フルブリッジ標準エネルギーハーベスティング（SEH）整流回路の利用は、物理的な動きをスマートフットウェアで利用可能な電力に変換するための基本的なステップです。
靴の中の圧電素子は、歩行による機械的なストレスがかかると交流（AC）を生成しますが、システムのバッテリーや電子機器は直流（DC）に依存しています。SEH整流器は、この生の、変動するAC信号を、保存および利用可能な安定したDC電圧に変換するブリッジとして機能します。
フルブリッジ整流器は、AC波形全体を直流に変換することを保証することで、すべての足踏みの利用を最大化します。この構成は、電力の安定化と複数のセンサーの並列統合を可能にし、総エネルギー収集をブーストするために不可欠です。
コア変換の課題
生の圧電出力を処理する
ユーザーが歩いたり走ったりすると、履物内に埋め込まれた圧電素子は機械的なストレスを受けます。この物理的な変形は、極性が変動するAC電圧出力を生成します。
バッテリー要件を満たす
スマートフットウェア内のエネルギー貯蔵コンポーネント—通常はコンデンサまたは充電式バッテリー—は、生のAC信号を受け入れることができません。効果的に充電するには、一方向のDC入力のみを必要とします。
一方向導電性の役割
整流回路はダイオードを使用して一方向導電性を強制します。これにより、電流は貯蔵デバイスに流れ込みますが、逆流することはできず、ハーベストされたエネルギーを効果的に閉じ込めます。
システム効率の最大化
波形全体をキャプチャする
信号の半分を破棄する可能性のある単純な整流方法とは異なり、フルブリッジ構成はACサイクルの全体を処理します。これにより、足踏みによって生成される正と負の両方の変動が、収集される総電力に貢献することが保証されます。
複数のハーベスターの統合
スマートフットウェアは、ソールの異なる部分からエネルギーを収集するために、複数の圧電センサーを採用することがよくあります。複数のSEH整流回路を並列に構成することで、システムはこれらの異なる出力を効果的に統合できます。
チャージベースの安定化
この並列構成は、センサーがお互いに干渉するのを防ぎます。エネルギーの貢献を合計し、システムの電源供給に安定した最大化されたチャージベースを提供します。
トレードオフの理解
電圧降下の管理
フルブリッジ整流器は波形全体をキャプチャするのに効率的ですが、ダイオードはわずかな電圧降下を引き起こします。超低電力ハーベスティングシナリオでは、1ボルトのわずかな減少でさえ考慮事項であり、慎重なコンポーネント選択が必要です。
複雑さと収量の比較
フルブリッジトポロジーを使用するには、ハーフウェーブ整流器よりも多くのコンポーネントが必要です。しかし、マイクロワットでも重要なエネルギーハーベスティングの文脈では、キャプチャ効率の向上は、回路フットプリントのわずかな増加を一般的に上回ります。
設計に最適な選択をする
ウェアラブルのエネルギー管理システムを設計するには、ハーベスティング効率と回路の複雑さのバランスを取る必要があります。
- 総電力出力を最大化することが主な焦点の場合：並列SEH整流器を実装して、信号の競合なしに複数の圧電ゾーンからのエネルギーを集約します。
- システム安定性が主な焦点の場合：フルブリッジトポロジーに依存して、足踏みからの不安定なACスパイクを一貫したDCベースラインに変換し、ストレージメディアに供給します。
フルブリッジSEH整流器は、歩行の混沌としたメカニクスを信頼性の高い電源に変換するための業界標準ソリューションです。
概要表：
| 特徴 | SEHフルブリッジ整流器の利点 |
|---|---|
| 変換タイプ | ACからDC（交流から直流） |
| 波形利用 | フルウェーブキャプチャ（すべての足踏みを最大化） |
| エネルギー貯蔵 | バッテリーとコンデンサの安定した充電を可能にする |
| システムスケーラビリティ | 複数のセンサーの並列統合をサポート |
| 電力安定性 | ウェアラブルに一貫したDCベースラインを提供する |
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参考文献
- Niharika Gogoi, Georg Fischer. Choice of Piezoelectric Element over Accelerometer for an Energy-Autonomous Shoe-Based System. DOI: 10.3390/s24082549
この記事は、以下の技術情報にも基づいています 3515 ナレッジベース .
