Пьезоэлектрические модули от Mide: харвестер энергии, актуатор и вибродатчик в одном флаконе

| Mide Technology

На портале Унитера неоднократно рассказывалось об универсальных пьезоэлектрических модулях от компании Mide. Их универсальность заключается в том, что они могут использоваться как харвестеры энергии, как актуаторы и как датчики вибрации. Очевидно, что для каждого из этих приложений есть свои особенности. Рассмотрению этих особенностей и посвящена данная статья.

Пьезоэлектрические модули от компании Mide

Рис. 1. Пьезоэлектрические модули от компании Mide

Как известно, прямой пьезоэффект заключается в формировании электрических потенциалов на поверхности пьезоэлектрика при механических воздействиях, а обратный пьезоэффект выражается в возникновении деформации пьезоэлектрика под влиянием внешнего электрического поля. Пьезоэлектрические элементы присутствуют практически в любом электронном устройстве. Чаще всего это кварцевые резонаторы и звуковые генераторы. Однако компания Mide видит потенциал пьезоэлектриков гораздо шире и предлагает использовать их в качестве харвестеров энергии, актуаторов и датчиков вибраций. Главной проблемой при внедрении пьезоэлектриков остается обеспечение достаточного уровня защиты от негативных воздействий внешней среды (пыль, влага и т. д.). Однако компании Mide удалось решить эту проблему.

Пьезоэлектрические модули от Mide имеют многослойную герметичную конструкцию, созданную по технологии Piezo Protection Advantage (PPA) (рис. 2). Непосредственно сам слой пьезоэлектрика помещен между проводящими слоями медной фольги и защитными листами стеклотекстолита FR-4. Текстолит защищает весь модуль от влаги пыли и прочих негативных воздействий окружающей среды. Такую конструкцию можно использовать даже в промышленных приложениях при наличии повышенной влажности и значительной запыленности. 

Конструкция пьезоэлектрических модулей Mide

Рис. 2. Конструкция пьезоэлектрических модулей Mide

Сейчас номенклатура Mide включает десять модулей (рис. 3). Каждый из них может выполнять три функции:

  • харвестер энергии вибраций;
  • актуатор с питанием от переменного напряжения;
  • датчик вибраций.

Рассмотрим особенности использования модулей в каждом из этих приложений, начиная с самого необычного, а именно с работы в качестве харвестера энергии.

Номенклатура пьезоэлектрических модулей семейства PPA от компании Mide

Рис. 3. Номенклатура пьезоэлектрических модулей семейства PPA от компании Mide

В штатном режиме эксплуатации пьезоэлектрические модули семейства PPA от компании Mide жестко закрепляются на неподвижном основании только с одной стороны (рис. 1). Второй конец модуля может свободно колебаться под действием вибрации. Благодаря наличию прямого пьезоэффекта при возникновении деформации на выводах пьезоэлектрика формируется электрическое напряжение. Таким образом, модули семейства PPA выполняют функцию преобразования механической энергии в электрическую. В качестве примера на рис. 4 представлены диаграммы выходной мощности различных модулей при воздействии вибраций с промышленной частотой 60 Гц при различных уровнях ускорений (от 0,25 до 2 g).  

Выходная мощность модулей PPA при воздействии вибраций 60 Гц

Рис. 4. Выходная мощность модулей PPA при воздействии вибраций 60 Гц

Выходная мощность модулей не является постоянной величиной и сильно зависит от частоты и энергии вибраций (ускорения колебаний). О влиянии частоты колебаний на выходную мощность стоит рассказать подробнее.

Любая механическая система имеет свою частотную характеристику. В частности конструкция, изображенная на рис. 1, характеризуется частотой резонанса – той частотой, на которой эффективность преобразования энергии будет максимальной. Для разных пьезоэлектрических модулей значения частот резонанса отличаются. На рис. 5 представлены базовые значения резонансных частот для пьезоэлектрических модулей (без дополнительной подстройки). Суммарный диапазон для семейства составляет примерно от 83,3 Гц (PPA-1001) до 443 Гц (PPA-2014).

Базовые значения резонансных частот для модулей PPA без дополнительной подстройки

Рис. 5. Базовые значения резонансных частот для модулей PPA без дополнительной подстройки

При отклонении частоты колебаний от резонансного значения происходит снижение выходной мощности. К счастью для пользователей существует два способа подстройки частоты резонанса:

  • с помощью подстроечных грузов (утяжелителей);
  • за счет изменения положения крепления пьезоэлектрического модуля.

