ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК
ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ISSN: 1727-2769
English | Русский

Последний выпуск
№3(40) июль-сентябрь 2018

Микроэлектромеханический генератор на основе модифицированной схемы дупликатора Беннета

Выпуск № 3 (36) июль-сентябрь 2017
Авторы:

Драгунов Валерий Павлович,
Синицкий Родион Евгеньевич,
Остертак Дмитрий Иванович
DOI: http://dx.doi.org/10.17212/1727-2769-2017-3-39-51
Аннотация

Ввиду активного развития беспроводных сенсорных сетей, имеющих широкое применение, возникает проблема организации их электропитания. Использование традиционных батарей и аккумуляторов требует периодического обслуживания, что не всегда осуществимо. Поэтому разрабатываются и исследуются новые виды автономных источников питания, преобразующих энергию окружающей среды в электрическую энергию. Вследствие доступности и сравнительно высокой удельной мощности окружающих механических колебаний, а также совместимости с интегральной технологией наиболее перспективными представляются электростатические микроэлектромеханические преобразователи (МЭМП) механической энергии в электрическую. Для использования преобразованной электрической энергии необходима схема сопряжения (включения) преобразователя с потребляющим устройством. Одной из наиболее перспективных схем сопряжения (включения) электростатических МЭМП является схема дупликатора Беннета, двумя основными недостатками которой являются неконтролируемый рост напряжения, приводящий к пробою элементов схемы, и возможность функционирования только с переменными конденсаторами, имеющими глубину модуляции емкости больше 2 (для одноконденсаторного преобразователя). В данной работе предлагается и исследуется новая модификация схемы дупликатора Беннета, лишенная указанных недостатков. Разработаны математические модели, позволяющие оценить основные параметры данной схемы: эффективные напряжения и заряды на элементах схемы и средние токи подзаряда первичных источников питания для различных режимов работы схемы. Установлено, что в зависимости от глубины модуляции емкости η переменного конденсатора работа схемы возможна в двух режимах: при η < 2 – наблюдается насыщение напряжения и заряда на накопительном конденсаторе (автостабилизация), а при η ≥ 2 – наблюдается монотонный рост напряжения и заряда на накопительном конденсаторе. Показано, что введение в схему второго переменного конденсатора позволяет уменьшить значение η, при котором наблюдается смена режимов работы, с η = 2 до η = 1,618.


Ключевые слова: МЭМП, микрогенератор, механические колебания, переменный конденсатор, дупликатор Беннета, автостабилизация

