Caracterização de transdutores piezelétricos de baixo custo para aplicações de colheita de energia - Ferreira Junior, Paulo Afonso [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2020)
O campo de engenharia de coleta ou captação de energia, constitui uma área promissora para fornecer energia elétrica para aplicações elétricas de baixa potência obtidas de outras fontes de energia disponíveis no ambiente como: térmica, eletromagnética, vibracional e acústica, usando transdutores. As fontes vibracionais se destacam como a principal alternativa a ser utilizada na geração de energia elétrica para sensores e dispositivos microeletrônicos, devido à maior eficiência de conversão de energia e ao uso de uma estrutura simples. O cantilever é o principal sistema implementado nos estudos de obtenção de energia elétrica a partir de vibrações usando transdutores piezelétricos. A maioria dos transdutores piezelétricos na literatura ainda não estão disponíveis comercialmente e/ou é de difícil acesso para compra e uso. Este trabalho propõe a caracterização de transdutores piezelétricos de baixo custo, configurados como sensores, para aplicações de coleta de energia utilizando três tamanhos diferentes de diafragmas piezelétricos circulares, 10 mm, 20 mm e 25 mm de diâmetro. Para os três sensores piezelétricos diferentes, verificou-se que a máxima transferência de potência ocorre para uma carga resistiva de 150 kΩ. A potência máxima gerada na carga para os três sensores foi de 9,81 µW, 2,79 µW e 132 µW, tensões máximas geradas de 3,08 V , 1,6 V e 9,3 V , com aceleração de 1g e operando nas suas respectivas frequências de vibração, 32,1 Hz, 17,7 Hz e 23 Hz, para o transdutor de 10, 20 e 25 mm. O conversor CA-CC é composto por um retificador seguido por uma topologia de impulso CC-CC. O controle do loop de corrente de entrada permite configurar a referência como uma forma de onda retificada senoidal, emulando uma carga resistiva ao transdutor piezelétrico. Dessa maneira, pode-se emular uma carga resistiva ideal para o casamento de impedância e, consequentemente a máxima transferência de potência para a carga. Para validação, foram realizadas simulações utilizando o modelo elétrico piezelétrico e o conversor CA-CC com controle de loop de corrente de entrada. De acordo com as simulações, o nível de tensão interno é ajustado em 10 V , a impedância série em 150 kΩ e o valor de referência da corrente de entrada fixado em 5 V /150 kΩ. Definindo a queda de tensão nos diodos de 0,7 V , a potência de saída simulada é de 113,5 µW ou 86% da máxima transferência de potência com carga resistiva ideal. A queda de tensão nos diodos do retificador é a principal causa de perda de energia. Reduzindo para 0,1 V a tensão de queda nos diodos, a potência de saída simulada aumenta para 120 µW ou 90, 9% da máxima transferência de potência com carga resistiva ideal.

The field of Energy Harvesting is a promising area for supplying electrical energy for low power electrical applications, obtained from other energy sources available in the environment, such as thermal, electromagnetic, vibrational and acoustic using transducers. As vibrational sources, they are highlighted as the main alternative to be used in the generation of electrical energy for sensors and microelectronic devices, due to the higher energy conversion rate and the use of a simple structure. The cantilever is the main system implemented in studies on the use of electrical energy from vibrations using piezoelectric transducers. Most piezoelectric transducers in the literature are not yet commercially available and / or difficult to access for purchase and use. This work describes the characterization of low-cost piezoelectric transducers, configured as sensors, for energy harvesting applications that use three different diameter sizes of piezoelectric circular diaphragms like 10 mm, 20 mm and 25 mm. For three different piezoelectric transducers, it was found that the maximum power transfer occurs for a resistive load of 150 kΩ. The maximum power generated in the load for three transducers was 9,81 µW, 2,79 µW and 132 µW, maximum generated voltages of 3,08 V , 1,6 V e 9,3 V , with acceleration of 1g and operating at their vibration frequencies, 32,1 Hz, 17,7 Hz and 23 Hz, for 10, 20 and 25 mm piezoelectric transducers. The AC-DC converter consists of a rectifier followed by a DC-DC pulse topology. The control of the loop of the input current allows configuring a reference as a rectified sinusoidal waveform, emulating a load resistant to the piezoelectric transducer. In this way, it is possible to emulate a resistant load ideal for the impedance matching and, consequently, the maximum transfer of power to the load. For validation, simulations were performed using the piezoelectric electric model and the AC-DC converter with loop control of the input current. According to the simulations, the internal voltage level is set at 10V , an impedance series at 150 kΩ and the setpoint input current set at 5 V /150 kΩ. Setting the voltage drop on the diodes at 0,7 V , the simulated output power is 113,5 µW or 86% of the maximum power transfer with ideal resistive load. The voltage drop in the rectifier diodes is the main cause of energy loss. By reducing the drop voltage on the diodes to 0,1 V , the simulated output power increases to 120 µW or 90, 9% of the maximum power transfer with optimal resistive load.
Low-cost piezoeletric transductors characterization of energy harvesting applications
Keywords: Colheita de Energia; Transdutores Piezelétricos; Cantilever; Conversor CA-CC; Máxima Transferência de Potência; Energy Harvesting; Piezoelectric Transducers; Cantilever; AC-DC Converter; Maximum Power Transfer