Hybrid and electromagnetic large bandwidth energy harvesters with interface circuit for 0.4-1.6 g acceleration range
0.4-1.6 g ivme aralığı için geniş bant genişlikli hibrit ve elektromanyetik enerji toplayıcıları ve arayüz devresi
- Tez No: 936715
- Danışmanlar: PROF. DR. HALUK KÜLAH
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Energy, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Titreşim, ısı ve ışık gibi çevresel enerji kaynakları, enerji toplayıcılar tarafından elektrik enerjisine dönüştürülebilir ve arabirim devreleri (IC) kullanılarak bataryalarda ve süper kapasitörlerde depolanabilir. Enerji hasat cihazının boyutuna ve uygulamasına bağlı olarak, 50 cm3 hacminde bir transdüser, derin submikron teknolojisi ile geliştirilmiş yeni nesil entegre sensörler ve sistemler için yeterli olan mW seviyesinde gücü sağlayabilir. Böylece, enerji toplayıcılar sayesinde sensörlerin ve sistemlerin kapalı ortamlarda şarj ve bakım gerektirmeden çalıştırılması mümkündür. Ancak titreşim kaynaklarının önemli bir kısmı sabit bir frekans ve ivme seviyesinde titreşim üretmez, bu da çok çeşitli ivme seviyelerine (0,4-1.6 g) sahip titreşimlerden güç üretebilen, bant genişliği oranları %20'nin üzerinde olan enerji toplayıcılara ihtiyaç yaratır. Ayrıca, farklı titreşim kaynakları, elektriksel karakteristikleri değişen ve uygulamaya özel enerji toplayıcı tasarımına gerek duyabilmektedir. Farklı enerji toplayıcılardan üretilen alternatif akım elektrik enerjisini depolanabilir enerjiye dönüştürmek için, enerji toplayıcının elektriksel özelliklerine uyum sağlayabilen ve optimum düzeyde enerji toplayan bir entegre devre gereklidir. Bu tez çalışmasının amacı, insan vücudunun hareketlerinden ve mekanik titreşimlerden enerji elde edebilen sistemler tasarlamak ve üretmektir. Tasarlanan hibrit enerji toplayıcı, önerilen frekans yükseltme yöntemini kullanarak 1-2 Hz frekans aralığında ve 0,4-1,6 g ivme seviyesindeki insan vücudu titreşimlerini toplayabilir. Önerilen elektromanyetik enerji toplayıcı (EMET), %28'lik bir bant genişliği oranıyla 1,4 g ivmedeki titreşimler için 22,9-29,7 Hz'lik geniş bir frekans bant genişliğine sahiptir. Deneysel sonuçlar, tasarlanan EMET'in 1 g titreşim ivmesinde, 0,22 (mW/cm3/g2) normalleştirilmiş güç yoğunluğu (N.G.Y.) ile 12,3 mW güç üretebileceğini göstermektedir. Son olarak, TSMC 180 nm teknolojisinde bir arayüz entegre devresi tasarlanmış ve üretilmiştir. Arayüzün alt bloklarının simülasyon sonuçları, önerilen yöntemle enerjinin geniş bir frekans spektrumundan toplanabileceğini ve ilgili sensörler için düzenlenebileceğini göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Environmental energy sources such as vibration, heat and light can be converted to electrical energy by energy harvesters and stored in batteries and super-capacitors using interface circuits (IC). Depending on the size and application of the energy harvester, a 50 cm3 transducer can supply power at the level of mWs, which is enough for new-generation integrated sensors and systems developed with deep sub-micron technology. Hence, with the help of energy harvesters, it is possible to operate sensors and systems in closed environments without charging and maintenance. However, an essential part of the vibration sources does not generate vibrations at a constant frequency and acceleration level, which creates a need for energy harvesters with bandwidth ratios above 20% which can generate power from vibrations with a wide range of acceleration levels (0.4-1.6 g). Furthermore, different vibration sources may require application-specific energy harvester designs whose electrical characteristics vary. To convert generated AC electrical energy from distinct energy harvesters to storable energy, an IC, which can adapt itself to the electrical characteristics of the energy harvester to harvest energy at the optimum level, is necessary. The goal of this thesis study is to design and implement systems that can harvest energy from human body motions and mechanical vibrations. The designed hybrid energy harvester can harvest human body vibrations within the 1-2 Hz frequency range at 0.4-1.6 g using the proposed frequency up-conversion method. The proposed electromagnetic energy harvester (EMEH) has a large frequency bandwidth of 22.9-29.7 Hz at 1.4 g acceleration with a bandwidth ratio of 28%. Experimental results show that the designed EMEH can output 12.3 mW power with a normalised power density (N.P.D) of 0.22 (mW/cm3/g2) at 1 g input acceleration. Finally, an interface IC is designed and implemented in TSMC 180 nm technology. Simulation results of the sub-blocks of the interface show that with the proposed method, energy can be harvested from a large frequency spectrum and regulated for the sensors of interest.
Benzer Tezler
- Katkılı NiFe2O4 polimer tabanlı mikrodalga yutucuların frekans seçici malzeme tasarımı
Frequency selector material design by using microwave absorbers wi̇th doped NiFe2O4 polymmer based
ETHEM İLHAN ŞAHİN
Doktora
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
PROF. MESUT KARTAL
- Design and optimization of compact vivaldi antenna with matching medium for microwave brain imaging applications
Mikrodalga beyin görüntüleme uygulamaları için eşleştirme ortamına sahip kompak vıvaldı antenin tasarımı ve optimizasyonu
CAFER UYANIK
Doktora
İngilizce
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM AKDUMAN
- RIS destekli serbest uzay optik iletişim sistemlerinin performans analizi
Performance analysis of RIS aided free space optical communication systems
YONCA YÜKSEKDAĞ AKTAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ
- Sincap kafesli asenkron makinenin rotor alan yönlendirmeli kontrolü
Rotor field-orientation control of a squirrel cage induction machine
SAFFET ALTAY
Yüksek Lisans
Türkçe
1995
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. M. EMİN TACER
- 2-8 MBit/s fiber optik hat teçhizatı arayüz devresinin sahada programlanabilir kapı dizisi ile tasarlanması ve gerçeklenmesi
Designing and implementing 2MBit/s and 8 MBit/s fiber optic line terminating equipment interface circuit by using field programmable gate array
ÜMİT GÖĞÜSGEREN
Yüksek Lisans
Türkçe
1993
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF. DR. AHMET DERVİŞOĞLU