Powering van draadloze sensoren KHBO, Hobufonds RFSYS Ing. Dieter Degrendele Grad. Jeremy Rayée
1. DOELSTELLING... 2 2. LITERATUURSTUDIE... 2 2.1. OPTISCHE KOPPELING... 2 2.2. CAPACITIEVE KOPPELING... 2 2.3. INDUCTIEVE KOPPELING...3 3. BESLUITEN... 3 4. LITERATUUR... 4 WP 3.3 Powering van (draadloze) sensoren 1
1. Doelstelling In een industriële omgeving wordt vaak gebruik gemaakt van sensoren en actuatoren. Het gebruik van bekabelde sensoren kan in bepaalde omstandigheden (bv. dynamische) voor problemen zorgen (bv. slijtage). In deze gevallen kan een volledig draadloze sensor of actuator oplossing bieden. Hierbij zal niet alleen de dataoverdracht draadloos uitgevoerd moeten worden maar ook de power supply. Dit werkpakket heeft tot doel om een aantal van deze draadloze powering technieken toe te lichten. 2. Literatuurstudie De toe te passen powering techniek zal in veel gevallen afhankelijk zijn van het benodigde vermogen. Het vermogen is op zijn beurt afhankelijk van de toepassing. Zo kunnen IC s gevoed worden met een aantal milliwatts (zelfs microwatts). In de praktijk worden al heel wat toepassingen zo uitgevoerd. Hierbij worden principes als temperatuursverschillen, trillingen, lichtcellen, wrijving en electromagnetische eigenschappen gehanteerd om een systeem draadloos te poweren. Voor industriële draadloze systemen worden vermogens vereist in orde van grootte van een aantal watts. Om een idee te hebben van orde van grootte worden de vereiste vermogens van de aangekochte systemen hieronder weergegeven. Systeem Vermogen (W) Bluetooth Training and Application Toolkit 0.525 Micro Hopper 900 1.75 BiM Evaluation kit 1.35 Silver Data Stream : zenden Ontvangen 3.1 1.6 Siemens Gigaset M101 Data : standby Datatransfer 3 5 De Bluetooth modules verbruiken het minst energie van de verschillende systemen. Dit is één van de doelstellingen waarom Bluetooth ontwikkeld werd. In het Bluetooth protocol is een volledig powerings management opgesteld om het verbruikte vermogen zo laag mogelijk te houden. Voor draadloze toepassingen in de machinebouw zijn dergelijke vermogens onontbeerlijk. Hierbij zullen, in theorie, een 3-tal technieken mogelijk zijn: optisch, capacitief en inductief. Deze 3 methoden worden hieronder nader toegelicht. 2.1. Optische koppeling Het gebruik van een lichtcel in een typische industriële omgeving zal niet altijd even evident zijn. Veel industriele omgevingen gaan gepaard met vuil (stof, olie, vet, ) die niet bevorderlijk zijn voor het ontwikkelen van elektrische energie. Een lichtcel kan wel gebruikt worden in minder vuile omstandigheden (open lucht). Een lichtcel heeft echter een laag rendement (± 15%) en zal bijgevolg geschikt zijn voor lagere vermogens. Om grotere vermogens te ontwikkelen zullen grotere lichtcellen gebruikt moeten worden. Hierdoor zal deze energievoorziening voor het draadloos poweren van sensoren meestal niet in aanmerking komen. 2.2. Capacitieve koppeling Om draadloos vermogen over te dragen kan gebruik gemaakt worden van een capacitieve koppeling. Een capacitieve koppeling kan ontstaan wanneer 2 elektroden (bv. geleiders, platen, ) op een bepaalde afstand van elkaar geplaatst worden. Wanneer deze 2 elektroden een verschillende potentiaal hebben ontstaat een elektrisch veld. Dit elektrisch veld zal een spanning opwekken in de elektroden. De opgewekte spanning wordt berekend met volgende uitdrukking : WP 3.3 Powering van (draadloze) sensoren 2
