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TWI767449B - 具阻抗匹配之壓電片發電電路 - Google Patents

具阻抗匹配之壓電片發電電路 Download PDF

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TWI767449B
TWI767449B TW109144132A TW109144132A TWI767449B TW I767449 B TWI767449 B TW I767449B TW 109144132 A TW109144132 A TW 109144132A TW 109144132 A TW109144132 A TW 109144132A TW I767449 B TWI767449 B TW I767449B
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Taiwan
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power supply
impedance matching
impedance
equivalent
piezoelectric sheet
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Application number
TW109144132A
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TW202224333A (zh
Inventor
洪群雄
朱聖緣
洪衣田
蘇修賢
Original Assignee
國立高雄師範大學
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Publication date
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Abstract

本發明提供一種具阻抗匹配之壓電片發電電路，包含壓電片、整流單元及阻抗匹配單元。壓電片之等效電路包含等效電源、電源內阻及與電源內阻連接之電源端電容。電源端電容連接電源內阻並形成第一阻抗。整流單元電性連接壓電片。阻抗匹配單元串聯或並聯連接整流單元。阻抗匹配單元包含第一級變壓器及電感。其中阻抗匹配單元之電感透過第一級變壓器耦合而形成第二阻抗，藉以令第一阻抗與第二阻抗匹配。藉此，本發明之具阻抗匹配之壓電片發電電路藉由阻抗匹配提高壓電片發電電路之轉換效率。

Description

具阻抗匹配之壓電片發電電路
本發明是關於一種壓電片發電電路，特別是關於一種具阻抗匹配之壓電片發電電路。
壓電材料受到外加應力而產生應變的同時會產生電荷堆積的特性，意即將機械能轉換為電能。然而，壓電材料所產生之電能無法完整轉換並運用在負載上。有鑑於此，目前市場上缺乏一種能提高轉換效率之具阻抗匹配之壓電片發電電路，故相關業者均在尋求其解決之道。
因此，本發明之目的在於提供一種具阻抗匹配之壓電片發電電路，其透過阻抗匹配單元之第一級變壓器調整第二阻抗，使第二阻抗與第一阻抗匹配。
依據本發明的結構態樣之一實施方式提供一種具阻抗匹配之壓電片發電電路，包含壓電片、整流單元及阻抗匹配單元。壓電片之等效電路包含等效電源、電源內阻 及與電源內阻連接之電源端電容。電源端電容連接電源內阻並形成第一阻抗。整流單元電性連接壓電片。阻抗匹配單元串聯連接整流單元。阻抗匹配單元包含第一級變壓器及電感。其中阻抗匹配單元之電感透過第一級變壓器耦合而形成第二阻抗，藉以令第一阻抗與第二阻抗匹配。
