شماره مدرك
21241
شماره راهنما
18189
پديد آورنده
محمد، مصطفي
عنوان
توسعه برداشتگر انرژي سيسموكارديوگرافي براي ايمپلنت هاي ضربانساز قلب خودتوان
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي
بيوالكتريك
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1405
صفحه شمار
87ص
توصيفگر ها
برداشت انرژي پيزوالكتريك , تجهيزات پزشكي كاشتني , ضربانساز قلبي , مدار واسط , يكسوساز تمامموج , دوبرابركننده ولتاژ
تاريخ ورود اطلاعات
1405/06/21
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي پزشكي
دانشكده
مهندسي برق و كامپيوتر
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/06/22
كد ايرانداك
23249949
چكيده فارسي
پاياننامه حاضر به بررسي و ارزيابي الكتريكي سامانههاي برداشت انرژي پيزوالكتريك براي كاربرد در تجهيزات پزشكي كاشتني كمتوان، بهويژه ضربانسازهاي قلبي، پرداخته است. با توجه به محدوديتهاي باتريهاي متداول از جمله ظرفيت محدود و نياز به تعويض دورهاي، توسعه روشهاي جايگزين تأمين انرژي ضروري است. برداشت انرژي مكانيكي ناشي از فعاليت پيوسته قلب بهعنوان منبعي بالقوه مورد توجه قرار گرفته است.
در اين پژوهش، دو توپولوژي مدار واسط شامل يكسوساز تمامموج پل ديودي و مدار دوبرابركننده ولتاژ، تحت شرايط يكسان با يكديگر مقايسه شدهاند. مدل الكتريكي برداشتگر پيزوالكتريك در نرمافزار شبيهسازي پيادهسازي شد. پارامترهاي شبيهسازي شامل ولتاژ تحريك 1٫5 ولت، فركانس 100 هرتز، ظرفيت داخلي 50 نانوفاراد و مقاومت بار 100 كيلواهم بودند. معيارهاي ارزيابي شامل ولتاژ خروجي، توان، بازده، ريپل و رفتار گذرا بودند.
نتايج نشان داد كه مدار دوبرابركننده ولتاژ در تمامي شاخصها عملكرد بهتري دارد. ولتاژ خروجي از 0٫748 ولت در يكسوساز پل ديودي به 1٫497 ولت در مدار دوبرابركننده افزايش يافت. توان خروجي از 5٫59 به 22٫41 ميكرووات رسيد و بازده از 6٫32 به 25٫35 درصد ارتقا يافت. ريپل نسبي خروجي از 19٫8 به 5٫3 درصد كاهش چشمگيري داشت. همچنين، مدار دوبرابركننده در مدت 72٫4 ميليثانيه به ولتاژ 1٫8 ولت دست يافت، در حالي كه يكسوساز پل ديودي هرگز به اين سطح نرسيد.
برتري مدار دوبرابركننده ناشي از سازوكار پمپ بار است كه با ذخيره انرژي در خازن مياني، سطح ولتاژ را افزايش ميدهد. افت ولتاژ ديودها در يكسوساز پل ديودي، بهويژه در دامنههاي ولتاژ پايين، عامل اصلي تلفات انرژي است. اين يافته نشان ميدهد كه انتخاب توپولوژي مدار واسط نقشي حياتي در تعيين انرژي قابل استفاده دارد.
پژوهش حاضر در چارچوب شبيهسازي انجام شده و براي دستيابي به سامانه عملي نيازمند ساخت نمونه، اعتبارسنجي تجربي و طراحي مدار مديريت توان است. با اين حال، نتايج نشاندهنده پتانسيل بالاي مدار دوبرابركننده ولتاژ براي كاربردهاي پزشكي كاشتني است.
چكيده انگليسي
This thesis presents the electrical evaluation of piezoelectric energy harvesting systems for low-power implantable medical devices, particularly cardiac pacemakers. Due to the inherent limitations of conventional batteries, including finite capacity and the need for periodic replacement surgeries, developing alternative power sources is essential. Mechanical energy from continuous cardiac activity is investigated as a potential energy source.
Two interface circuit topologies, a full-bridge rectifier and a voltage doubler, are compared under identical conditions. An equivalent electrical model of the piezoelectric harvester was implemented in circuit simulation software. Simulation parameters included an excitation voltage of 1.5 V, frequency of 100 Hz, internal capacitance of 50 E, and load resistance of 100 Q. evaluation metrics comprised output voltage, power, efficiency, voltage ripple, and transient behavior.
Results demonstrate that the voltage doubler significantly outperforms the full-bridge rectifier across all metrics. DC output voltage increased from 0.748 V to 1.497 V, representing approximately a twofold improvement. Output power rose from 5.59 μW to 22.41 μW, achieving a fourfold increase. Conversion efficiency improved from 6.32% to 25.35%, while output voltage ripple decreased substantially from 19.8% to 5.3%. Furthermore, the voltage doubler reached 1.8 V within 72.4 ms, whereas the full-bridge rectifier never attained this threshold under the same loading conditions.
The superior performance of the voltage doubler is attributed to its charge-pump mechanism, which stores energy in an intermediate capacitor and transfers it to the output, effectively boosting voltage levels. Diode voltage drops in the full-bridge rectifier constitute the primary loss mechanism, particularly at low voltage amplitudes. This finding underscores the critical role of interface circuit topology in determining usable energy in low-power harvesting systems.
While this research is conducted within a simulation framework, the results indicate the strong potential of voltage doubler circuits for implantable medical applications. Future work should focus on physical prototype fabrication, experimental validation, real cardiac mechanical excitation analysis, and maximum power point tracking circuit design to realize a fully functional self-powered medical device.
استاد راهنما
مينا اميري
استاد مشاور
احمدرضا تابش
استاد داور
محمد داورپناه جزي , الهام محمودزاده