V = C. Z in. dv bron dt met V = opgewekte spanning C = mutuele capaciteit Z in = ingangsimpedantie van de beïnvloede kring V bron = bronspanning De opgewekte spanning in de elektrode is afhankelijk van de mutuele capaciteit. De capaciteit kan als volgt omschreven worden : ε r. ε.a C = 0 d met ε r = relatieve diëlektrische constante (tov. vacuüm) ε 0 = constante = 8.854.10-12 F/m A = werkzame oppervlakte van de elektroden d = afstand tussen de elektroden Uit de formule kan afgeleid worden dat de capaciteit afhankelijk is van het betreffende diëlectricum, de oppervlaktes van de elektroden en de afstand tussen de elektroden. Dit betekent dat bij trillingen de capaciteit zal varieren daar de afstand tussen de elektroden continu varieert. Een voordeel van deze koppelingsmethode is dat naar de omgeving toe weinig electromagnetische uitstraling is. 2.3. Inductieve koppeling Een andere manier om vermogen draadloos over te dragen is door inductie. Wanneer stroom vloeit in een geleider wordt een magnetisch veld opgewekt. Dit magnetisch veld kan in een nabij gelegen geleider een spanning induceren. De geïnduceerde spanning kan als volgt berekend worden : di V = -M. dt met M = mutuele inductantie De opgewekte spanning is afhankelijk van de mutuele inductantie. De mutuele inductantie wordt bepaald door de afstand tussen de geleiders, de lengte van de geleider en de vorm. Het geleidend medium kan een gewone geleider zijn maar ook een spoel. Bij een spoel is de inductantie ook afhankelijk van het aantal windingen. Bij het gebruik van een spoel wordt echter uitgestraald in alle richtingen. Dit nadeel kan vermeden worden door geleidende kernen te voorzien in de spoel, waardoor een hoger rendement kan bekomen worden. Bijgevolg zal een hoger rendement bekomen worden. Een andere methode om de uitstraling te reduceren is een gepaste afscherming voorzien. Het voordeel van inductief poweren is dat een grotere afstand kan gehouden worden tussen de elektroden om de energieoverdracht te voltooien. 3. Besluiten Op het gebied van draadloze powering van industriële sensoren en actuatoren is in de literatuur nog weinig terug te vinden. Er zijn echter al heel wat praktische toepassingen uitgevoerd. Deze toepassingen zijn echter vaak gericht op structuren die een laag energieverbruik hebben (zoals IC s) of toepassingen die energie moeten overzetten over een grote afstand (zoals satellieten). Zo kan in de literatuur al heel wat teruggevonden omtrent het draadloos poweren van sensoren in de medische sector. Deze sensoren vereisen kleine vermogens waarbij bovengenoemde poweringstechnieken al volop gebruikt worden. Bij heel wat toepassingen wordt geopteerd voor inductieve powering. WP 3.3 Powering van (draadloze) sensoren 3
In het onderzoek zijn slechts een aantal referenties teruggevonden met betrekking tot het draadloos voeden van industriële sensoren. De gevonden toepassingen worden inductief gevoed of door middel van lichtenergie. Ook voor de industrie blijkt het nut van draadloze sensoren duidelijk te worden. Dit blijkt uit de oprichting van een nieuwe werkgroep (IEEE 1451.5) omtrent draadloze sensoren. De werkgroep zal zich bezighouden omtrent de verschillende aspecten van draadloze sensoren. 4. Literatuur [1] Tim Williams & Keith Armstrong: EMC for Systems and Installations, First Published 2000.Newness. [2] Christophe Noelmans : Studie van contactloze data- en vermogenoverdracht bij Avionicsapplicaties. KHBO 2000. [3] Wayne W. Manges & Glenn O. Allgood : Wireless Sensors Buyer Beware, april 2001. www.sensorsmag.com/articles/0401/18/main.shtml [4] S. Renard : Miniature Pressure Acquisition Microsystem for Wireless In Vivo Measurements. TRONIC S Microsystems. [5] Qiuting Huang & Michael Oberle : A 0.5mW Passive Telemetry IC for Biomedical Applications. IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol.33, NO. 7, July 1998 [6] Manner Sensortelemetrie : RMC Sensor Telemetry [7] Manner Sensortelemetrie : Mounting Instruction, Torque Measuring Flange [8] Manner Sensortelemetrie : Multiplex Sensor Telemetry [9] John Stafford : Wireless Instrumentation, Vision Meets Industria Reality. MCAA Industry Event, ISA Trade Show 2001. [10] Jie Wu : A simple, wireless powering scheme for MEMS devices. Dept. of Electrical Engineering, Univ. of Notre Dame. WP 3.3 Powering van (draadloze) sensoren 4