藉此，本發明之具阻抗匹配之壓電片發電電路透過阻抗匹配單元之第一級變壓器調整第二阻抗，使第二阻抗與第一阻抗匹配，並在極短時間內提高具阻抗匹配之壓電片發電電路之電能轉換效率。
前述實施方式之其他實施例如下：前述第一級變壓器包含第一側線圈及第二側線圈。第二側線圈耦接電感。其中第一級變壓器具有第一線圈匝數比。阻抗匹配單元更包含第二級變壓器。第二級變壓器耦接於整流單元及第一級變壓器之間。第二級變壓器具有第二線圈匝數比。其中第二阻抗包含等效電感值，電感包含電感值。等效電感值為第一線圈匝數比之平方、第二線圈匝數比之平方及電感值之相乘。
前述實施方式之其他實施例如下：前述電源內阻串聯連接電源端電容。等效電源為等效電壓源。電源內阻串聯連接壓電片之等效電壓源。
前述實施方式之其他實施例如下：前述電源內阻包含第一端及第二端。電源端電容包含第一端及第二端。等效電源為等效電流源。電源內阻之第一端與等效電流源之一端電性連接，電源內阻之第二端與電源端電容之第一端 電性連接。電源端電容之第二端與等效電流源之另一端電性連接。
依據本發明的結構態樣之另一實施方式提供一種具阻抗匹配之壓電片發電電路，包含壓電片、整流單元及阻抗匹配單元。壓電片之等效電路包含等效電源、電源內阻及與電源內阻連接之電源端電容。電源端電容連接電源內阻並形成第一阻抗。整流單元電性連接壓電片。阻抗匹配單元並聯連接整流單元。阻抗匹配單元包含第一級變壓器及電感。其中阻抗匹配單元之電感透過第一級變壓器耦合而形成第二阻抗，藉以令第一阻抗與第二阻抗匹配。
藉此，本發明之具阻抗匹配之壓電片發電電路透過阻抗匹配單元之第一級變壓器調整第二阻抗，使第二阻抗與第一阻抗匹配，並在極短時間內提高具阻抗匹配之壓電片發電電路之電能轉換效率。
前述實施方式之其他實施例如下：前述第一級變壓器包含第一側線圈及第二側線圈。第二側線圈耦接電感。其中第一級變壓器包含第一線圈匝數比。
前述實施方式之其他實施例如下：前述阻抗匹配單元更包含第二級變壓器。第二級變壓器耦接於整流單元及第一級變壓器之間。第二級變壓器具有第二線圈匝數比。其中第二阻抗包含等效電感值，電感包含電感值。等效電感值為第一線圈匝數比之平方、第二線圈匝數比之平方及電感值之相乘。
前述實施方式之其他實施例如下：前述電源內阻串 聯連接電源端電容。等效電源為等效電壓源。電源內阻串聯連接壓電片之等效電壓源。
前述實施方式之其他實施例如下：前述電源內阻包含第一端及第二端。電源端電容包含第一端及第二端。等效電源為等效電流源。其中電源內阻之第一端與等效電流源之一端電性連接；電源內阻之第二端與電源端電容之第一端電性連接。電源端電容之第二端與等效電流源之另一端電性連接。
前述實施方式之其他實施例如下：前述整流單元為橋式整流電路，整流單元包含四整流二極體及儲能電容。儲能電容連接於其中二整流二極體之間。其中儲能電容之充電電壓大於等效電源之等效電源電壓。
100a,100b,100c,100d:具阻抗匹配之壓電片發電電路
110a,110b,110c,110d:壓電片
120a,120b,120c,120d:整流單元
130a,130b,130c,130d:阻抗匹配單元
Vs:等效電壓源
Is:等效電流源
Rs:電源內阻
Cs:電源端電容
D1,D2,D3,D4:整流二極體
Cr:儲能電容
T1:第一級變壓器
T2:第二級變壓器
W1:第一側線圈
W2:第二側線圈
L:電感
Z1:第一阻抗
Z2a,Z2b,Z2c,Z2d:第二阻抗
Vcr:充電電壓
a,c:第一端
b,d:第二端
第1圖係繪示本發明第一實施例之具阻抗匹配之壓電片發電電路的結構示意圖；第2圖係繪示依照第1圖實施方式之具阻抗匹配之壓電片發電電路的電路示意圖；第3圖係繪示依照第1圖實施方式之具阻抗匹配之壓電片發電電路之儲能電容之充電電壓示意圖；第4圖係繪示本發明第二實施例之具阻抗匹配之壓電片發電電路的電路示意圖；第5圖係繪示依照第4圖實施方式之具阻抗匹配之壓電片 發電電路之儲能電容之充電電壓示意圖；第6圖係繪示本發明第三實施例之具阻抗匹配之壓電片發電電路的電路示意圖；第7圖係繪示依照第6圖實施方式之具阻抗匹配之壓電片發電電路之儲能電容之充電電壓示意圖；及第8圖係繪示本發明第四實施例之具阻抗匹配之壓電片發電電路的電路示意圖。
