من السنوات القليلة الماضية ، ازداد الطلب على الأجهزة المحمولة الإلكترونية منخفضة الطاقة بسرعة. وهناك خيارات محدودة جدًا لتشغيل هذه الأجهزة الإلكترونية الصغيرة المحمولة مثل البطاريات القلوية أو الطاقة الشمسية وما إلى ذلك. لذلك نحن هنا نستخدم طريقة مختلفة لتوليد كمية صغيرة من الطاقة التي تستخدم مستشعر كهرضغطية. هنا سوف نبني دائرة توليد الطاقة على خطى لتوليد الكهرباء. يمكنك معرفة المزيد عن التأثير الكهرضغطية باتباع دائرة محول الطاقة الكهرضغطية.
ما هو تأثير كهرضغطية؟
التأثير الكهرضغطية هو قدرة بعض المواد الكهرضغطية (مثل الكوارتز والتوباز وأكسيد الزنك وما إلى ذلك) على توليد شحنة كهربائية في التغذية الراجعة للضغط الميكانيكي. كلمة "كهرضغطية" مشتقة من الكلمة اليونانية "piezein" والتي تعني الدفع والضغط والضغط.
أيضًا ، يكون التأثير الكهروإجهادي قابلاً للانعكاس ، مما يعني أنه عندما نطبق ضغطًا ميكانيكيًا على مادة كهرضغطية ، فإننا نتلقى بعض الشحنة الكهربائية على الخرج. وعندما نطبق الكهرباء على مادة كهرضغطية ، فإنها تضغط أو تمتد المادة الكهرضغطية.
يستخدم التأثير الكهرضغطية في التطبيقات المختلفة التي تتضمن
- إنتاج وكشف الصوت
- توليد الجهد العالي
- توليد التردد الإلكتروني
- الموازين الدقيقة
- تركيز فائق الدقة للتركيبات الضوئية
- التطبيقات اليومية مثل ولاعات السجائر
يستخدم الرنان أيضًا تأثير كهرضغطية.
المواد الكهرضغطية
يتوفر الآن عدد من المواد الكهرضغطية ، حتى الطبيعية منها والتي من صنع الإنسان. المواد الكهرضغطية الطبيعية تشمل الكوارتز ، قصب السكر ، ملح روشيل ، توباز التورمالين وغيرها. تشتمل المواد الكهروضغطية من صنع الإنسان على تيتانات الباريوم وتيتانات الزركونات. هناك بعض المواد الواردة في الجدول أدناه في فئة المواد الطبيعية والاصطناعية:
|
مادة كهرضغطية طبيعية |
المواد الاصطناعية كهرضغطية |
|
الكوارتز (الأكثر استخدامًا) |
الرصاص تيتانات الزركونات (PZT) |
|
روشيل ملح |
أكسيد الزنك (ZnO) |
|
توباز |
تيتانات الباريوم (BaTiO 3) |
|
TB-1 |
السيراميك الكهرضغطية تيتانات الباريوم |
|
TBK-3 |
تيتانات الباريوم الكالسيوم |
|
السكروز |
جاليوم أورثوفوسفات (GaPO 4) |
|
وتر |
نيوبات البوتاسيوم (KNbO 3) |
|
الحرير |
تيتانات الرصاص (PbTiO 3) |
|
المينا |
تانتاليت الليثيوم (LiTaO 3) |
|
الاسنان |
Langasite (La 3 Ga 5 SiO 14) |
|
الحمض النووي |
تنغستات الصوديوم (Na 2 WO 3) |
المكونات مطلوبة
- مستشعر كهرضغطية
- LED (أزرق)
- الصمام الثنائي (1N4007)
- مكثف (47 فائق التوهج)
- المقاوم (1 ك)
- اضغط الزر
- توصيل الأسلاك
- اللوح
رسم تخطيطي لدائرة توليد الطاقة بخطوة القدم
يتكون المستشعر الكهرضغطية من مادة كهرضغطية (الكوارتز - الأكثر استخدامًا). تستخدم لتحويل الضغط الميكانيكي إلى شحنة كهربائية. خرج جهاز الاستشعار الكهرضغطية هو التيار المتردد. نحتاج إلى مقوم جسر كامل لتحويله إلى تيار مستمر. جهد خرج المستشعر أقل من 30Vp-p ، يمكنك تغذية خرج مستشعر كهرضغطية أو تخزينه في بطارية أو أجهزة تخزين أخرى. و مقاومة للاستشعار كهرضغطية أقل من 500 أوم. نطاق درجة حرارة التشغيل والتخزين هو -20 ° C ~ + 60 ° C و -30 ° C ~ + 70 ° C على التوالي.
بعد إجراء التوصيلات وفقًا لمخطط دائرة المستشعر الكهروإجهادي ، عندما نوفر ضغطًا ميكانيكيًا على المستشعر الكهرضغطية ، فإنه يولد الجهد. خرج جهاز استشعار كهرضغطية في شكل التيار المتردد. لتحويله من تيار متردد إلى تيار مستمر ، نستخدم مقوم جسر كامل. يتم توصيل خرج المعدل عبر مكثف 47 فائق التوهج. يتم تخزين الجهد الناتج عن المستشعر الكهرضغطية في المكثف. وعندما يتم الضغط على زر الضغط ، يتم نقل كل الطاقة المخزنة إلى LED ويتم تشغيل LED حتى يتم تفريغ المكثف.
في هذه الدائرة ، يتوهج مؤشر LED لجزء من الثواني. لزيادة وقت تشغيل LED ، يمكنك زيادة تصنيف المكثف ، لكن الأمر سيستغرق وقتًا أطول للشحن. حتى أنه يمكنك توصيل المزيد من أجهزة الاستشعار الكهروإجهادية على التوالي لتوليد المزيد من الطاقة الكهربائية. أيضًا ، يتم استخدام الصمام الثنائي لمنع تدفق التيار من المكثف إلى المستشعر الكهرضغطية والمقاوم هو المقاوم الحالي المحدد. يمكن أيضًا توصيل مؤشر LED مباشرةً بمستشعر كهرضغطية ولكنه سينطفئ في لحظة حيث لن يكون هناك مكثف ليحمل التيار.
يوجد أدناه فيديو توضيحي لنظام توليد الطاقة لخطوة القدم.