能量收集系统
阅读说明：本技术 能量收集系统 (Energy harvesting system ) 是由 M·布里拉克 S·萨克斯 P·卢坎 于 2020-05-15 设计创作，主要内容包括：描述一种能量收集系统(1),所述能量收集系统具有至少两个压电单元(3)以及具有中央控制单元(2)。压电单元(3)分别具有压电层(6)和集成电子设备(7),其中集成电子设备(7)与压电层(6)接触。压电层(6)彼此成角度地布置。用于平滑在压电层(6)中产生的电压的电构件安装在集成电子设备(7)中。集成电子设备(7)与中央控制单元(2)接触,所述中央控制单元又具有控制模块(4),并且被设计用于从压电单元(3)采集电能,其中所述控制模块(4)被设计用于最小化或禁止压电单元(3)的相互电气阻尼。(An energy harvesting system (1) is described, which has at least two piezo-elements (3) and a central control unit (2). The piezoelectric units (3) each have a piezoelectric layer (6) and an integrated electronics unit (7), wherein the integrated electronics unit (7) is in contact with the piezoelectric layer (6). The piezoelectric layers (6) are arranged at an angle to each other. An electrical component for smoothing the voltage generated in the piezoelectric layer (6) is installed in the integrated electronics (7). The integrated electronics (7) is in contact with a central control unit (2) which in turn has a control module (4) and is designed to harvest electrical energy from the piezo-elements (3), wherein the control module (4) is designed to minimize or inhibit mutual electrical damping of the piezo-elements (3).)
技术领域
本发明涉及一种能量收集系统。
背景技术
电子构件的逐步小型化不仅减小构件的尺寸，而且导致所需要的电能的减少。因此，现今可能的是，在设备、诸如智能电话中集成越来越多的功能，并且此外在移动实施中提供几年前尚不可设想的电设备。然而，这些移动设备需要蓄电池或电池作为能量源，所述能量源必须定期地被更换或利用外部电源充电。
从环境中获得少量能量的能量收集（Energy Harvesting）已经设立了一种可能的解决方案，以便允许在能量方面独立的设备的能量供应。最有名的宏观示例是机械手表，所述机械手表通过不平衡使用佩戴者的机械能量来运行钟表。在微观示例中，光生伏打是已知的示例，利用所述光生伏打可以与电网无关地运行电设备、例如路灯（Wegleuchte）。不太已知的微观替代方案是充分利用压电效应，以便从环境中实现能量获得。通过例如由于压力或振动使压电材料变形，可以在压电材料处分接电压，所述电压可以被用于进行能量供应。
因此，在多个空间方向上具有良好能量生产量的压电能量收集系统是值得期望的。
发明内容
本发明的任务是提供一种压电能量收集系统，所述压电能量收集系统在多个空间方向上具有有利的能量效率。