以下將參照圖式說明本發明之複數個實施例。為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施例中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之；並且重複之元件將可能使用相同的編號表示之。
此外，本文中當某一元件(或單元或模組等)「連接」於另一元件，可指所述元件是直接連接於另一元件，亦可指某一元件是間接連接於另一元件，意即，有其他元件介於所述元件及另一元件之間。而當有明示某一元件是「直接連接」於另一元件時，才表示沒有其他元件介於所述元件及另一元件之間。而第一、第二、第三等用語只是用來描述不同元件，而對元件本身並無限制，因此，第一元件亦可改稱為第二元件。且本文中之元件/單元/電路之組合 非此領域中之一般周知、常規或習知之組合，不能以元件/單元/電路本身是否為習知，來判定其組合關係是否容易被技術領域中之通常知識者輕易完成。
請參閱第1圖及第2圖，第1圖係繪示本發明第一實施例之具阻抗匹配之壓電片發電電路100a的結構示意圖；及第2圖係繪示依照第1圖實施方式之具阻抗匹配之壓電片發電電路100a的電路示意圖。具阻抗匹配之壓電片發電電路100a包含壓電片110a、整流單元120a及阻抗匹配單元130a。
壓電片110a之等效電路包含等效電源、電源內阻Rs及與電源內阻Rs連接之電源端電容Cs。電源端電容Cs連接電源內阻Rs並形成第一阻抗Z1。整流單元120a電性連接壓電片110a。阻抗匹配單元130a串聯連接整流單元120a。阻抗匹配單元130a包含第一級變壓器T1及電感L。阻抗匹配單元130a之電感L可單獨形成第二阻抗Z2a或透過第一級變壓器T1耦合而形成第二阻抗Z2a，藉以令第一阻抗Z1與第二阻抗Z2a匹配。
具體而言，電源內阻Rs串聯連接電源端電容Cs，等效電源為等效電壓源Vs，電源內阻Rs串聯連接等效電壓源Vs。整流單元120a為一橋式整流電路，並包含四個整流二極體D1、D2、D3、D4及儲能電容Cr，整流單元120a即習知之橋式整流濾波。儲能電容Cr連接於其中二整流二極體(即整流二極體D2、D3及整流二極體D1、D4之其中一組)之間。阻抗匹配單元130a之第一級變壓器 T1包含第一側線圈W1及第二側線圈W2。第一側線圈W1耦接整流單元120a，第二側線圈W2耦接電感L。第一級變壓器T1具有第一線圈匝數比。第二阻抗Z2a為自第一側線圈W1處計算之阻抗值；第二阻抗Z2a包含等效電感值，等效電感值為第一線圈匝數比之平方乘以電感L之電感值。
請配合參照第2圖及第3圖，第3圖係繪示依照第1圖實施方式之具阻抗匹配之壓電片發電電路100a之儲能電容Cr之充電電壓Vcr示意圖。具體而言，在第2圖實施方式中，等效電壓源Vs的峰值為19.86V、電源內阻Rs為11.18Ω、電源端電容Cs為7.33nF、整流二極體D1~D4的型號均為D1N4002、儲能電容Cr為100μF電感L為20H、第一線圈匝數比為20。第3圖之垂直軸表示儲能電容Cr之電壓；水平軸表示儲能電容Cr之充電時間。在經過阻抗匹配後，儲能電容Cr之充電電壓Vcr可在五秒內達到16V。第一阻抗Z1及第二阻抗Z2a的計算方式如下式(1)及式(2)所示：
Figure 109144132-A0305-02-0009-1
