풀 브리지 표준 에너지 수확(SEH) 정류기 회로의 활용은 물리적 움직임을 스마트 신발에 사용 가능한 전기로 변환하는 기본 단계입니다.
신발의 압전 소자는 걷기 동작으로 인해 기계적 스트레스를 받을 때 교류(AC)를 생성하지만, 시스템의 배터리와 전자 장치는 직류(DC)를 사용합니다. SEH 정류기는 이 원시적이고 변동하는 AC 신호를 저장 및 활용할 수 있는 안정적인 DC 전압으로 변환하는 다리 역할을 합니다.
풀 브리지 정류기는 AC 파형 전체를 DC로 변환하도록 보장하여 모든 발걸음의 활용도를 극대화합니다. 이 구성은 전력을 안정화하고 여러 센서를 병렬로 통합하여 총 에너지 수확량을 늘리는 데 필수적입니다.
핵심 변환 과제
원시 압전 출력 처리
사용자가 걷거나 뛸 때 신발에 내장된 압전 소자는 기계적 스트레스를 받습니다. 이 물리적 변형은 극성이 변동하는 AC 전압 출력을 생성합니다.
배터리 요구 사항 충족
스마트 신발 내의 에너지 저장 부품(일반적으로 커패시터 또는 충전식 배터리)은 원시 AC 신호를 수용할 수 없습니다. 효과적으로 충전하려면 단방향 DC 유입만 필요합니다.
단방향 전도성의 역할
정류기 회로는 다이오드를 사용하여 단방향 전도성을 강제합니다. 이를 통해 전류는 저장 장치로 흐르지만 다시 흐를 수는 없어 수확된 에너지를 효과적으로 가두게 됩니다.
시스템 효율성 극대화
전체 파형 캡처
신호의 절반을 버릴 수 있는 더 간단한 정류 방법과 달리, 풀 브리지 구성은 전체 AC 주기를 처리합니다. 이를 통해 발걸음으로 생성된 양수 및 음수 변동이 모두 총 수집 전력에 기여하도록 보장합니다.
여러 수확기 통합
스마트 신발은 종종 밑창의 다른 부분에서 에너지를 수확하기 위해 여러 개의 압전 센서를 사용합니다. 여러 SEH 정류기 회로를 병렬로 구성함으로써 시스템은 이러한 개별 출력을 효과적으로 통합할 수 있습니다.
충전 기반 안정화
이 병렬 구성은 센서가 서로 간섭하는 것을 방지합니다. 에너지 기여를 합산하여 시스템 전원 공급 장치에 대한 안정적이고 극대화된 충전 기반을 제공합니다.
절충점 이해
전압 강하 관리
풀 브리지 정류기는 전체 파형을 캡처하는 데 효율적이지만, 다이오드는 약간의 전압 강하를 유발합니다. 초저전력 수확 시나리오에서는 1볼트라도 손실되는 것은 신중한 부품 선택이 필요한 고려 사항입니다.
복잡성 대 수율
풀 브리지 토폴로지를 사용하려면 하프 웨이브 정류기보다 더 많은 부품이 필요합니다. 그러나 모든 마이크로와트가 중요한 에너지 수확의 맥락에서, 증가된 캡처 효율성은 일반적으로 회로 풋프린트의 최소 증가를 능가합니다.
디자인을 위한 올바른 선택
웨어러블을 위한 에너지 관리 시스템을 설계하려면 수확 효율성과 회로 복잡성을 균형 있게 맞춰야 합니다.
- 총 전력 출력을 극대화하는 것이 주요 초점이라면: 신호 충돌 없이 여러 압전 영역의 에너지를 집계하기 위해 병렬 SEH 정류기를 구현하세요.
- 시스템 안정성이 주요 초점이라면: 풀 브리지 토폴로지를 사용하여 발걸음에서 발생하는 불규칙한 AC 스파이크를 저장 매체에 대한 일관된 DC 기준선으로 변환하세요.
풀 브리지 SEH 정류기는 걷기의 혼란스러운 역학을 안정적인 전원으로 전환하는 업계 표준 솔루션입니다.
요약 표:
| 특징 | SEH 풀 브리지 정류기 이점 |
|---|---|
| 변환 유형 | AC에서 DC로 (교류에서 직류로) |
| 파형 활용 | 전체 파형 캡처 (모든 발걸음 극대화) |
| 에너지 저장 | 배터리 및 커패시터의 안정적인 충전 가능 |
| 시스템 확장성 | 여러 센서의 병렬 통합 지원 |
| 전력 안정성 | 웨어러블에 일관된 DC 기준선 제공 |
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참고문헌
- Niharika Gogoi, Georg Fischer. Choice of Piezoelectric Element over Accelerometer for an Energy-Autonomous Shoe-Based System. DOI: 10.3390/s24082549
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