壓電式器件簡化振動能量收集原理

壓電式器件簡化振動能量收集原理

雖然“能量收集”自 2000 年初就已出現(xiàn)，但只是憑借近期的技術(shù)發(fā)展才將其推進至商業(yè)化階段。簡而言之，2010 年我們處在一個轉(zhuǎn)折點并將迎來其“成長”階段。運用能量收集技術(shù)的樓宇自動化傳感器應(yīng)用已經(jīng)在歐洲得到推廣，這說明其成長階段可能已拉開序幕。

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，但在某種實際環(huán)境中實現(xiàn)這樣一個系統(tǒng)卻十分麻煩、復雜和昂貴。然而，采用了能量收集方法的市場實例包括交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施、無線醫(yī)療設(shè)備、輪胎壓力檢測，而迄今為止最大的市場便是樓宇自動化。就樓宇自動化而言，諸如占有傳感器、溫度自動調(diào)節(jié)器和光開關(guān)等系統(tǒng)能夠免除通常所需的電源或控制線路，取而代之是一個機械或能量收集系統(tǒng)。

同樣，運用能量采集技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)⒔ㄖ飪?nèi)任何數(shù)目的傳感器連接起來，以在無人值守情況下通過切斷非緊要區(qū)域的供電來降低采暖、通風和空調(diào)以及照明成本。此外，能量收集電子線路的成本常常低于電源線路的運行成本，因此，選用收集電能技術(shù)顯然能夠帶來經(jīng)濟上的收益。

圖1：典型能量采集系統(tǒng)的四個主要模塊。

典型的能量收集配置或系統(tǒng) (見圖 1) 通常包括一種免費能源，例如：連接在某個振動機械源 (如空調(diào)管道或窗玻璃) 上的壓電換能器。這些小型壓電器件能夠?qū)⒑苄〉?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/振動">振動或應(yīng)變差轉(zhuǎn)換為電能。該電能隨后可由一個能量收集電路進行轉(zhuǎn)換并被變更為一種可用的形式，用于給下游電路供電。這些下游電子線路通常包括某種類型的傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和一個超低功率微控制器。上述組件可以獲取該收集能量 (以電流的形式存在) 并喚醒一個傳感器，以獲得一個讀數(shù)或測量結(jié)果，然后使該數(shù)據(jù)可通過一個超低功率無線收發(fā)器 (由圖 1 所示電路鏈中的第四個模塊來表示) 進行傳輸。

該鏈路中的每個電路系統(tǒng)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間；然而，超低功率收發(fā)器只是到最近才剛剛實現(xiàn)了商用化。不過，該鏈路中處于落后狀態(tài)的則一直是能量收集器。

現(xiàn)有的電源管理器模塊實現(xiàn)方案往往采用低性能的分立型結(jié)構(gòu)，通常包括30個或更多的組件。此類設(shè)計具有低轉(zhuǎn)換效率和高靜態(tài)電流。這兩個不足之處均導致了終端系統(tǒng)中的性能損失。低轉(zhuǎn)換效率將增加系統(tǒng)上電所需的時間，這反過來又延長了從獲取一個傳感器讀數(shù)至傳輸該數(shù)據(jù)的時間間隔。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自振動源或應(yīng)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(zhuǎn)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化了從這類能源收集剩余能量的工作。