에너지 수확 스마트 신발 회로 설계에서 전파 브리지 정류기가 필수 구성 요소인 이유는 무엇인가요?

전파 브리지 정류기는 기계적 움직임과 전기적 저장 사이의 필수적인 변환 계층 역할을 합니다. 스마트 신발의 압전 센서는 압축될 때 교류(AC)를 생성하는 반면, 온보드 배터리와 전자 부품은 직류(DC)로만 작동하기 때문에 이 구성 요소가 필요합니다. 이 구성 요소가 없으면 수확된 에너지는 저장 시스템과 호환되지 않아 수집할 수 없습니다.

브리지 정류기의 핵심 기능은 다이오드의 단방향 전도성을 활용하는 것입니다. 센서에서 나오는 변동하는 AC 출력을 단일 흐름 방향으로 재지정함으로써 원시 신호를 맥동 DC로 변환하여 커패시터와 배터리를 효과적으로 충전할 수 있습니다.

에너지 비호환 문제

정류기가 필수적인 이유를 이해하려면 먼저 에너지원과 에너지 대상 간의 근본적인 불일치를 이해해야 합니다.

압전 출력의 특성

압전 소자는 기계적 응력에 반응하여 전기를 생성합니다. 신발에서는 이 응력이 발걸음의 변화하는 압력에서 발생합니다.

압력이 리듬감 있게 가해지고 해제되기 때문에 전기 출력이 진동하여 교류(AC)가 발생합니다.

저장 장치의 요구 사항

신발의 "스마트" 구성 요소(GPS 모듈, 마이크로컨트롤러, 배터리 자체 등)는 DC 장치입니다.

이들은 한 방향으로 일정한 전하 흐름을 필요로 합니다. 배터리에 원시 AC 전원을 공급하면 충전되지 않고 저장 셀이 손상될 수 있습니다.

정류기가 격차를 해소하는 방법

전파 브리지 정류기는 다이오드의 특정 배열을 통해 이러한 극성 불일치를 해결합니다.

단방향 전도성

정류기는 일반적으로 4개의 다이오드로 구성된 브리지 토폴로지를 사용합니다. 이 다이오드는 전기 "체크 밸브" 역할을 합니다.

들어오는 AC 신호의 극성(전압이 양수인지 음수인지)에 관계없이 다이오드는 전류를 라우팅하여 정류기에서 한 방향으로만 나오도록 합니다.

맥동 DC 생성

이 과정의 결과는 완벽하게 평평한 전력선이 아니라 맥동 DC 신호입니다.

이는 AC 파형의 음수 반주기를 양수 반주기로 변환하여 각 발걸음이 이전 충전을 상쇄하는 대신 시스템 충전에 기여하도록 합니다.

다중 센서 통합

고급 설계에서는 여러 압전 수확기를 사용하여 밑창의 다른 부분에서 에너지를 수확하는 경우가 많습니다.

표준 에너지 수확(SEH) 정류기 회로를 사용하면 엔지니어가 이러한 회로를 병렬로 구성할 수 있습니다. 이는 여러 센서의 출력을 단일 충전 기반으로 통합하여 변환 효율을 극대화합니다.

절충 사항 이해

정류기는 AC를 DC로 변환하지만 에너지 수확에 내재된 모든 전력 품질 문제를 해결하지는 않습니다.

정류 대 규제

정류기는 DC를 생성하지만 전압을 안정화하지는 않습니다. 출력은 사용자의 보행 빈도와 강도에 전적으로 의존하기 때문에 매우 불안정하게 유지됩니다.

정류기만으로는 격렬한 움직임 중에 민감한 구성 요소를 전압 서지로부터 보호할 수 없습니다.

하류 안정화의 필요성

시스템을 보호하기 위해 정류기 뒤에는 고안정성 전압 조정 회로가 있어야 합니다.

정류기는 전류가 올바른 방향으로 흐르도록 보장하지만, 조정기는 전압을 일정하게 유지하여 민감한 전자 장치를 예측할 수 없는 전력 스파이크로부터 보호합니다.

설계에 대한 올바른 선택

스마트 신발의 전력 관리 하위 시스템을 설계할 때 정류 접근 방식은 시스템 효율성을 결정합니다.

기본 에너지 수집이 주요 초점인 경우: 각 단계에서 생성된 에너지의 절반을 낭비하지 않도록 정류기가 AC 신호의 전체 파형을 효과적으로 활용하는지 확인하십시오.
여러 지점에서 전력을 최대화하는 것이 주요 초점인 경우: 병렬 정류기 구성을 사용하여 힐 및 토 센서의 전류를 서로 간섭하지 않고 합산하십시오.
시스템 수명이 주요 초점인 경우: 정류기에만 의존하지 마십시오. 전압 조정 회로와 함께 사용하여 맥동 DC를 민감한 전자 장치에 안전하고 안정적인 공급원으로 만드십시오.

브리지 정류기는 움직임의 혼란스러운 에너지를 전자 장치의 사용 가능한 연료로 변환하는 기초 구성 요소입니다.

요약 표:

구성 요소	주요 기능	에너지 수확에서의 역할
압전 센서	에너지 생성	기계적 압력(발걸음)을 원시 AC 전압으로 변환합니다.
브리지 정류기	AC-DC 변환	다이오드를 사용하여 전류가 단일 방향(맥동 DC)으로 흐르도록 합니다.
커패시터/배터리	에너지 저장	전자 장치 사용을 위해 정류된 전하를 수집하고 보유합니다.
전압 조정기	전력 안정화	민감한 모듈에 대해 불안정한 DC 펄스를 안정적인 전압으로 부드럽게 만듭니다.

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참고문헌

Ashish Ranjan, Pintu Kumar. Design and Analysis of Smart Shoe. DOI: 10.48175/ijarsct-8568

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