Caracterização de transdutores piezelétricos de baixo custo para aplicações de colheita de energia - Ferreira Junior, Paulo Afonso (2020)
O campo de engenharia de coleta ou captação de energia, constitui uma área promissora para fornecer energia elétrica para aplicações elétricas de baixa potência obtidas de outras fontes de energia disponíveis no ambiente como: térmica, eletromagnética, vibracional e acústica, usando transdutores. As fontes vibracionais se destacam como a principal alternativa a ser utilizada na geração de energia elétrica para sensores e dispositivos microeletrônicos, devido à maior eficiência de conversão de energia e ao uso de uma estrutura simples. O cantilever é o principal sistema implementado nos estudos de obtenção de energia elétrica a partir de vibrações usando transdutores piezelétricos. A maioria dos transdutores piezelétricos na literatura ainda não estão disponíveis comercialmente e/ou é de difícil acesso para compra e uso. Este trabalho propõe a caracterização de transdutores piezelétricos de baixo custo, configurados como sensores, para aplicações de coleta de energia utilizando três tamanhos diferentes de diafragmas piezelétricos circulares, 10 mm, 20 mm e 25 mm de diâmetro. Para os três sensores piezelétricos diferentes, verificou-se que a máxima transferência de potência ocorre para uma carga resistiva de 150 kΩ. A potência máxima gerada na carga para os três sensores foi de 9,81 µW, 2,79 µW e 132 µW, tensões máximas geradas de 3,08 V , 1,6 V e 9,3 V , com aceleração de 1g e operando nas suas respectivas frequências de vibração, 32,1 Hz, 17,7 Hz e 23 Hz, para o transdutor de 10, 20 e 25 mm. O conversor CA-CC é composto por um retificador seguido por uma topologia de impulso CC-CC. O controle do loop de corrente de entrada permite configurar a referência como uma forma de onda retificada senoidal, emulando uma carga resistiva ao transdutor piezelétrico. Dessa maneira, pode-se emular uma carga resistiva ideal para o casamento de impedância e, consequentemente a máxima transferência de potência para a carga. Para validação, foram realizadas simulações utilizando o modelo elétrico piezelétrico e o conversor CA-CC com controle de loop de corrente de entrada. De acordo com as simulações, o nível de tensão interno é ajustado em 10 V , a impedância série em 150 kΩ e o valor de referência da corrente de entrada fixado em 5 V /150 kΩ. Definindo a queda de tensão nos diodos de 0,7 V , a potência de saída simulada é de 113,5 µW ou 86% da máxima transferência de potência com carga resistiva ideal. A queda de tensão nos diodos do retificador é a principal causa de perda de energia. Reduzindo para 0,1 V a tensão de queda nos diodos, a potência de saída simulada aumenta para 120 µW ou 90, 9% da máxima transferência de potência com carga resistiva ideal.