基于压电阵列的能量转换发光演示器件

李俊 赵富强 赵华伟 刘铠诚 李季

摘  要：利用正压电效应发电，控制电路供电，光电二极管（LED）组块发光，研制了一种基于机-电-光能量转换发光的演示器件。使用数字示波器和定值电阻（50Ω）探究了发电模块输出电压随单层陶瓷片数及模块层数之间的定量关系。当双手有规律地按压时，单片陶瓷整流前的输出电压峰峰值（Vpp）约为15.58V，随着片数的增加，Vpp逐渐降低，当片数增加到49片时，单层模块的Vpp约为的6.95V。将四层发电模块单独整流，并联叠放，压电阵列的Vpp约3.22V。当连接50Ω定值电阻负载时，发电模块的输出峰值功率可达0.5 mW。演示时，负载连接LED组块（并联200个红光LED），器件可在双手按压下呈现出明显地发光现象。

关键词：压电陶瓷阵列;能量转换发光;演示器件

压电效应是由居里兄弟在1880年研究α石英晶体首先发现的，包括正、逆压电效应两种，是应用物理学的基础物理效应之一。作为一类重要的能量转换功能材料，压电陶瓷在传感器、驱动器、变压器、压电点火等方面具有重要的应用价值。近年来，收集日常生活中的机械振动能量并将其转化成电能是面向能源的功能转换器件的重要研究方向之一。同时，对于应用物理学专业的高年级学生，已经初步掌握电子工艺、电路原理、光电子学及单片机等实验课程的基础知识，设计和制作基于压电陶瓷的转换器件既可以让学生深刻理解压电材料能实现机械能和电能相互转换的物理实质，又可以使学生在电路分析与优化、机械设计与加工以及器件系统的安装与调试等工程物理方面得到技能的训练和提升。

利用正压电效应发电，整流桥、储能电容及控制电路供电，光电二极管（LED）组块发光，本文研制了一种基于机-电-光能量转换发光的演示器件。同时，利用示波器和负载电阻，详细地探究了压电陶瓷的阵列参数对演示仪器输出特性的影响。

1 电路设计、工作原理，制作及演示效果

如下图1所示，为了实现机械能-电能-光能的有效转化，演示仪器的电路分为三部分，自左至右分别为压电陶瓷阵列（I）、整流及控制电路（II）以及LED发光组块（III），分别完成机械能向电能的转换，整流、电能传递、电路保护，以及将电能转换成光能。

图2（a）给出利用了四层3×3压电阵列发电并暂存到超级电容C中，在闭合S1至b端点瞬间，LED组块负载发光效果的照片。图2（b）给出了利用了两块四层的7×7压电阵列发电，并给近1000个LED（图3b中“发光大师”）供电的演示仪器实物，该仪器实物演示效果良好，还作为展品参加了安徽省庆祝改革开放40周年科技创新成果展，后被安徽省创新馆作为正式展品收藏。

2 对压电阵列输出电压特性的探究

为提升演示效果，优化器件设计，利用示波器和负载电阻，我们探究了不同的压电阵列对器件发光效果的影响。由于LED发光的能量来自于操作者按压压电陶瓷阵的机械能，实验探究主要是考查手按压压电陶瓷阵列的输出电压情况。图3给出了用双手持续按压陶瓷阵列时，不同片数的单层发电板输出电压峰峰值情况。为了减小随机误差，每组数据均采集10次。由图3（a）可以看出，对于单层发电板，一片压电陶瓷的输出电压最大，均值可达15.58V，但输出电压不够稳定。随着压电陶瓷片数的增加，电压峰峰值呈现逐渐下降的趋势，即片数越多电压峰峰值越小。当片数增加到49片时，电压峰峰值降到均值约6.95V。这主要是因为压电陶瓷的电压与等效电容（平行板电容器）呈反比例关系[9]，当多个陶瓷片并联时，其等效电容值的增加导致输出电压的降低。图3（b）给出了10次按压输出电压的平均值及其标准差的数据结果，由图可以清晰的看出，电压峰峰值随着片数的增加不断减少，同时输出电压值越来越稳定（标准差也不断减小）。这无疑有利于获得稳定的电压输出，提升演示器件的演示效果。为增加输出功率，提升LED组块的发光亮度，优化器件的演示效果，压电陶瓷阵列采用多层压电板单独整流、然后并联的连接方式发电。当用双手有规律地按压压电阵列时，器件显示了很好的演示效果。

3 小结与展望

采用正压电效应发电，整流、控制及传输线路供电，促使光电二极管发光，本项目成功研制了一类机械发光演示器件，实现了机械能-电能-光能的高效转换。如果采用50 Ω定值电阻作为负载，器件的输出功率峰值可达0.5 mW，这一结果是基于圆盘压电振子能量采集器的最大输出功率（22.86 μW）的20倍，与唐可洪等设计的压电发电装置的输出功率（0.87 mW）量级相当[13-14]。从物理原理上讲，演示器件利用了正压电效应、二极管的单向导通特性、整流桥原理、电容和超级电容的储、放电原理、LED的单向导通发光等基本物理原理，实现了机械能-电能-光能的高效转换。从创新训练的角度讲，演示仪器制作过程中，涉及元器件优选、阵列设计及优化、CAD制作，整流桥设计、电路组装与调试等工程、技术问题及其解决的训练，因而使项目组成员在诸多方面得到训练和提升。同时，这种类型的发光器件可应用于光照不足、意外停电、供电困难、自然灾害等特殊环境下的应急照明。此外，还可以将其与公交车车身、健身跑步机、健身骑行机、跳舞机、跑鞋等结合，发明新型的能量俘获和转化装置，将人类日常活动中的机械能随时收集起来，减轻日益严峻的能源压力。

参考文献：

[1]李言荣.电子材料[ M] .北京：清华大学出版社，2013.

[2]李俊.几种钙钛矿铁电体的电性能与发光新功能研究[M].同济大学博士论文，2017： 2-3.

[3]龚立娇.基于压电材料的能量采集研究 [M].南京航空航天大学硕士论文，2008： 24-42.

[4]程光明，庞建志，唐可洪，等.压电陶瓷发电能力测试系统的研制[J].吉林大学学报，2007， 37（2）： 367-371.

基金项目：国家级大学生创新訓练项目（201810371056）;省级大学生创新训练项目（201710371117）;基础教育研究成果培育（2019JCJY10）;省高校优秀青年人才支持计划项目（gxyq2018045）;国家级大学生校外实践教育基地项目（221）;省级教学研究项目（2016jyxm0763）;省级大学生创客实验室建设项目（2016ckjh138）;省级卓越人才教育培养计划项目（2016zjjh047） 资助

*通讯作者：李俊（ 1980— ），男，汉族，安徽阜阳人，工学博士，副教授，研究方向：能量转换功能材料与器件。