TELKOM NIKA , Vol.13, No .3, Septembe r 2015, pp. 7 67~775   ISSN: 1693-6 930,  accredited  A  by DIKTI, De cree No: 58/DIK T I/Kep/2013   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v13i3.2093    767      Re cei v ed Ap ril 23, 2015; Revi sed  Jun e  29, 2015; Accepted July 1 2 ,  2015   Simulation Analysis of Interface Circuits for  Piezoelectric E n ergy Harvestin g with Damped  Sinusoidal Signals and Random Signals      Shuai Pang, Wenbin Li*, Jiangming Kan   Schoo l of T e chnol og y, Beij in g F o restr y  Un ive r sit y , Beij in g, 1000 83, Ch ina   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : lee w b @ b j fu.edu.cn          A b st r a ct  Vario u s interfa c e circuits for collecti ng the  ener gy  of pie z oel ectric cantil ever be a m s h a ve be en   w i dely inv e stig ated. Such cir c uits incl ud e the stan dar d i n terface, series  synch roni z e d switch  harvesting  interface circ u i t, parall e l sy nchro n i z e d  s w itch har vesti ng interfac e, synchro ni z e d  charg e  extractio n   interface, and  others.  Most  st udi es  focus  on  the p e rfor ma n c e of d i ffer ent  interface  circu i ts w i th standar d  sinus oid a l  exci tations. H o w e ver, in  rea l  situ a t ions w her e c o nstant h a r m o n i c  vibrati ons  ar e n o t pres ent, t h e   equ ival ent vo ltage fro m   pi e z o e lectric c antil e v er be a m s w i th  excitatio n s is  not nec essar ily  sinus oid a l. In t h e   prese n t study,  a si mulati on   ana lysis  of fou r  differe nt in ter f ace circu i ts w i th sig nal  sourc e s that  are  bo th   da mp ed sin u s o id al an d ran d o m w a s perfor m e d  usi ng Ma tlab an d PSpi c e. T he result s show  that the   interface c i rcui ts have i m pr ov ed p e rfor manc e un der  l o w  lo ad resist ance  valu es w i th da mp ed si nus oid a l   sign al. In addit i on, the par all e l and seri es synchro ni z e d sw i t ch harvestin g interface circ ui ts may perfor m   w e ll in col l ectin g  pie z o e l e ctric ener gy w i th rando m exc i tatio n s.    Ke y w ords :  pi e z o e l ectric en ergy harvesti n g,  interfac e  c i r c uit, da mpe d   sinus oid a l s i g n a l, ra ndo m si g nal,  SLPS      Copy right  ©  2015 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  Micro-e n e r gy  ha rvestin g   has be en  wi del y stu d ied  be cau s e  of  the  develo p m ent of  wirel e ss se nsor networks. Variou s ene rgy  ha rvesti ng  tech niqu es,  su ch  as sola r ene rgy, the r mal   energy, and   vibration  ene rgy h a ve b e e n  inve stigate d  to eli m inat e de pen den ce on  batte rie s  o r   wire s [1 -5]. T he ele c troma gnetic,  elect r ostatic,   and  p i ezo e le ctric transitio n me chani sms are  the   main method s for harve sting vibration  energy. In  particula r, piezo e le ctric vi bration e nergy  harve sting h a s re ceived  signifi cant attention  fo r  its high  po we r  den sity, simp le st ruct ure,  and   ability to operate without produ cing p o llu tion [6].    A piezo e le ctri c en ergy h a rv esting  syste m  main ly co n s ist s  of a me cha n ical stru cture  and  interface circuits. With reg a rd to the mech ani ca l st r u ct ur es in  su ch sy st ems,   cant ilev e r be ams   with patche s  of piezo e le ctri c materi al s have  b e e n  extensivel y investigate d  [7, 8]. The   perfo rman ce  of the energy  generated b y  piezoel ectr i c  eleme n ts with harmo nic  excitation s h a s  been  studie d  widely. Re cently, flow-in duced pie z o e l ectri c  en ergy  harve sting h a s g a ined m u ch   attention. So me of the t r e nds in pi ezoe lectri c e nergy harve sting  a r e m u lti-directional wi deb a nd  techn o logy [9 ] and flow-in d u ce d or imp a c t-ind u ced  pi ezo e le ctric e nergy ha rve s ting [10]. In th ese   system s, the  electri c ity gene rated  b y  piezoel ect r ic cantilever beam s is  not sinu soi d al.  