Μελέτη και βελτιστοποίηση κυκλωμάτων συγκομιδής ενέργειας από το περιβάλλον: Μέθοδος SSHI
Creators: name: Πολίτης, Αχιλλέας Αναστασίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2015
Subjects: Συγκομιδή ενέργειας
Κυκλώματα
Ηλεκτρονικά
Energy harvester
Circuits
Electronics

description: Η ανάγκη για αυτονομία των ηλεκτρικών συσκευών κυρίως για την αξιοποίησή τους σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων μας οδηγεί στην συγκομιδή της «ελεύθερης» και αύθονης ενέργειας από το περιβάλλον, κατά την συγκομιδή αυτή, η (τοπικά) διαθέσιμη ενέργεια από το περιβάλλον μετατρέπεται σε ηλεκτρική διαμέσου διάφορων πηγών. Αυτές οι πηγές ενέργειας μπορεί να είναι η ηλιακή, η θερμική, η πιεζοηλεκτρική, η ηλεκτρομαγνητική. Σε αυτή την διπλωματική γίνεται μελέτη κυκλωμάτων συγκομιδής ενέργειας από πιεζοηλεκτρικές γεννήτριες, οι οποίες μετατρέπουν την ενέργεια των δονήσεων σε ηλεκτρική, δίνοντας στην έξοδό τους εναλλασσόμενη τάση η οποία λόγω του εσωτερικού πυκνωτή στο πιεζοηλεκτρικό στοιχείο έχει διαφορά φάσης με το ρεύμα 90ο. Σχεδιάστηκε ανορθωτής τάσης με τα PMOS διαζευγμένα μεταξύ τους (cross-coupled) καθώς και τα NMOS διαζευγμένα μεταξύ τους και όχι διοδικά συνδεδεμένα, με αυτόν τον τρόπο δεν υπάρχει πτώση τάσης ανάμεσα στα άκρα των τρανζίστορ. Σε μία τέτοια διάταξη όμως υπάρχουν ρεύματα αντιστροφής ανάμεσα στον πυκνωτή εξομάλυνσης και στο πιεζοηλεκτρικό στοιχείο, τοποθετώντας λοιπόν μία ενεργή δίοδο αυτό αποτρέπετε. Μία ενεργή δίοδο αποτελείτε από ένα PMOS και ένα συγκριτή με αυτό τον τρόπο εκμηδενίζουμε την πτώση τάσης ανάμεσα στα άκρα του συγκριτή, στον συγκριτή που σχεδιάστηκε όλα τα τρανζίστορ λειτουργούν στην περιοχή κάτω του κατωφλίου, και με αυτόν τον τρόπο έχουμε την λιγότερο δυνατή κατανάλωση από το κύκλωμα, επιπλέον από την έξοδο του συγκριτή μπορούμε να εντοπίσουμε τα μέγιστα της τάσης σε κάθε ημιπερίοδο, με αυτό το σήμα μπορούμε να οδηγήσουμε ένα κύκλωμα αποτελούμενο από πύλες το οποίο στην έξοδό του βγάζει παλμούς συγκεκριμένης διάρκειας ελεγχόμενοι από το μέγεθος του πυκνωτή και της αντίστασης. Αυτός ο παλμός ελέγχει τους διακόπτες ανάμεσα στα άκρα του πιεζοηλεκτρικού και δημιουργείτε ο βρόγχος ανάμεσα στο πηνίο και του εσωτερικού πυκνωτή του πιεζοηλεκτρικού το οποίο έχει ως αποτέλεσμα την αντιστροφή της τάσης. Με αυτόν τον τρόπο ελαττώνουμε το χρόνο φόρτισης και εκφόρτισης του εσωτερικού πυκνωτή του πιεζοηλεκτρικού και άρα έχουμε μέγιστη συγκομιδή.
description: The need of autonomizing electrical devices mainly for their use in wireless sensor networks has led us to be able to harvest the “free” and abundant energy from the environment. During this harvest, the locally available environmental energy can be transformed into electrical through various sources. Those sources may be the solar, thermal, piezoelectric, or electromagnetic. This dissertation concerns the study of circuits that harvest energy from piezoelectric generators; these transform vibrational energy into electrical, thus producing alternative voltage, which due to the internal capacitor in the piezoelectric element possesses a difference in phase with the current of 90o. A voltage rectifier was also designed with cross-coupled PMOS as well as cross-coupled NMOS, not a diode connected MOS. This way there is no voltage drop on the transistor. In this set up reversal current are present among the reservoir capacitors and the piezoelectric element, therefore by placing an active diode this can be avoided. An active diode is composed by a PMOS and a comparator, in this manner the voltage drop can be reduced to zero among the edges of the comparator. In the designed comparator all the transistors are functioning in subthreshold region; in this way we have the least possible consumption by the circuit. Furthermore in the comparator probe we are able to isolate the voltage maximums for each phase. Using this signal we may lead a circuit composed of gates, which produces pulses of specified duration controlled by the capacitor and resistance size. This pulse controls the switches among the edges of the piezoelectric and a bronchus is created among the inductor and the internal capacitor of the piezoelectric; this results to voltage inverse. By employing this method we are able to reduce the charging and discharging time of the internal capacitor of the piezoelectric, thus achieving maximum harvest