本任务通过根据权利要求1的能量收集系统解决。可以从其他权利要求中提取其他有利实施和可能的布置。
描述一种能量收集系统，所述能量收集系统具有至少两个压电单元以及具有中央控制单元。压电单元又分别具有压电层和集成电子设备，其中集成电子设备与压电层接触。压电层彼此成角度地布置。用于平滑在压电层中产生的电压的电构件安装在集成电子设备中。集成电子设备与中央控制单元接触，所述中央控制单元又具有控制模块并且被设计用于从压电单元采集电能，其中控制模块被设计用于最小化或禁止压电单元的相互电气阻尼。
因此可以构建能量收集系统，所述能量收集系统由被用作收集元件的多个压电单元组成，其中各自压电单元可以相对于彼此在不同的方向上定向。在压电单元处安置的电子设备以及中央控制电子设备相互作用地用于在任何情况下（也即无所谓从哪个方向激励总系统）获得最大可能的电能。在此可以禁止各个压电元件的相互电气阻尼。
于是，该最大能量尤其是可以被用于系统运行以及用于信号传送或中间存储。
术语“成角度地（gewinkelt）”在这里可以被理解为以下布置，其中相关层彼此以任意的、然而不同于0°的角度布置。由层的表面的各自表面法线所围成的角度可被视为层之间的角度。彼此成角度的层因此可以任意地彼此布置，其中仅排除层的平行布置。彼此成角度地布置的两个层之间的角度应该优选地为至少10°、特别优选地为至少45°。
压电层可以产生的能量量强烈地与压电材料的变形的程度有关并且因此严格受所使用的几何形状约束。特别是在诸如压电层的从中导致各向异性挠性的几何形状中，可能获得的能量强烈地与作用力的方向有关。因此在压电层的情况下，具有平行于法线的方向的力可能导致强烈的变形以及从而强大的能量获得，而垂直于法线的相同大的力不产生变形，并且因此不产生能量获得。
通过每个压电单元都具有自身的集成电子设备，其中所述自身的集成电子设备平滑和限制在压电层中产生的电压，可以使所产生的、经常剧烈波动的电压直接可用于其他电构件，并且可以保护其他电构件免受电压峰值。首先可以使用控制单元中的控制模块用于禁止或最小化压电单元的相互电气阻尼。
两个压电层可以彼此垂直。因此，将至少两个压电层不仅成角度地而且彼此垂直地布置是特别有利的，因为能量获得不仅取决于力关于压电层的法线之一的方向，而且取决于力关于由两个压电层的两个法线撑开的平面的方向。如果力在平面之内起作用，则能量获得与力的方向无关。以这种方式，例如在力影响以及在一个平面中运行的运动、诸如轮的旋转的情况下，可以使能量获得保持稳定。
能量收集系统可以具有第三压电单元，所述第三压电单元的压电层分别与前两个压电单元的压电层成角度。因此可以从另一第三空间方向获得电能。
如果第三压电层垂直于前两个压电层地布置，则可能的是从另一第三空间方向采集最大能量。如果所有三个压电层彼此正交地布置，则可以从每个空间方向采集最大能量。三个压电层的正交布置使得能够使能量获得完全与对系统的力影响的方向无关。
附加地，能量收集系统可以具有其他压电单元，所述其他压电单元的压电层与另外的压电单元成角度。以这种方式，可以从机械撞击或振荡中获得更多的能量。压电层可以是弓形的。弓形的压电层使得能够将多个层无间隙地布置在一个平面上，使得可以最优地利用整个面来产生能量。
此外，压电层可以布置在三个相交的圆形平面中。在一种优选的实施方式中，三个平面可以成彼此直角地相交。因此，由于来自三个平面中的压电层的所产生的能量的总和与能量收集系统的定向无关地是相同的，所以能量产生与方向无关。
将压电单元和控制单元紧固在支架中可以有用于提高能量收集系统的移动性。作用在支架上的振动和力作用被传递到压电层，由此所述压电层能够产生电能。一种可能性是利用螺钉进行紧固，所述紧固即使在持久振动的情况下也提供牢固的连接。另一可能性是利用粘合剂进行紧固。根据对能量收集系统的要预期的力作用，支架应该足够稳定，以便也重复地无损坏地经受住所述力作用。利用加强元件来加强支架（尤其是也在角落处），可以进一步提高支架的稳定性和稳健性。可以使用合成材料和金属作为材料，而不排除其他材料。
