壓電點火器的發電特性研究

【摘要】本工作研究了普通壓電打火機中的壓電點火器發電特性，以調查其產生的電能能否滿足小型電子設備對電能的需求。研究發現壓電打火器能夠產生高達千伏的高壓脈沖，于是通過接入整流橋、電容和穩壓器來對高壓脈沖進行整流和穩壓。研究還發現，接入負載的阻值對壓電點火器的輸出功率有急劇影響，當阻值為0.22 kΩ時輸出功率達到極大值0.26 mW，基本可以滿足一些小型電子設備的電能需求。

【關鍵詞】壓電點火器人體發電發電特性無線控制器

一、引言

隨著微電子技術的飛速發展，一些小型電子設備的功耗越來越低，實現了平均功耗在數百甚至是數十微瓦以下。這些低功耗的電子設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換人體或環境中存在的能量來滿足自身電能的消耗[1-2]。

人體活動所產生的機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采用了一些技術來實現這種機械能向電能的轉換，其中利用壓電現象來進行人體發電的方法，由于器件的構造相對簡單等特點而受到了較多的關注[3-4]。考慮到壓電點火器是一種廣泛使用并且成本低廉的成熟產品，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生的電能，并探討其用于向小型電子設備供電的可行性。

二、實驗設計

本研究選用市場上常見的壓電打火機，取出其中的壓電點火器。如圖1所示，點火器長度為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。點火器中的壓電陶瓷是一種電子功能材料，當受到外界壓力時它將產生輕微的變形，由于壓電現象會使得它的兩個電極表面上產生大量的正負電荷。如果把這些正負電荷通過兩根相距很近的針狀金屬瞬間釋放，就會產生火花，從而能夠點燃打火機噴氣口噴出的氣體。

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

三、實驗結果和討論

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實現電能的存儲，在整流橋后接入一個0.1μF的電容，并用數字示波器對其輸出的電壓進行記錄。圖4（a）為測量的等效電路，圖4（b）為電壓的測量結果。圖4（b）顯示，經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備的電源電壓通常在10 V以下，實驗中進一步接入穩壓器Max666。為了研究不同阻值的負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載。

如圖5所示，為Max666的輸出端口不接任何負載（即開路狀態）時的輸出電壓，可以看出穩定地輸出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載，用數字示波器記錄了負載R兩端的電壓，并計算相應的電能輸出，結果如表1所示。負載兩端的電壓在0.1V至3.187V之間，相應的輸出功率在0.02 mW至0.26 mW之間，當負載阻值為0.22 kΩ時輸出功率達到了極大值0.26 mW。

對于當前的一些低功耗的小型電子設備，如溫度傳感器，其功耗已經降至數百微瓦甚至數十微瓦以下。本研究所得結果表明壓電打火器的輸出功率基本滿足這類電子設備的能量需求。然而，考慮到小型電子設備的多樣性，它們的實際阻抗往往千差萬別，一旦這類設備的阻抗與壓電點火器最大功率時的阻抗相差甚遠時，壓電點火器產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有壓電點火器進行改進，提高其輸出功率和調整其最大輸出功率時的阻抗值；另一方面需要我們根據壓電點火器的特點，設計與之相匹配的小型電子設備。

四、結論

通過本次研究發現：普通壓電打火機中的壓電點火器可以產生高達千伏的高壓脈沖；通過使用整流橋、電容和Max666穩壓器后可以把電壓降低到數V甚至更低。研究還發現接入負載的阻值對壓電點火器的輸出功率有急劇影響，當阻值為0.22 kΩ時輸出功率達到極大值0.26 mW，這基本可以滿足一些小型電子設備的功耗要求。

參考文獻

[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.

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