Как сделать пьезоэлемент мощнее

Обновлено: 06.07.2024

В последние годы получило новое развитие направление пьезоэлектрического приборостроения, связанное с созданием пьезоэлектрических преобразователей для генерации электрической энергии за счет использования механической энергии деформации, перемещения конструкций и движения транспортных средств и человека.

Внедрение новой технологии изготовления пленочных пьезоэлектрических элементов с толщиной от 5 до 100 мкм и реализация технологии их автоматической сборки в многослойные конструкции позволяют изготовить пьезоэлектрические генераторы с оптимальными параметрами, обеспечивающими согласование их импеданса с импедансом нагрузки и выходными напряжениями от 2–10 до 240–300 В [1–4]. Конструкция пьезогенератора определяется конструкцией пьезоэлемента.

Пьезоэлементы, в которых направление поляризации совпадает с направлением механического усилия, используются при создании мощных пьезоэлектрических генераторов на напряжения 100–300 В. Пьезоэлементы изгибного типа (биморфы), в которых направление поляризации перпендикулярно направлению деформации при вибрации, используются при создании мини-пьезоэлектрических генераторов на напряжения 2–10 В.

Как правило, мощные пьезоэлектрические пьезогенераторы являются преобразователями механической энергии (с давлением не менее 1–2 кН) в электрическую при циклическом нагружении, при этом переменное напряжение преобразуется с помощью мостовых выпрямителей в постоянное. Поскольку пьезопреобразователь работает в течение продолжительного времени с относительно малой электрической энергией, производимой за один цикл, как правило, используется система накопления и хранения энергии (рис. 1). Для стабилизации выходного напряжения пьезогенератора на заданном уровне используется система с обратной связью, специальный контроллер. Контроллер также обеспечивает согласование импеданса пьезогенератора с выходным импедансом потребителя энергии.

В работах [1–4] показана принципиальная возможность создания двух вариантов конструкции пьезоэлектрических генераторов в основном как источника зарядки аккумуляторных батарей на напряжение 2–10 В.

В последние годы начаты работы по созданию на основе многослойных монолитных конструкций пьезоэлементов мощных источников питания.

В работе [5] были проведены исследования и определены предельные параметры многослойных пьезоэлектрических генераторов на основе многослойных пьезоэлементов с габаритами 6×6×2,7 мм (количество слоев 50, толщина слоя 50 мкм). Основные конструктивные и электрические их параметры приведены в работах [6, 7]. Целью исследования являлась разработка макетного образца автономного пьезоэлектрического источника питания на основе преобразования механической энергии движения поезда (количество вагонов 10) в постоянное напряжение для подзарядки устройств питания радиомодуля, обеспечивающего его непрерывную работу в течение двух часов, выходное напряжение 3–5 В, максимально развиваемое усилие 5×10 7 Н/м 2 , цикличность движения — один состав в час со средней скоростью 20 км/ч.

Было разработано два варианта конструкции макетных образцов многослойных пьезогенераторов:

первый — из 13 многослойных элементов, соединенных механически последовательно, а электрически параллельно;
второй — из одного слоя многослойных элементов, расположенных попарно на ситалловых подложках 48×48×0,5 мм и соединенных электрически параллельно (сверху слой закрыт такой же ситалловой подложкой, в слое шесть линеек по шесть элементов).

Были проведены исследования электрофизических параметров пьезогенераторов на устройствах, позволяющих воспроизводить циклические нагружения пьезогенераторов, аналогичные воздействию движущегося поезда на рельсы.

Следует отметить, что проведенный расчет деформации рельсов от давления основного вагона поезда массой 60 т показал, что их величина менее 0,001 мкм, и при расчете преобразования механической энергии в электрическую этот параметр можно не учитывать.

Исследования проводились в электрической схеме включения (рис. 2).

Диод VD1 в этой схеме предотвращает утечки заряда обратно к пьезогенератору (ПГ), когда давление снижается. Диод VD2 обеспечивает разряд обратного напряжения, которое возникает на пьезогенераторе, когда давление спадает до нуля после переклички с генерированной энергией в накопителе (в данном случае в качестве накопителя использована емкость С_н = 40 мкФ, R_н = 2×10 7 Н/м 2 ). Время одного цикла нагружения и сброса нагрузки не более 1 мин., общее количество циклов не менее 120.