支架的构型可以是球形的。例如，球形允许能量收集系统通过滚动运动生成电能。此外，球形能量收集系统也适用于在运动球、诸如足球、篮球、网球、棒球或甚至保龄球中使用。
此外，至少两个集成电子设备可以彼此并联或串联地接线成组。根据压电层的构型和材料，以不同的电压和电流输出所产生的电功率。如果集成电子设备被并联地接线成组，则各个集成电子设备的所输出的电流可以被相加并且总计地被增加。而在集成电子设备的串联接线中，集成电子设备的所输出的电压被相加并因此总计地被增加。
此外，能量收集系统可以具有集成电子设备的多个接线的组，其中可以将集成电子设备的组彼此并联或串联地接线。类似于彼此串联或并联接线的各个集成电子设备，如果各个组彼此并联接线，则多个组的所输出的电流可以被相加，并且如果各个组被彼此串联接线，则所输出的电压可以被相加。
集成电子设备和/或控制单元可以具有用于限制在压电层中产生的电压的电构件。从而，可以保护所安装的电构件免受电压峰值，所述电压峰值可能毁坏所述电构件。
此外，集成电子设备可以具有整流器。从压电层输出的电流是交流电，所述交流电的操纵（Handhabe）比在直流电情况下更耗费。由于整流器，压电层的交流电压可以被转换成平滑的直流电压，所述直流电压随后可以由其他电构件使用。因此，可以有用的（zielführend）是把将交流电转换为直流电的整流器实施到集成电子设备中。
可能的是，由分立式单二极管的接线构建整流器。分立式单二极管对高电流和电压是相对不灵敏的，由此使用所述高电流和电压的整流器同样变得对过载不灵敏。
另一方面，同样可能的是将整流器集成在集成电路中，并且使Z二极管与集成电路并联连接。与分立式单二极管相比，集成电路相对于太高的电压是灵敏的。所述集成电路可能容易地由于过载被损坏。Z二极管作为用于集成电路的一种保险装置起作用。在过高电压的情况下，所述Z二极管负责减轻集成电路的负载，并且从而保护所述集成电路免受损坏。也由Z二极管抑制所输出的电压向整流器和压电层的可能反馈。
在另一实施方式中，整流器可以集成在集成电路中并且可以使保护电路与集成电路并联连接。保护电路可以由分压器、晶体管和电容器组成，其中晶体管和电容器串联连接，并且分压器可以与晶体管和电容器并联连接。在此情况下，晶体管可以由从分压器提取的电压控制。分压器在这里应该被设计为使得在集成电路被损坏之前使晶体管导通。来自压电层的多余电荷因此被存储在串联连接的电容器上，并且可以在电压尖峰之后被使用。与此相应地，所描述的保护电路也可以实现比具有Z二极管的电路更高的效率，因为可以使用过高的电压峰值。此外，电容器对瞬态电压峰值的电阻低，由此所产生的电荷可以更好地从压电层流动。由此降低压电层的电气阻尼并且提高能量收集系统的效率。
控制单元可以具有RF模块。因此，控制单元可以无线地向接收器发送信息。
控制单元和RF模块可以被设计用于利用来自能量收集系统的所采集的电能被运行。这意味着在对于控制单元和RF模块可使用的范围内提供总能量以及电压和电流。
能量收集系统在能量方面可以完全自给自足，这意味着系统中的所有电构件仅利用从压电层获得的能量被运行。这使得能够完全放弃外部能量供应装置，从而能量收集系统是独立的和移动的。
此外，压电层可以布置在基板上比，所述基板薄于1 mm。在一方面，基板提高压电层的机械稳定性，由此所述压电层可以无损地经受住更大的力作用。在另一方面，基板、尤其是当所述基板太硬时可能阻碍压电层的偏转以及因此阻碍变形，并且从而可能减少可能的能量获得。小于1 mm的厚度已证明是有利的，以便在稳定性和挠性之间实现良好的折衷。优选地，基板的厚度不应该小于0.2 mm。
基板此外可以是导电的。压电层因此可以直接通过基板被接触并且基板可以以这种方式被用作电极。
压电层可以被适配于基板的形状。由此可能的是，用压电层遮蔽基板的尽可能大的面并且优化能量获得。基板本身可以是四边形、三角形、圆形或扇形的或具有任意其他形状。一方面，因此基板形状以及从而还有压电层的形状可以针对应用的几何要求被适配。另一方面，通过压电层的形状和大小，可以使耦合输出的电压与下面的电构件的要求协调。