Первый способ изменения частоты резонанса заключается в использовании дополнительных утяжелителей. Для их монтажа на свободном конце модуля предусмотрены крепежные отверстия. Увеличивая массу утяжелителя, можно значительно снизить частоту резонанса. Так, например, для модуля PPA-1001 при максимально допустимой массе груза удается уменьшить частоту до 20,5 Гц (рис. 6).

Значения резонансных частот для модулей PPA с максимальной массой утяжелителей

Рис. 6. Значения резонансных частот для модулей PPA с максимальной массой утяжелителей

Второй способ подстройки резонансной частоты заключается в изменении места крепления PPA-модуля на неподвижном основании. В стандартной   системе крепления модуль может быть зафиксирован в трех положениях с помощью металлической планки (рис. 7, рис. 8):

  • Clamp 0 – Базовое положение. Идеальный вариант для большинства приложений (харвестер энергии, актуатор, датчик).
  • Clamp 6 – Положение с увеличенной длинной подвижной части. Позволяет повысить частоту резонанса, увеличить амплитуду колебаний и выходную мощность.
  • Clamp -6 – Положение с сокращенной длиной подвижной части. Имеет низкие показатели по эффективности преобразования, но позволяет повысить срок службы. Не рекомендуется для использования в стандартных приложениях.

Конструкция крепежной системы модулей PPA

Рис. 7. Конструкция крепежной системы модулей PPA

Возможные положения пьезоэлектрических модулей относительно неподвижного основания

Рис. 8. Возможные положения пьезоэлектрических модулей относительно неподвижного основания

Рассмотрим пример подстройки резонансной частоты на примере модуля PPA-1011. Он имеет три отверстиями для крепления утяжелителей (рис. 9).

Внешний вид и габаритные размеры модуля PPA-1011от компании Mide

Рис. 9. Внешний вид и габаритные размеры модуля PPA-1011от компании Mide

Частота резонанса для PPA-1011 зависит от массы утяжелителей и от положения в системе крепления (рис. 10). Подстройка может быть выполнена в диапазоне примерно от 20 до 170 Гц.

Зависимость резонансной частоты от массы утяжелителя и положения модуля PPA-1011

Рис. 10. Зависимость резонансной частоты от массы утяжелителя и положения модуля PPA-1011

Первым шагом в расчете будет выбор положения крепления (Clamp 0, Clamp 6, Clamp -6). Для большинства приложений оптимальным будет Clamp 0. Если потребуется увеличить диапазон частот, то стоит остановиться на Clamp 6. Для работы с самыми низкочастотными вибрациями может понадобиться Clamp -6.

Положение модуля определяет его эффективную жесткость (k) и эффективную массу (m). Для  модуля PPA-1011:

  • эффективная жесткость (k): 267,45 Н/м (Clamp -6);  446,28 Н/м (Clamp 0);  591,81 Н/м (Clamp 6);
  • эффективная масса (m): 0,645 г (Clamp -6); 0,614 г (Clamp 0); 0,506 г (Clamp 6).

После определения основных параметров системы можно рассчитать массу утяжелителя для заданной частоты по формуле (1):

mt= k/(2πf)2 – m                        (1)

Пусть для PPA-1011 требуется получить резонансную частоту 60 Гц. Выбираем Clamp 0. Тогда масса утяжелителя:

mt= k/(2πf)2 – m= (446,28 Н/м)/ (2π60)2 – 0,000614 кг = 0,00253 кг = 2,53 г

Как уже говорилось выше, харвестер энергии – это не единственное приложение для пьезоэлектрических модулей PPA. Они также могут использоваться как актуаторы и датчики вибрации.

Работа пьезоэлектрических модулей в качестве актуаторов основана на обратном пьезоэффекте. При подаче на выводы модуля переменного напряжения возникает деформация пьезоэлектрика. При этом ключевым параметром становится амплитуда колебаний, которая зависит от частоты и амплитуды входного напряжения (рис. 11).

