壓電點(diǎn)火器的發(fā)電特性研究

【摘要】本工作研究了普通壓電打火機(jī)中的壓電點(diǎn)火器發(fā)電特性，以調(diào)查其產(chǎn)生的電能能否滿足小型電子設(shè)備對電能的需求。研究發(fā)現(xiàn)壓電打火器能夠產(chǎn)生高達(dá)千伏的高壓脈沖，于是通過接入整流橋、電容和穩(wěn)壓器來對高壓脈沖進(jìn)行整流和穩(wěn)壓。研究還發(fā)現(xiàn)，接入負(fù)載的阻值對壓電點(diǎn)火器的輸出功率有急劇影響，當(dāng)阻值為0.22 kΩ時輸出功率達(dá)到極大值0.26 mW，基本可以滿足一些小型電子設(shè)備的電能需求。

【關(guān)鍵詞】壓電點(diǎn)火器人體發(fā)電發(fā)電特性無線控制器

一、引言

隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，一些小型電子設(shè)備的功耗越來越低，實(shí)現(xiàn)了平均功耗在數(shù)百甚至是數(shù)十微瓦以下。這些低功耗的電子設(shè)備一方面可以使用電池來工作更長的時間，另一方面也可以通過轉(zhuǎn)換人體或環(huán)境中存在的能量來滿足自身電能的消耗[1-2]。

人體活動所產(chǎn)生的機(jī)械能是其攜帶的主要能量之一，一些科技工作者和工程師已經(jīng)采用了一些技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這種機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換，其中利用壓電現(xiàn)象來進(jìn)行人體發(fā)電的方法，由于器件的構(gòu)造相對簡單等特點(diǎn)而受到了較多的關(guān)注[3-4]。考慮到壓電點(diǎn)火器是一種廣泛使用并且成本低廉的成熟產(chǎn)品，本研究選擇這種電子元件為研究對象，研究按壓其按鍵時所產(chǎn)生的電能，并探討其用于向小型電子設(shè)備供電的可行性。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計

本研究選用市場上常見的壓電打火機(jī)，取出其中的壓電點(diǎn)火器。如圖1所示，點(diǎn)火器長度為35毫米，其一端為按鈕，另一端為壓電陶瓷打火瓷柱，瓷柱直徑為7毫米。點(diǎn)火器中的壓電陶瓷是一種電子功能材料，當(dāng)受到外界壓力時它將產(chǎn)生輕微的變形，由于壓電現(xiàn)象會使得它的兩個電極表面上產(chǎn)生大量的正負(fù)電荷。如果把這些正負(fù)電荷通過兩根相距很近的針狀金屬瞬間釋放，就會產(chǎn)生火花，從而能夠點(diǎn)燃打火機(jī)噴氣口噴出的氣體。

當(dāng)按壓壓電點(diǎn)火器的按鍵時，按鍵下面的撞擊頭會快速撞擊壓電陶瓷柱，從而能夠產(chǎn)生高達(dá)上千伏的瞬間電脈沖。對于通常的小型便攜式電子設(shè)備，其電源的電壓往往是10V以下的直流電壓，因此對于壓電點(diǎn)火器釋放的電能需要進(jìn)行整流和降壓。如圖2所示，為本研究所設(shè)計的電路，分別引入了整流橋D、電容C0和穩(wěn)壓器Max666。MAX666為美國MAXIN公司生產(chǎn)的低壓差CMOS線性穩(wěn)壓集成電路，它具有外圍元件少、功耗低、效率高和二種輸出模式等優(yōu)點(diǎn)。另外，為了定量測量壓電點(diǎn)火器釋放出的電能的多少，在圖2電路中接入負(fù)載，并研究不同負(fù)載的大小對輸出電能大小的影響。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

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實(shí)現(xiàn)電能的存儲，在整流橋后接入一個0.1μF的電容，并用數(shù)字示波器對其輸出的電壓進(jìn)行記錄。圖4（a）為測量的等效電路，圖4（b）為電壓的測量結(jié)果。圖4（b）顯示，經(jīng)整流橋和電容后輸出的最大電壓為15.75 V，其衰減到零的時間大約為400 ms。考慮到小型便攜式電子設(shè)備的電源電壓通常在10 V以下，實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步接入穩(wěn)壓器Max666。為了研究不同阻值的負(fù)載對壓電打火器輸出功率的影響，在Max666的輸出端口接入不同阻值的負(fù)載。

如圖5所示，為Max666的輸出端口不接任何負(fù)載（即開路狀態(tài)）時的輸出電壓，可以看出穩(wěn)定地輸出3.07 V的電壓的時間大約為80ms。隨后在Max666的輸出端接不同阻值的負(fù)載，用數(shù)字示波器記錄了負(fù)載R兩端的電壓，并計算相應(yīng)的電能輸出，結(jié)果如表1所示。負(fù)載兩端的電壓在0.1V至3.187V之間，相應(yīng)的輸出功率在0.02 mW至0.26 mW之間，當(dāng)負(fù)載阻值為0.22 kΩ時輸出功率達(dá)到了極大值0.26 mW。

對于當(dāng)前的一些低功耗的小型電子設(shè)備，如溫度傳感器，其功耗已經(jīng)降至數(shù)百微瓦甚至數(shù)十微瓦以下。本研究所得結(jié)果表明壓電打火器的輸出功率基本滿足這類電子設(shè)備的能量需求。然而，考慮到小型電子設(shè)備的多樣性，它們的實(shí)際阻抗往往千差萬別，一旦這類設(shè)備的阻抗與壓電點(diǎn)火器最大功率時的阻抗相差甚遠(yuǎn)時，壓電點(diǎn)火器產(chǎn)生的電能將難以滿足它們的能耗需要。有鑒于此，一方面需要我們對現(xiàn)有壓電點(diǎn)火器進(jìn)行改進(jìn)，提高其輸出功率和調(diào)整其最大輸出功率時的阻抗值；另一方面需要我們根據(jù)壓電點(diǎn)火器的特點(diǎn)，設(shè)計與之相匹配的小型電子設(shè)備。

四、結(jié)論

通過本次研究發(fā)現(xiàn)：普通壓電打火機(jī)中的壓電點(diǎn)火器可以產(chǎn)生高達(dá)千伏的高壓脈沖；通過使用整流橋、電容和Max666穩(wěn)壓器后可以把電壓降低到數(shù)V甚至更低。研究還發(fā)現(xiàn)接入負(fù)載的阻值對壓電點(diǎn)火器的輸出功率有急劇影響，當(dāng)阻值為0.22 kΩ時輸出功率達(dá)到極大值0.26 mW，這基本可以滿足一些小型電子設(shè)備的功耗要求。

參考文獻(xiàn)

[1] S.R. Anton， H.A. Sodano， A review of power harvesting using piezoelectric materials （2003 2006）， Smart Mater Struct.， 2007， 16， R1-R21.

[2] K.A. Cook-Chennault， N. Thambi， A.M Sastry， Powering MEMS portable devices—a review of non-regenerative and regenerative power supply systems with special emphasis on piezoelectric energy harvesting systems， Smart Mater Struct.， 2008， 17， 1-33.

[3] N.S. Hudak， G.G. Amatucci， Small-scale energy harvesting through thermoelectric， vibration， and radiofrequency power conversion， J Appl Phys.， 2008， 103， 101301.

[4] A. Khaligh， P. Zeng， C. Zheng， Kinetic energy harvesting using piezoelectric and electromagnetic technologies—state of the art， IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2010， 57， 850-860.