Model napájecího zdroje s piezoelektrickým elementem pro využití v biomedicíně

Abstract

Tato práce se zaměřuje na téma piezoelektrického energy harvestingu, jehož využití může v budoucnosti odstranit nutnost výměny baterií, a to nejen v oblasti implantovatelných lékařských přístrojů. Nejdříve jsou vysvětleny základní principy sběru energie společně s klíčovými komponentami a jejich funkcemi. Je uveden piezoelektrický jev, stejně tak jako důležité piezoelektrické materiály a jejich vlastnosti. Teoretická část končí popisem několika dosud provedených praktických experimentů a jejich výsledků. V praktické části práce je navržen funkční model piezoelektrického harvestoru, který je následně sestaven z komerčně dostupných součástek. Jako zdroj energie je zvolen uniformní piezoměnič a jako řídicí obvod je použit LTC3588-1. Jsou změřeny elektrické charakteristiky systému pro několik kombinací volitelných parametrů (frekvence a efektivní hodnota kmitů, kapacita kondenzátoru, zátěž, atd.). Nejvyšší dosažený výstupní výkon je 1,9 mW. Všechny naměřené výsledky jsou vyhodnoceny stejně tak jako vlivy jednotlivých parametrů obvodu na jeho výstupní charakteristiku. Nakonec jsou uvedena omezení tohoto modelu pro praktické aplikace a navrženy možnosti budoucího vylepšení řešení.

This thesis deals with the concept of piezoelectric energy harvesting, which has the potential to eliminate the need for battery replacements not only in implantable biomedical devices. At first, the principles of an energy harvesting system are explained, including its important components and their functions. The piezoelectric effect is introduced together with important piezoelectric materials and their characteristic properties. The theoretic part ends with the description of the results of practical experiments which have been conducted recently. In the practical part of the thesis, the functional model of the piezoelectric energy harvester is proposed and realized using commercially available components, which are described in detail. A uniform piezoelectric transducer is chosen as an energy source and the LTC3588-1 integrated circuit is used for energy management. Electrical characteristics of the system are measured in the laboratory for many different configurations of different parameters (frequency and effective value of oscillations, value of capacitor, load, etc.). The maximum output power achieved is 1.9~mW. The results are evaluated and the effects of individual parameters of the circuit on the output characteristics are explained. In the end, the limitations for the practical applications of this model are presented and possible future improvements are proposed.