Для многослойных пьезогенераторов наблюдается линейная зависимость напряжения и заряда от давления вплоть до предельных значений 2×10 8 Па.

При давлении 10 7 Н/м 2 пьезогенератор обеспечивает напряжение 7 В и величину заряда 70×10 –6 К, энергия 21×10 –5 Дж.

Для второго варианта конструкции напряжение 10 В, заряд 180×10 –6 К, энергия 75×10 –5 Дж. Результаты исследований показали, что такой пьезогенератор может обеспечить подзарядку аккумулятора радиопередатчика мощностью 10 Вт при увеличении площади сечения в 100 раз и увеличении цикла нагружения в течение 1 ч до 10 раз.

В работе [8] были рассмотрены предельные параметры конструкции многослойных пьезоэлектрических генераторов в качестве твердотельных батарей. Показано, что для аналогичных элементов толщиной до 100 мкм предельные значения давления составляют 5×10 8 Н/м 2 . Удельное предельное значение запасенной энергии в пьезогенераторе при давлении 10 8 Н/м 2 : W/V = 0,25–0,3 Дж/см 3 , удельное значение величины заряда Q/S = 5–6×10 –2 К/м 2 .

Проведенные исследования предельных параметров двух вариантов макетных образцов пьезогенераторов показали, что расчетные предельные соотношения с точностью ±10% совпадают с результатами эксперимента при давлении 10 7 Н/м 2 . Первый вариант конструкции обеспечивает заряд ~660×10 6 К, второй — 1760×10 –6 К, электрическая энергия 21×10 –3 Дж и 77×10 –3 Дж соответственно.

Предельные параметры 10 8 Н/м 2 для многослойных пьезоэлектрических конструкций соответствуют требованиям, обеспечивающим их надежную и долговечную работу (~цикл до 2×10 9 импульсов), тогда как предел разрушения многослойной керамики достигает 10 9 и более Н/м 2 .

Несколько лет назад в Израиле были начаты разработки мощных пьезогенераторов, преобразующих механическое давление транспортных средств (автомашины, поезда, самолеты) в электрическую энергию. Созданная в 2008 г. израильская компания Innowattech (Energy Harvesting Systems) занимается исследованиями и разработками пьезоэлектрических генераторов с системой сбора энергии [9]. Разрабатываются варианты, преобразующие в электроэнергию энергию давления:

автомобилей на полотно дороги (для автомобильных дорог);
движущегося железнодорожного транспорта на полотно железной дороги (для железных дорог);
самолета при взлете и посадке на взлетно-посадочную полосу (для аэродромов).

Производство электрической энергии при преобразовании давления транспортных средств имеет ряд преимуществ:

не требует выделения дополнительных площадей;
не наносит ущерба окружающей среде (экологически чистое производство);
не зависит от погодных условий.

При применении для освещения дороги и электропитания светосигнальных дорожных транспортных устройств источник питания расположен непосредственно на трассе и не требует дополнительных электрических подводок.

Система позволяет передавать информацию в реальном масштабе времени о частоте и скорости потока автомобилей, грузоподъемности транспортных средств, а также расстоянии между ними.

В октябре 2009 г. с участием фирмы MAATZ (Israeli National Roads Company) были проведены испытания образцов пьезогенераторов, установленных на участках скоростной дороги № 4. Под асфальтом на глубине 3 см в участок полотна длиной 100 м было установлено 500 000 пьезоэлементов, на участке 400 м — до 2 000 000.

