基于壓電效應的電路分析研究

摘 要：壓電效應技術以其獨有的優勢在環保節能領域扮演重要的角色。針對整流電路設計中的橋式整流電路和倍壓整流電路的優缺點進行了介紹。此外采用一實例針對穩壓電路的設計中儲能元件的選擇和穩壓電路的設計進行了簡要闡述。相信利用壓電材料作為發電裝置的應用將帶來新的商業前景。

關鍵詞：壓電效應;壓電振子;整流電路;電路設計

引言：壓電晶體產生的電能具有突變性和瞬時性，無法直接為負載供電，因此在供負載使用之前需要進行AC-DC整流、DC-DC穩壓、儲存電能三個步驟。在這個過程中，電路的能量轉換效率以及儲能元件儲存能力直接影響壓電晶體輸出功率[1]。整流之后，須經過電容濾波穩壓，才能得到穩定可使用的電能。本文就整流電路和穩壓電路的設計中涉及的方面進行簡要

介紹。

1.壓電效應

壓電效應[2]的機理是：當外力作用在具有壓電性的晶體上時，晶體隨之發生形變，由于晶體較低的對稱性，晶胞中正負離子產生的相對位移使晶體發生宏觀極化。因此當壓電材料受力發生形變時，它的兩個表面會出現異號電荷，也就是正壓電效應。與此相反，將壓電材料置于電場中時，會產生極化現象，即電荷中心的位移導致材料變形的現象，這種現象稱之為逆壓電效應。

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不規則狀，所以必須先對壓電材料的輸出電流進行整流。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。

橋式整流電路通過四個二極管聯接構成一個整體的整流電橋，無論交變輸入電壓處于哪一周期時，都會形成單向的脈動直流電壓。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利用一個周期內的正負電壓分別對其充電，使兩個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大，會造成電容充電時間增加。而在壓電材料振動的四分之一個周期內，如果電容中的電壓達不到一定值，會造成二極管無法導通。通過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載最大輸出功率大約相等，但倍壓電路適合負載比較大的結論[4]。此外，在倍壓整流電路中，每個二級管承受的最大反向電壓是U，遠大于橋式整流電路中對二極管要求的反向電壓值。

綜上分析可知，橋式整流電路相對于倍壓整流電路來說，結構更加簡單，對二極管的性能要求較低，適用性更廣。

3.儲能元件的選擇

將電容作為儲能元件，容量大損耗小是選擇所須達到的首要目標。由于電解電容的容量有限，不能滿足用電設備的使用。這里我們選用超級電容作為壓電振子的短期儲能元件。相比于電解電容，超級電容[5]具有很多優勢：①大容量，內阻小;②對電路要求不高;③使用壽命可達幾十萬次;④充電快，效率高。

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

綜上分析可知，我們采用超級電容作為第一步的能量聚集，當超級電容充電至一定程度時再通過穩壓電路對充電電池充電。

4.穩壓電路設計

環境中的振動能以隨機形式出現，壓電發電裝置產生的瞬時電壓存在著突變，并且輸出電壓和電流都不穩定。這就需要把突變的電流電壓轉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，輸出電壓初始設置值為3.3或5.0V，同時可以在1.25到5.55V之間進行調節。其內部含有線性穩壓器，具有DC-DC變換器的功能。因此可以根據實際需要選擇合適的外圍元件來設計以MAX1672芯片為核心的穩壓電路。穩壓電路如圖所示。

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。在輸入端接入一個鉭電容C1，起到減小輸出波動并緩解負載劇烈變化的作用。為有效提高輸出電流，另一個鉭電容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，因為電流脈動和輸出紋波隨著電感量的增大而減小。另外為提高MAX1672的轉換效率，應該選用飽和電流較大、直流電阻較小的電感，因為當電感接近飽和時損耗將會增大，而且直流電阻也是影響功率的損耗的因素之一。

5.結束語

在各個領域中，基于壓電效應的各種壓電發電裝置都有著廣闊的應用前景。本文從基于壓電效應的電路分析進行了簡單的闡述。在不久的將來，相信利用壓電材料作為發電裝置的應用也將帶來新的商業前景。

參考文獻：

[1]鄧冠前，陶利民，陳仲生，基于壓電陶瓷的自供電關鍵技術分析[J]，自動測量與控制，2008，27（5）：67-69

[2]張福學，王麗坤，現代壓電學[M].北京：科學出版社，2002

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

[4]潘家偉，基于壓電效應的能量收集[碩士論文]，2008：26-34

[5]王曉峰，孔祥華，劉國慶等，新型化學儲能器件[J]，電化學電容，化學世界，2001，42（2）：103-108