件均處于開路狀態(tài)。由上述介紹可知，該技術(shù)只要實(shí)現(xiàn)在壓電元件電壓達(dá)到極值時，觸發(fā)模擬開關(guān)并保證其閉合時間長于二分之一個振蕩周期即可。相對于同步電荷提取SECE技術(shù)中需要精確計(jì)算開關(guān)閉合時間，本發(fā)明中的OSECE技術(shù)大大優(yōu)化了開關(guān)控制策略。同樣相比于同步電荷提取SECE電路，在壓電片上電壓達(dá)到極值時，會將全部的電荷提取走，該電路只提取了部分電荷，還有部分電荷仍然回流到壓電元件中。這樣做的好處就是能人為增加壓電元件上的電壓，在下一次提取時，壓電元件由于機(jī)電耦合得到的電荷將會更多，進(jìn)而相當(dāng)于提高了壓電元件的能量密度。這也是圖2中顯示通過OSECE電路，回收功率比SECE電路高的原因。從理論推導(dǎo)以及圖2的結(jié)果圖可以看到，OSECE能在相當(dāng)寬一段阻抗范圍內(nèi)回收到較高的功率，甚至比利用SECE技術(shù)回收的功率還要高，再綜合其自身電路和開關(guān)控制策略簡單等特點(diǎn)，明顯可以看出其比SECE技術(shù)有優(yōu)勢。另外改變OSECE電路中變壓器的匝數(shù)t匕，就能改變負(fù)載阻抗的匹配范圍，且匝數(shù)比m的值越大，阻抗變化范圍越大。盡管這樣，由于大的m值會增加變壓器轉(zhuǎn)換過程中的損失，該損失并沒有完全考慮在理論模型中，因此結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，m值設(shè)計(jì)成I到5之間比較合適。圖3為極值檢測電路圖，以檢測極大值為例，壓電元件中的電壓信號V1直接作為輸入信號進(jìn)入該模塊，其中三極管T的基極電壓和輸入信號的電壓V1保持一致,發(fā)射極電壓和電容C上的電壓V2—致。當(dāng)輸入信號增加時，R2C電路處于充電狀態(tài)，由于該電路的時間常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于環(huán)境振動周期，因此輸入信號達(dá)到極大值時，電容C上的電壓V2也達(dá)到極大值。當(dāng)V1到達(dá)極大值并開始下降時，由于R2C電路中存在一個二極管D4, V2上面的電壓將保持不變。此時一旦V2與V1之間(三極管發(fā)射極與基極)的電壓差達(dá)到三極管飽和導(dǎo)通的條件，三極管立刻飽和導(dǎo)通，輸出信號立刻等于此時電容上V2的大小，也是圖中所示的極大值信號，該電壓值一旦大于電子開關(guān)的閥值電壓，開關(guān)將立刻閉合。如果三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，則輸出信號為0V，模擬開關(guān)處于閉合狀態(tài)。在理論分析中，并沒有過多考慮實(shí)際電路中二極管和三極管的死區(qū)電壓，但該物理現(xiàn)象的確存在，因此極大值觸發(fā)信號相對于裝置中振動的極大值，有一個相位延遲。通過理論分析，該相位延遲的大小主要與死區(qū)電壓值，壓電元件電容值，壓電元件力電耦合因子以及結(jié)構(gòu)振動的位移幅值有關(guān)。該相位延遲只降低裝置的能量回收密度。一般來說，相位延遲在40°以內(nèi)是被允許的，此時能量密度大約降低30%。該現(xiàn)象是本自供電電路特有的現(xiàn)象，即說明該自供電電路不消耗電能(實(shí)際消耗的電能極低，已被實(shí)驗(yàn)證實(shí))。由于其他自供電電路，例如速度信號自供電電路，數(shù)字自供電電路均會消耗額外的電能(運(yùn)放，微處理器等)，因此在常見的外部激振力大小一定的應(yīng)用環(huán)境中，本發(fā)明提出的自供電電路更具有應(yīng)用價值。圖4所示為本發(fā)明所提電路的實(shí)際電路圖，本發(fā)明的基于壓電材料的自供電振動能量提取電路包括非線性能量提取電路和兩個結(jié)構(gòu)相同的第一極值檢測電路和第二極值檢測電路。