Конструкция и технология изготовления пьезоэлектрических генераторов типа I PEG с системой сбора С. С. защищены четырьмя международными патентами, данные в открытой печати не опубликованы. Результаты проведенных исследований позволили фирме Innowattech приступить к разработке и реализации следующих проектов:

С участием национальной компании IRC (Israel Railways Company) на опытном участке близ станции Лод устанавливаются рельсы с вмонтированными в них пьезогенераторами. Проведенные предварительные расчеты показывают, что при интенсивном движении 10–20 поездов (с числом вагонов не менее 10) в час возможно получить до 200 кВт/ч, способных обеспечить электроснабжением до 300 индивидуальных домов.
Заключен контракт Start Road на проведение работ в период 2010–2013 гг. по установке пьезоэлектрических генераторов типа I PEG с аккумуляторной системой сбора на трассе Венеция–Триест. Пьезогенераторы закладываются на глубину до 3 см, через каждые 500 м осуществляется сбор и накопление электроэнергии с последующей ее передачей потребителям. Предварительные расчеты показывают, что при частоте движения 600 автомобилей в час на 1 км четырехполосного шоссе полотно с установленными под ним пьезогенераторами позволяет выработать до 1 МВт/ч, на двухполосном шоссе длиной 10 км — до 5 МВт/ч, что позволяет полностью обеспечить энергопитанием системы освещения дороги, электронные системы управления движением (светофоры, табло и т. д.). Сумма инвестиций итальянской компанией Impregilo составляет 225 млн евро.

В [13] приведены предварительные расчеты по созданию волновых электростанций с использованием преобразования механической энергии набегающих прибрежных волн в электрическую. Предварительные расчетно-экспериментальные данные показали низкую эффективность преобразования пьезогенератора: линейка многослойных пьезогенераторов шириной 10 см и толщиной 5 см обеспечивает получение 8–10 Вт с одного метра при воздействии волны с частотой 0,2–0,25 Гц и высотой до 1 м.

Перспективным направлением является создание пьезоконвертера на основе применения многослойных пьезоэлементов для бытовых устройств, которые преобразуют усилие нажатия человека на кнопку в электрическую энергию. При давлении 1 Н/см 2 многослойный пьезоэлемент площадью 1 см 2 и толщиной 2–3 мм генерирует напряжение 3–12 В, что достаточно для:

передачи сигнала с пульта дистанционного управления для измерения и индикации результатов;
передачи сигнала автомобильного брелока на охранную систему и систему сигнализации;
работы дистанционного радиозвонка для коттеджа (один из производителей таких бытовых звонков фирма Carradon Fredland отмечает, что выигрыш от применения пьезоконвертеров состоит даже не в снижении стоимости батареек, а прежде всего в возможности герметизации всего устройства);
работы безбатарейного устройства, настенного или мобильного, для включения и выключения освещения, которое может быть установлено в стену и не требует прокладки сетевой проводки, что создает дополнительные удобства для пользователей, повышает пожарную безопасность и позволяет экономить на строительно-монтажных работах по прокладке сетевых кабелей;
электромеханической блокировки электронного замка (с помощью пластиковой карточки при ее движении осуществляется передача энергии на микропроцессор, опознающий код карточки).

Мини-пьезогенераторы

В одном из последних обзоров [11] приведены различные варианты создания пьезо-электрических генераторов и наносистем для различных областей применения. Показана перспективность и применение изгибных пьезогенераторов в малогабаритных устройствах беспроводной электроники и устройствах коммуникации (телефоны сотовой связи, смартфоны), бытовой электромеханике и электротехнике.

В настоящее время интенсивно ведутся работы по созданию информационно-измерительных и управляющих систем, способных принимать и идентифицировать электромагнитные сигналы от беспроводных микромощных датчиков, встроенных в различные конструкции сетей передачи информации, расположенные в любых, в том числе и труднодоступных, местах, где возможности централизованного питания ограничены. Большое число элементов в таких информационных беспроводных сетях практически исключает возможность длительного, многолетнего поддержания их работоспособности путем регулярной или выборочной замены источника питания. Достижения в области создания маломощных СБИС наряду с низкими коэффициентами заполнения беспроводных датчиков уменьшают требования к питанию до диапазона десятков и сотен микроватт. Связанная с этим низкая потребляемая мощность открывает возможность обеспечения питанием сенсорных узлов посредством извлечения энергии из окружающей среды, устраняя необходимость в батареях и увеличивая срок службы до бесконечности. В таблице 1 приведено сравнение источников извлечения энергии и источников фиксированной энергии (батарей).

