Cuplajul inductiv. Studiu de Caz: Identificarea prin Frecventa Radio

Victor Larie, grupa 5502 George Maxim, grupa 5502

Pagina 1 din 9

I. Notiuni generaleCuplajul 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. Dou circuite electrice se consider cuplate dac fenomenele care au loc ntr-un circuit influeneaz desfurarea fenomenelor din circuitul al doilea. Pot exista dou sau mai multe circuite cuplate. n cazul particular a dou circuite cuplate, circuitul n care exist semnal excitaie constituie circuitul primar (de intrare), iar cellalt circuit cuplat este circuitul secundar (de ieire). Dou circuite pot fi cuplate: printr-o rezisten (cuplaj galvanic); prin capacitate (cuplaj capacitiv); prin inductan de cuplaj (mutual) (cuplaj inductiv). Cuplajul poate fi prin urmare: galvanic: suportul este un material conductor; inductiv: dac circuitul perturbator este parcurs de un curent mare care creaz un cmp magnetic important. Cuplajul se face prin fluxul magnetic

Pagina 2 din 9

care nconjoar circuitul perturbat. Se definete o inductan mutual ntre surs i victim, inductan ce caracterizeaz cuplajul; capacitiv: dac circuitul perturbator se afl la un potenial ridicat n raport cu o referin (pmntul) ceea ce creeaz un cmp electric ntre surs i victim. Cuplajul este caracterizat prin capacitatea echivalent. 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 , 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:

undeR1

este fluxul in circuitul 2 datorat curentului I1.VN 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 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 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

Pagina 4 din 9

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

Pagina 5 din 9

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: 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.

Pagina 7 din 9

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.

Pagina 8 din 9

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.

Pagina 9 din 9