 Z2a=jωL×n12=j×125.6×20×202=j106 (2)；其中，ω為125.6(ω=2πf)；f為頻率；j為虛部部分；n1為第一線圈匝數比，由式(1)及式(2)可知，第一阻抗Z1及第二阻抗Z2a的電抗部分相互抵銷後趨近於零。藉此，本發明之具阻抗匹配之壓電片發電電路100a透過阻抗匹配單元130a之電感L及第一級變壓器T1調整第二阻抗 Z2a，使第二阻抗Z2a與第一阻抗Z1匹配，並在極短時間內提高具阻抗匹配之壓電片發電電路100a之電能轉換效率。
請參照第4圖，第4圖係繪示本發明第二實施例之具阻抗匹配之壓電片發電電路100b的電路示意圖。具阻抗匹配之壓電片發電電路100b包含壓電片110b、整流單元120b及阻抗匹配單元130b。壓電片110b之等效電路包含等效電源、電源內阻Rs及與電源內阻Rs連接之電源端電容Cs，電源端電容Cs連接電源內阻Rs並形成第一阻抗Z1。整流單元120b電性連接壓電片110b，並包含四個整流二極體D1~D4及儲能電容Cr。阻抗匹配單元130b串聯連接整流單元120b，並包含第一級變壓器T1及電感L，等效電源為等效電壓源Vs。在本實施例中，壓電片110b、整流單元120b、等效電壓源Vs、電源內阻Rs、電源端電容Cs、第一阻抗Z1、整流二極體D1~D4及儲能電容Cr分別與第一實施例之壓電片110a、整流單元120a、等效電壓源Vs、電源內阻Rs、電源端電容Cs、第一阻抗Z1、整流二極體D1~D4及儲能電容Cr結構相同，不再贅述。特別地是，阻抗匹配單元130b更包含第二級變壓器T2。第二級變壓器T2耦接於整流單元120b及第一級變壓器T1之第一側線圈W1之間，且第一級變壓器T1具有第一線圈匝數比；第二級變壓器T2具有第二線圈匝數比。此時第二阻抗Z2b之等效電感值為第一線圈匝數比之平方與第二線圈匝數比之平方相乘，並乘以電感L 之電感值。第二阻抗Z2b之等效電感值之計算方式如下式(3)所示：Leq=(n1)2×(n2)2×Lval (3)；其中Leq為等效電感值；n1為第一線圈匝數比；n2為第二線圈匝數比；Lval為電感L之電感值。
請配合參照第4圖及第5圖，第5圖係繪示依照第4圖實施方式之具阻抗匹配之壓電片發電電路100b之儲能電容Cr之充電電壓Vcr示意圖。具體而言，在第4圖實施方式中，等效電壓源Vs的峰值為19.86V、電源內阻Rs為11.18Ω、電源端電容Cs為7.33nF、整流二極體D1~D4的型號均為D1N4002、儲能電容Cr為100μF、電感L為0.0507H、第一線圈匝數比為20、第二線圈匝數比為20。第5圖之垂直軸表示儲能電容Cr之電壓；水平軸表示儲能電容Cr之充電時間。在經過阻抗匹配後，儲能電容Cr之充電電壓Vcr可在五秒內達到17V。藉此，本發明之具阻抗匹配之壓電片發電電路100b透過阻抗匹配單元130b之第一級變壓器T1及第二級變壓器T2所產生之等效電感值調整第二阻抗Z2b，使第二阻抗Z2b與第一阻抗Z1匹配，並在極短時間內提高具阻抗匹配之壓電片發電電路100b之電能轉換效率。在本實施方式中，阻抗匹配單元130b中耦接的變壓器數量為二，但本發明不以此為限，在電感L有限的情況時，可透過耦接多級變壓器或是不使用變壓器使第二阻抗Z2b與第一阻抗Z1匹配。
請參照第6圖，第6圖係繪示本發明第三實施例 之具阻抗匹配之壓電片發電電路100c的電路示意圖。具阻抗匹配之壓電片發電電路100c包含壓電片110c、整流單元120c及阻抗匹配單元130c。壓電片110c之等效電路包含等效電源、電源內阻Rs及與電源內阻Rs連接之電源端電容Cs。電源端電容Cs連接電源內阻Rs並形成第一阻抗Z1。等效電源為等效電壓源Vs。整流單元120c電性連接壓電片110c。阻抗匹配單元130c包含第一級變壓器T1及電感L。其中阻抗匹配單元130c之電感L透過第一級變壓器T1耦合而形成第二阻抗Z2c，藉以令第一阻抗Z1與第二阻抗Z2c匹配。