Schaltungen zur Energieernte aus piezoelektrischen und thermischen Quellen entwickeln

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Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Vorteile der Energiespeicherung am Eingang

Bei Energy Harvesting am Eingang, liefern mehrere parallel geschaltete Keramikkondensatoren genügend Energiespeicher bei minimalem Leckstrom. Die Vorteile der Energiespeicherung am Eingang umfassen:

• Die Nutzung der Energiespeicherung bei hohen Spannungen erfordert deutlich weniger Kapazität für eine bestimmte Energiemenge, weil die Spannung vom Quadrat der im Kondensator gespeicherten Energie (E = ½ * C * V²) abhängt,

• Keramikkondensatoren für hohe Spannungen sehr kleine Leckströme aufweisen,

• die Energiespeicherung am Eingang mit Superkondensatoren und/oder Batterien am Ausgang kombiniert werden kann, um die Laufzeit voll zu nutzen.

Der Nachteil der Energiespeicherung am Eingang besteht darin, das die Quelle mehr Vibrationsenergie liefern muss, um die gewünschte höhere Eingangsspannung zu erzeugen und es auch keine Ladestufe mehr gibt, die gesteuert werden kann, um eine Impedanzanpassung zu erzielen, die die Energieausbeute von der Quelle optimiert.

Vibrationsquellen zum Energy Harvesting

Im Allgemeinen werden Vibrationsquellen sowohl in der Frequenz als auch hinsichtlich der Amplitude variiert. Da aber viele Schwingungsquellen über die Netzspannung versorgt werden, sind die gängigen Schwingungsfrequenzen in den USA 60 und 120 Hz.

In großen Maschinen dominieren die mechanischen Resonanzfrequenzen und diese sind niedriger, sie liegen etwa zwischen 13 und 70 Hz.

Die Vibrationen in Maschinen oder Fahrzeugen sind in der Regel auf ein Minimum reduziert, um die Langlebigkeit oder den Komfort zu erhöhen. Wenn man in der Lage ist, ein WSN mit sehr kleinen Schwingungen zu betreiben und in manchen Fällen mit vielen unterschiedlichen Schwingungsfrequenzen, ist dies ein Unterscheidungsmerkmal für wettbewerbsfähige Lösungen.

Die Beschleunigung einer schwingenden Quelle x(t) mit einem angelegten Piezoaufnehmer (Bild 3) entspricht der zweiten Ableitung der Auslenkung. Aufgelöst nach der Spitzenauslenkung, A, als Funktion der Frequenz f und der Beschleunigung in G ergibt sich:

Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse der Berechnungen mit oben genannter Formel bei Frequenzen zwischen 21 und 358 Hz mit Beschleunigungswerten zwischen 25 mg und 4 g. Die Ergebnisse belegen, dass nur sehr kleine Bewegungen in einer Quelle notwendig sind, um eine beträchtliche Beschleunigung zu erzeugen. Für die interessierenden Frequenzen wird die Auslenkung der Quellen üblicherweise in µm gemessen.

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