此外，压电单元可以具有限制器，所述限制器被设计用于限制压电层的偏移。限制器在此情况下例如是以一定距离覆盖整个压电层、压电层的一半或甚至仅四分之一的零件。限制器被构成用于以机械方式限制压电层的变形或偏转的幅度，例如其方式是当达到最大允许变形时，压电层碰在限制器上。在大约10 mm的层长度上距压电层大约1 mm的间距已被证明是有利的。通过限制器限制压电层的最大偏转，并且从而在强大的力影响的情况下并且对于持续运行限制用于压电层的机械载荷。附加地，通过限制器可以避免压电层处的在强烈变形时出现的强大的电压峰值。
除了控制模块和RF模块之外，控制单元还可以具有直流电压转换器，集成电子设备连接在所述直流电压转换器上。这使得能够将从集成电子设备耦合输出的直流电压转换成例如对于控制或RF模块需要的另一电压。由此也可能的是，对不能直接利用由压电层输出的电压运行的电构件进行运行。
此外，不仅集成电子设备而且控制单元都可以具有平滑电容器。如果能量收集系统是无直流电压转换器的，则集成电子设备或控制单元中的平滑电容器可以减少电压波动，并且从而使电压变化过程平滑。如果直流电压转换器集成到控制单元中，则输入电压和输出电压之间的比例可以基于集成电子设备上的第一电容器的电容以及控制单元上的第二电容器的电容被适配，所述第一电容器电连接在直流电压转换器的上游，所述第二电容器电连接在直流电压转换器的下游。
控制模块可以是片上系统（SoC）或微控制器。两个选项使得能够对能量收集系统中的流程和功能进行编程，并且此外允许利用其他电和可编程构件扩展能量收集系统。此外，SoC和微控制器适用于操控RF模块。
此外，RF模块可以具有带有小于50 ms的持续时间的上电复位时间。具有如此小的上电复位时间的RF模块需要少量的能量来加速到可运转状态中。因此，恰好具有短上电复位时间的RF模块适用于集成到能量收集系统中。由于低能量Z-Wave、ZigBee或蓝牙模块需要少量的能量并且可以通过控制模块被操控，所以所述低能量Z-Wave、ZigBee或蓝牙模块明确地适合作为RF模块。
如果RF模块是蓝牙发射器，则蓝牙发射器可以被构成用于适配通道的数量。根据蓝牙标准，存在79个通道，所述通道分别具有1 MHz频率宽度。对于发送小的分组，不需要整个频率宽度，由此可以通过适配所使用的蓝牙通道的数量来降低能量收集系统的能量消耗。
在一种优选的实施方式中，蓝牙发射器可以在单个通道上进行发射。这是最小数量的通道，其中蓝牙发射器和蓝牙接收器之间的通信此外是可能的。因此，根据通道的数量，利用仅一个通道可以最多地节省能量。
此外，在RF模块的情况下，发射信号的持续时间、发射功率和中间信号间歇可以被调整为使得消耗尽可能少的能量。这可以根据RF模块单独地以不同的方式实施。例如，可以根据接收强度将发射功率降低到如此程度，使得继续地给出可靠的连接。还可以在不干扰信息传输的程度上减少发射信号的持续时间，并且可以提高中间信号间歇，以便减少能量消耗。如果接收器可以由RF模块配置，则所述接收器可以被适配于RF模块的发射特性，并且由此在安全的信息传输的情况下降低能量消耗。
控制单元附加地可以具有用于进行能量存储的可再充电电池或电容器。因此，可以存储和积累利用压电层获得的能量。这使得能够也利用能量收集系统来服务需要较大电功率的应用和电构件，或者在稍后的时间点使用所采集的能量。
此外，控制单元可以被构成用于根据在压电层中产生的电压与方向有关地确定作用在能量收集系统上的加速度。由于压电层的偏转首先与作用在所述压电层上的加速度成比例，因此可以从在压电层处产生的电压中推断出加速度。由于压电层彼此垂直地布置，因此可以确定加速度的数值以及方向。如果压电层被用作加速度传感器，则使用具有集成模数变换器的控制模块是有利的，因为所述控制模块可以读出压电层的模拟电压输出。
