CN102801203A - 压电发电充电器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种压电发电充电器，主要由压电发电体、整流及稳压电路、升压电路、以及自动极性判别及充电电路、以及储能充电电池构成。上述压电发电体包括活动柱、固定壁、压电陶瓷片和回位弹簧。整流及稳压电路输入端连接在压电发电体的电源输出端上，整流及稳压电路输出端连接储能充电电池的输入端；储能充电电池的输出端经过升压电路与自动极性判别及充电电路相连接。本发明具有结构简单、节约能耗的特点。

Description

压电发电充电器

技术领域

本发明涉及一种充电器，具体涉及一种压电发电充电器。

背景技术

充电器是一种将交流电转换为低压直流电的设备。充电器在各个领域用途广泛，特别是在生活领域被广泛用于手机、相机等等常见电器。传统的充电器是采用电力电子半导体器件，将电压和频率固定不变的市电交流电变换为直流电的一种静止变流装置。虽然充电器所需的供电功耗较少，但长时间采用市电作为供电电源，仍然是一笔不小的开销。

我们都知道压力无处不在，压力也是一种能量。如果能把这些我们无意识间略掉的能量收集起来转换成电能的形式加以利用，是对人类社会日益匮乏的能源将是一个补充。如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效应）。压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能，压电陶瓷发电装置的优点在于结构简单、无污染、能量密度大、易于加工等。压电陶瓷换能器通过一定的工艺加工可以制成各种电子设备的供电能源，能够使电子设备适应环境进行自供电，提高设备的免维护性。基于这几点的思考我们提出了基于压力发电的充电器。它把压力转换成电能存储起来供外设充电。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种压电发电充电器，其具有结构简单、节约能耗的特点。

为解决上述问题，本发明所设计的一种压电发电充电器，主要由压电发电体、整流及稳压电路、升压电路、以及自动极性判别及充电电路、以及储能充电电池构成。上述压电发电体包括活动柱、固定壁、压电陶瓷片和回位弹簧；其中固定壁为中空的柱形壁，长条形的活动柱贯穿设于柱形壁的中部、且活动组的轴心与柱形壁的轴心重合，活动柱的一端为施力端、另一端则固定有回位弹簧，上述弹簧的一端与活动柱相连、一端与柱形壁的底面相连，多个压电陶瓷片以活动柱为中心、固定壁的径向为延伸方向、呈放射状分布在固定壁的内部，每个压电陶瓷片平水平设置在柱形壁的内部、且压电片的其中一端固定在活动柱的外侧壁上、另一端则固定在活动壁的内侧壁上；多个压电陶瓷片的输出电极相互并联构成压电发电体的电源输出端。整流及稳压电路输入端连接在压电发电体的电源输出端上，整流及稳压电路输出端连接储能充电电池的输入端；储能充电电池的输出端经过升压电路与自动极性判别及充电电路相连接。

上述方案中，压电陶瓷片最好由2片压电晶体片和金属垫片构成，2片压电晶体片分别胶合在金属垫片的上下2个侧面上；2片压电晶体片的极化方向相同、即均沿垂直于金属垫片平面方向极化；2片压电晶体片相互短接形成压电陶瓷片的其中一个输出电极、金属垫片作形成压电陶瓷片的其中另一个输出电极。

上述方案中，压电陶瓷片的两端最好分别通过固定夹具与活动柱的外侧壁和活动壁的内侧壁相连。

上述方案中，所述压电发电充电器最好还进一步包括双掷开关、模数转换电路、控制器和液晶显示器；储能充电电池的输出端经过双掷开关的其中一个端与模数转换电路的输入端相连，双掷开关的另一个端接在控制器上；模数转换电路的输出端连接控制器的输入端，控制器的输出端与液晶显示器相连。

与现有技术相比，本发明利用压电陶瓷设计并制作一个压电发电体，把脚下或者其它的压力通过压电陶瓷转换成电能并存储。利用压电陶瓷正压电效应的特点及原理，将压电陶瓷通过正压电效应产生电能，通过选择合适的压电片，并设计压电陶瓷片的压电方式以及连接方式。压电方式采用电极并联压电片悬梁发电结构，连接好的压电陶瓷片，通过滤波、整流、稳压，先把能量暂存在储能充电电池中，然后通过DC-DC升压电路以及充电电路输出给外部进行充电。此外，若想在充电过程中查看充电状态，把开关闭合接上辅助电路，通过控制器控制A/D模块采集电压信号，并通过LCD显示。