Mean while, t he me cha n ical structu r e s  for colle ct in g multi-di re ction en ergy a nd flow-ind u c ed   piezoele c tri c  energy ha ve been  wi dely invest ig ated. Experi m ents o n   many me ch anical  stru ctures  un der diffe rent  con d itions  have bee n p e rform ed to  evaluate the  perfo rman ce of  different  stru cture s .  With  re gard to i n terface  circuits,  the sta ndard  inte rfa c e ci rcuit, serie s   synchro n ized  switch harvesti ng interface ci rcuit (S-SSHI), parall e l syn c hroni ze d swi t ch   harve sting int e rface ci rcuit (P-SSH I), an d synchro n ized ch arg e  extr actio n  interfa c e ci rc uit (SC E )  have bee n a nalyze d  in d e tail, and all involve st and ard  sinu soid a l  equivalent source s [11-1 3 ].  Ho wever, th e pe rform a n c e of  differe nt interf a c e  circuits with  a no n-stan dard  si nu soi dal   equivalent  so urce h a s be e n  minimally i n vesti gate d . Many  expe ri ments have b een perfo rme d   in  ideal la bo rat o ry envi r on ments  wh ere  pie z oele c tri c   el ement s were subj ect ed  to harm onic  excitation s; thus, num ero u s analy s e s  involving  sinu soid al sign als have been made. An excite r  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 13, No. 3, September 20 15 :  767 – 775   768 can  ge nerate si nu soidal  excitation s on  pie z oel ectri c  el eme n ts. Howeve r, in p r a c tical   experim ents  without excit e rs, the a c ti ng force  on  piezo e le ctri c eleme n ts  have not be en   harm oni c; thus, the voltage  generated by   the elements has not be en  sinu soid al.  Modelin g for piezo e le ctric energy harv e sting h a s b een stu d ied  to conve r t complex   mech ani cal fields to pu rely  electri c al fiel ds. The e quiv a lent ci rcuit modelin g use d  in this pa pe r is  based on [14] , which avoi d s  a co mp licated derivatio n for theoretical   modeling. Al so, a sim u lation   analysi s  of four different  interface  ci rcuit s   with n on-stand ard sinu soi dal e quivalent s was  perfo rmed  u s ing  Matlab  and PSpi c e.  For th e eq uivalent volta ge sou r ce in  the mod e l, the  dampe d si n u soi dal  sign al so urce  a nd rando m  sign al source used  we re ba sed  on  the   experim ental  voltage in  [15 ]  and  [16]. To  present the  f r ame w o r k for the  simul a tio n  an alysi s ,  we  introdu ce  the  ba sics  of en ergy h a rve s ti ng, in cludi n g   the eq uivalen t  circuit m o d e l, four  pa ssi ve  interface ci rcuits, and no n - stan da rd si n u soi dal  si gnal s. We then  p r esent the si mulation met hod  to analyze th e perfo rman ce of the four interface  ci rcu i ts usin g Matl ab and PSpi c e, as well a s  the  results of the  simulatio n . Finally, the pap er  is  summa ri zed in t he  co nclu sio n  se ct i on.       2. Energ y  Har v esting Ba s i cs  2.1. Equiv a le nt Circui t Mo del for a Piezoelec t ric E n erg y  Har v esting Sy stem  The vibratio n  energy harv e ster  ca n be  modele d  as a system  wi th a single  d egre e  of  freedo m, as  sho w n i n  Fig u re 1 [1 1]. The sy stem is comp osed o f  mass ( M ), total s t iffness   ( K ),  and dam ping  element ( C ).  The equ ation  of motion for t he syste m  is  given by (1).       