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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Welches Speichermedium für Piezo Ladung?


Autor: TimF (Gast)
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Hallo zusammen,

ich bastel gerade an einem Aufbau, mit dem ich über eine Piezokeramik 
(siehe:
http://www.physikinstrumente.de/de/produkte/prdeta...)
Energie speichern möchte.

Dabei erfolgt die Deformation des Piezos über schlichtes mehrfaches hoch 
und runter biegen. In einem vorhergehenden Versuch habe ich dabei eine 
Wechselspannung von ca. 5 Volt gemessen.
Im nächsten Schritt habe ich einen Dioden Gleichrichter gebaut und mein 
Piezo Signal darüber in eine DC Spannung gewandelt.
Nun ist meine Frage, wie ich diese Spannung am besten speicher?
Mit einem einfachen Platten-C hat das schon funktioniert. Jedoch ist die 
Ladungsausbeute von einem Piezo so gering, dass man mit der 
gespeicherten Engerie (ca 1-2min "pumpen") noch nicht einmal eine LED 
zum leuchten bringen kann.
Mit einem Supercap war die Ausbeute sogar noch geringer.
Erhöhe ich meine Ladungsausbeute, wenn ich z.B mehrere Piezos parallel 
schalte und damit dann einen SuperCap auflade?

Ziel ist es letzendlich, in Zukunft ein energieautarkes System 
aufzubauen, welche auf Grund von der Piezo Deformation es schafft z.B 
einen MikroController oder ähnliches zu versorgen.
Dafür muss ich aber die Energie irgendwie effizient speichern.

Würde mich sehr freuen, wenn der ein oder andere eine Idee hat.

Viele Grüße, Tim

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> Im nächsten Schritt habe ich einen Dioden Gleichrichter gebaut...
Du hast aber schon Dioden mit einer möglichst kleinen 
Sperrschichtkapazität verwendet? Sonst wirkt die Diode eher wie ein 
Kondensator und wird einfach nur dauernd umgeladen, d.h. die wertvolle 
Ladung, die du gerade in den eigentlichen Ziel-Kondensator "reingepumpt" 
hast kann teilweise wieder in den Piezo zurückfliessen.

Autor: nemon (Gast)
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ein piezosensor gibt keine spannung ab, sondern eine ladung. wenn du 
diese ladung über eine diode in einem kondensator speicherst, wirst du 
beim zurückbiegen zwar diese ladung im kondensator behalten, aber zum 
einen ist diese ladungsmenge immens klein, nämlich ca. 2,3pC/N, zum 
anderen ist der piezoeffekt kleiner, wenn du ladungsträger aus dem 
kristall entnimmst und dann ihn erneut belastest. du hast schon gemerkt, 
dass die ladungsmenge sehr klein ist. verschärft wird das durch den 
effekt, dass der kondensator bei weitem nicht als ideal angesehen werden 
kann. dieser hat nämlich kein ideales dielektrikum mit unendlich hohem 
widerstand, sondern einen parasitären widerstand, den du dir parallel 
zum kondensator geschaltet vorstellen kannst. über diesen widerstand 
entlädt sich die ladung wieder. größere kondensatoren haben grob gesagt 
einen kleineren parasitären widerstand, dort geschiet die entladung auch 
schneller. nehmen wir einmal an, du hast eine low-current-led, die bei 
2,3mA leuchten soll für eine sekunde. das macht dann 2,3mC ladung. aus 
2,3pC/N folgt, dass du einen kristall mit 1GN belasten musst. das sind 
100Mkg, oder 100.000Tonnen. du müsstest also eine unvorstellbar hohe 
zahl an piezosensoren parallel verschalten, um auch nur nennenswerte 
leistungen zu erhalten

Autor: TimF (Gast)
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Ok vielen Dank mal für die ersten (und vor allem schnellen!!!) 
Antworten.

Eigentlich sind diese Piezokeramiken aber genau für solche Energy 
Harvesting Angelegenheiten ausgelegt.

