基于壓電效應(yīng)的電路分析研究

摘 要：壓電效應(yīng)技術(shù)以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)在環(huán)保節(jié)能領(lǐng)域扮演重要的角色。針對(duì)整流電路設(shè)計(jì)中的橋式整流電路和倍壓整流電路的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了介紹。此外采用一實(shí)例針對(duì)穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)中儲(chǔ)能元件的選擇和穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述。相信利用壓電材料作為發(fā)電裝置的應(yīng)用將帶來(lái)新的商業(yè)前景。

關(guān)鍵詞：壓電效應(yīng);壓電振子;整流電路;電路設(shè)計(jì)

引言：壓電晶體產(chǎn)生的電能具有突變性和瞬時(shí)性，無(wú)法直接為負(fù)載供電，因此在供負(fù)載使用之前需要進(jìn)行AC-DC整流、DC-DC穩(wěn)壓、儲(chǔ)存電能三個(gè)步驟。在這個(gè)過(guò)程中，電路的能量轉(zhuǎn)換效率以及儲(chǔ)能元件儲(chǔ)存能力直接影響壓電晶體輸出功率[1]。整流之后，須經(jīng)過(guò)電容濾波穩(wěn)壓，才能得到穩(wěn)定可使用的電能。本文就整流電路和穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)中涉及的方面進(jìn)行簡(jiǎn)要

介紹。

1.壓電效應(yīng)

壓電效應(yīng)[2]的機(jī)理是：當(dāng)外力作用在具有壓電性的晶體上時(shí)，晶體隨之發(fā)生形變，由于晶體較低的對(duì)稱性，晶胞中正負(fù)離子產(chǎn)生的相對(duì)位移使晶體發(fā)生宏觀極化。因此當(dāng)壓電材料受力發(fā)生形變時(shí)，它的兩個(gè)表面會(huì)出現(xiàn)異號(hào)電荷，也就是正壓電效應(yīng)。與此相反，將壓電材料置于電場(chǎng)中時(shí)，會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，即電荷中心的位移導(dǎo)致材料變形的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱之為逆壓電效應(yīng)。

2.整流電路

在交變的沖擊或外力作用下，壓電材料輸出的電流和電壓呈現(xiàn)不規(guī)則狀，所以必須先對(duì)壓電材料的輸出電流進(jìn)行整流。常見的整流方式有：半波整流、全波整流、橋式整流和倍壓整流[3]。下面主要介紹一下橋式整流電路和倍壓整流電路。

橋式整流電路通過(guò)四個(gè)二極管聯(lián)接構(gòu)成一個(gè)整體的整流電橋，無(wú)論交變輸入電壓處于哪一周期時(shí)，都會(huì)形成單向的脈動(dòng)直流電壓。而橋式整流電路中每只二極管承受的反向電壓等于輸入電壓U。

常見的雙倍壓整流中的電容C1和C2利用一個(gè)周期內(nèi)的正負(fù)電壓分別對(duì)其充電，使兩個(gè)電容都充電到接近整流輸入電壓的峰值后，C1和C2中的電荷串聯(lián)輸出，從而在輸出端得到輸入電壓U兩倍的直流電壓。

倍壓整流電路中，電容的電容量選擇過(guò)大，會(huì)造成電容充電時(shí)間增加。而在壓電材料振動(dòng)的四分之一個(gè)周期內(nèi)，如果電容中的電壓達(dá)不到一定值，會(huì)造成二極管無(wú)法導(dǎo)通。通過(guò)橋式整流電路與倍壓整流電路的輸出功率模擬比較，可以得到兩種電路的負(fù)載最大輸出功率大約相等，但倍壓電路適合負(fù)載比較大的結(jié)論[4]。此外，在倍壓整流電路中，每個(gè)二級(jí)管承受的最大反向電壓是U，遠(yuǎn)大于橋式整流電路中對(duì)二極管要求的反向電壓值。

綜上分析可知，橋式整流電路相對(duì)于倍壓整流電路來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，對(duì)二極管的性能要求較低，適用性更廣。

3.儲(chǔ)能元件的選擇

將電容作為儲(chǔ)能元件，容量大損耗小是選擇所須達(dá)到的首要目標(biāo)。由于電解電容的容量有限，不能滿足用電設(shè)備的使用。這里我們選用超級(jí)電容作為壓電振子的短期儲(chǔ)能元件。相比于電解電容，超級(jí)電容[5]具有很多優(yōu)勢(shì)：①大容量，內(nèi)阻小;②對(duì)電路要求不高;③使用壽命可達(dá)幾十萬(wàn)次;④充電快，效率高。

目前壓電發(fā)電的儲(chǔ)能元件以可充電電池居多，其中鋰電池最為常見。但壓電振子產(chǎn)生的輸出電壓和電流都不穩(wěn)定，所以還需要相應(yīng)的外圍控制電路才能為充電電池充電。

綜上分析可知，我們采用超級(jí)電容作為第一步的能量聚集，當(dāng)超級(jí)電容充電至一定程度時(shí)再通過(guò)穩(wěn)壓電路對(duì)充電電池充電。

4.穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

環(huán)境中的振動(dòng)能以隨機(jī)形式出現(xiàn)，壓電發(fā)電裝置產(chǎn)生的瞬時(shí)電壓存在著突變，并且輸出電壓和電流都不穩(wěn)定。這就需要把突變的電流電壓轉(zhuǎn)化為恒壓恒流給充電電池充電。MAX1672芯片輸入電壓范圍在1.8V到11V之間，輸出電壓初始設(shè)置值為3.3或5.0V，同時(shí)可以在1.25到5.55V之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。其內(nèi)部含有線性穩(wěn)壓器，具有DC-DC變換器的功能。因此可以根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的外圍元件來(lái)設(shè)計(jì)以MAX1672芯片為核心的穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路如圖所示。

外圍器件主要包括電感、肖特基二極管、鉭電容以及若干電阻。在輸入端接入一個(gè)鉭電容C1，起到減小輸出波動(dòng)并緩解負(fù)載劇烈變化的作用。為有效提高輸出電流，另一個(gè)鉭電容C2選用輸出電阻較小的。一般情況下，選用電感量較大的電感L1，因?yàn)殡娏髅}動(dòng)和輸出紋波隨著電感量的增大而減小。另外為提高M(jìn)AX1672的轉(zhuǎn)換效率，應(yīng)該選用飽和電流較大、直流電阻較小的電感，因?yàn)楫?dāng)電感接近飽和時(shí)損耗將會(huì)增大，而且直流電阻也是影響功率的損耗的因素之一。

5.結(jié)束語(yǔ)

在各個(gè)領(lǐng)域中，基于壓電效應(yīng)的各種壓電發(fā)電裝置都有著廣闊的應(yīng)用前景。本文從基于壓電效應(yīng)的電路分析進(jìn)行了簡(jiǎn)單的闡述。在不久的將來(lái)，相信利用壓電材料作為發(fā)電裝置的應(yīng)用也將帶來(lái)新的商業(yè)前景。

參考文獻(xiàn)：

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[3] QianJin，WENYingVoltage-doublerecti-fieranditsapplication.JournalofChangjiangVocationalUniversity.2002，19（1）：63-64

[4]潘家偉，基于壓電效應(yīng)的能量收集[碩士論文]，2008：26-34

[5]王曉峰，孔祥華，劉國(guó)慶等，新型化學(xué)儲(chǔ)能器件[J]，電化學(xué)電容，化學(xué)世界，2001，42（2）：103-108