過去数年から、低電力電子ポータブルデバイスの需要が急速に増加しています。また、アルカリ電池や太陽光発電など、これらの小型携帯型電子機器に電力を供給するオプションは非常に限られています。そこで、ここでは、圧電センサーを使用して少量の電力を生成する別の方法を使用しています。ここでは、足音発電回路を構築して発電します。この圧電トランスデューサ回路に従うことで、圧電効果についてさらに学ぶことができます。
圧電効果とは何ですか？
圧電効果は、一部の圧電材料（石英、トパーズ、酸化亜鉛など）が機械的応力にフィードバックして電荷を生成する能力です。「圧電」という言葉は、押す、絞る、押すという意味のギリシャ語の「ピエゼイン」に由来しています。
また、圧電効果は可逆的です。つまり、圧電材料に機械的応力を加えると、出力でいくらかの電荷を受け取ります。そして、圧電材料に電気を加えると、圧電材料が圧縮または伸長します。
圧電効果は、以下を含むさまざまなアプリケーションで使用されます
- 音の生成と検出
- 高電圧の発生
- 電子周波数生成
- マイクロバランス
- 光学アセンブリの超微細焦点合わせ
- 自動車用電源ソケットのような日常のアプリケーション
レゾネーターも圧電効果を使用します。
圧電材料
現在、天然および人工の圧電材料が多数入手可能です。天然圧電材料には、石英、サトウキビ、ロシェル塩、トパーズトルマリンなどが含まれます。人工圧電材料には、チタン酸バリウムとチタン酸ジルコン酸塩が含まれます。天然および合成のカテゴリーで、以下の表に示されているいくつかの材料があります。
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天然圧電材料 |
合成圧電材料 |
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クォーツ（最もよく使われる） |
チタン酸ジルコン酸鉛（PZT） |
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ロシェルソルト |
酸化亜鉛（ZnO） |
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トパーズ |
チタン酸バリウム（BaTiO 3） |
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TB-1 |
圧電セラミックチタン酸バリウム |
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TBK-3 |
チタン酸バリウムカルシウム |
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スクロース |
オルトリン酸ガリウム（GaPO 4） |
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腱 |
ニオブ酸カリウム（KNbO 3） |
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シルク |
チタン酸鉛（PbTiO 3） |
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エナメル |
タンタル酸リチウム（LiTaO 3） |
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象牙質 |
ランガサイト（La 3 Ga 5 SiO 14） |
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DNA |
タングステン酸ナトリウム（Na 2 WO 3） |
必要なコンポーネント
- 圧電センサー
- LED（青）
- ダイオード（1N4007）
- コンデンサ（47uF）
- 抵抗器（1k）
- ボタンを押す
- 接続線
- ブレッドボード
足音発電回路図
圧電センサは、圧電材料（石英最も使用）で構成されています。これは、機械的応力を電荷に変換するために使用されていました。圧電センサーの出力はACです。 DCに変換するには、フルブリッジ整流器が必要です。センサーの出力電圧は30Vp-p未満であり、圧電センサーの出力を供給したり、バッテリーやその他のストレージデバイスに保存したりできます。圧電センサーのインピーダンスは500オーム未満です。動作温度範囲と保管温度範囲は、それぞれ-20°C〜 + 60°Cと-30°C〜 + 70°Cです。
圧電センサーの回路図に従って接続した後、圧電センサーに機械的応力を加えると、電圧が発生します。圧電センサーの出力はAC形式です。 ACからDCに変換するために、フルブリッジ整流器を使用しています。整流器の出力は47uFのコンデンサの両端に接続されています。圧電センサーによって生成された電圧は、コンデンサーに蓄積されます。また、押しボタンを押すと、蓄積されたエネルギーがすべてLEDに伝達され、コンデンサが放電するまでLEDが点灯します。
この回路では、LEDがほんの数秒点灯しています。LEDのオン時間を長くするには、コンデンサの定格を上げることができますが、充電に時間がかかります。さらに、より多くの圧電センサーを直列に接続して、より多くの電気エネルギーを生成することができます。また、ダイオードはコンデンサから圧電センサーに流れる電流を遮断するために使用され、抵抗器は電流制限抵抗器です。LEDは圧電センサーに直接接続することもできますが、電流を保持するコンデンサがないため、すぐにオフになります。
この フットステップ発電システムのデモンストレーションビデオを以下に示します。