全波桥式整流器充当机械运动和电能存储之间的基本转换层。之所以需要它，是因为智能鞋中的压电传感器在受压时会产生交流电 (AC)，而鞋上的电池和电子元件则完全基于直流电 (DC) 运行。没有这个组件，收集到的能量将与存储系统不兼容，也无法收集。
桥式整流器的核心功能是利用二极管的单向导电性。通过将传感器产生的波动交流输出重定向到单一流动方向，它将原始信号转换为脉冲直流电，从而能够有效地为电容器和电池充电。
能量不匹配问题
要理解为什么整流器是不可或缺的，您必须首先了解能量源和能量目的地之间的根本不匹配。
压电输出的性质
压电元件在受到机械应力时会产生电。在鞋子中，这种应力来自脚步的周期性压力。
由于压力有节奏地施加和释放，因此电输出会发生振荡，从而产生交流电 (AC)。
存储的要求
鞋子的“智能”组件——例如 GPS 模块、微控制器和电池本身——都是直流设备。
它们需要一个恒定的单向电荷流。将原始交流电馈入电池将无法为其充电，并可能损坏存储单元。
整流器如何弥合差距
全波桥式整流器通过特定的二极管排列解决了这种极性不匹配问题。
单向导电性
整流器通常使用由四个二极管组成的桥式拓扑结构。这些二极管充当电“止回阀”。
无论输入的交流信号极性如何（电压是正还是负），二极管都会将电流路由，使其仅以一个方向从整流器输出。
产生脉冲直流电
这个过程的结果不是一条完全平坦的电源线，而是脉冲直流信号。
这会将交流电波的负半周期转换为正半周期，确保每一步的能量都用于为系统充电，而不是抵消之前的电荷。
集成多个传感器
在高级设计中，通常使用多个压电能量收集器来从鞋底的不同部分收集能量。
使用标准能量收集 (SEH) 整流器电路允许工程师并行配置这些电路。通过将多个传感器的输出集成到一个充电基座，可以最大限度地提高转换效率。
理解权衡
虽然整流器可以将交流电转换为直流电，但它并不能解决能量收集中的所有电源质量问题。
整流与稳压
整流器会产生直流电，但它不会稳定电压。输出仍然高度不稳定，因为它完全取决于用户的行走频率和强度。
单独使用整流器会让敏感组件在剧烈运动期间容易受到电压浪涌的影响。
下游稳定化的必要性
为了保护系统，整流器之后必须跟上一个高稳定性电压调节电路。
虽然整流器确保电流朝正确的方向流动，但稳压器确保电压保持恒定，从而保护微控制器和 GPS 免受不稳定的电源尖峰影响。
为您的设计做出正确选择
在设计智能鞋的电源管理子系统时，您处理整流器的方法决定了系统的效率。
- 如果您的主要重点是基本的能量收集：确保您的整流器有效利用交流信号的整个波形，以防止浪费每一步产生的能量的一半。
- 如果您的主要重点是从多个点最大化功率：使用并联整流器配置来汇总来自鞋跟和鞋尖传感器的电流，而不会相互干扰。
- 如果您的主要重点是系统寿命：切勿单独依赖整流器；将其与电压调节电路配对，将脉冲直流电平滑为安全、稳定的电源，供敏感电子设备使用。
桥式整流器是将运动的无序能量转化为可用电子燃料的基础组件。
总结表：
| 组件 | 主要功能 | 在能量收集中的作用 |
|---|---|---|
| 压电传感器 | 能量产生 | 将机械压力（脚步）转换为原始交流电压。 |
| 桥式整流器 | AC-to-DC 转换 | 使用二极管确保电流沿单一方向流动（脉冲直流电）。 |
| 电容器/电池 | 能量存储 | 收集并保存整流后的电荷供电子设备使用。 |
| 电压调节器 | 电源稳定 | 将不稳定的直流脉冲平滑为敏感模块的稳定电压。 |
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参考文献
- Ashish Ranjan, Pintu Kumar. Design and Analysis of Smart Shoe. DOI: 10.48175/ijarsct-8568
本文还参考了以下技术资料 3515 知识库 .
