壓電式器件簡(jiǎn)化振動(dòng)能量收集原理

壓電式器件簡(jiǎn)化振動(dòng)能量收集原理

雖然“能量收集”自 2000 年初就已出現，但只是憑借近期的技術(shù)發(fā)展才將其推進(jìn)至商業(yè)化階段。簡(jiǎn)而言之，2010 年我們處在一個(gè)轉折點(diǎn)并將迎來(lái)其“成長(cháng)”階段。運用能量收集技術(shù)的樓宇自動(dòng)化傳感器應用已經(jīng)在歐洲得到推廣，這說(shuō)明其成長(cháng)階段可能已拉開(kāi)序幕。

能量收集的商業(yè)化可行性

盡管能量收集的概念廣為人知已有多年，但在某種實(shí)際環(huán)境中實(shí)現這樣一個(gè)系統卻十分麻煩、復雜和昂貴。然而，采用了能量收集方法的市場(chǎng)實(shí)例包括交通運輸基礎設施、無(wú)線(xiàn)醫療設備、輪胎壓力檢測，而迄今為止最大的市場(chǎng)便是樓宇自動(dòng)化。就樓宇自動(dòng)化而言，諸如占有傳感器、溫度自動(dòng)調節器和光開(kāi)關(guān)等系統能夠免除通常所需的電源或控制線(xiàn)路，取而代之是一個(gè)機械或能量收集系統。

同樣，運用能量采集技術(shù)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )能夠將建筑物內任何數目的傳感器連接起來(lái)，以在無(wú)人值守情況下通過(guò)切斷非緊要區域的供電來(lái)降低采暖、通風(fēng)和空調以及照明成本。此外，能量收集電子線(xiàn)路的成本常常低于電源線(xiàn)路的運行成本，因此，選用收集電能技術(shù)顯然能夠帶來(lái)經(jīng)濟上的收益。

圖1：典型能量采集系統的四個(gè)主要模塊。

典型的能量收集配置或系統 (見(jiàn)圖 1) 通常包括一種免費能源，例如：連接在某個(gè)振動(dòng)機械源 (如空調管道或窗玻璃) 上的壓電換能器。這些小型壓電器件能夠將很小的振動(dòng)或應變差轉換為電能。該電能隨后可由一個(gè)能量收集電路進(jìn)行轉換并被變更為一種可用的形式，用于給下游電路供電。這些下游電子線(xiàn)路通常包括某種類(lèi)型的傳感器、模數轉換器和一個(gè)超低功率微控制器。上述組件可以獲取該收集能量 (以電流的形式存在) 并喚醒一個(gè)傳感器，以獲得一個(gè)讀數或測量結果，然后使該數據可通過(guò)一個(gè)超低功率無(wú)線(xiàn)收發(fā)器 (由圖 1 所示電路鏈中的第四個(gè)模塊來(lái)表示) 進(jìn)行傳輸。

該鏈路中的每個(gè)電路系統模塊 (能源本身或許除外) 都特有一組迄今為止有損于其商業(yè)可行性的約束條件。低成本和低功率傳感器及微控制器面市已有幾年的時(shí)間；然而，超低功率收發(fā)器只是到最近才剛剛實(shí)現了商用化。不過(guò)，該鏈路中處于落后狀態(tài)的則一直是能量收集器。

現有的電源管理器模塊實(shí)現方案往往采用低性能的分立型結構，通常包括30個(gè)或更多的組件。此類(lèi)設計具有低轉換效率和高靜態(tài)電流。這兩個(gè)不足之處均導致了終端系統中的性能損失。低轉換效率將增加系統上電所需的時(shí)間，這反過(guò)來(lái)又延長(cháng)了從獲取一個(gè)傳感器讀數至傳輸該數據的時(shí)間間隔。高靜態(tài)電流則對能量收集電源能夠低到何種程度有所限制，因為它首先必須超越其自身操作所需的電流水平，然后才能將任何多余的功率提供給輸出。

新型壓電式能量收集器

迄今為止，人們所缺少的一直是能夠收集和管理來(lái)自振動(dòng)源或應變源的壓電能量、并具有低損耗全波橋式整流器的高集成度、高效率DC/DC降壓型轉換器。近期，凌力爾特推出的新型 LTC3588-1壓電式能量收集電源極大地簡(jiǎn)化了從這類(lèi)能源收集剩余能量的工作。