p M u C u K u F v                                                             (1)      Whe r e  F  is  the exc i tation f o rce,  u  is the  displ a cement  of t he pie z oe lectri c stru ctu r e,   is  the force fa ctor  of the  piezoele c tri c  eleme n t, a nd  p v  is th e  gene rated  voltage from  the   piezoele c tri c  element.       F M K C i(t) v(t)     Figure 1. Equivalent model  of a piezoel e c tri c  ene rgy h a rvestin g  dev ice       A  piezoele c tric cantileve r beam ca n  b e   mod e led a s   a sin u soid al  cu rrent ( ︵ ︶ p i t ) in  parall e l with a capa cito r ( p C ) when a ha rmonic motio n  is functionin g  on the bea m, as sho w n  in   Figure 2. The magnitud e  of  ︵ ︶ p i t is  p I , which  varies  with the mech ani cal  excitation level of the  piezoele c tri c  harve ster b u t is assum ed  to be rela tivel y  consta nt re gardl ess of e x ternal loadi n g .  Equivalent cu rre nt  ︵ ︶ p i t  is  given in (2) [14].    ︵ ︶ s i n ︵ ︶ p p i t I w t                              (2)     Whe r e  w  is the excitation  angula r  fre q uen cy  of the piezo e le ctri c energy harv e ster.   Magnitud e   p V  of open ci rcuit voltage  v(t )  is given in (3).      p p p I V w C               ( 3 )     In this pape r,  ︵ ︶ p i t is not con s i dere d  as a sinusoidal current sou r ce b u t as a dam ped  sinu soi dal  sig nal sou r ce a nd a s  a  ra nd om si gnal  so urce  sep a rat e ly. Thus, o p en ci rcuit voltage   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Sim u lation Analysi s  of Interface  Circuit s  for  Piezo e le ctric Ene r g y  Ha rve s ting … (S huai Pang )  769 v(t ) , which is  gene rated fro m  the piezo e l e ctri c ene rgy  harve ster, be come s a da m ped si nu soid a l   voltage and a  rando m voltage.       i p (t ) C p i( t ) v( t )     Figure 2. Equivalent circuit model of  a pi ezo e le ctric e nergy ha rve s ter                       2.2. Four Self-Po w e r ed In terface  Circu i ts   A standa rd in terface  circuit  [17] is comp ose d   of a rect ifier and a filt er ca pa citor, togethe r  with  a  sup p lied system   (Rloa d ), as  s hown in  Fig u re  3. If ex citation force   F  applied to the  piezoele c tri c   element i s  a s sumed  to b e  pu rely si n u soi dal, then  mechani cal  displ a cement   u   woul d b e   sin u soi dal. T he  gene rated  vo ltage of  t he  p i ezo e le ctric e l ement  und er an  op en  ci rcuit  con d ition wo uld  the n  be   sin u soidal  as well.   Ho wever,   when   the pie z oel ectri c  eleme n t  is  con n e c ted to  an interfa c e  circuit, the waveform of th e piezoele c tri c  voltage  wo uld be  cha n g ed.  Once the a b s olute valu e  of  v(t )  i s  g r e a ter than th e  rectified volt age, the rect ifier diod es  a r e   con d u c ted  a nd the  charges a c cumul a ted o n  th e  pie z oele c tri c  el ement  a r e tran sferre d to  cap a cito r Cre c t and l oad  resi stan ce  Rlo ad. The o u tp ut power fro m  the stan da rd inte rface ci rcuit  can b e  expre s sed a s  (4 ):     2 ︵ s t a n d a r d ︶ 4 ︵ ︶ M r e c t p r e c t P f u V C V                        (4)    Whe r e  f  i s  t he resona nce freq uen cy  of the sy st em an d  M u is the maximal   displ a cemen t   amplitude. Th e maximal ha rvested  po we r und er a gi v en displa cem ent magnitu d e  is given by  (5)  with the opti m al re sista n ce value given  by (6).    