Список литературы
  1. Khan S., Pathan A.-S.K., Alrajeh N.A. Wireless sensor networks: current status and future trends. – Boca Raton: CRC Press, 2016. – 546 p.
  2. Oudenhoven J.F.M., Vullers R.J.M., Schaijk R. A review of the present situation and future developments of micro-batteries for wireless autonomous sensor systems // International Journal of Energy Research. – 2012. – Vol. 36, N 12. – P. 1139–1150. – doi: 10.1002/er.2949.
  3. Micro and nano energy harvesting technologies / B. Yang, H. Liu, J. Liu, C. Lee. – Boston: Artech House, 2014. – 291 p.
  4. Micropower energy harvesting / R.J.M. Vullers, R. van Schaijk, I. Doms, C. Van Hoof, R. Mertens // Solid-State Electron. – 2009. – N 53. – P. 684–693. – doi: 10.1016/j.sse.2008.12.011.
  5. Energy harvesting from human and machine motion for wireless electronic devices / P.D. Mitcheson, E.M. Yeatman, G.K. Rao, A.S. Holmes, T.C. Green // Proceedings of the IEEE. – 2008. – Vol. 96, N 9. – P. 1457–1486. – doi: 10.1109/JPROC.2008.927494.
  6. Khan F.U., Qadir M.U. State-of-the-art in vibration-based electrostatic energy harvesting // Journal of Micromechanics and Microengineering. – 2015. – Vol. 26, N 10. – Art. 103001. – doi: 10.1088/0960-1317/26/10/103001.
  7. Драгунов В.П., Остертак Д.И. Архитектура и анализ схем МЭМ рекуператоров электрической энергии // Нано- и микросистемная техника. – 2011. – № 4 (129). – С. 49–54.
  8. Драгунов В.П., Доржиев В.Ю. МЭМ рекуператоры без разрыва цепи, содержащей индуктивный элемент // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. – 2011. – № 2 (17). – С. 92–101.
  9. Kwon D., Rincon-Mora G.A., Torres E.O. Harvesting ambient kinetic energy with switched-inductor converters // IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers. – 2011. – Vol. 58, N 7. – P. 1551–1560. – doi10.1109/TCSI.2011.2142731.
  10. Драгунов В.П., Остертак Д.И. Микроэлектромеханические преобразователи // Микроэлектроника. – 2012. – Т. 41, № 2. – С. 120–135.
  11. Queiroz A.C.M. de, Domingues M. The doubler of electricity used as battery charger // IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs. – 2011. – Vol. 58, N 12. – P. 797–801. – doi: 10.1109/TCSII.2011.2173963.
  12. Драгунов В.П., Доржиев В.Ю. Микроэлектромеханический генератор на основе дупликатора Беннета // Нано- и микросистемная техника. – 2012. – № 11. – С. 39–42.
  13. Dragunov V., Dorzhiev V. Electrostatic vibration energy harvester with increased charging current // Journal of Physics: Conference Series. – 2013. – Vol. 476, N 1. – P. 012115/1–012115/5. – doi: 10.1088/1742-6596/476/1/012115.
  14. Микроэлектромеханический преобразователь на основе дупликатора Беннета с одним переменным конденсатором / В.П. Драгунов, Д.Ю. Галайко, В.Ю. Доржиев, Ф. Бассэ // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. – 2014. – № 2–3 (23–24). – С. 67–80.
  15. MEMS electrostatic vibration energy harvester without switches and inductive elements / V. Dorzhiev, A. Karami, P. Basset, V. Dragunov, D. Galayko // Journal of Physics: Confe­rence Series. – 2014. – Vol. 557, N 1. – P. 012126/1–012126/5. – doi: 10.1088/1742-6596/557/1/012126.
  16. Self-biased inductor-less interface circuit for electret-free electrostatic energy harvesters / E. Lefeuvre, S. Risquez, J. Wei, M. Woytasik, F. Parrain // Journal of Physics: Conference Series. – 2014. – Vol. 557, N 1. – P. 012052/1–012052/5. – doi: 10.1088/1742-6596/557/1/012052.
  17. Драгунов В.П., Доржиев В.Ю. Влияние параметров диодов на работу схемы ЭМГ на основе дупликатора Беннета // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. – 2015. – № 2 (27). – С. 57–68. – doi: 10.17212/1727-2769-2015-2-57-68.
  18. Karami A., Basset P., Galayko D. Electrostatic vibration energy harvester using an electret-charged MEMS transducer with an unstable auto-synchronous conditioning circuit // Journal of Physics: Conference Series. – 2015. – Vol. 660, N 1. – P. 012025/1–012025/5. – doi: 10.1088/1742-6596/660/1/012025.
  19. Interface circuit for vibration energy harvesting with adjustable bias voltage / J. Wei, E. Lefeuvre, H. Mathias, F. Costa // Journal of Physics: Conference Series. – 2015. – Vol. 660, N 1. – P. 012016/1–012016/5. – doi: 10.1088/1742-6596/660/1/012016.
  20. Electret-free micromachined silicon electrostatic vibration energy harvester with the Bennet’s doubler as conditioning circuit / V. Dorzhiev, A. Karami, P. Basset, F. Marty, V. Dragunov, D. Galayko // IEEE Electron Device Letters. – 2015. – Vol. 36, N 2. – P. 183–185. – doi: 10.1109/LED.2014.2387213.
  21. Драгунов В.П., Остертак Д.И. Анализ электромеханических процессов в МЭМП с изменяющейся площадью перекрытия электродов // Научный вестник НГТУ. – 2009. – № 2 (35). – С. 115–127.
  22. Драгунов В.П., Синицкий Р.Е., Киселев Д.Е. Влияние непараллельных электродов на характеристики МЭМС в режиме с контролируемым зарядом // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. – 2017. – № 1 (34). – С. 58–71. – doi: 10.17212/1727-2769-2017-1-58-71.
  23. Драгунов В.П., Киселев Д.Е., Синицкий Р.Е. Особенности электромеханических взаимодействий в МЭМС с непараллельными электродами // Нано- и микросистемная техника. – 2017. – № 6. – С. 360–369. – doi: 10.17587/nmst.19.360-369.
  24. Драгунов В.П., Доржиев В.Ю., Лойко Д.И. Влияние непараллельности электродов на характеристики микромеханических конденсаторов // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. – 2016. – № 3 (32). – С. 54–64. – doi: 10.17212/1727-2769-2016-3-54-64.
Благодарности. Финансирование

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках базовой части государственного задания, шифр проекта 8.6847.2017/БЧ, тема проекта: «Разработка теоретических основ построения измерительного оборудования для телекоммуникационных систем, содержащего мощные СВЧ аттенюаторы, полосовые фильтры с заданными частотами режекции и микрополосковые печатные антенны».

Для цитирования:

Драгунов В.П., Синицкий Р.Е., Остертак Д.И. Микроэлектромеханический генератор на основе модифицированной схемы дупликатора Беннета // Доклады АН ВШ РФ. – 2017. – № 3 (36). – C. 39–51. doi: 10.17212/1727-2769-2017-3-39-51

For citation:

Dragunov V.P., Sinitskiy R.E., Ostertak D.I. Mikroelektromekhanicheskii generator na osnove mo­difitsirovannoi skhemy duplikatora Benneta [A microelectromechanical generator based on the Bennet doubler modified circuit]. Doklady Akademii nauk vysshei shkoly Rossiiskoi Federatsii – Proceedings of the Russian higher school Academy of sciences, 2017, no. 3 (36), pp. 39–51. doi: 10.17212/1727-2769-2017-3-39-51

Просмотров: 479