Таблица 1. Сравнение источников извлечения энергии и источников фиксированной энергии

Данные таблицы показывают, что батареи являются приемлемым вариантом при коротких сроках службы. Для длительных сроков службы требуется другое решение. Солнечные элементы обеспечивают превосходную плотность энергии при прямом солнечном свете. Однако практически исключают выработку энергии в закрытых помещениях и зависят от погодных условий. Решение данного вопроса возможно при генерации электрической энергии непосредственно на месте расположения электронного маломощного устройства из энергии окружающей среды.

В таблице 2 приведена информация об источниках вибрации.

Таблица 2. Информация об источниках вибрации

Механизмы преобразования

Существуют три основных механизма преобразования вибраций в электрическую энергию: электромагнитный, электростатический и пьезоэлектрический. В первом случае относительное перемещение между катушкой и магнитным полем вызывает протекание тока в катушке. Электростатический генератор состоит из двух проводников, разделенных диэлектриком, которые перемещаются относительно друг друга. При перемещении проводников энергия, хранящаяся в конденсаторе, меняется, обеспечивая, таким образом, механизм преобразования механической энергии в электрическую. В третьтем варианте преобразование механической энергии в электрическую происходит на основе пьезоэффекта в пьезокерамическом материале.

В таблице 3 приведено качественное сравнение особенностей указанных трех механизмов преобразования.

Таблица 3. Сравнение особенностей механизмов преобразования

Из анализа данных, приведенных в таблице 3, следует, что наиболее перспективным является прямое преобразование механической энергии колебаний в электрическую, осуществляемое пьезокерамическим преобразователем. В качестве основного элемента преобразователя используются пьезоэлектрические датчики. Прямое преобразование механических колебаний конструкции в электрическую энергию будет наиболее эффективно при использовании гибких пьезоэлектрических датчиков — пьезобиморфов [1–4].

Принципиальная конструкция пьезоэлектрического микропреобразователя на основе пьезобиморфа показана на рис. 3.

В ряде работ [12–14] были проведены расчеты и оптимизация основных параметров, приведенных в таблице 4, а также установлены предельные ограничения, обусловленные механической прочностью конструкции из пьезокерамического материала.

Правила группы -обязательно для ознакомления! (Чтобы потом вопросов не возникало, "почему меня заблокировали?!" или "почему удалили мою тему?!") Общие положения Группа “Радиолюбители” в социальной сети “Одноклассники” объединяет участников , чьим увлечением стала радиотехника и электроника. Группа занесена в официальный реестр социальной сети "Одноклассники" в разделе "Наука и техника". Группа является открытой для всех желающих. Предварительна

Правила группы - обязательно для ознакомления! (Чтобы потом вопросов не возникало, "почему меня заблокировали?!" или "почему удалили мою тему?!") Общие положения Группа “Радиолюбители” в социальной сети “Одноклассники” объединяет участников , чьим увлечением стала радиотехника и электроника. Группа занесена в официальный реестр социальной сети "Одноклассники" в разделе "Наука и техника". Группа является открытой для всех желающих. Предварительная модерация тем администрацией группы не пров

Здравствуйте. Попросили меня посмотреть приобретенный на известном сайте отпугиватель грызунов (видно, не отпугнул). Вот что я там увидел. Генерации нет, а может ли при таком включении lm358p работать? Прошу прощения за качество схемы, снимал на скорую руку.

Здравствуйте всем, кто это читает! Имеется спутниковый тюнер JEFERSON x-003+. Работает нормально, но при подключении антенны Wi-Fi и введении пароля роутера полностью выключается и начинает грузится сначала. Подскажите, кто что знает ? Можно что-то сделать? Заранее спасибо!

Всем доброго здоровья!Прошу подсказать характеристики трансформатора. Думаю, что здесь есть железнодорожники, а этот трансформатор с перегонного поста аппаратуры ДИСК-Б.Заранее спасибо!