Максимальная амплитуда колебаний пьезоэлектрических модулей от компании Mide

Рис. 11. Максимальная амплитуда колебаний пьезоэлектрических модулей от компании Mide

Работа пьезоэлектрических модулей от компании Mide в качестве датчиков вибрации строится на прямом пьезоэффекте. При этом настройка модуля происходит на конкретную частоту, также как и для харвестеров энергии. В этом случае ключевым параметром становится чувствительность  (рис. 12). В качестве примера частотной зависимости чувствительности на рис. 12 приведен график для PPA-1011. Интересно, что датчик вибрации на базе PPA-модулей является самодостаточным, так как сам может выступать в качестве источника питания, что крайне важно для современных промышленных систем.

Чувствительность к колебаниям для различных пьезоэлектрических модулей

Рис. 12. Чувствительность к колебаниям для различных пьезоэлектрических модулей

Частотная зависимость чувствительности для PPA-101

Рис. 13. Частотная зависимость чувствительности для PPA-101

Возвращаясь к наиболее необычному приложению пьезоэлектрических модулей от компании Mide, а именно к харвестерам энергии, стоит сказать пару слов о вспомогательной электронике, ведь кроме получения электрических сигналов на выводах модулей, их нужно и должным образом обработать. Инженеры из Mide предлагают воспользоваться специализированными преобразователями от компании Linear Technology:

  • LTC3588-1 – нанопотребляющий преобразователь для систем с харвестерами энергии;
  • LTC3588-2 – нанопотребляющий преобразователь для систем с харвестерами энергии для повышенных напряжений;
  • LTC3330 и LTC3331 – нанопотребляющие DC/DC-преобразователи (Buck-Boost) для систем с харвестерами энергии.

Как видно из данной статьи, несмотря на простоту эксплуатации, на первых порах у пользователей могут возникнуть проблемы по настройке пьезоэлектрических модулей от компании Mide. Чтобы избежать лишних сложностей, стоит воспользоваться готовыми отладочными наборами, например, PPA-9001. Этот набор включает систему крепления, утяжелители, отвертку и крепежные детали. В комплект не входит пьезоэлектрический модуль, однако при одновременном заказе Mide предлагает существенную скидку на его покупку.

Отладочный набор PPA-9001

Рис. 14. Отладочный набор PPA-9001

В заключение к данной статье хочется еще раз отметить, что пьезоэлектрические модули PPA от компании Mide могут использоваться как харвестеры энергии, как актуаторы и как датчики вибрации. При этом области их применения оказываются весьма широкими: от промышленных приложений до железнодорожного транспорта и гидравлического оборудования.

Характеристики пьезоэлектрического модуля PPA-1011:

  • габаритные размеры: 71,0 х 25,4 х 0,71 мм;
  • масса: 3,0 г;
  • допустимое напряжение: ±120 В;
  • емкость: 100 нФ;
  • эффективная жесткость (k): 267,45 Н/м (Clamp -6); 446,28 Н/м (Clamp 0);  591,81 Н/м (Clamp 6);
  • эффективная масса (m): 0,645 г (Clamp -6);  0,614 г (Clamp 0);  0,506 г (Clamp 6);
  • максимальная среднеквадратичная мощность (Clamp 0): 16 мВт (21 Гц);
  • чувствительность на частоте резонанса: 4,3 В/g;
  • амплитуда колебаний на частоте резонанса: 20,4 мм (нагрузка 9,3 г, частота 26,1 Гц).
Производитель: Mide Technology
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
PPA-1001
PPA-1001
Mide Technology
Арт.: 2265347 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Пьезоэлектрические модули с 3-мя функциями: харвестера энергии, актуатора и датчика вибрации. PZT-5H, 1 слой, 100nF, размер: 54.4 x 22.4 x 0.46
PPA-1001 8220,66
-
Поиск
предложений
PPA-1011
PPA-1011
Mide Technology
Арт.: 2265348 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Пьезоэлектрические модули с 3-мя функциями: харвестера энергии, актуатора и датчика вибрации. PZT-5H, 1 слой, 98nF, размер: 71.0 x 25.4 x 0.71
PPA-1011 26827,31
-
Поиск
предложений
PPA-2014
PPA-2014
Mide Technology
Арт.: 2265355 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Пьезоэлектрические модули с 3-мя функциями: харвестера энергии, актуатора и датчика вибрации. PZT-5H, 2 слоя, 94nF, размер:53.0 x 20.8 x 0.83
PPA-2014 43293,78
-
Поиск
предложений
PPA-9001
PPA-9001
Mide Technology
Арт.: 2537604 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Отладочный набор включает систему крепления, утяжелители, отвертку и крепежные детали
PPA-9001 44650,71
-
Поиск
предложений