压电点火器的发电特性研究

【摘要】本工作研究了普通压电打火机中的压电点火器发电特性，以调查其产生的电能能否满足小型电子设备对电能的需求。研究发现压电打火器能够产生高达千伏的高压脉冲，于是通过接入整流桥、电容和稳压器来对高压脉冲进行整流和稳压。研究还发现，接入负载的阻值对压电点火器的输出功率有急剧影响，当阻值为0.22 kΩ时输出功率达到极大值0.26 mW，基本可以满足一些小型电子设备的电能需求。

【关键词】压电点火器人体发电发电特性无线控制器

一、引言

随着微电子技术的飞速发展，一些小型电子设备的功耗越来越低，实现了平均功耗在数百甚至是数十微瓦以下。这些低功耗的电子设备一方面可以使用电池来工作更长的时间，另一方面也可以通过转换人体或环境中存在的能量来满足自身电能的消耗[1-2]。

人体活动所产生的机械能是其携带的主要能量之一，一些科技工作者和工程师已经采用了一些技术来实现这种机械能向电能的转换，其中利用压电现象来进行人体发电的方法，由于器件的构造相对简单等特点而受到了较多的关注[3-4]。考虑到压电点火器是一种广泛使用并且成本低廉的成熟产品，本研究选择这种电子元件为研究对象，研究按压其按键时所产生的电能，并探讨其用于向小型电子设备供电的可行性。

二、实验设计

本研究选用市场上常见的压电打火机，取出其中的压电点火器。如图1所示，点火器长度为35毫米，其一端为按钮，另一端为压电陶瓷打火瓷柱，瓷柱直径为7毫米。点火器中的压电陶瓷是一种电子功能材料，当受到外界压力时它将产生轻微的变形，由于压电现象会使得它的两个电极表面上产生大量的正负电荷。如果把这些正负电荷通过两根相距很近的针状金属瞬间释放，就会产生火花，从而能够点燃打火机喷气口喷出的气体。

当按压压电点火器的按键时，按键下面的撞击头会快速撞击压电陶瓷柱，从而能够产生高达上千伏的瞬间电脉冲。对于通常的小型便携式电子设备，其电源的电压往往是10V以下的直流电压，因此对于压电点火器释放的电能需要进行整流和降压。如图2所示，为本研究所设计的电路，分别引入了整流桥D、电容C0和稳压器Max666。MAX666为美国MAXIN公司生产的低压差CMOS线性稳压集成电路，它具有元件少、功耗低、效率高和二种输出模式等优点。另外，为了定量测量压电点火器释放出的电能的多少，在图2电路中接入负载，并研究不同负载的大小对输出电能大小的影响。

三、实验结果和讨论

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实现电能的存储，在整流桥后接入一个0.1μF的电容，并用数字示波器对其输出的电压进行记录。图4（a）为测量的等效电路，图4（b）为电压的测量结果。图4（b）显示，经整流桥和电容后输出的最大电压为15.75 V，其衰减到零的时间大约为400 ms。考虑到小型便携式电子设备的电源电压通常在10 V以下，实验中进一步接入稳压器Max666。为了研究不同阻值的负载对压电打火器输出功率的影响，在Max666的输出端口接入不同阻值的负载。

如图5所示，为Max666的输出端口不接任何负载（即开路状态）时的输出电压，可以看出稳定地输出3.07 V的电压的时间大约为80ms。随后在Max666的输出端接不同阻值的负载，用数字示波器记录了负载R两端的电压，并计算相应的电能输出，结果如表1所示。负载两端的电压在0.1V至3.187V之间，相应的输出功率在0.02 mW至0.26 mW之间，当负载阻值为0.22 kΩ时输出功率达到了极大值0.26 mW。

对于当前的一些低功耗的小型电子设备，如温度传感器，其功耗已经降至数百微瓦甚至数十微瓦以下。本研究所得结果表明压电打火器的输出功率基本满足这类电子设备的能量需求。然而，考虑到小型电子设备的多样性，它们的实际阻抗往往千差万别，一旦这类设备的阻抗与压电点火器最大功率时的阻抗相差甚远时，压电点火器产生的电能将难以满足它们的能耗需要。有鉴于此，一方面需要我们对现有压电点火器进行改进，提高其输出功率和调整其最大输出功率时的阻抗值；另一方面需要我们根据压电点火器的特点，设计与之相匹配的小型电子设备。

四、结论

通过本次研究发现：普通压电打火机中的压电点火器可以产生高达千伏的高压脉冲；通过使用整流桥、电容和Max666稳压器后可以把电压降低到数V甚至更低。研究还发现接入负载的阻值对压电点火器的输出功率有急剧影响，当阻值为0.22 kΩ时输出功率达到极大值0.26 mW，这基本可以满足一些小型电子设备的功耗要求。

参考文献

[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.