Доброго всем времени. Имеются светодиодные потолочные светильники ecola 12 вт. После недолгой работы, некоторая их часть стала светить в пол накала. Вскрытие не выявило причины. Но прикоснувшись к контактам микросхемы или диодного моста отверткой или щупом, светильники стали снова работать как надо. Но поработав минут 10-20, снова светят в пол накала. Думал перегреваются, но холодные они тоже светят в пол накала. Грешу на микросхему. Фото светильника и его схему прилагаю (надеюсь, нарисовал прав

Чтобы отметить человека, наведите на него курсор и нажмите левую кнопку мыши. Чтобы отметиться на фото, наведите на себя курсор и нажмите левую кнопку мыши.

Увеличение громкости звучания звуковых пьезоизлучателей. При увеличении амплитуды переменного напряжения, подаваемого на пластину звукового пьезоизлучателя, естественно увеличивается громкость зучания. Почти все пластины обычных звуковых пьезоизлучателей спокойно выдерживают переменное напряжение звуковой частоты до 100. 150 вольт. Поэтому я ещё с советских времен при низком питающем напряжении устройства или прибора, для увеличения громкости использую автотрансформаторное включение дешевых звуковых пьезоизлучателей. Для автотрансформаторов можно использовать ферритовые колечки или дроссели от сгоревших энергосберегающих ламп, домотав на сердечник дросселя первичную секцию с необходимым количеством витков (из расчета 4 витка на 1 вольт питающего напряжения, провод диаметром около 0,1 мм, чтобы витки уместились в свободной части окна сердечника). ПРИМЕЧАНИЕ! Во время экспериментов с разными типами пьезоизлучетелей я применял маломощный генератор НЧ и в качестве автотрансформатора даже использовал катушку зажигания от старого автомобиля "Запорожец". При этом на пь

езоизучателе ЗП-3 получалось около 1500 вольт переменного напряжения. При резонансной частоте в 4 кГц громкость звука была такой, что в любой части комнаты площадью 20 кв.метров уши закладывало от громкого писка. Правда пьезопластина излучателя долго не выдержала такой режим и растрескалась на несколько кусочков.

А растрескивалась потому-что напряжение рабочее таких излучателей всего 6 вольт. А не 100.Даже бетон ломается, если не соблюдать ТТХ.

Пьезокерамика может потерять пьезосвойства от черезмерно высокого напряжения или растрескаться от черезмерных физических изгибах и деформаций кристалла при его работе. Чтобы уменьшить изгибание пьезопластины при подаче на неё повышенного напряжения, нужно тем или иным способом прикрепить к ней внешний диффузор или вставить пьезоизлучатель в аккустический рупорный усилитель. При этом подаваемое на кристалл напряжение можно увеличивать вплоть до производственного технологического значения.

Вопрос только в том, как применить этакое умение? Просто пищать, гонять крыс, собак и кошек, али ИСЧЁ, для какой надобности?

Просто у меня есть целая пачка пьезокерамических дисков диаметром 10 мм, которые применялись в приборе для регулировки механических наручных часов в качестве датчиков тик-така. А даже от 9 вольт эти пьезоизлучатели звучат очень тихо. Вот я и стал экспериментировать с ними, чтобы где-нибудь использовать с пользой.

Да я сам такой, но бывает сделаешь что то, просто от любопытства и потом оказывается не нужным. Вот давно хочу сделать двухтакт на 6С33С, но не делаю, ни как не могу решить, а для чего мне такая мощность, это ватт 20 будет, а то и побольше.

Что находится внутри пьезо зажигалки, как она работает. Решил показать подробно, ничего сложного просто .

Усиливаю искру зажигания ваз 2109 с помощью высоковольтных конденсаторов КВИ-2 емкостью 100 пикофарад(пФ) .

. есть два способа увеличить ток коммутации при этом нужно учить что выходной транзистор должен иметь запас по току .

Проверим провода нулевого сопротивления и сравним их с новыми. проверим мощность двигателя, разгон до 100 км и .