在本實施例中，壓電片110c、整流單元120c、等效電壓源Vs、電源內阻Rs、電源端電容Cs、第一阻抗Z1、整流二極體D1~D4、儲能電容Cr、阻抗匹配單元130c、第一級變壓器T1及電感L分別與第一實施例之壓電片110a、整流單元120a、等效電壓源Vs、電源內阻Rs、電源端電容Cs、第一阻抗Z1、整流二極體D1~D4、儲能電容Cr、阻抗匹配單元130a、第一級變壓器T1及電感L結構相同，不再贅述。特別地是，阻抗匹配單元130c並聯連接整流單元120c。在另外的實施例中，阻抗匹配單元可更包含第二級變壓器，其連接於第一級變壓器與壓電片之間，此第二級變壓器等同於第4圖之第二級變壓器T2。第二級變壓器之數量可依需求決定，本發明不以上述為限。
請配合參照第6圖及第7圖，第7圖係繪示依照第6圖實施方式之具阻抗匹配之壓電片發電電路100c之 儲能電容Cr之充電電壓Vcr示意圖。具體而言，在第6圖實施方式中，等效電壓源Vs的峰值為19.86V、電源內阻Rs為11.18Ω、電源端電容Cs為7.33nF、整流二極體D1~D4的型號均為D1N4002、儲能電容Cr為100μF、第一線圈匝數比為20。第7圖之垂直軸表示儲能電容Cr之充電電壓Vcr；水平軸表示儲能電容Cr之充電時間。當電感L之電感值介於0.04H~0.06H時，在經過阻抗匹配後，儲能電容Cr之充電電壓Vcr可在二百秒時達到大於等效電壓源Vs之等效電源電壓。藉此，本發明之具阻抗匹配之壓電片發電電路100c透過阻抗匹配單元130c與整流單元120c並聯，提高具阻抗匹配之壓電片發電電路100c之電能轉換效率。
請參照第8圖，第8圖係繪示本發明第四實施例之具阻抗匹配之壓電片發電電路100d的電路示意圖。具阻抗匹配之壓電片發電電路100d包含壓電片110d、整流單元120d及阻抗匹配單元130d。壓電片110d之等效電路包含等效電源、電源內阻Rs及與電源內阻Rs連接之電源端電容Cs。電源端電容Cs連接電源內阻Rs並形成第一阻抗Z1。整流單元120d電性連接壓電片110d。阻抗匹配單元130d包含第一級變壓器T1、第二級變壓器T2及電感L。其中阻抗匹配單元130d之電感L透過第一級變壓器T1及第二級變壓器T2耦合而形成第二阻抗Z2d，藉以令第一阻抗Z1與第二阻抗Z2d匹配。在本實施例中，整流單元120d、第一阻抗Z1、整流二極體D1~D4、儲 能電容Cr、阻抗匹配單元130d、第一級變壓器T1、第二級變壓器T2及電感L分別與第三實施例之整流單元120c、第一阻抗Z1、整流二極體D1~D4、儲能電容Cr、阻抗匹配單元130c、第一級變壓器T1、第二級變壓器T2及電感L結構相同，不再贅述。特別地是，電源內阻Rs包含第一端a及第二端b，電源端電容Cs包含第一端c及第二端d。等效電源為等效電流源Is，電源內阻Rs之第一端a與等效電流源Is之一端電性連接；電源內阻Rs之第二端b與電源端電容Cs之第一端c電性連接，電源端電容Cs之第二端d與等效電流源Is之另一端電性連接。另外，壓電片110d亦可為一諾頓等效電路。
藉此，本發明之具阻抗匹配之壓電片發電電路100d透過阻抗匹配單元130d與整流單元120d並聯，提高具阻抗匹配之壓電片發電電路100d之電能轉換效率。
由上述實施方式可知，本發明具有下列優點：其一，本發明之具阻抗匹配之壓電片發電電路透過阻抗匹配單元之第一級變壓器調整第二阻抗，使第二阻抗與第一阻抗匹配，並在極短時間內提高具阻抗匹配之壓電片發電電路之電能轉換效率。其二，本發明之具阻抗匹配之壓電片發電電路透過阻抗匹配單元之第一級變壓器及第二級變壓器所產生之等效電感值調整第二阻抗，使第二阻抗與第一阻抗匹配，並在極短時間內提高具阻抗匹配之壓電片發電電路之電能轉換效率。其三，本發明之具阻抗匹配之壓電片發電電路透過阻抗匹配單元與整流單元串聯或並聯，可提高 具阻抗匹配之壓電片發電電路之電能轉換效率。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100a:具阻抗匹配之壓電片發電電路
110a:壓電片
120a:整流單元
130a:阻抗匹配單元

Claims (10)

  1. 一種具阻抗匹配之壓電片發電電路，包含： 一壓電片，該壓電片之一等效電路包含一等效電源、一電源內阻及與該電源內阻連接之一電源端電容，該電源端電容連接該電源內阻並形成一第一阻抗； 一整流單元，電性連接該壓電片；以及 一阻抗匹配單元，串聯連接該整流單元，該阻抗匹配單元包含一第一級變壓器及一電感； 其中，該阻抗匹配單元之該電感透過該第一級變壓器耦合而形成一第二阻抗，藉以令該第一阻抗與該第二阻抗匹配。
  2. 如請求項1所述之具阻抗匹配之壓電片發電電路，其中， 該第一級變壓器包含： 一第一側線圈；及 一第二側線圈，耦接該電感； 其中，該第一級變壓器具有一第一線圈匝數比；及 該阻抗匹配單元更包含： 一第二級變壓器，耦接於該整流單元及該第一級變壓器之間，該第二級變壓器具有一第二線圈匝數比； 其中，該第二阻抗包含一等效電感值，該電感包含一電感值，該等效電感值為該第一線圈匝數比之平方、該第二線圈匝數比之平方及該電感值之相乘。
  3. 如請求項1所述之具阻抗匹配之壓電片發電電路，其中， 該電源內阻串聯連接該電源端電容； 該等效電源為一等效電壓源；及 該電源內阻串聯連接該壓電片之該等效電壓源。
  4. 如請求項1所述之具阻抗匹配之壓電片發電電路，其中， 該電源內阻包含一第一端及一第二端； 該電源端電容包含一第一端及一第二端；及 該等效電源為一等效電流源； 其中，該電源內阻之該第一端與該等效電流源之一端電性連接；該電源內阻之該第二端與該電源端電容之該第一端電性連接，該電源端電容之該第二端與該等效電流源之另一端電性連接。
  5. 一種具阻抗匹配之壓電片發電電路，包含： 一壓電片，該壓電片之一等效電路包含一等效電源、一電源內阻及與該電源內阻連接之一電源端電容，電源端電容連接該電源內阻並形成一第一阻抗； 一整流單元，電性連接該壓電片；以及 一阻抗匹配單元，並聯連接該整流單元，該阻抗匹配單元包含一第一級變壓器及一電感； 其中，該阻抗匹配單元之該電感透過該第一級變壓器耦合而形成一第二阻抗，藉以令該第一阻抗與該第二阻抗匹配。
  6. 如請求項5所述之具阻抗匹配之壓電片發電電路，該第一級變壓器包含： 一第一側線圈； 一第二側線圈，耦接該電感； 其中，該第一級變壓器包含一第一線圈匝數比。
  7. 如請求項6所述之具阻抗匹配之壓電片發電電路，其中該阻抗匹配單元更包含： 一第二級變壓器，耦接於該整流單元及該第一級變壓器之間，該第二級變壓器具有一第二線圈匝數比； 其中，該第二阻抗包含一等效電感值，該電感包含一電感值，該等效電感值為該第一線圈匝數比之平方、該第二線圈匝數比之平方及該電感值之相乘。
  8. 如請求項5所述之具阻抗匹配之壓電片發電電路，其中， 該電源內阻串聯連接該電源端電容； 該等效電源為一等效電壓源；及 該電源內阻串聯連接該壓電片之該等效電壓源。
  9. 如請求項5所述之具阻抗匹配之壓電片發電電路，其中， 該電源內阻包含一第一端及一第二端； 該電源端電容包含一第一端及一第二端；及 該等效電源為一等效電流源； 其中，該電源內阻之該第一端與該等效電流源之一端電性連接；該電源內阻之該第二端與該電源端電容之該第一端電性連接，該電源端電容之該第二端與該等效電流源之另一端電性連接。
  10. 如請求項5所述之具阻抗匹配之壓電片發電電路，其中該整流單元為一橋式整流電路，該整流單元包含： 四整流二極體；及 一儲能電容，連接於其中二該整流二極體之間； 其中，該儲能電容之一充電電壓大於該等效電源之一等效電源電壓。
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