ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК
ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Аннотация
В статье проводится математическое моделирование работы схемы электростатического микроэлектромеханического генератора (ЭМГ) на основе дупликатора Беннета с одним переменным конденсатором. Данная схема позволяет за счет преобразования энергии механических колебаний в электрическую энергию осуществлять подзаряд химического источника питания. Основным достоинством схемы является то, что в отличие от большинства схем для подзаряда источника питания она не содержит трудно изготавливаемого по интегральной технологии индуктивного элемента и переключателей, требующих дополнительных схем синхронизации, потребляющих энергию. Проведено моделирование работы схемы с использованием модели идеального диода, которое показало, что в установившемся режиме ток подзаряда источника питания не принимает отрицательных значений – отсутствует фаза разряда источника. Введение в модель диода обратных токов привело к появлению фазы разряда источника питания, которая вызвана компенсацией утечек заряда конденсаторов через запертые диоды. Проведено моделирование работы схемы с учетом емкостей диодов в предположении, что они не зависят от приложенного к диодам напряжения. Получено аналитическое выражение, позволяющее оценить средний ток подзаряда источника питания с учетом обратных токов и емкостей диодов и определить условия, при которых этот ток будет положительным. Показано, что напряжение пробоя диодов ограничивает возможность увеличения тока подзаряда путем увеличения напряжения на элементах схемы.

Список литературы

1. Roundy S.J. Energy scavenging for wireless sensor nodes with a focus on vibration to electricity conversion: a dissertation submitted in partial satisfaction of the requirements for the degree of doctor of philosophy in engineering-mechanical engineering in the graduate division. – Berkeley: University of California, 2003. – 287 p.
2. A batch-fabricated and electret-free silicon electrostatic vibration energy harvester / P. Basset, D. Galayko, A.M. Paracha, F. Marty, A. Dudka, T. Bourouina // Journal of Micromechanics and Microengineering. – 2009. – Vol. 19, N 11. – P. 115025/1–115025/12. – doi: 10.1088/0960-1317/19/11/115025.
3. Chiu Y., Tseng V.F.G. A capacitive vibration-to-electricity energy converter with integrated mechanical switches // Journal of Micromechanics and Microengineering. – 2008. –
   
   Vol. 18, N 10. – P. 104004/1–104004/8. – doi: 10.1088/0960-1317/18/10/104004.
4. Electrostatic vibration energy harvester with combined effect of electrical nonlinearities and mechanical impact / P. Basset, D. Galayko, F. Cottone, R. Guillemet, E. Blokhina,
   
   F. Marty, T. Bourouina // Journal of Micromechanics and Microengineering. – 2014. –
   
   Vol. 24, N 3. – P. 035001/–035001/14. – doi: 10.1088/0960-1317/24/3/035001.
5. Драгунов В.П., Остертак Д.И. Микроэлектромеханические преобразователи // Микроэлектроника. – 2012. – Т. 41, № 2. – С. 120–135.
6. 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.
7. Queiroz A.C.M. de. Electrostatic vibrational energy harvesting using a variation of Bennet’s doubler // Proceedings of 53rd IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS 2010), 1–4 August, 2010, Seattle, Washington, USA. – Piscataway, New Jersey: IEEE, 2010. – P. 404–407. – doi: 0.1109/MWSCAS.2010.5548752.
8. Queiroz A.C.M. de, Domingues M. The doubler of electricity used as battery charger // IEEE Transactions on Circuits and Systems: pt. 2: Express Briefs. – 2011. – Vol. 58,
   
   iss. 12. – P. 797–801. – doi: 10.1109/TCSII.2011.2173963.
9. Dragunov V., Dorzhiev V. Electrostatic vibration energy harvester with increased charging current // Journal of Physics: Conference Series. – 2013. – Vol. 476, iss. 1. – P. 012115/1–012115/5. – doi: 10.1088/1742-6596/476/1/012115.
10. Драгунов В.П., Доржиев В.Ю. Микроэлектромеханический генератор на основе дупликатора Беннета // Нано- и микросистемная техника. – 2012. – № 11. – С. 39–42.
11. 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.
12. 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, iss. 2. – P. 183–185. – doi: 10.1109/LED.2014.2387213.
13. 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, iss. 1. – P. 012126/1–012126/5. – doi: 10.1088/1742-6596/557/1/012126.
14. Драгунов В.П., Доржиев В.Ю. Анализ влияния pull-in эффекта на параметры трехэлектродных МЭМС // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. – 2013. – № 2 (21). – С. 87–97.