2 2 ︵ s t a n d a r d ︶ m a x M p f u P C                                (5)    1 4 o p t p R f C                                  (6)      Cr e c t Rl o a d D1 D2 D3 D4 V( t)     Figure 3. Block di agram of  a standa rd in terface  circuit       Figures 4-6 sho w   the bl ock  dia g ra m s   of the S-S S HI, P-SSHI, and SCE i n terface  circuits, resp ectively [11,  18]. An electroni c br e a ker circuit for switchi ng on e x treme value s  is  use d , which  con s i s ts  of a n  envel ope   detecto r,  a  compa r ator,  a nd a  digital   swit ch [1 9]. The  elect r oni c b r e a ke r  cir c uit  f o r  swit ching  o n  max i ma  is   sho w n  in  Fig u re  7.  A  mi ni ma  swit ch  co nt rol   topology is  condu cted in  a simila r mo de, with op p o site pol aritie s of diod es  a nd tran si stors, as  sho w n in Fig u re 7. Fu rther information o n  the  workin g  princi ple can  be found in [11-1 2 ], [18-1 9 ].    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 13, No. 3, September 20 15 :  767 – 775   770 Q1 Q2 Q3 Q4 D1 D3 D5 D6 D4 D2 R1 R2 R l oad Cr e c t L r D7 D8 C1 C2 V( t )     Figure 4. Block di agram of  a S-SSHI interface ci rcuit      R l oad Q1 Q3 Q2 Q4 Cr e c t D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D1 0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 C1 C2 L V( t )     Figure 5. Block di agram of  a P-SSHI interface ci rcuit      L1 L2 R1 R2 R3 C1 D1 D2 D3 D4 R l oad Cr e c t D8 D5 Q1 D6 Q2 D7 V( t )     Figure 6. Block di agram of  a SCE interface  circuit       E n v e l ope C o m p ar at o r S w i t ch     Figure 7. An electroni c bre a ke r for maxi mum displa cement       2.3. Non-sta ndard Sinus oidal Signals  Given the developme n t of flow or impact - ind u ce d piezo e le ctric ene rgy ha rvesting,  gene rated  vol t age  v(t )  fro m  the  piezoele c tri c  e nergy h a rveste rs i s   n o t sin u soidal.  Figu re  8  and  9  sho w  exampl es that have no stand ard sinu soi dal excitation s. Fi gure 8 sh ows the  stru cture of a   gallopin g  pie z oel ectri c  be am for ha rve s ting wi nd e nergy. Figu re  9 sho w s th e stru cture o f  a  rotational  pi ezo e le ctric  wind  ene rgy  harve ste r  t hat u s e s  im pact-i ndu ce d  re son a n c e.  The   wav e for m  of  v(t )  is no n-st anda rd  sin u soidal i n   some   co ndition s.  Figure 1 0   sh ows a n  exa m ple   waveform of  the  damp e d  si nu soid al  sig nal  of  v( t )   [20,  2 1 ]. Figure  1 1  shows an example  waveform of the ra ndom  si gnal of  v( t)  [1 6]. The voltage wavefo rm  of  v(t )  as  sh ow n  in  F i gu r e   1 1   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Sim u lation Analysi s  of Interface  Circuit s  for  Piezo e le ctric Ene r g y  Ha rve s ting … (S huai Pang )  771 is rand om bu t  positive be cause  of  th e rotational  pie z oele c tric wi nd  ene rgy h a rv esting  prototype   prop osed in [16], which uses impa ct-i nd uce d  re son a n c e. In the pre s ent sim u lati on analy s is, the   rand om sig n a l is assum ed to have both po sitive and negati v e values. Additionally, the  effectivene ss of the four aforeme n tio ned interf a c e  circuits in  su ch situ atio ns ne ed s to be  determi ned.  Simulation an alysis i s  a fa st and conveni ent way to te st the pe rformance of the  four  interface ci rcuits with n o n - sinu soi dal si g nals.  With ref e ren c e to th e  equivalent  ci rcuit m odel f o r   piezoele c tri c   energy harve sters sho w n i n  Figure 2 for the simulatio n  analysi s ,  ︵ ︶ p i t ca n be set as  a da mped   si nusoidal  si gn al in PSpi c e   and  as a  ra n dom  sign al in  Matlab. Ad di tional d e tails  on   the simulatio n  are p r ovide d  in the simul a tion method  se ction.             