附加地，控制单元可以具有其他传感器系统。根据意图，能量收集系统可以有用于需要扩展的传感器系统的许多应用。例如，在此情况下可以是GPS传感器、温度传感器、力传感器、空气湿度传感器或任何其他传感器。
此外，压电层可以是聚合物层、陶瓷层、陶瓷薄层、多层陶瓷或单片陶瓷。只要该层是压电的，则所述层原则上适用于在能量收集系统中使用。聚合物或陶瓷薄层与其他压电层相比具有的优点是更柔韧。利用压电的单片陶瓷，可以适配压电层的电压输出，其方式是改变单片接线。
压电层可以薄于300 µm。根据压电层的厚度以及其他几何和材料因素，压电层变得更硬或更柔韧或更稳定或更不稳定。此外，由于压电层在基板上的布置，压电层的柔韧性以及基板的柔韧性可以强烈地被改变。在这些观点下，对于压电层而言小于300 μm的层厚已被证明是有利的，因为较厚的压电层消极地影响薄基板的挠性。
根据本发明的能量收集系统可以集成在冲击传感器中，其方式是能量收集系统例如与支架连接，其中能量收集系统被设计用于探测冲撞或冲击并且将该信息发射给接收器。这种能量自给自足的冲击传感器能够探测如通过冲撞给出的强大的加速度，并且发射给接收器、诸如智能电话，而不依赖于外部能量供应装置或电池。
附图说明
下面根据示意图更详细地描述本发明。
图1示出布置在基板上的压电层的俯视图。
图2示出三个压电单元的布置的三维视图。
图3以结构图示出由集成电子设备和控制单元组成的电构件的可能布置。
图4示出示意图，其中相对于时间绘出RF（射频）模块的发射功率。
图5示出保护电路的电路图。
图6示出其中晶体管是具有八个引脚的MOSFET的保护电路的电路图。
图7示出图5的保护电路的电路板的布局。
图8示出并联连接的两个集成电子设备。
图9示出其上布置有两个集成电子设备的电路板，其中整流器由八个分立式单二极管构建。
图10示出图8和9中所示的集成电子设备的电路图。
图11示出其中24个压电层紧固在支架中的布置。
图12示出其中24个压电单元紧固在支架中的布置。
图13示出其中集成有根据本发明的能量收集系统的开放式冲击传感器。
图14示出在角落处被加强的球形支架。
图15示出用于中央控制单元的固定设备。
图16示出用于具有孔的支架的半球形罩。
图17以示意简图示出冲击传感器的作用原理。
具体实施方式
相同的元件、相似的或明显相同的元件在图中配备有相同的附图标记。图和图中的大小比例不是按正确比例的。
图1示出压电层6的俯视图，所述压电层布置在基板8上并且适用于根据本发明的能量收集系统1。在这里，压电层6已经利用粘接方法被紧固到基板8上，但是也可能的是将压电层6直接沉积到基板8上或者以其他方式紧固。
压电层6已经被适配于基板8的扇形轮廓，以便用压电层6遮蔽基板8的尽可能大的面，并且从而优化能量获得。基板8具有孔，所述孔用于例如用螺钉紧固基板8。在该实施例中，虽然因为基板已经被适配于应用的需求，所以基板8是扇形的，但是所述基板可以具有任意其他形状。此外，可能的是通过压电层6的形状和大小改变所输出的电压并且使所输出的电压适配于应用。
图1中所示的压电层6是PZT-5H陶瓷层，然而同样可能的是由另一种压电陶瓷制造压电层6，或者使用陶瓷薄层、多层陶瓷、单片陶瓷层或聚合物层。聚合物层或陶瓷薄层相对于大多数其他压电层6具有以下优点，即所述聚合物层或陶瓷薄层特别柔韧。单片陶瓷层相对于通常的压电层6的优越性在于电压输出可以被适配，其方式是陶瓷中的单片接线以不同的方式被建模。
基板8由钢制成并且因此是导电的。如果压电层6如图1中所示的那样直接布置在导电基板8上，则可以经由基板8接触压电层6，其方式是将基板8用作电极。除了钢之外，还可以使用其他金属，诸如Cu、Fe或Al，以及其他非金属导体。