附图说明

图1为一种压电发电充电器的电路原理图。

图2为压电发电体结构示意图。

图3为压电陶瓷片结构示意图。

图4为整流及稳压电路原理图。

图5为升压电路原理图。

图6为自动极性判别及充电电路原理图。

图中标示：1、活动柱；2、固定壁；3、压电陶瓷片；4、回位弹簧；5、固定夹具。

具体实施方式

参见图1，一种压电发电充电器主要由压电发电体、整流及稳压电路、升压电路、自动极性判别及充电电路、储能充电电池、双掷开关、模数转换电路、控制器和液晶显示器构成。

压电发电体能够将外界的压力转换为电能，其结构如图2所示。在本实施例中，压电发电体主要由活动柱1、固定壁2、压电陶瓷片3和回位弹簧4构成。其中固定壁2为中空的柱形壁，长条形的活动柱1贯穿设于柱形壁的中部、且活动组的轴心与柱形壁的轴心重合，活动柱1的一端为施力端、另一端则固定有回位弹簧4，上述弹簧的一端与活动柱1相连、一端与柱形壁的底面相连，多个压电陶瓷片3以活动柱1为中心、固定壁2的径向为延伸方向、呈放射状分布在固定壁2的内部，每个压电陶瓷片3平水平设置在柱形壁的内部、且压电片的其中一端固定在活动柱1的外侧壁上、另一端则固定在活动壁的内侧壁上；多个压电陶瓷片3的输出电极相互并联构成压电发电体的电源输出端。为了能够让压电陶瓷片3能够更好地固定，压电陶瓷片3的两端还分别通过固定夹具5与活动柱1的外侧壁和活动壁的内侧壁相连。当要发电时，向活动柱1施加向下的力。释放后，由于存在回位弹簧4的原因，活动柱1会在固定壁2的内腔中上下振动一段时间。此时压电陶瓷片3中固定在活动柱1上的那一端会随着活动柱1一块振动，而固定在固定壁2上的一端则固定不动，因此压电陶瓷片3发电会持续一段时间，不用一直施加压力，从而极大地提高了发电效率。

上述压电陶瓷片3可以采用现有技术已知的压电陶瓷片3，在本实施例中，所述压电陶瓷片3结构如图3所示，即压电陶瓷片3由2片压电晶体片和金属垫片构成，2片压电晶体片分别胶合在金属垫片的上下2个侧面上；2片压电晶体片的极化方向相同、即均沿垂直于金属垫片平面方向极化(图中x所示方向)；2片压电晶体片相互短接形成压电陶瓷片3的其中一个输出电极、金属垫片作形成压电陶瓷片3的其中另一个输出电极。本实施例所使用的压电晶体片为PZT陶瓷，原材料：PbZrxTi{1-x}O3锆钛酸铅。

设梁的长度为L，宽度为a，金属垫片厚度为t_sh，晶片厚度为t_c，受外力作用，产生的x方向挠度为h=Hsinwt。

输出电流：

①

输出电压：

②

输出功率：

$P=\frac{{9a}^2{(t_c+t_{\mathrm{sh}})}^2{d}_{31}^2{H}^2\mathrm{\ω}{t}_C^{2}R}{8{\left(s_{11}^E\right)}^2{l}^2\{t_c^2+{4a}^2{l}^2{\mathrm{\ω}}^2{R}^2[{\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ϵ}}_{33}}}^2+{\left({\mathrm{\ϵ}}_{33}^T\right)}^2\left]\right\}}$ ③

最大功率：

$p_{\mathrm{MAX}}=\frac{9w(t_c+t_{\mathrm{sh}})d_{31}^2{H}^2\mathrm{\ω}{t}_c}{32{\left(s_{11}^E\right)}^2{l}^2\sqrt{{\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ϵ}}_{33}}}^2+{\left({\mathrm{\ϵ}}_{33}^T\right)}^2}}$ ④

理想负载：

$R_{\mathrm{OPT}}=\frac{t_c}{2\mathrm{al\ω}\sqrt{{\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ϵ}}_{33}}}^2+{\left({\mathrm{\ϵ}}_{33}^T\right)}^2}}$ ⑤

压电陶瓷的通过弯曲压电片产生信号，快速弯曲程度到一定角度又快速恢复原状态，并使用该压电发电片采用并联方法，使输出的电流达到更大。

由于压电发电体发出的功率较小，在增加很多外围电路时，这些电路元件已经全部消耗完了发出的电能，使得采集电能的效率太低，所以应尽量减少电路的其他元件的耗电。在本实施例中，整流及稳压电路输入端连接在压电发电体的电源输出端上，整流及稳压电路输出端连接储能充电电池的输入端；储能充电电池的输出端经过升压电路与自动极性判别及充电电路相连接。储能充电电池的输出端经过双掷开关的其中一个端与模数转换电路的输入端相连，双掷开关的另一个端接在控制器上；模数转换电路的输出端连接控制器的输入端，控制器的输出端与液晶显示器相连。压电发电体、整流及稳压电路、升压电路、自动极性判别及充电电路、储能充电电池构成本充电器的核心电路，用以实现本发明的主要目的。双掷开关、模数转换电路、控制器和液晶显示器构成本充电器的辅助电路。为了节约能耗，辅助电路可以选择性的接于核心电路上。即当使用者需要节约能耗时，把双掷开关断开以切断辅助电路；而当使用者需要查看充电状态时，把双掷开关闭合以接上辅助电路。本发明的工作流程是：①充电电路核心电路部分：首先振动压电陶瓷发电片产生电信号，通过整流电路，滤波电容，稳压电路，对镍镉充电电池充电，②充电电路辅助电路部分：由控制器控制A/D模块和LCD模块，A/D模块测量电池电压，通过电压表明现在电池的电量，并用控制器通过LCD模块显示出来。③核心电路部分和辅助电路部分由双掷开关进行控制，如果要充电快，就不接辅助电路部分，如果想看状态，就接上辅助电路部分。