Auszug aus der Produktbeschreibung:
"Ein Anwendungsbereich für die DuraActTM Flächenwandler ist das „Energy 
Harvesting“. Durch die Umsetzung mechanischer Schwingungen bis zu 
einigen Kilohertz in elektrische Spannung können elektrische Leistungen 
bis in den Milliwattbereich erreicht werden. Diese Leistung dient dann 
der Energieversorgung kleinster elektronischer Bauteile wie Dioden, 
Sensoren oder auch Minisender zur Datenfernüberwachung"

Mit genau so einem Flächenwandler konnte ich eine rote LED mal zum 
"aufblitzen" bringen. Ich hab dann einfach diese LED über einen 
Vorwiderstand nach ca. 1-2 min Deformation des Piezo Wandlers an den C 
geschlossen und sie leuchtete kurz auf.
Wenn ich das Sinussignal direkt nach dem Piezo auf das Oszi lege und mir 
darüber das Signal am Kondensator anschaue nach dem Diodengleichrichter, 
dann erkennt man schön, wie der Kondensator sich langsam mit einer DC 
auflädt. Das Entladen dauert extrem lange (bis zu 15-20min).
Wenn die oben sogar schreiben "Diese Leistung dient dann der 
Energieversorgung kleinster elektronischer Bauteile", dann sollte doch 
eine LED irgendwie zu betreiben sein, oder nicht?

@nemon: sorry für die blöde Frage, aber auf dem Oszilloskop konnte ich 
eine schöne Sinusschwingung sehen, wenn ich den Piezo periodisch auf und 
ab bewegte. Das ist doch dann eine Wechselspannung? oder sehe ich das 
irgendwie falsch?

Autor: oha (Gast)
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Spannung und strom sind zwei verschiedene Dinge...

Ist ja toll, wenn man eine 100$ Keramik 10^6 mal verbiegen muss, um eine 
LED blitzen zu lassen. Wenn ich da einen Quadratmeter fuer einen Euro 
bekomme sieht es natuelich anders aus.

Autor: Alexander Schmidt (esko) Benutzerseite
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Energy Harvesting ist nicht umsonst noch Forschungsgebiet.
Wie nemon schon schrieb sind das wirklich kleinste Leistungen man 
erreichen kann.
Bei angenommenem 1 Milliwatt Ausbeute aus dem Piezo und einem 
Wirkungsgrad von 50% zur Speicherung, was wohl schon zu hoch angesetzt 
ist, kommt man auf einen Strom von 0,16mA bei 3V. Ein µC dürfte sich 
damit unter Ausnutzung von Stromspartricks gerade noch betreiben lassen. 
Von einer Led wird man kaum was sehen.

Kostet das Ding wirklich 100$ = 75€ ?
Eine Lithiumzelle für diesen Preis dürfte über ihre Lebensdauer wohl 
mehr Energie abgeben als solch ein Piezo es könnte.

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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Nimm als Speicherndes Element keinen hochkapazitiven 'fetten' ELKO 
sondern nur einen guten (kleinen) Folienkondensator, der einen extrem 
geringen Leckstrom aufweist. Hier würde ich unbedingt die Datenblätter 
von diversen Kondensator-Herstellern einsehen.
Je kleiner die Kapazität, umso schneller wird sich der Kondensator 
aufladen. Da er ja nur wenig Energie speichern muß - die angeschlossenen 
und zu versorgende Elektronik darf ja eh nur wenige Nano-/Microampere 
aufnehmen - ist die Speicherung großer Energiemengen vermutlich auch 
nicht notwendig/gewünscht. Andernfalls sind möglicherweise wieder 
Schaltwandler nötig, um die Versorgungsspannung für die angeschlossene 
Schaltung konstant zu halten, was auf der anderen Seite die 
Energieeffizienz leider nach unten drückt.

Autor: Messknecht (Gast)
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Ladungsverstärker mit nachfolgenden Spitzenwertspeicher bzw. Sample-and 
Hold. Achtung: Hohe Ansprüche ans Platinendesign!

Autor: nemon (Gast)
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der ladungsverstärker wirkt ja, wie eine quelle. der ist durch ein 
eignes netzteil gespeist. das wäre ja dann quasi pfusch, wenn der 
threadstarter die energie des piezos zur stromversorgung nutzen will

Autor: Messknecht (Gast)
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Na denn...

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