Figure 8. Experime n tal set up of harve sting  wind e nergy usin g a gallo ping pie z oel e c tri c   beam [20]   Figure 9. Rot a tional pie z o e lectri c wi nd  energy  harve ster u s i ng impa ct-in d u ce d re son a n c e  [16]            Figure 10. Measure d  impu lse re sp on se  of the  beam with o p en-circuite d e l ectro d e s  [20]  Figure 11. Voltage wavefo rm of the harvester  before re ctification  [16]      3. Simulation Method   T h e   s i mu la tion  w a s  pe r f orme d  b y  us ing O r CAD 1 6 .3/PSpice a nd  Matlab 20 12a /Simulink  softwa r e. PS pice i s  g ood  for ci rcuit si mulati on a n d  optimization  desi gn, an d  Matlab p e rf orm s   effectively in  system si mul a tion and opti m izati on. The  SLPS module in PSpice e n su re s that the  Simulink–Mat l ab sy stem si mulator  ca n b e  com b ine d   with the PSpi c e  circuit si m u lator. Th e value  of  Cp  in the simulation ana lysis is 10 0  nF .  ︵ ︶ p i t  is discu s sed in anothe r section. The  comp one nt   model s or va lues fo r the S-SSHI, P-SSHI, and SCE in terface  ci rcuit s  are list ed in Table  1 ,  2 ,   and 3,  re spe c tively. The  method i s  int r odu ced to get her  with the   dampe d  sinu soid al si gnal s and  rand om si gna ls se parately.               Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 13, No. 3, September 20 15 :  767 – 775   772 Table 1. Co m pone nt model s or value s  fo r the S-SSHI interface ci rcu i t  Component   Model / Value  R1,R2   100 K   C1,C2  2  nF   Diodes (D1 to D 8 )  1N4004   PNP transistors ( Q 1 and  Q4 )   TIP32C   NPN transistors ( Q 2 and  Q3 )   TIP31C   Crect  10  uF   L 47  mH   r  178       Table 2. Co m pone nt model s or value s  fo r the P-SSHI interface ci rcu i t  Component  Model/  Value  R1,R6    100 K   R2,R3,R4, R 5   10 K   C1,C2   4 nF   Diodes (D1 to D 1 0)   1N4004   PNP transistors ( Q 1 and  Q3 )   TIP32C   NPN transistors ( Q 2 and  Q4 )   TIP31C   Crect  10  uF   L 47  mH       Table 3. Co m pone nt model s or value s  fo r the SCE interface ci rcuit  Component   Model / Value  R1  100 k   R2  51 k   R3  10 k   C1 820  pF   Crect  10  uF   L1,L2  100  mF   Diodes (D1 to D 7   1N4004   D8 UF4004       3.1. Damped  Sinusoidal Signal  PSpice mainl y  has six parameters for  determi ning t he pro p e r ty of the curren t source   (ISIN), inc l uding IOFF,  IAMPL, FREQ, P H ASE, TD ,  and  DF. The  six parameters are defined in   Table 4. If  v(t )  is a s sume d  to be sin u soi dal, whi c h m ean s that  ︵ ︶ p i t in  Figure 2 is  assume d to be  sinu soi dal, then the value s  of IAMPL  and FRE Q  a r e set an d that of the other pa ram e ter  become s  the  default value of zero. If  DF is ab ove  zero,  v( t)  b e com e s a d a m ped si nu soi dal  voltage wave form a s  sh o w n in Fig u re  10. DF is  set as 1 in t he sim u latio n  analysi s .  The   amplitude of  ︵ ︶ p i t is set a s  22 0  uA and the freque ncy of  ︵ ︶ p i t is set a s  2  Hz. Th e sim u lation  results of the output po wer  with da mped si nu so idal sign al u nder  cert ain  values and  the   maximum out put power wit h  stand ard  si nusoidal  sign al are sho w n  in the results  se ction.       Table 4. Defi nition of the ISIN param eters  Parameter Definition  IOF F   DC offset current   IAMPL  Amplitude of the  current   FREQ  Freque nc y  of th e  current   PHASE Initial  phase  TD  Del a y   ti me   DF  Damping  factor       3.2. Random  Signal  Ran dom sig nals can be   prod uced  b y   Matlab–S imulink. Ea ch  piezo e le ctri c interface  circuit  can  b e  in the  SLP S  modul e. SL re presents Simulin k, an d PS re pre s ents PSpi c e.  