图1中所示的PZT-5H层是300μm厚，并且钢基板是400μm厚。一方面，基板8提高压电层6的机械稳定性，由此所述压电层可以无损地经受住更大的力作用。另一方面，基板8、尤其是当所述基板太硬时可能阻碍压电层6的偏转并且因此阻碍变形，并且因此可能减少可能的能量获得。同时，与压电层6的厚度有关地，压电层6变得更硬或更柔韧，并且也变得更稳定或更不稳定。在考虑这些方面的情况下，对于压电层6而言小于300μm并且在基板8的情况下小于1 mm的层厚度已被证明是有益的。然而，这些厚度可能与所使用的材料及其弹性有关地强烈变化。
在图2中示出三个压电单元3的布置的三维视图，其中压电单元彼此垂直地布置。三个压电单元3中的每一个压电单元都具有基板8和集成电子设备7，在所述基板上布置有压电层6，所述集成电子设备用于平滑和限制在压电层6中产生的电压。
当能量采集系统1具有三个压电单元3时，其中所述压电单元的压电层6彼此垂直，能量获得与对系统的力影响的方向完全无关。平行于压电层6的法线的力分量首先对于单个压电单元3的能量获得是重要的，因为所述力分量对于压电层6的偏转并且因此对于能量获得是决定性的。对于每个单个压电层6，平行于层的法线的力分量对于偏转是重要的，并且因此由于压电层6的正交布置，能量获得与力影响的方向无关。
此外，根据在压电层6中产生的电压，可以与方向有关地确定作用在能量收集系统1上的加速度。控制模块4可以从在压电层6处产生的电压中计算加速度，所述电压与偏转和作用在所述压电层（sie）上的加速度有关。压电层6的正交布置使得能够确定加速度的数值以及方向。如果压电层6被用作加速度传感器，则有利的是使用具有集成模数变换器的控制模块4，因为所述控制模块能够读出压电层6的模拟电压输出。
在图3中，以结构图示出由集成电子设备7和控制单元2组成的电构件的可能布置，其中三个左侧元件属于集成电子设备7，而右侧三个元件布置在控制单元上2。
由压电层6产生的电压由整流器10（例如桥式整流器）接收，所述整流器将压电层6的波动的交流电压转换成平滑的直流电压。集成电子设备7此外具有Z二极管，所述Z二极管保护可能的电构件免受过高电压和免受反馈，然而这在图7中未示出。
随后由整流器10将电压发送给直流电压转换器11，其中平滑电容器12分别连接在直流电压转换器11上游和下游。直流电压转换器11使得能够将从整流器10耦合输出的电压转换成例如对于控制单元2需要的另一电压并且使所述电压聚集（bündeln）。这使得能够运行控制单元2上的不能直接利用由压电层6输出的电压运行的电构件。借助于电连接在直流电压转换器11上游的第一平滑电容器12和电连接在直流电压转换器11下游的第二平滑电容器12，通过两个平滑电容器12的电容的比例对输入和输出电压进行适配。
因此，可以给控制模块4和RF模块5提供合适的电压，所述控制模块例如可以是片上系统（SoC）或微控制器。如果控制单元2上的电构件需要比可以通过压电层6直接获得的电功率更高的电功率，则可以在控制单元2上集成有用于进行能量存储的可再充电电池或电容器。因此，可以存储和积累利用压电层6获得的能量。然后可以使用累积的能量例如用于扩展传感器系统。在此可以例如是GPS传感器、温度传感器、力传感器、空气湿度传感器或任何其他传感器。
关于RF模块5，应该注意的是，RF模块5优选地具有带有小于50 ms的持续时间的上电复位（Power-on Reset）时间。具有小上电复位时间的RF模块5需要较少的能量来加速到可运转状态中。因此，恰好具有短上电复位时间的RF模块5适用于集成到能量收集系统1中。因为低能量的Z-Wave、ZigBee或蓝牙模块需要少量能量并且可以通过控制模块4被操控，所以所述低能量的Z-Wave、ZigBee或蓝牙模块明确地适合作为RF模块5。
图4是示意图，其中相对于时间绘出蓝牙模块的发射功率。蓝牙模块具有大约5 ms的启动或电源复位时间。蓝牙模块随后在三个通道上交替地进行发射。通过通道的周期持续大约1.5 ms。在所示的示例中，使用79个可能通道中的三个通道。通道的数量可以根据所需要的传输速度被适配，其中较少的数量在能量上更节约。在一种特别优选的实施中，仅在单个通道上发射，以便提供在能量上尽可能高效的信息传输。附加地或可替代地，可以在发送时节省所需要的能量，其方式是发射功率和中间信号间歇被适配和优化。在所示的具有RF模块的能量收集系统中，必须在能量消耗、传输安全性、传输距离和传输速度之间找到满足应用的折衷。
