Stredná priemyselná škola - Ipari Szakközépiskola, Petőfiho 2, Komárno

1. Autor: Gábor Kovács
žiak II.G triedy
SPŠ-ISZKI,Petofiho2,Komárno
Konzultant :Ing.František Varga
učiteľ elektro predmetov
IDEOVÝ PROJEKT MODELU PIEZO LEŽATÉHO
POLICAJTA.

2. PRINCÍP PROJEKTU:
bumps to generate electricity. The “Motion
Power Energy Harvester

3. PIEZO SNÍMAČ :

4. PROCES GENEROVANIA EL.NÁBOJA.

5. POKUSY RIEŠENÍ ZDROJA ENERGIE V LEŽATOM
POLICAJTE VO SVETE.

6. PRINCÍP ČINNOSTI PIEZO GENERÁTORA:

7. SIMULOVANIE PIEZO GENERÁTORA VIRTUÁLNOU
ELEKTRONIKOU –TINA.

8. TEÓRIA PIEZO SNÍMAČOV.
 Princip piezoelektriny
 Princip piezoelektrického javu spočíva v mikroštrukture materiálu. Pre Vysvetlenie budeme uvažovať
jeden kryštal. Tento kryštal je zložený z iontov, ktoré sú viazané na určitých miestach v pravidelne
usporiadanom a opakujúcom sa vzoru, tvoriacu tak kryštalovu mriežku. Najmenšia periodicky sa
opakujúca časť mriežky se nazýva elementárna buňka. Vlastnosti symetrie tejto buňky rozhodujú, či
môže mať kryštál piezoelektrické vlastnosti alebo nie.
 Nutnou podmienkou je absencia stredu symetrie . Ionty v buňkách, ktoré nemajú stred symetrie sa
vplyvom mechanického namáhania presúvajú a vytvárajú , tak elektrický dipól. Ionty v buňkách sa
stredom symetrie taký dipól nemože vytvoriť.
 Hlavné oblasti využitia piezoelektriny
 Piezoelektrický jav má veľmi široké uplatnenie a tak stručne uvediem niektoré hlavné oblasti využitia:
 Motory a aktuátory – tlačiarne, transformátory a motory v miniaturnej mierke, bimorfy a mnohovrstvé
aktuátory pre presné polohovanie.
 Senzory – najčastejšie jde o senzory zrychlenia, tlaku a sily, toku.
 Zapalovače – v podstatě se jedná o piezoelektrické generátory vysokého napätia. Môžeme ich nájsť v
zapalovačoch, plynových kotloch, spalovacích motoroch.
 Tlmiče – kompozitné materiály využité ako aktivné tlmiče vibracií alebo hluku.
 Zvuková a ultrazvukové zariadenia– mikrofony a hydrofony, reproduktory a bzučiaky, sonary, detekcia
priblíženia, rozprašovače-atomizéry.

9. TEÓRIA PIEZO SNÍMAČOV.
Piezoelektrický snímač: a) Kryštál kremene,
b) Výbrus snímače
c) Piezoelektrický jav

10. PIEZO BUNKA :
Obr. 1 a) Bunka bez stredu symetrie
vytvára elektrický dipól.
b) Bunka so stredom symetrie. [2]

11. DRUHY VIBRÁCIÍ:

12. UNIMORF POUŽITÝ AKO PIEZOELEKTRICKÝ
MENIČ:

13. BIMORFNÝ PIEZO VYSIELAČ.

14. PIEZO SNÍMAČE:

15. KONŠTRUKCIA PIEZO SNÍMAČA.

16. PRINCÍP PIEZO JAVU.

17. TEÓRIA PIEZO SNÍMAČOV.
• Pri pôsobení neelektrickej veličiny sa piezoelektrický senzor
správa ako generátor náboja,ktorého náhradná elektrická
schéma je na obrázku 1.
• Praktická náhradná schéma zapojenia s piezoelektrickým
senzorom je na obrázku 2. Kapacita C0 je daná geometrickou
kapacitou mezi polepmi výbrusu, odpor R0 je zvodový odpor výbrusu.
Ak nebude uvažována vlastná sériova rezonancia, bude pri polarizacii
výbrusu náhradna schéma obsahovať iba C0 a R0. Frekvencia
deformačnej meranej veličiny (sily) musí býť nižšia než je vlastná
frekvencia výbrusu. Piezoelektrické snímače sa používajú do
frekvencie 105 Hz.

18. TEÓRIA PIEZO SNÍMAČOV.
Obr. 1 Náhradná elektrická schéma
piezoelektrického signálu

19. TEÓRIA PIEZO SNÍMAČOV.
• Praktická náhradna schéma zapojenia s
piezoelektrickým senzorom je na obrázku 2.
Kapacita C0 je daná geometrickou kapacitou
medzi polepmi výbrusu, odpor R0 je zvodový odpor
výbrusu. Ak nebudeme uvažovať vlastnu sériovu
rezonanciu, bude pri polarizacii výbrusu náhradná
schéma obsahovať iba C0 a R0. Frekvencia
deformačne meranej veličiny (sily) musí býť nižšia
než je vlastná frekvencia výbrusu. Piezoelektrické
snímače se používají do frekvencie 105 Hz.

20. TEÓRIA PIEZO SNÍMAČOV.
Obr 2 Praktická náhradná elektrická schéma
piezoelektrického signálu

21. TEÓRIA PIEZO SNÍMAČOV.
• V meracej technike se používa pre výrobu
piezoelektrických senzorov kremík (kysličník
kremičitý SiO2) a niektoré feroelektrika, napr.
titaničitan barnatý (BaTiO3) a zirkoničitan
olovnatý (PbZrO3). Základnou vlastnosťou
niektorých používaných materiálov ukazuje
tabuľka 1.