其中，非線性能量提取電路包括兩個模擬開關(guān)，分別用于控制非線性能量提取電路的通斷；極值檢測電路用來檢測壓電材料由于應(yīng)變在其表面產(chǎn)生的電荷。當(dāng)檢測到壓電材料表面的電荷量處于極值并開始下降時，分別采用第一、第二極值檢測電路產(chǎn)生電壓信號作用于非線性能量提取電路的兩個模擬開關(guān)上，控制非線性能量提取電路中兩個模擬開關(guān)的閉合。非線性能量提取電路提取壓電材料由于應(yīng)變產(chǎn)生的電荷，并將其轉(zhuǎn)換為直流電壓后輸出給外接負(fù)載。極值檢測電路包括第一、第二、第三電阻、第四二極管、微電容以及三極管。其中第一、第二電阻的一端為極值檢測電路檢測信號輸入端，連接壓電材料的一個表面，三極管的基極連接第一電阻的另一端，三極管的發(fā)射極連接第四二極管的陰極、微電容的一端，三極管的集電極連接第三電阻的一端。第四二極管的陽極連接第二電阻的另一端，微電容的另一端連接第三電阻的另一端并接地。三極管的集電極為極值檢測電路的電壓信號輸出端，當(dāng)極值檢測電路檢測到壓電材料表面由于應(yīng)變產(chǎn)生的電荷處于極值并開始下降時，微電容電壓達(dá)到極值后保持不變，此時三極管發(fā)射極電壓大于基極電壓，三極管導(dǎo)通，極值檢測電路輸出電壓信號到非線性能量提取電路。非線性能量提取電路包括一個高品質(zhì)因數(shù)的反激式變壓器，以及第一、第二 N通道MOS管以及第一、第二、第三整流二極管。其中，反激式變壓器含有第一、第二原邊和一個副邊。第一整流二極管的陽極分別連接壓電材料的一個表面和第一極值檢測電路的檢測信號輸入端，第一整流二極管的陰極連接反激式變壓器的第一原邊的一端。第一 N通道MOS管的漏極連接反激式變壓器的第一原邊的另一端，第一 N通道MOS管的源極連接壓電材料的另一個表面，第一 N通道MOS管的柵極連接第一極值檢電路的電壓輸出端。第二整流二極管的陽極分別連接第一 N通道MOS管的源極和第二極值檢測電路的檢測信號輸入端，第二整流二極管的陰極連接反激式變壓器的第二原邊的一端。第二 N通道MOS管的漏極連接反激式變壓器的第二原邊的另一端，第二 N通道MOS管的柵極接接述第二極值檢電路的電壓輸出端。反激式變壓器的副邊的一端連接第三二極管的正極，反激式變壓器的副邊的另一端接地。電阻性負(fù)載或電容性負(fù)載并聯(lián)在反激式變壓器的副第三二極管的陰極和地之間。當(dāng)?shù)谝弧⒌诙O值檢測電路輸出的電壓使第一、第二 N通道MOS管導(dǎo)通時，自供電能量提取電路導(dǎo)通工作，通過高品質(zhì)因數(shù)的反激式變壓器將壓電材料由于應(yīng)變產(chǎn)生的電荷量轉(zhuǎn)換成直流電后輸送到高品質(zhì)因數(shù)的反激式變壓器副邊電路連接的負(fù)載。可見當(dāng)壓電片信號和地電平交換時，該極值探測模塊即能夠探測極小值，并驅(qū)動電子開關(guān)。值得指出的時，電路中壓電片的負(fù)端，負(fù)載地，以及模擬開關(guān)參考地電平可以共一個地，無疑大大簡化了能量回收裝置的實(shí)現(xiàn)難度。上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式作了詳細(xì)說明，但是本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。
權(quán)利要求
1.一種基于壓電材料的自供電振動能量提取電路，其特征在于包括非線性能量提取電路和兩個結(jié)構(gòu)相同的第一極值檢測電路和第二極值檢測電路；其中，所述非線性能量提取電路包括兩個模擬開關(guān)，分別用于控制所述非線性能量提取電路的通斷；所述極值檢測電路用來檢測壓電材料由于應(yīng)變在其表面產(chǎn)生的電荷； 當(dāng)檢測到壓電材料表面的電荷量處于極值并開始下降時，分別采用所述第一、第二極值檢測電路產(chǎn)生電壓信號作用于所述非線性能量提取電路的兩個模擬開關(guān)上，控制非線性能量提取電路中兩個模擬開關(guān)的閉合；所述非線性能量提取電路提取壓電材料由于應(yīng)變產(chǎn)生的電荷，并將其轉(zhuǎn)換為直流電壓后輸出給外接負(fù)載。