The   SLPS  take s a d vantage s of the  two  software.  Sim u link has  fast   sim u l a tion spe ed a nd  PSpi c e ha s   high  simul a tion p r e c isi on.  The  Simulin k m odel  of t he e quivalent  pie z oel ectri c  interfa c e  ci rcuit  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Sim u lation Analysi s  of Interface  Circuit s  for  Piezo e le ctric Ene r g y  Ha rve s ting … (S huai Pang )  773 based  on th e  SLPS is sho w n i n  Fig u re  12. A unifo rm  ran dom  num ber  re pla c e s  t he  ︵ ︶ p i t as i nput  para m eter of  the SLPS, and the sco pe can sho w  ce rt ain output pa ramete rs of the SLPS. In  the  analysi s , the  scope  indi cat e s th e o u tput  po wer of the  load  re si sta n ce. T he  min i mum i s   set  as  − 0.00 022  an d the maximu m is  set a s  0. 0002 2. The  si mulation  re su lts of the o u tp ut power  und er  different load  resi stan ce val ues a r e sho w n in the results se ction.           Figure 12. Simulink m odel  of piezoel ect r ic inte rface circuit ba se d o n  the SLPS      4. Results   The outp u t p o we r with  sta ndard si nu soi dal si gnal  ca n be g r eatly i n fluen ced  by the load   resi st an ce  v a lue s  ex cept  in t h e  S C E  int e rf a c e  ci r c uit .  Th e o p t i mal r e si st an ce v a l u e s   wi t h   stand ard  sin u s oid a l sig nal s, as well  as t he output  p o w er  und er o p t imal re sistan ce value s   with   stand ard   si n u soi dal sign a l s  a nd damp ed sinu soi dal  sig nal s, are  sh own in  T able  5. The   SCE  interface ci rcuit has no  opt imal re sista n c e value a nd  is set a s  10 0 k . With damp ed sin u soidal   sign als, th e  output p o wer ca n b e  in creased  by  re duci ng th e lo ad  resi stan ce value  from  the   optimal valu e  (Ta b le 5 ) . Gi ven the  re sist ance va lue s  with stand ard   sin u soidal si gnal s sho w n in   Table 5, the  perfo rman ce  of output po wer with  d a mp ed sin u soidal  signal s i s  no t optimal. Thus,   the re sista n ce value with  dampe d sin u soi dal  si gna ls sh ould b e  low. The ou tput powe r  with   dampe d  sinu soid al  signal s doe s  not hav e a  co nsta nt  value. The  m a ximum o u tp ut po wer valu es  of certai n re sistan ce value s  are re porte d in T able  5. As an exam p l e, the PSpice re sults fo r the   output po wer  of the S-SSHI interface  circuit with  da m ped si nu soid al sign als a r e  sho w n in Fig u re   13.        Table 5. Perf orma nce of output power  with st an dard  sinu soid al an d dampe d sin u soi dal si gnal s  Interface circuits  Output p o w er  w i t h  different signals (mW)  Standard sinusoidal signal  Damped sinusoidal signal  SEH  6.09 (900 k )  0.25 (100 k ), 0.1 0 (900 k )  S-SSHI   23.82 (40 0  k )   3.00 (100 k ), 1.4 3  (400 k )  P-SSHI   34.81 (30 00 k )  0.24(100  k ), 0.00 3(3000 k )  SCE  16.84 (10 0  k )  9.11(50  k ), 5.36 ( 100 k )                    Ti m e (s) W (R l o ad)  (mW ) 0. 5 1. 0 1. 5   S ‐ S S H I , 400 k   ohm               0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 2. 0 4. 