22. TEÓRIA PIEZO SNÍMAČOV.
Názov seignettova sol kremeň titaničitan barnatý
chemický vzorec Na Kc4H4O6 . 4H2O SiO2 BaTiO3
kp [Cn-1] 300 2,1 120
ku [VN-1] 18 5 1
max. teplota [oC] 45 550 110
Er [-] 350 4,5 1200 - 1700
mechanická pevnost [MPa] 1,5 . 104 1.105 8.104
mezde relativnej vlhkosti [%] 30 - 85 0 - 100 0 - 100
[kg.dm-3] 1,77 2,6 5,5
Tab. 1: Základné vlastnosti niektorých piezoelektrických materiálov

23. TEÓRIA PIEZO SNÍMAČOV.
• V meracích zapojeniach s piezoelektrickými
snímačmi sa ako vyhodnocovací obvod používa
zosilňovača s tranzistormi riadenými polom a
nábojových zosilňovačov.U niektorých snímačov je
unipolárny tranzistor ako impedančný oddeľovač
umiestnený priamo v púzdre snímača. Jednosmerné
napájacie napätie sa privádza priamo meracím káblom.
• Výhodou piezoelektrických senzorov sú malé
rozmery, jednoduchosť, majú lineárnu prevodovú
charakteristiku. Používajú sa hlavne k meraniam tlaku,
tlakovéj sily, zrychlenia, výchylky a mechanického
napätia.

24. UKÁŽKY PIEZO SNÍMAČOV.

25. VNÚTORNÁ SCHÉMA ZAPOJENIA PIEZO
BZUČIAKU (GENERÁTORU)

26. ELEKTRICKÉ ZAPOJENIA PIEZO SNÍMAČOV.

27. IDEOVÝ PROJEKT PIEZO LEŽATÉHO POLICAJTA

28. ELEKTRICKÉ ZAPOJENIE INDIKÁTORU NAP.
AKUMULÁTORA PIEZO LEŽATÉHO POLICAJTA -
EAGLE.

29. NÁVRH DPS KU INDIKÁTORU NAP.
AKUMULÁTORA PIEZO POLICAJTA - EAGLE.

30. NÁVRH DPS INDIKÁTORA NAP. AKUMULÁTORA
PIEZO POLICAJTA V PDF.

31. MODELOVANIE INDIKÁTORU NAP.
AKUMULÁTORA PIEZO POLICAJTA:

32. SÚPIS PRVKOV EL.ZAPOJENIA INDIKÁTORU NAP.
AKUMULÁTORA PIEZO LEŽATÉHO POLICAJTA.

33. MERANIE PIEZO LEŽATÉHO POLICAJTA :
 Merania sa uskutočnili na všetkých
nakúpených piezo vysielačoch a striedavé
napätie má frekvenciu v rozmedzí 0-500 Hz
a amplitúdu od 0.5 – 1,8 V AC. Prúd generovaný
rozkmitom sa pohybuje v rozmedzí niekoľko
100pA až niekoľko uA. Pri rozkmite piezo
vysielačov vznikajú periodické rýchlo sa
utlmujúce rozkmity.

34. FOTOZÁBERY Z REALIZÁCIE PROJEKTU.

35. FOTOZÁBERY Z REALIZÁCIE PROJEKTU.

36. FOTOZÁBERY Z REALIZÁCIE PROJEKTU.

37. FOTOZÁBERY Z REALIZÁCIE PROJEKTU.

38. FOTOZÁBERY Z REALIZÁCIE PROJEKTU.

39. POPIS REALIZÁCIE PROJEKTU.

40. POPIS REALIZÁCIE PROJEKTU.

41. POPIS REALIZÁCIE PROJEKTU.

42. POPIS REALIZÁCIE PROJEKTU.

43. POPIS REALIZÁCIE PROJEKTU.

44. POPIS REALIZÁCIE PROJEKTU.

45. POPIS REALIZÁCIE PROJEKTU.

46. POPIS REALIZÁCIE PROJEKTU.

47. POPIS REALIZÁCIE PROJEKTU.

48. POPIS REALIZÁCIE PROJEKTU.

49. POPIS REALIZÁCIE PROJEKTU.

50. POPIS REALIZÁCIE PROJEKTU.

51. POPIS REALIZÁCIE PROJEKTU.

52. POPIS REALIZÁCIE PROJEKTU.

53. VYHODNOTENIE PROJEKTU.
 Zámerom projektu bolo zostrojenie funkčného
modelu piezo ležatého policajta pomocou
sponzoringu od fy. :
 Poskytovateľ daru: BestGuest, s.r.o.
 so sídlom: Trieda SNP 62, 974 01
Banská Bystrica
 IČO: 46386246
 zastúpený: Juraj Kováč

54. VYHODNOTENIE PROJEKTU.
Počas realizácie sme zužitkovali všetky
dostupné informácie o problematike aplikácie
piezo snímačov pri tvorbe el. energie. Činnosť
sa dá zhodnotiť ako bastlenie, modelovanie,
počítanie, overovanie pomocou virtuálnej
elektroniky a vyhotovenie funkčného modelu.

55. ZÁVER.
Pre praktickú realizáciu prototypu bude potrebné
prekonštruovať nosnú plochu ležatého policajta
a tiež aplikovať podstatne výkonnejšie piezo
snímače . Samozrejme z hľadiska prototypu bude
potrebné vychádzať z jestvujúcej ponuky konštrukcií
ležatých policajtov v SR. Vytvorenie prídavného
akumulátorového zdroja u piezo policajta otvára cestu na
rozšírenie zariadenia o prídavný autonómny
zdroj el. energie - napätia pre doplnkový výstražný
svetelný zdroj.