Телеграмм канал ИНТЕРЕСНЫЕ ИДЕИ СВОИМИ РУКАМИ: t.me/interesnieideisvoimiruka. Мой резервный канал .

Привет! :) Сегодня, как я и анонсировал, выкладываю новое видео. В нём я рассказываю о том, как можно легко и просто .

В ролике показан процесс изготовления электронной зажигалки для поджига газовых плит. Отличительной чертой .

Сломалась газовая зажигалка для плиты, перестала щелкать пьеза.. Это устраняется в течении 10 минут и у нас снова .

Как починить зажигалку и заменить пьезоэлемент, если есть 2 зажигалки и обе сломаны - в одной сломался пьезоэлемент, .

Lety-код: TOPCASHBACKX1.5 Действует до: 31.12.2019 Ставка кэшбэка увеличена на 50% по Aliexpress. Lety-код: .

В этом видео мы рассмотрим 10 способов усилить искру, сделать мощнее искровой разряд на электродах свечи зажигания .

Проверяем медные высоковольтные провода и поднимаем напряжение на катушке зажигания. Видео создано как .

Явление пьезоэлектричества было обнаружено Джексоном и Пьером Кюри в 1880-1881 годах, а в настоящее время активно применяется в радиотехнике. В чем эффект пьезоэлектричества? Дело в том, кристалл способен при сжатии продуцировать электрическую энергию. А если подать на него ток, то кристалл изменит свою форму.

Пьезоэлектрики — кристаллы, которые могут при сжатии создавать электрический заряд (прямой пьезоэффект) или под воздействие электротока изменять форму: сжиматься, увеличиваться, сгибаться (обратный пьезоэффект).

На этом эффекте основана работа музыкальных открыток. Как они работают? Внутри открытки встроена простая микросхема — синтезатор, маленькая флеш-память, пьезоэлектрический динамик и миниатюрная батарейка-таблетка. В флеш-память записывают мелодию. Когда открытка открывается, схема запитывается от батарейки и синтезатор воспроизводит на пьезоэлектрическом динамике эту мелодию. Здесь работа пьезоэлемента основана на обратном пьезоэффекте.

В представленной поделке используется прямой пьезоэффект, то есть ток создается путем надавливаний на кристаллы.

Пьезоэлемент дает ток ничтожной величины, но для простых, но в то же время интересных идей с электричеством он подойдет.

Итак, посмотрите, как можно добыть электричество из пьезоэлемента на видео.

Константин Бузко
То есть можно создать целую схему к примеру 4 таких штуки желательно побольше размеров что бы выдавали больше электричества к ним приделана машинка которая будет осуществлять нажатие их поочередно машинку только надо будет разогнать и все а так она должна работать на этих штучках дальше и смело подключать к ней какие нибудь приборы это же получается бесконечная энергия ?

ebat v rot
У меня есть гениальная идея.
Берём Огромный излучатель, подключаем его к отбойному молотку, и к лампочке, стучим по излучателю, он даёт электричество, снабжает им молоток, молоток создаёт еще больше электричества, которое освещает лампочку, выходит бесконечный двигатель!

В китае или в японии придумали в 2014 какуюто новую батарейку, пока ее показывали только на всяких научных выставках, преимущество той батарейки в том что она как бумага по толщине, ее можно разрезать и она продолжала работать, а в общем сейчас найду и отправлю, видео. мне кажется у такой батарейки большое будущее..

4 комментария

Хорошая идея. В открытке, как я понял не просто батарейка, аккумулятор наверно находится. Можно ли самому сделать? Раньше я видел такие открытки на почте. Больше нигде не встречал. Цена недорогая, можно и купить.

вот оно!
можно прикрепить такой элемент на раму квадрокоптера. Поскольку рама довольно ощутимо и равномерно вибрирует, то несколько таких элементов с диодами могу очень сильно помочь в полётах ночью и без подпитки от основной батареи.

можно приделать его к барометру и будет вечная лампочка

Можно его сжимать методом охлаждения,опустить на глубину океана, настроить на резонансные частоты волн или излучений и будет и будет всем электричество.

Читайте также: