cuplaj inductiv

Cuplajulinductiv.StudiudeCaz: IdentificareaprinFrecventaRadio

VictorLarie,grupa5502 GeorgeMaxim,grupa5502

Pagina1din9

I.Notiunigenerale Cuplajul inductiv atat in forma sa primara cat si in numeroasele aplicatii derivate este folosit pe o scara foarta larga in domenii variate, incepand cu cel miliatar si continuand cu cel economic, educational etc. Acestetehnologiioferabeneficiipractice oricareipersonaecaretrebuiesa transmita informatii sau sa tina o evidenta stricta a unor bunuri. De exemplu, producatorii folosesc o aplicatie standard a cuplajului inductiv cunoscuta ca si Identificare prin Radiofrecventa (Radio Frequency Identification) pentru a imbunatati controlul fluxului de productie si planificarea acestuia in timp real. Distribuitorii folosesc acelasi tip de aplicatie pentru a minimiza furtul acelor produse si pentru a imbunatati planificarea cererilor. In domeniul farmaceutic aceste tehnologii sunt folositepentruacombatetraficuldemedicamentecontrafacutesipentrua reduce erorile cepot apareala eliberarea demedicamente conform unor retete strict predefinite. In atelierele auto echipamentele folosite sunt marcatepentruanufirataciteiarperimetrulcladirilorpoatefisecurizatprin astfeldeaplicatii. Aceastacresterespectaculoasaatatadiversitatiiaplicatiilorcatsia utilizarii lor pe scara larga se datoreaza reducerilor semnificative inceea ce priveste dimensiunea echipemantelor si costul lor. Daca etichetele initiale pe baza de radiofrecventa erau de dimensiunea unui cuptor cu microunde si cititoarele de astfel de etichete erau cladiri cu antene considerabile acum etichetele sunt de marimea unei monezi de mici dimensiuniiarcititoarelesuntdemarimeaunecarti. In cele ce urmeaza sunt descrise notiunile de baza legate de cuplajul inductiv, principiile de baza care descriu circuitele cele mai des folosite (oscillator, resonator, etc.) cat si exemple de parametrii tehnici la care opereazaaplicatiibazatepeacesttipdecuplaj. Două circuiteelectrice seconsideră cuplate dacă fenomenele care aulocîntr-uncircuitinfluenţeazădesfăşurareafenomenelordincircuitulal

doilea.Potexistadouăsaumaimultecircuitecuplate.Încazulparticulara două circuite cuplate, circuitul în care există semnal excitaţie constituie circuitulprimar(deintrare),iarcelălaltcircuitcuplatestecircuitulsecundar (deieşire). Douăcircuitepotficuplate: −printr-orezistenţă(cuplajgalvanic); −princapacitate(cuplajcapacitiv); −prininductanţădecuplaj(mutual)(cuplajinductiv). Cuplajulpoatefiprinurmare:

−galvanic:suportulesteunmaterialconductor; −inductiv: dacăcircuitul perturbatoresteparcurs deun curent marecare creazăuncâmpmagneticimportant.Cuplajulsefacepri nfluxulmagnetic


careînconjoarăcircuitulperturbat.Sedefineşteoinductanţămutualăîntre sursăşivictimă,inductanţăcecaracterizeazăcuplajul; −capacitiv:dacăcircuitulperturbatorseaflălaunpotenţialridicatînraport cuoreferinţă(pământul)ceeacecreeazăuncâmpelectricîntresursăşi victimă.Cuplajulestecaracterizatprincapacitateaechivalentă. Inductanta electromagnetica este fenomenul de producere a unei tensiuni electrice printr-unconductor situat intr-un camp magnetic a carui fluxvariazaintimp. Faradayestecelcareadescoperitca aceatensiuneprodusainjurulunui conductorcucircuitinchis este proportionalacuvariatiacampului magneticprinoricesuprafatacarese aflainacelcircuit.Inconsecintaavem astaziLegealuiFaraday:

 Cand un current I circula intr-un circuit inchis, el produce un flux

magneticΦ,proportionalcucurentul.Constantadeproportionalitateeste numitainductanta(L)sisepoatescrie: Valoareainductanteidepindede: •Geometriacircuitului •Proprietatilemagneticealemediuluicarecontinecampul Inductantaaresemnificatiedoarpentruuncircuitinchis,totusiunneorise disctadespreinductantaneipotiunidecircuit.Inacestcazsefacereferire lacontribuitiapecareunsegmentalcircuituluioarelainductantatotalaa circuituluiinchis.Candcurentulcarecirculaintr-uncircuitproduceunflux intr-unaldoileacircuit,atunciexistaoinductantamutualaintreele,definita astfel:

unde

estefluxulincircuitul2datoratcurentuluiI1. VN

R1

R2 AriaA

GND

Tensiunea VN, indusa intr-o bucla inchisa de arie A, datorita campuluimagneticdeinductieB,este: Pagina3din9

Daca bucla inchisa este imobila si inductanta magnetica variaza sinusoidal intimp, dar are amplitudine constanta pe intreaga suprafata a buclei,atuncisepoatescrie: undeesteunghiuldintrevectoriiAsiB. Pentruovariatiearmonicaainductantei,rezulta:

Asacum seobservainfigura demaisus, Aeste ariabucleiinchise, B este valoarea efectiva a inductantei magnetice variind sinusoidal cu frecventaωiarVNestevaloareaefectivaatensiuniiinduse. ScrisainfunctiedeinductantamutualaMdintreceledouacircuite,relatia areurmatoareaforma:

Relatiile de mai sus sunt ecuatiile de baza ale cuplajului inductiv intredouacircuite. Figura de mai jos ilustreaza cuplajul inductiv(magnetic) intre doua circuite. I1 este curentul in circuitul prturbator, iar inductanta mutuala M estetermenulcaretinecontdegeometriasideproprietatilemagneticeale mediuluidintreceledouacircuite.Prezentaluiωindica dependentadefrecventaacuplajului.Pentruareducetensiuneaparazita sepotreducecosinusul,B,M,A.

 Inductanta se poate reduce prin micsorarea ariei circuitului perturbator,deexempluprintorsadareaconductoarelor(inductiileproduse de circuitele adiacente se anuleaza reciproc). Aria circuituluui perturbat poatefideasemenearedusaplasandconductorulmaiaproapedeplanul de masa (daca intoarcerea curentului se face prin planul de masa) sau folosindoperechetorsadata(dacaintoarcereacurentuluisefaceprintr-un conductor). Prin orientarea convenabila a circuitului perturbator si/sau


perturbat se poate reduce cosinusul. Inductanta mutuala M se poate reduceprinseparareafizicaacircuitelorsiprinperpendicularizarealor. Un condensator si o inductanta conetate impreuna formeaza un oscillator.Ambelecomponentesuntfolositepentruainmagazinaenergie. Condensatorulfolosesteuncampelectrostaticpentruastocaenergia,iar inductanta o faceprintr-un campmagnetic. Odata incarcat condensatorul arelocurmatorulprocess: Acesta se descarca prin inductanta; pe masura ce are loc aceasta etapainductantavacreauncampmagnetic; Odata condensatorul descarcat, inductanta va incerca sa tina curentul din circuit in miscare asa ca va incarca cealalta armature a condensatorului Cand campul inductantei ajunge la zero condensatorul este complet reincarcat(darcupolaritateinversa),astfelincatsedescarcadinnouprin inductanta. Antena partii de transmisie impreuna cu un condesantor alcatuiesc un circuit rezonant setat pe frecventa de transmisie a unitatii de citire. Tensiunea U de la spirele unitatii de transmisie atinge valoarea maxima datorita rezonantei din circuit. Acesta esteprocesuldefunctionareaunitatiidereceptiedintr-unsistem deradio. Eficienta transferului de putere intre antenna si unitatea de transmisieesteproportionalacu: frecventaf numarulspirelorn suprafataAdescrisadespire unghiulrelativdintre2spirealaturate distantadintrespire. Energiadintrespireesteculeasaprindiodesicondensator(C2)pentru aajustacorespunzatorvaloareacurentului.     

OscilatorLC


II.Aplicatiicuplajinductiv:RFID Ca si studiu de caz, se considera cuplajul inductiv pentru Identificarea in Radio Frecventa (Radio Frequency Identification). Acesta areurmatoarelecaracterisitici: Frecventadeoperare:13,56MHz(HF) Sauinalteaplicatii135kHz Razadetransmisie:<1metru Capacitatedestocare:panala100KB Tipdememorie:EEPROM Tipuldealimentare:Pasiva Tipuridememorie:atatReadOnlycatsiRead-Write Unadintre cele mai populare aplicatii ale cuplajului inductiv este data desistemeledetipRFID,RadioFrequencyIdentification(Identificareprin frecventaradio).RFIDdescrieogamaintreagadesistemedeidentificare, care au la baza teoria cuplajului inductiv, folosita in scopul identificarii si furnizarii de informatii, transmise prin intermediul variatiilor campului electro-magnetic. Identificare prin frecventa radio (RFID) este o metoda de identificare automata, care se bazeaza pe stocarea si regasirea datelor la distanta, folosind dispozitive numite tag-uri RFID sau transpondere. Tehnologia necesita o anumita masura, de cooperare, a unui cititor de RFID, si o etichetaRFID. OetichetaRFIDesteunobiectcarepoatefiaplicatsauincorporatintrun produs, animal, sau persoana, in scopul de identificare si urmarire, folosind unde radio. Unele tag-uri pot fi citite de la mai multi metri si de dincolodeliniadevedereacititorului.       

Figura1–ComponenteledebazaaleunuisistemRFID Celemaimultetag-uriRFIDcontincelputindouaparti.Unulesteun circuit integrat pentru stocarea si prelucrarea de informatii, modulare si demodulare a unui semnal de radio-frecventa (RF), si alte functii de


specialitate. Cel de-al doilea este o antena pentru receptionarea si transmitereadesemnal. Viitorul RFID fara chip permite identificarea discreta de tag-uri fara un circuit integrat, permitand astfel tag-uri pentru a fiimprimate direct pe activelauncostmaimicdecateticheteletraditionale.Inprezent(2008)nici unuldintreconceptelefarachipnuadevenitoperational. Astazi,RFIDestefolositin lantulde aprovizionare a managementul intreprinderii pentru a imbunatati eficienta de inventar, de urmarire si de management.Cutoateacestea,crestereaeconomicasiadoptareainlantul deaprovizionareaintreprinderiipepiataestelimitat,deoarecetehnologiile comercialecurentenufaclegaturaintreurmarireaininterioruldepozitului sivizibilitatealantuluideaprovizionareend-to-endgenerala.Cuplatecuun mecanism de repartizare costuri echitabil, motive rationale si justificate revin de la investitiile tehnologiei RFID sunt ingredientele cheie pentru a atingeoadoptareatehnologieiRFIDpetermenlungsidurabila. III.PrincipiidefunctionareRFID Exista o intreaga varietate de principii de functionare pentru sistemele de identificare prin frecventa radio. Cele mai importante au la baza doua metode prin care se face schimbul informatiei: prin cuplaj inductivsauprincuplajdetimpbackscatter. III.1ParametridefunctionareRFIDcuplajinductiv Frecventadeoperare: Nume LH

Banda de Frecvente 30300 kHz

HF

330 MHz

UHF

300 MHz-3 GHz

Microwave

> 3 GHz

Frecvente ISM < 135 kHz 6.78MHz,13.56MHz,27.125 MHz,40.680MHz 433.920 MHz, 869 MHz, 915 MHz 2.45 GHz, 5.8 GHz, 24.125 GHz

Freceventemaijoasede135kHznusuntfrecventedinbandaISM, totusiaplicatiicarefolosescastfeldefrecventefolosescoputeremaimare siopereazapedistantescurte.


Ariadeacoperire: Frecventa LF HF UHF Microwave

Aria maximade acoperire 50 cm 3m 9m > 10 m

Aplicatii posibile Identificarea animalelor Controlul accesului in cladiri Boxes and pallets Identificarea vehiculelor

Capacitatea de stocare a datelor: pana la 100KB (memorie EEPROM) Tipuri de transmisie: HDX (halfduplex), FDX (fullduplex), SEQ. In cele mai multe situatii alimentarea pentru tag-uril pasive se face tot de catre reader prin intermediul cuplajului inductiv. Energia este stocata de catre tag prin intermediul unui condesantor, iar cand tag-ul transmite informatiicatrereader,acestaoprestealimetareaprincuplaj.Acesttipde transmisiesenumestesecvential.

III.2FunctionareRFIDprincuplajinductiv Untransponder(tag-ul)cuplatinductivlareaderesteformatdintr-un microchipsiobobinacarefunctioneazapepostdeantena. Astfel de dispozitive se considera a avea o functionarea pasiva, ceeacepresupunecaalimentareacircuituluisefaceprinenergiaelectromagnetica transmisa de reader. Astfel, bobina reader-ului genereaza un camp electro-magnetic puternic, de inalta frecventa ale carui linii intersecteaza suprafa bobinei tag-ului, in care se induce tensiune prin cuplajinductiv.Deoarecelungimeadeundacorespunzatoarefrecventelor folosite(pentru<135KHz:2400m,13.56MHz:22.1m)estedecatevaori mai mare decat distanta intre antena reader-ului si transponder (tag), functionareasistemuluiseanalizeazaprinteoriaconstantelorconcentrate decircuit. Tensiunea indusa prin cuplaj in circuitul transponder-ului este redresatasiestefolositapepostdetensiunedealimentare.Condensatorul C1formeazaimpreunacubobinamontatainparaleluncircuitorrezonant, carerezoneazapefrecventatetransmisieareader-ului.


Figura2–FunctionareaunuisistemRFIDprincuplajinductiv Distantadintrereadersitransponderestelimitatadecuplajuldintre cele doua bobine, astfel incat circuitul LC din transponder sa poata inmagazinasuficientaenergiepentrualimentare. Cea mai folosita modulatie este cea de tip ASK. Cuplajul inductiv ducelaunconsumdeenergiecaresetraducelanivelulreader-uluiprintr-o variatieatensiuniiperezistentainternaaanteneireader-ului.Cuplareasi decuplarea rezistentei de sarcina a antenei transponderului are ca efect variatia tensiunii pe antena reader-ului, ceea ce inseamna ca tensiunea antenei reader-ului este modulata in amplitudine de catre transponder. Daca comutarea rezistentei de sarcina a antenei transponderului este controlata de un flux de date, atunci aceste date pot fi transmise de al transponderlareader. Un alt tip de functionare RFID este de tip secvential si foloseste modulatieFSK.Reader-ulemitepanainmomentulincareconsetaorulC1 de pe transponder se incarca. Transponderul va emite pe aceeasi frecventa, generata prin intermediul circuitului LC acordat pe frecventa respectiva. Reader-ulva putea detecta campul emis de reader pentru ca numaiemitecatretransponder.Transponderulfolosesteomodulatiedetip FSKprinmodificareafrecventeideoscilatieacircuitului.


cuplaj inductiv

Recommend Documents