طراحي يك مدار كارآمد واسط همراه با تعقيب نقطه بيشينه توان براي برداشت انرژي پيزوالكتريك

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي برق

كارشناسي ارشد

امروزه يكي از فناوري‌هاي رو به توسعه در حوزه ارتباطات بي‌سيم، فناوري اينترنت اشياء و شبكه‌هاي حسگر بي‌سيم مي‌باشد كه در صنايع مختلف از جمله دورسنجي پزشكي و سلامت و درمان هوشمند كاربرد فراوان دارد. يكي از مهم‌ترين چالش‌ها در فناوري اينترنت اشياء، نياز به تعويض باتري‌هاي فرسوده و هزينه‌هاي تعمير و نگهداري ناشي از بررسي و جايگزيني باتري‌ها است. همين چالش‌ها سبب رشد تقاضا براي يافتن رويكردهاي مناسب براي جايگزيني باتري و يا شارژ آن شده است. در كنار پيشرفت تكنولوژي‌هاي ساخت باتري، يكي از راهكارهاي جديد و قابل توجه براي تامين توان شبكه‌هاي حسگر بي‌سيم، برداشت انرژي از محيط است. در اين زمينه برداشتگرهاي مختلفي از جمله برداشتگرهاي انرژي لرزشي وجود دارد. براي ﺑﺮﺩﺍﺷﺖ ﺍﻧﺮﮊﻱ ﻟﺮﺯﺷﻲ مي‌توان ﺍﺯ سه نوع برداشتگر الكترواستاتيكي، الكترومغناطيسي و پيزوالكتريكي استفاده كرد كه در اين پايان‌نامه تمركز روي برداشت انرژي لرزشي پيزوالكتريك مي‌باشد. براي استفاده از توان توليدي برداشتگر پيزوالكتريكي بايد يك مدار واسط پردازش توان بين برداشتگر و باتري قابل شارژ در خروجي طراحي شود به گونه‌اي كه بتواند ولتاژ سينوسي را يكسو كرده و همچنين شرايط دريافت بيشينه توان از برداشتگر را فراهم كند. مدار پردازش توان در حالت متداول به صورت دو طبقه شامل يك طبقه يكسوكننده و يك طبقه مبدل dc/dc است كه يكسوكننده‌ها در انواع مختلفي اعم از مدار FBR و PSSHI وجود دارند. مدار واسط دو طبقه داراي محدوديت‌هايي از جمله تعداد زياد المان در مسير پردازش توان است كه منجر به افزايش تلفات هدايتي و در نهايت بازده توان پايين مي‌شود. راهكار مناسب و مورد توجه براي بهبود بازده توان و كاهش تعداد كليد در مسير توان، ادغام دو طبقه يكسوكننده و مبدل dc/dc است. در اين پايان‌نامه مدار پيشنهادي يك مبدل ac/dc مستقيم يك طبقه مي‌باشد كه فاقد يكسوكننده مجزا و فيلتر خازني است. از مزاياي توپولوژي پيشنهادي، امكان استفاده از آن در دو حالت مدار ادغام شده يكسوكننده FBR و مبدل dc/dc افزاينده و مدار ادغام شده يكسوكننده PSSHI و مبدل dc/dc افزاينده تنها با يك سلف است. با تحليل‌هاي انجام شده براي هر دو حالت، شرايط برداشت بيشينه توان از مدار به دست آمده است. همچنين برداشتگر انرژي به يك مدار كنترل‌كننده جهت تعقيب نقطه بيشينه توان نياز دارد تا با وجود تغييرات ورودي اعم از تغيير در فركانس لرزش و يا تغيير در ولتاژ مدار باز برداشتگر، بتواند همواره بيشينه توان را به خروجي منتقل كند. در اين پايان‌نامه دو روش كنترل حلقه بسته براي مدار واسط پيشنهادي، پيشنهاد شده است كه روش اول از طريق آشكارسازي زمان هدايت ديود مبدل و روش دوم از طريق اندازه‌گيري ولتاژ مدار باز برداشتگر است. چالش اصلي كنترل حلقه بسته، توان مصرفي مدار كنترل و سرعت واكنش آن نسبت به تغييرات ورودي است كه بايد در طراحي در نظر گرفته شود. در نهايت مدار پيشنهادي در حالت مدار ادغام شده يكسوكننده FBR و مبدل dc/dc افزاينده براي تامين توان يك باتري قابل شارژ 1/8 ولتي به همراه كنترل حلقه بسته به روش اندازه‌گيري ولتاژ مدار باز در تكنولوژي 180 نانومتر استاندارد سي‌ماس در سطح شماتيك پياده‌سازي شده است كه تنها يك سلف 100 ميكروهانري به عنوان المان خارج تراشه دارد. طبق نتايج شبيه‌سازي در ولتاژ مدار باز 1/2 ولت، بازده مدار برابر 91/84 درصد و بازده تعقيب نقطه بيشينه توان برابر 98/95 درصد به دست آمده است. همچنين زمان تعقيب حلقه كنترلي كمتر از يك دوره تناوب لرزش برداشتگر به دست آمده است.

214458

الكترونيك

مهندسي برق و كامپيوتر

دانشگاه صنعتي اصفهان

رسول دهقاني، احسان اديب

نسرين رضائي حسين آبادي