Esquema de alimentación inalámbrica y

medida de sensores LC con resonador externo

Costantino Mitrosbaras Vargas Ingeniería Electrónica

Fredy E. Segura Quijano Profesor Asistente DIEE

1. Introducción

En los últimos años el número de dispositivos electrónicos portables ha

tenido un aumento exponencial, todos estos dispositivos requieren

alimentación eléctrica, provista por una bateria, para poder funcionar.

Grandes compañías han invertido millones de dólares no solo en el

desarrollo de los dispositivos como tal, sino también en como maximizar

la duración de las baterias que los alimentan, es por esto que surge gran

interés en la alimentación inalámbrica [1-5].

Desde su demostración por Tesla en el siglo XIX, la transmisión de

potencia inalámbricamente, ha sido inmensamente utilizada y aún más

desarrollada e implementada en la última década. Este tipo de

alimentación incluye, a grosso modo, 2 bobinas o inductancias acopladas

magnéticamente, una fuente y una carga. Una de las bobinas hace las

veces de transmisora y la otra de receptora. La bobina receptora

generalmente hace parte del dispositivo que se desea alimentar (carga),

estos dispositivos pueden ir desde bombillos para iluminar espacios del

tamaño de un cuarto hasta microsensores que miden la presión intraocular

de un paciente que sufre de glaucoma.

Cuando la distancia entre las inductancias es varias veces mayor que el

radio de la bobina transmisora, la transmisión de potencia no es muy

eficiente y se trabaja en un régimen de acoplamiento magnético débil. Sin

embargo, la alimentación por medio de telemetría inductiva, en donde se

trabaja con bobinas integradas que no requieren un postproceso adicional,

se hace interesante dado que los factores de acoplamiento son muy bajos,

al igual que los factores de calidad de las bobinas que se pueden diseñar.

Es por esto que este proyecto propone un estudio sobre la forma de

maximizar la energía que puede llegar por medio de un enlace de

telemetría, utilizando un esquema novedoso de resonadores externos que

tienen la particularidad de no tener conexión directa con el circuito

integrado. El tamaño del resonador puede aumentar el tamaño del

sistema, lo cual no es deseable, pero para algunas aplicaciones es muy

interesante esta aproximación, sobre todo porque se minimizan los costos

de conexión entre bobina y resonador, los cuales son bastante relevantes

en el proceso de fabricación de dispositivos como por ejemplo los TAGS

RFID, especialmente en el caso de aplicaciones de bajo y mediano

volumen. Adicionalmente con esta topología se podrían llegar a tener

distancias entre transmisor y receptor del orden de 10cm, con una

potencia aceptable, lo cual está muy por encima de lo reportado por la

literatura. El desarrollo de este tipo de sistemas de alimentación

inalámbrica tiene multitud de campos de acción entre los que se

encuentra el implante de sistemas de telemetría a seres humanos para

detección y manejo de enfermedades y el control de calidad de algunos

productos.

2. Objetivos

2.1 Objetivo general.

i. Realizar un estudio de sistemas de telemetría inductiva para

maximizar la energía que puede llegar a un circuito integrado

mediante el uso de resonadores externos y sin conexión directa

con el circuito integrado.

2.2 Objetivos específicos.

i. Modelar el esquema de alimentación novedoso mediante

herramientas software de simulación como PSPICE, ANSOFT

y COMSOL, para poder determinar parámetros necesarios y

determinantes a la hora de realizar la implementación y

caracterización física del sistema.

ii. Realizar un caso de estudio que simplifique el modelo teórico a

estudiar.

iii. Lograr una mayor transmisión de potencia al sensor mediante

el uso de un resonador externo.

iv. Lograr una mejor lectura de los cambios detectados por el

sensor.

v. Redactar un artículo que pueda ser publicado en una revista.

vi. Establecer las bases necesarias para futuros usos que se pueden

hacer de este novedoso sistema.

2.3 Alcances

i. Diseñar, caracterizar y optimizar un sistema de alimentación

inalámbrica gracias al uso de herramientas de simulación.

ii. Se realizará una simulación del sistema la cual permitirá

determinar parámetros necesarios y determinantes a la hora de

realizar la implementación.

3. Marco teórico

3.1 Condición de resonancia:

El sensor y el resonador externo se modelan como circuitos RLC y se

requiere que entren en resonancia, la cual es una condición en la que las

reactancias capacitivas e inductivas tienen la misma magnitud y por tanto

se tiene una impedancia total puramente resistiva.

La expresión fasorial para las reactancias capacitivas e inductivas son

respectivamente:

Al igualar ambas reactancias se obtiene la condición de resonancia:

(1)

Se obtiene entonces que w es la frecuencia de resonancia del circuito.

Una vez obtenida la frecuencia a la que se quiere trabajar y fijando uno

de los parámetros, generalmente L debido a que es más difícil de fabricar

que la capacitancia, se puede determinar el valor de C para que haya

resonancia.