在本实施例中，整流及稳压电路如图4所示，使用桥式整流，滤波电容滤波，稳压管稳压，直接给充电电池充电，使用的器件少，电路几乎没有功耗，压电发电片所产生的电能很大程度被电池吸收。桥式整流电路将压电片的交流信号装化为直流信号，桥式整流电路的信号的频率根据活动柱1的振动速度相应的增加减小，将此信号通过滤波电容和稳压管后，直接给储能充电电池充电。储能充电电池选择的镍镉充电电池充电，该电池耐过充能力较强，容量较大，内阻小，输出电流大。

在本实施例中，升压电路如图5所示，该电路将储能充电电池进行升压。所用升压电路DC/DC变换器是一单片双极型线性集成电路。片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器、驱动器和大电流输出开关，能输出1.5A的开关电流。它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。能在3.0-40V的输入电压下工作，短路电流限制，低静态电流，输出开关电流可达1.5A无外接三极管，输出电压可调。其输出电压值也是通过改变R4、R5电阻值来进行调整，其输出电压符合以下公式：Vout=(1+R4/R5)×1.25V。

在本实施例中，自动极性判别及充电电路如图6所示，该电路具有电池检测、电池空载稳压输出、正常充电及饱和检测、短路保护等功能。通过DS1、DS2、DS3显示相应的状态。在电源断开的情况下接入电池，自动极性判别及充电电路芯片会通过自动“极性识别”系统对外部待充电电池进行相应控制，使电池检测指示灯DS1、DS2和DS3显示不同的状态。当电源连通而尚未接入对外部待充电电池时，充电器两端之间的电压差为4.25V典型值，指示灯DS1、DS2和DS3显示不同的状态。电源连通并且接入未满电池时，电源开始通过充电电路芯片的控制对电池进行正常充电如前所述，此时不论电池以何种极性接入电路，均能正常充电，电池两端电压缓缓升高，当电池电压升高到4.25V典型值时，充电过程结束，电池已饱和。指示灯DS1、DS2和DS3显示不同的状态。若在电源接入后发生电池短路的情况，则自动极性判别及充电电路芯片内部“短路保护”系统会自动将充电回路切断，避免产生大电流。指示灯DS1、DS2和DS3显示不同的状态。

Claims (5)

1.压电发电充电器，其特征在于：其主要由压电发电体、整流及稳压电路、升压电路、自动极性判别及充电电路、以及储能充电电池组成；

上述压电发电体包括活动柱（1）、固定壁（2）、压电陶瓷片（3）和回位弹簧（4）；其中固定壁（2）为中空的柱形壁，长条形的活动柱（1）贯穿设于柱形壁的中部、且活动组的轴心与柱形壁的轴心重合，活动柱（1）的一端为施力端、另一端则固定有回位弹簧（4），上述弹簧的一端与活动柱（1）相连、一端与柱形壁的底面相连，多个压电陶瓷片（3）以活动柱（1）为中心、固定壁（2）的径向为延伸方向、呈放射状分布在固定壁（2）的内部，每个压电陶瓷片（3）平水平设置在柱形壁的内部、且压电片的其中一端固定在活动柱（1）的外侧壁上、另一端则固定在活动壁的内侧壁上；多个压电陶瓷片（3）的输出电极相互并联构成压电发电体的电源输出端；

整流及稳压电路输入端连接在压电发电体的电源输出端上，整流及稳压电路输出端连接储能充电电池的输入端；储能充电电池的输出端经过升压电路与自动极性判别及充电电路相连接。

2.根据权利要求1所述的压电发电充电器，其特征在于：上述压电陶瓷片（3）由2片压电晶体片和金属垫片构成，2片压电晶体片分别胶合在金属垫片的上下2个侧面上；2片压电晶体片的极化方向相同、即均沿垂直于金属垫片平面方向极化；2片压电晶体片相互短接形成压电陶瓷片（3）的其中一个输出电极、金属垫片作形成压电陶瓷片（3）的其中另一个输出电极。

3.根据权利要求1所述的压电发电充电器，其特征在于：压电陶瓷片（3）的两端分别通过固定夹具（5）与活动柱（1）的外侧壁和活动壁的内侧壁相连。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的压电发电充电器，其特征在于：还进一步包括双掷开关、模数转换电路、控制器和液晶显示器；储能充电电池的输出端经过双掷开关的其中一个端与模数转换电路的输入端相连，双掷开关的另一个端接在控制器上；模数转换电路的输出端连接控制器的输入端，控制器的输出端与液晶显示器相连。

5.根据权利要求1所述的压电发电充电器，其特征在于：所述储能充电电池为镍镉充电电池。

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