作为对Z二极管的替代方案，可以使用如图5中所示的保护电路17用于保护电构件。如果在集成电路中实现整流器10，则该保护电路尤其是有用的，因为集成电路中的过高电压可能导致不可逆的破坏。由电阻R1和R2组成的分压器与电容器C2并联连接，所述电容器与晶体管M1串联连接。电压在电阻R1和R2之间被分接并且与栅极电连接。分压器和晶体管M1彼此协调，使得可能也许导致集成电路损坏的过高电压使晶体管M1导通。在一种优选的实施方式中，电阻R1是电阻R2的十倍。与此相应地，电荷流动到电容器C2上并且过高的电压被降低。以这种方式，与此并联连接的集成电路就受到保护。此外，在电压再次降低后，电荷可以再次从电容器流出并且由能量收集系统使用。与Z二极管相比，多余的电荷也可以容易地流出，并且从而抵抗压电层的机械运动的电感应衰减。优选地可以使用MOSFET作为晶体管M1。
在图6中同样示出了保护电路17。在该保护电路17中，由电阻R1和电阻R2组成的分压器也与电容器C1并联连接，所述电容器C1与晶体管串联连接。与图4中的电路相比，在这里是具有八个引脚的功率MOSFET Q1，所述功率MOSFET适用于更高的功率。使位于第三引脚处的栅极G与分压器电接触。两个源极S1和S2附接在第四和第七引脚上，并且与负导体连接。功率MOSFET Q1的可在剩余引脚处被分接的五个漏极经由节点相互连接并且与电容器C1接触，所述电容器又与正线路连接。
在图7中示出其上布置有图5中所示的电路的电路板18的布局。电路板18具有扇形的形状，以便形状适配于支架14，电路板18可以借助于螺栓连接通过置于电路板18的圆形边缘处的穿孔被紧固到支架14上。分压器朝向（weisend）圆形边缘地布置，其中电阻R2位于电阻R1上方。背离（wegweisend）电路板18的圆形边缘地，电容器C1布置在晶体管Q1上方。功率MOSFET Q1的漏极引脚中的三个漏极引脚通过平面触点同时被接触。
图8示出两个集成电子设备7，所述集成电子设备分别安装在扇形电路板18上并且彼此并联连接成一组。压电层6大多数可以提供足够高的电压，而所生成的电流强度对于一些应用可能太低。通过将集成电子设备7彼此并联接线，集成电子设备7的电流可以相互被相加并且因此被增加。根据压电层6的所生成的电流和电压，多个集成电路7也可以彼此串联或并联地接线成组。多个组的彼此串联或并联接线也可以有益于实现所需要的电压或所需要的电流。
在图9中同样示出了电路板18，所述电路板如图7中的电路板18那样具有扇形形状，以便使所述电路板适配于支架14的形状。电路板18在倒圆边缘处具有两个穿孔，利用所述穿孔可以通过螺栓连接将所述电路板固定在支架14处。与图7和8中的实施方式相比，在图9中的电路板18上安装两个集成电子设备7，所述集成电子设备处理来自两个压电板的电能，其中两个集成电子设备7彼此并联接线。在集成电子设备7中不使用用于对电压进行整流的集成电路（如在前面的示例中那样）。代替地，通过具有四个分立式单二极管D1-D4的电路使用集成电子设备7。由于分立式单二极管D1-D4与集成电路相比对过高电压不太灵敏得多，所以可以放弃Z二极管或保护电路17。
图10示出图9中所示的电路板18的电路图。涉及两个并联连接的桥式整流器，所述桥式整流器分别由四个分立式单二极管D1-D4构建。四个分立式单二极管D1-D4被接线为使得分别两个串联接线的单二极管D1-D4被彼此并联接线。来自压电层6的要平滑的电压被馈送到串联接线的单二极管D1-D4之间。因此在二极管的导通方向上可以分接正直流电压并且与导通方向相反地可以分接负直流电压。可以有利的是，还将电容器与桥式整流器或甚至与每个分立式单二极管D1-D8并联连接，以便获取更持续的和更恒定的电压或保护各个二极管。尤其是整流二极管或信号二极管适合作为分立式单二极管D1-D8。