3.2 Acoplamiento magnético:

El fenómeno físico que se aprovecha en este proyecto es el acoplamiento

magnético entre dos inductancias. Este fenómeno consiste en la

interacción entre dos inductancias a través del campo magnético generado

por una de ellas. Cuando dos inductancias están magnéticamente

acopladas, se presenta una inductancia mutua la cual está dada por:

(2)

Donde k es el factor de acoplamiento entre las inductancias La y Lb.

El factor de acoplamiento magnético depende de la distancia entre las

inductancias y de la geometría de cada una de ellas, como en este caso se

va a trabajar a distancias mucho mayores que los radios de las

inductancias, los detalles de la geometría de las inductancias son

irrelevantes. Es por esto que se puede simplificar la expresión del

coeficiente de acoplamiento al coeficiente de acoplamiento entre

inductancias esféricas ideales, esto es:

(3)

4. Descripción:

En vista que uno de los objetivos del presente proyecto de grado es

realizar un artículo publicable, la definición del problema, el marco

teórico, y demás consideraciones se presentan en dicho artículo.

3. Metodología:

3.1 Simulación del sistema de alimentación: Se realizan varias

simulaciones (PSpice, MATLAB, Ansoft) del sistema variando

parámetros de un resonador intermedio que podría aumentar la

potencia recibida por el circuito integrado.

3.2 Simulación del sistema de detección externa de las variaciones

de capacitancia en el sensor.

3.3 Escogencia de las gráficas necesarias para presentar en el

artículo.

4. Resultados

A continuación se presenta la versión final del artículo mencionado que

contiene los elementos principales del presente proyecto.

1

A scheme for inductive wireless powering and readout of passive LC

sensor is presented. The sensor’s inductor is designed as a planar coil

and is used as the power-receiving component. An external resonator

designed with a wire-loop inductor connected to a capacitor is placed

near the LC sensor. With an external transmitting coil, a magnetic field

is generated and it is amplified by the resonator. This paper studies the

effects of placing a resonator in close proximity of the LC sensor, in

order to increase the power transmitted to the sensor but also to

improve the detection of permittivity variations in a capacitance

transducer. The LC sensor used was fabricated under glass with copper

metallization 5mm x 5mm and characterized at the University of the

Andes’ clean room.

I. INTRODUCTION

Inductive wireless power transfer has been widely

improved and utilized in the last decade. The exponential

growth of electronic low power devices has provided the

ideal application field of this type of technologies. In

despite of not being able to ensure highly efficient power

transfer due to the operating distances, several times

larger than the transmitting coil, this technique is

appealing because of its ability to supply power with no

use of cords or external batteries [1-5]. It is highly

desirable to use wireless power supply with sensors that

are not easily accessible when measuring physical or

chemical parameters. Among the large amount of devices

that can be benefited from wireless power supply, there

are passive LC sensors. The applications of these types of

sensors go from intraocular pressure monitoring systems

[6] to food quality control. The physical parameter

changes are transduced in either inductance or

capacitance fluctuations and at the same time in

variations of the self-resonant frequency of the LC sensor.

These variations are externally measured by using a

transmitting coil magnetically coupled to the sensor’s

inductance. It is desirable to increase the power

transmitted to the sensor and also to make easier the

detection of the changes of the physical or chemical

parameters from the external coil.

In this letter, we propose a wireless powering and readout

scheme by means of a second LC resonator, which is not

only able to increase the power transmitted to the sensor

but also to improve the external measurement of the

capacitance transducer’s variations. This is achieved by

taking advantage of the resonance between the sensor and

the external resonator, even when their self-resonance

frequencies are not perfectly coupled. In this case, a

capacitance-varying sensor is studied; this variation can

be achieved by different means including the use of

different dielectrics and also different pressures between

the capacitor plates.

The passive LC sensor that will be studied is shown in

Figure 1. This sensor was fabricated at the University of

the Andes’ clean room and its functioning principle was

used in quality control of residual waters. Different water

contaminants are transduced in different dielectrics of the

sensor’s capacitance, hence in different resonance

frequencies.

This sensor has the following dimensions: 25 mm2 area,

100 µm wide aluminum lines with a separation between

them of 100µm.

It is desirable to facilitate the measurement of the sensor’s

capacitance changes from the exterior. The variations in

the sensor’s resonant frequency are determined by

measuring the real part of the input impedance [7] seen

by the transmitting coil. This paper presents the use of an

external resonator, which is able to improve the external

sensor’s read out for different capacitance values.

Fig. 1. Inductive powering system schematic representation.

II. THEORETICAL MODEL

Utilizing KVL in complex notation, the analytical model

of the transmitter, sensor and resonator can be derived as

follows:

Fig. 2. Equivalent circuit model of the inductively coupled

transmitter, sensor and resonator.

Wireless powering and readout scheme of LC

sensors with an external wire-loop resonator Costantino Mitrosbaras, Fredy Segura-Quijano

k1

L1 L2

k1 k2

k3

L1 L2 L3

RL1 RL2 RL3

CS CR

VS

RS

Sensor Resonator