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研究生:陳威志
研究生(外文):Chen, Wei-Chih
論文名稱:旋轉敲擊式壓電發電機之阻抗匹配轉換器之設計與實現
論文名稱(外文):Design and Implementation of Impedance Matching Converter for Piezoelectric Generator in Rotating Tapping Mode
指導教授:林錫寬
指導教授(外文):Lin, Shir-Kuan
學位類別:碩士
校院名稱:國立交通大學
系所名稱:電控工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2010
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:86
中文關鍵詞:壓電阻抗匹配
外文關鍵詞:piezoelectricimpedance matching
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本論文為設計一個旋轉敲擊模式的壓電發電機,並結合阻抗匹配轉換器來達到輸出功率的最佳化,旋轉敲擊模式的概念是利用轉動的機構帶動齒輪敲擊懸臂樑式壓電片來發電 , 例如 : 腳踏車,電風扇...等,本研究使用步進馬達來取代轉動的機構,步進馬達的控制器有數種操作模式,操作方便。壓電材料的最佳輸出功率與負載有很大的關係,阻抗匹配轉換器可視為一個等效負載,因此透過調整轉換器的阻抗值可以達成輸出功率的最佳化,阻抗匹配轉換器為升降壓型轉換器,升降壓型轉換器為直流對直流轉換器的一種,轉換器在設計上必須操作於不連續導通模式才能有阻抗匹配的功能,本文設計了一個低功率的脈波寬度調整 (pulse-width modulation,PWM ) 產生器,此電路可以改變脈寬的責任周期來達到不同操作模式下的阻抗匹配。
本文設計了兩種實驗範例來驗證阻抗匹配轉換器的功能,實驗顯示脈寬調變產生電路耗電量極低,改變脈寬的責任周期的確可改變等效負載的阻抗值,轉換器可產生16.18K~39.2K廣泛的阻抗匹配,轉換器效率在600(pulses per second)pps和400pps操作模式下都有77.9%以上, 等效負載輸出功率的效率 600pps 和 400pps操作模式下都有75.3% 以上,壓電發電機在操作模式600pps下輸出功率可達391uW, 應用方面可以儲存於2.4V充電電池中或LED閃爍燈。

The thesis presents a piezoelectric generator operated in rotating tapping mode and combined with impedance matching converter to achieve optimal power output. The concept of rotating tapping mode is the use of rotating bodies let gear to tap cantilever-type piezoelectric film to generate power. Such as:bicycle,electric fan ...and so on.The thesis used stepper motor to replace the rotation of the body. The stepper motor controller has several operating mode , and it’s convenient to operate . The optimal power output of piezoelectric materials has a great relationship with the load. Impedance matching converters can be regarded as an equivalent load and by adjusting the impedance of the converter can achieve optimal power output . Impedance converter is a buck-boost converter and it’s one kind of the DC/DC converter. In order to have impedance matching function , the converter must operate in discontinuous conduction mode. The thesis design of a low-power ( pulse width modulation, PWM) generator. This circuit can modulate the width of the duty cycle to achieve impedance matching in different operation modes.

The thesis design two experimental examples to verify the impedance matching function of the converter. Experimental result shows the power consumption of pulse width modulation circuit is extremely low. Changes in pulse duty cycle can indeed change the equivalent load impedance. The converter can produce 16.18 K ~ 39.2K wide range of impedance matching . The efficiency of converter in 600(pulses per second)pps and 400pps operating mode has more than 77.9%. The output power efficiency of equivalent load in 600 pps and 400 pps operating mode has more than 75.3%. The output power of piezoelectric generator in 600pps is
391μW, applications can be stored in 2.4V rechargeable battery or LED flashing lights.

目   錄

書頁名﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ i
中文摘要﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ ii
英文摘要﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ iii
誌謝﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ iv
目錄﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ v
表目錄﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ viii
圖目錄﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ ix
第一章 緒論﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 1
1.1 研究動機與目的﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 1
1.2 壓電發電系統文獻回顧與整理﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 2
1.3 壓電發電儲能系統簡介﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 9
1.4 本文貢獻﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 11
1.5 本文架構﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 12

第二章 壓電原理與壓電等效模型﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 13
2.1 壓電材料﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 13
2.1.1 壓電陶瓷材料﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 14
2.1.2 壓電效應﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 16
2.2 壓電方程式﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 18
2.2.1 機電耦合因數﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 23
2.2.2 壓電材料常見的操作模式﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 23
2.3 壓電等效模型﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 25
第三章 非隔離式直流對直流轉換器的操作原理﹒﹒﹒﹒﹒ 29
3.1 降壓型轉換器(Buck Converter) ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 29
3.1.1 Buck Converter連續導通模式﹒﹒﹒﹒﹒ 31
3.1.2 Buck Converter不連續導通模式﹒﹒﹒﹒ 32
3.1.3 Buck Converter CCM 與DCM邊界條件﹒﹒ 33
3.2 升壓型轉換器(Boost Converter)﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 34
3.2.1 Boost Converter 連續導通模式﹒﹒﹒﹒ 35
3.2.2 Boost Converter 不連續導通模式﹒﹒﹒ 36
3.2.3 Boost Converter CCM與DCM邊界條件﹒﹒ 37
3.3 升降壓型轉換器(Buck-Boost Converter) ﹒﹒﹒ 38
3.3.1 Buck-Boost Converter 連續導通模式 ﹒ 39
3.3.2 Buck-Boost Converter 不連續導通模式 40
3.3.3 Buck-Boost Converter CCM與DCM邊界條件 41
第四章 實驗機構和阻抗匹配轉換器設計概念﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 42
4.1 實驗機構﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 42
4.1.1 固定座﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 43
4.1.2 滑軌﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 43
4.1.3 馬達﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 43
4.1.4 齒輪﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 44
4.1.5 雙層壓電片﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 45
4.2 旋轉敲擊模式﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 47
4.3 阻抗匹配與最大功率傳輸概念﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 51
4.4 壓電片的最大功率輸出測試﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 53
4.5 阻抗匹配轉換器的設計概念﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 57
4.5.1阻抗匹配轉換器基本架構﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 59
第五章 硬體電路架構與實驗﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 61
5.1 硬體電路架構與元件選擇原則﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 61
5.1.1 全橋整流電路﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 62
5.1.2 PWM產生器 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 63
5.1.3 阻抗匹配轉換器﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 64
5.2 實驗目的與實驗範例規劃﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 66
5.2.1 實驗目的﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 67
5.2.2 實驗範例規劃﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 67
5.2.3 參數設定﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 69
5.3 實驗結果﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 70
5.4 實驗結果討論﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 72
5.5 LED閃爍器應用電路﹒﹒﹒﹒ ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 78
5.6 實驗電路板實現﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 80
第六章 結論與建議﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 82
6.1 結論﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 82
6.2 建議﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 83
參考文獻﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 84

參考文獻

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