在图11中示出一种布置，其中与图1中的压电层类似的24个压电层6紧固在支架14中。支架14由三个相互啮合的圆形物组成，所述相互啮合的圆形物分别彼此垂直。所述支架优选地由非导电材料、诸如塑料组成，但是在高稳定性要求的情况下，也可以由金属制成。分别八个压电层6紧固在彼此垂直的三个圆形物之一内，使得支架14容纳总共24个压电层6。
图12示出一种布置，其中24个压电单元3紧固在支架14中。与图11相比，限制器9以及内部电子设备7安置到压电层6中的每一个处。限制器9被设计用于限制压电层6的偏移（Ausschlag）。图5中的限制器9以大约1 mm的间距跨越压电层6的一半，但是以一定的间距可以覆盖整个压电层6或也可以覆盖仅压电层6的四分之一。限制器9在强的力影响的情况下并且在持续运行中降低用于压电层6的机械载荷。通过限制器9防止非常强烈的偏转并且因此防止强烈的变形，可以避免来自压电层6的非期望的电压峰值。
在图13中示出其中集成有根据本发明的能量收集系统1的冲击传感器13。除了图12中所示的布置之外，在这里装入控制单元2，内部电子设备7连接到所述控制单元2上。具有集成能量收集系统1的支架14可以用盖构件15封闭并且附加地可以用例如由皮革、橡胶或塑料制成的保护层包覆。因为系统中的所有电构件仅利用从压电层6中获得的能量来运行，所以这种冲击传感器13在能量方面是完全自给自足的。因此可以完全放弃外部能量供应装置，由此冲击传感器13是完全独立的和移动的。
如图14中所示，可以加强冲击传感器13的支架14。因此，冲击传感器13适用于更大的力和加速度，由此所述冲击传感器也可以产生较大量的能量。支架14的加强首先通过横件19实现，所述横件19布置在相互啮合的圆形物的角落处（an den Winkeln）并且连接所述圆形物。横件19本身也是圆形的并且具有穿孔，盖构件15可以通过所述穿孔被用螺钉连接。
在图15中示出用于中央控制单元2的固定设备（Halterung）20，所述固定设备适用于被安装在所描述的圆形冲击传感器13中。三个外杆被成形为使得所述外杆可以与球形冲击传感器的八分之一配套，并且可以与三个相互啮合的圆形物中的每一个用螺钉连接。固定设备20因此也极端地有助于冲击传感器13的稳定性。中央控制单元2可以被紧固在具有两个钻孔的中心复合面上。
图16示出盖构件15的另一实施方式。该实施方式不具有球面的八分之一的形状，而是具有一半球面。冲击传感器13的球形支架14因此可以已经利用两个盖构件15包覆并且不需要如在第一实施方式中那样八个盖构件15。由此，冲击传感器13变得更稳健。盖构件15具有带凹槽的穿孔，通过所述带凹槽的穿孔借助于支架14的横件19中的穿孔使所述盖构件与支架14用螺钉连接。在位于图15的中央控制单元2的固定设备20上方的盖构件的部分上，盖构件15具有大量穿孔。由此实现包含在控制单元2中的RF模块5的信号遭受到较少的衰减。
图7以示意简图示出冲击传感器13的作用原理，在左侧，在碰撞之前，传感器还不具有能量，并且因此也不能发送信息。在右侧，在碰撞后，冲击传感器13通过在冲撞时的振动和强加速度获得足够的能量，以便将关于发生的冲撞的所探测的信息发射给接收器16（这里是智能电话），而与外部能量供应装置或电池无关。冲击传感器13可以利用其他传感器来扩展，并且因此可以被用在最多样化的应用领域中。
附图标记列表
1 能量收集系统
2 控制单元
3 压电单元
4 控制模块
5 RF模块
6 压电层
7 集成电子设备
8 基板
9 限制器
10 整流器
11 直流电压转换器
12 平滑电容器
13 冲击传感器
14 支架
15 盖构件
16 接收器
17 保护电路
18 电路板
19 横件
20 固定设备
R1/R2 电阻
C1/C2 电容器
M1 晶体管
Q1 功率MOSFET
D1-D6 分立式单二极管。
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