0   S ‐ S S H I , 100 k   oh m     Figure 13. PSpice results for output po wer of S- SSHI interface ci rcu i t with dampe d sinu soi dal  sign al       U n i f or m  R andom N u m ber S c ope In O u t SLPS Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 13, No. 3, September 20 15 :  767 – 775   774 For rando m signal s, the Simulink  re sult s for out p u t powe r  of different interfa c e  circuits  are  presente d  in  Figu re  1 4 . As  sh own, the  perfo rma n ce  of th e S E H a nd S C E  interfa c e  ci rcuits  are  un satisfa c tory. Comp a r ed  with th e  other i n terfa c e ci rcuits, the  coll ecte d po wer of the  SEH  interface ci rcuit is much lo wer  and the  colle cted  p o w er  of the SCE interfa c e  circuit ha s hi gher  volatility. Thus, when  random excitations are ex erted  on piezoel ectri c  structures, whi c h  i s   a   result of the  increa sing  a ttention on fl ow-  and  i m p a ct-in d u c ed piezoele c tri c  vibration  e n e r gy  harve sting, t he P-SS HI a nd S-SS HI i n terface  circuits  may be a  go od ch oice  for ha rvest i ng  piezoele c tri c   energy. Mean while, the SE H interfa c e  ci rcuit h a s  bee n mostly u s e d  in such  stu d ies  to investigate  the performa n ce of certain  mecha n ical structu r e s .                Figure 14. Simulink  re sults for output po wer of di ffere nt interface  ci rcuit s  with ra ndom si gnal s      5. Conclusio n   The pe rform ance of different interfa c e  circ uits  with  dampe d sin u soi dal si gna ls an d   rand om si gna ls wa s inve stigated thro ug h simulati on. Simulation res u lts   s h ow that the interfac e  circuits p e rfo r m effectively under lo w load re si st an ce values with  damped si n u soi dal sig n a l s,  and th at the  S-SSHI a n d  P-SSHI in terface  ci rc ui ts may h a ve imp r oved  perfo rman ce  in   harve sting pi ezo e le ctric e nergy when  con s tant  ha rmonic ex citations a r e not  present. In the  future, additio nal experim e n ts sh ould be  cond ucte d to further stu d y the perform a n ce of vario u s   interface ci rcuits in coll ecti ng  pie z oele c t r ic vibration e nergy.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Sim u lation Analysi s  of Interface  Circuit s  for  Piezo e le ctric Ene r g y  Ha rve s ting … (S huai Pang )  775 Ackn o w l e dg ements   This  wo rk  wa s supp orted  by the Natio n a l Na tu ral S c ience Fou n d a tion of Chin a (G rant  No. 311 706 6 9 ).       Referen ces   [1]  Cha ban e F ,  M oummi  N, Be nr amach e  S. E x perime n tal  an a l y s is o n  th erm a l p e rforma nce  of a  sol a r a i r  collect or  w i th  l ong itudi na l fin s  in  a reg i o n   of Biskra, Al ge ria.  Jour nal  of  Pow e r T e chn o logi es . 2 013;   93(1): 52- 58.   [2]  Jusoh  A, Sutik no T ,  Guan T K , Mekhil ef S. A  Revi e w   on F a voura b le  Ma xi mum Po w e r P o int T r ackin g   S y stems in S o l a r Energ y  Ap pl icatio n.  TEL K OMNIKA   T e leco mmu n icati on,  Co mp uting, El ectronics a n d   Contro l . 201 4; 12(1): 6-2 2 .  [3]  Xu  L, Li B. D e sig n  of  w i r e le ss farmlan d  te mperatur e mo nitori ng s y ste m  base d  on Z i gb ee.  Forest   Engi neer in g . 2013; 29( 3): 79- 82.   [4]  Z hang Z ,  Li  W B , Kang JM. Behavi o r of a  thermoel ectric  po w e r g e n e ra tion dev ice b a s ed on s o lar  irradi atio n a n d  the  earth ’s su rf ace-air t e mp erature  differ e nce.  En ergy  C onvers i on  a nd  ma na ge me nt .  201 5; 97: 178- 187.   [5]  S y afi i , Nor KM. Unbal ance d  Active Distributi on Ana l ysis  w i t h  Re n e w a ble D i strib u ted Ener g y   Resources.  TEL K OMNIKA   T e leco mmu n ic ati on, C o mputi n g ,  Electron ics  a nd  Contro l . 2 0 15; 1 3 (1):  21- 31.   [6]  Liu XJ,  Ch en RW .  Current  si tuation and de velo pin g   trend  of piezo e l e ctric  vibr atio n en er g y   harvesters.  Journ a l of Vibr ation a nd Sh oc k . 