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓電材料的自供電振動能量提取電路，其特征在于所述極值檢測電路包括第一、第二、第三電阻、第四二極管、微電容以及三極管；其中第一、第二電阻的一端為極值檢測電路檢測信號輸入端，連接所述壓電材料的一個表面，所述三極管的基極連接所述第一電阻的另一端，所述三極管的發(fā)射極連接第四二極管的陰極、微電容的一端，所述三極管的集電極連接第三電阻的一端；所述第四二極管的陽極連接所述第二電阻的另一端，所述微電容的另一端連接所述第三電阻的另一端并接地； 所述三極管的集電極為極值檢測電路的電壓信號輸出端，當(dāng)所述極值檢測電路檢測到壓電材料表面由于應(yīng)變產(chǎn)生的電荷處于極值并開始下降時，微電容電壓達(dá)到極值后保持不變，此時所述三極管發(fā)射極電壓大于基極電壓，三極管導(dǎo)通，所述極值檢測電路輸出電壓信號到所述非線性能量提取電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于壓電材料的自供電振動能量提取電路，其特征在于所述非線性能量提取電路包括一個高品質(zhì)因數(shù)的反激式變壓器，以及第一、第二 N通道MOS管以及第一、第二、第三整流二極管；其中，所述反激式變壓器含有第一、第二原邊和一個副邊；所述第一整流二極管的陽極分別連接所述壓電材料的一個表面和第一極值檢測電路的檢測信號輸入端，第一整流二極管的陰極連接所述反激式變壓器的第一原邊的一端；所述第一 N通道MOS管的漏極連接所述反激式變壓器的第一原邊的另一端，第一 N通道MOS管的源極連接所述壓電材料的另一個表面，第一 N通道MOS管的柵極連接所述第一極值檢電路的電壓輸出端；所述第二整流二極管的陽極分別連接所述第一 N通道MOS管的源極和第二極值檢測電路的檢測信號輸入端，第二整流二極管的陰極連接所述反激式變壓器的第二原邊的一端；所述第二N通道MOS管的漏極連接所述反激式變壓器的第二原邊的另一端，第二 N通道MOS管的柵極接接所述第二極值檢電路的電壓輸出端；所述反激式變壓器的副邊的一端連接第三二極管的正極，反激式變壓器的副邊的另一端接地；電阻性負(fù)載或電容性負(fù)載并聯(lián)在所述反激式變壓器的副第三二極管的陰極和地之間；當(dāng)所述第一、第二極值檢測電路輸出的電壓使第一、第二 N通道MOS管導(dǎo)通時，所述自供電能量提取電路導(dǎo)通工作，通過高品質(zhì)因數(shù)的反激式變壓器將壓電材料由于應(yīng)變產(chǎn)生的電荷量轉(zhuǎn)換成直流電后輸送到所述高品質(zhì)因數(shù)的反激式變壓器副邊電路連接的負(fù)載。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于壓電材料的振動能量提取電路，包括極值檢測電路模塊和非線性能量提取電路模塊。該極值檢測電路能實(shí)時檢測壓電元件中的電荷量的極值，并在極值處輸出模擬開關(guān)的驅(qū)動信號，控制非線性能量提取電路開始或停止工作，將壓電材料表面電荷轉(zhuǎn)換成直流電給負(fù)載供電。整個電路功能均由模擬電子元器件實(shí)現(xiàn)，該自供電能量提取電路能夠有效地提高回收裝置中機(jī)電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的能量密度，同時確保裝置在較寬的振動頻帶范圍內(nèi)均有優(yōu)良表現(xiàn)。本發(fā)明能夠廣泛的用于能量自給的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，能量自給的半主動振動控制系統(tǒng)，以及其它的微功耗獨(dú)立工作的電子模塊。
文檔編號H02N2/18GK103036475SQ201210502948
公開日2013年4月10日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者吳義鵬, 季宏麗, 裘進(jìn)浩 申請人:南京航空航天大學(xué)