2012; 8: 169 -176.   [7]  Shan  XB, Yu a n  JB, Xi e T ,  C hen W S . Mode ling  an d simul a tion of po w e r g ener ation  w i th  piez oel ectric   unim o rph ca ntil ever.  Journ a l o f  Z hejian g  Univ ersity (Engi nee ring Sci ence) .  201 0; 44(3): 52 8-53 2.  [8]  Park JC, Park JY. As ymm e tric PZ T  bimorph  canti l ev e r  for  mu lti-dim ensi ona l ambi ent  vi bratio n   harvesti ng.  Cer a mics Internati ona l . 201 3; 39: S653-S6 57.   [9]  Che n  RW , Re n L, Xia HK,  W ang H. Res e arch adv anc e i n  multi-d i rectio nal  w i de- ba nd  piez oel ectric  vibrati on en erg y  h a rvesters.  C h in ese Jo urna l of Scientific Ins t rume nt . 201 4; 35(1 2 ): 264 1-2 652.   [10]  He  XF , Gao J. W i nd e nerg y   harvesti ng b a s ed o n  flo w - i n d u ced-v i brati on  and  impact.  Mi croel ectroni c   Engi neer in g . 2013; 11 1: 82-8 6 .  [11]  Z hu L, C h e n  R ,  Liu  X. T heor et ical  an al yses  of the  el ectro n ic br eak er s w itchin g meth od  for no nli n e a r   ener g y  h a rvest i ng  interfac es.  Journ a l of Inte l lige n t Materi al  Systems  and  Structures . 20 12; 23:  441- 451.   [12]  Lia ng J, Lia o   W H . Improved desi gn a nd a n a l y sis of  self-p o w er ed s y nc hr oniz ed s w itc h  i n terface circu i t  for piez oel ectri c  ener g y  h a rvesting s y stems .   IEEE Transactions on Industrial Electronics . 2012;  59 :   195 0-19 60.   [13]  Hsieh  PH, C h en C H , Ch en   HC. Improvi n g  the sca v e n g e d  p o w e r  of n o n lin ear  pi ezo e l e ctric en erg y   harvesti ng i n te rface at off-resona nc e b y   in troduci ng s w itc h in g de la y.  IEEE Transactions on Power   Electron ics . 20 15; 30(6): 3 142 -315 5.  [14]  Ottman GK, Hofmann HF, Bhatt AC, Lesieut re GA. A daptive piez oelectric ener gy   harvest ing circuit for  w i reless remot e  po w e r supply.  IEEE  Transac tions on Power  Electronics . 2 002; 17( 5): 669 -676.   [15]  Sun J C , Ch en  HJ. Structura l  des ign  a nd  e x p e ri me ntal  stud y  on  w i n d -dr i ven  pi ezo e lect ric ge ner ator.   Pie z oelectrics &  Acoustooptic s . 2012; 34( 6): 860- 867.   [16]  Yang  Y, Sh en  QL, Jin  JM,  W ang YP, Qi a n  W J , Yua n   DW . Rotatio n a l  pi ezo e lectric   w i nd  e ner g y   harvesti ng usi n g impact-i nduc ed reso na nce.  Appl ied P h ysic s  Letters . 2014 ; 105: 053- 901.   [17]  Ugal de- Cab a ll ero CA, Anzur e z-Marin J. Lo w   T e mp eratur e T hermal Micro Energ y  Har v ester.  DYNA .  201 2; 87(6): 64 0-64 6.  [18]  Schoeftner J,  Buchb e rg er G. A  contributi o n  on the optim al  desig n of a vi bratin g canti l ev er in a p o w e r   harvesti ng a p p licatio n–Optim i z ation of pi ezo e lectric l a yer d i stri buti ons in  combi natio n  w i th advanc e d   harvesti ng circ uits.  Engin eeri ng Structures . 201 3; 53: 92-1 01.   [19]  Lall a rt M,  Lef euvre  É, R i ch ard  C, Gu yo mar D. S e lf-p o w er ed c i rcuit  for br oa dba n d , multim oda l   piez oel ectric vi bratio n control.   Sensors an d  Actuators A: Physical . 2 0 0 8 ; 143: 37 7-3 82.   [20]  Sirohi J, Ma ha dik R. Harv esti ng  w i nd  ener g y  usin g a g a ll op i ng p i ezo e l e ctric beam.  Jo urn a l of Vi bratio n   and Aco u stics . 201 2; 134: 1-8.   [21]  K w o n  DS, Ko  HJ, Kim MO,  Oh Y, Sim J,  Lee  K, Cho K H , Kim J. Piezoel ectric ener g y   harveste r   converti ng stra in en erg y  i n to  kinetic e ner g y   for extrem el y l o w  frequ enc y  oper ation.  Ap p lied P h ysic s   Letters . 201 4; 104: 11 3-9 04.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.