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Entwurf und Aufbau eines Messstandes für induktive Energieübertragungsstrecken

Vangerow, Christian von (2012):
Entwurf und Aufbau eines Messstandes für induktive Energieübertragungsstrecken.
TU Darmstadt, Institut EMK / FG MuSt, [Bachelor Thesis]

Abstract

Induktive Übertragungsstrecken ermöglichen die drahtlose Energieversorgung von Sensoren und werden z.B. in der Medizintechnik zur Versorgung von Implantaten eingesetzt. Die Auslegung der Übertragungsstrecke wird in einer früheren Arbeit theoretisch betrachtet. Um eine Optimierung zu ermöglichen, soll in der vorliegenden Arbeit die Grundlage für einen Messstand geschaffen werden. Der Messstand soll die Speisung einer Sendespule mit einem sinusförmigen Strom der Frequenz \SI{13.56}{MHz} und die Messung von Strom und Spannung nach Betrag und Phase an Sendespule und einer Empfangsspule ermöglichen. Der Speisestrom soll bei Verwendung unterschiedlicher Spulen bis zu einer Amplitude von \SI{500}{mA} bei einer maximal abgegebenen Scheinleistung von \SI{1}{VA} eingestellt werden können. Zum Teilaspekt der Speisung mit einem hochfrequenten Wechselstrom werden lineare Verstärker und Schaltverstärker betrachtet und hinsichtlich der Möglichkeiten zur Stromeinstellung bei unterschiedlichen Lasten untersucht. Für den Messstand wird die Topologie eines Klasse A Verstärkers ausgewählt und anschließend auf Grundlage von Kleinsignalmodellen und Schaltungssimulationen ein Entwurf erstellt. Zur Erfassung der Spulenströme werden Shuntwiderstände in Verbindung mit Instrumentationsverstärkern zur Differenzmessung eingesetzt. Zur Messung von Betrag und Phase der auftretenden Spannungen fällt die Entscheidung zugunsten der Abtastung der Signale mit einem Undersampling-Verfahren und die anschließende Signalrekonstruktion und Auswertung am PC. Zur Abschätzung der benötigten Auflösung des Analog/Digital-Wandlers und der Anzahl der Abtastwerte für die Einhaltung der geforderten Messunsicherheit wird ein Algorithmus zur Signalrekonstruktion auf Basis der Impulsantwort eines idealen Tiefpasses unter Berücksichtigung der Quantisierungsfehler in MATLAB implementiert und simuliert. Die synchrone Abtastung der vier zu messenden Spannungen sowie die Datenübertragung zum PC werden durch einen Mikrocontroller gesteuert. Die Schaltungen zur Speisung und zur Messung an der Empfangsspule werden aufgebaut und in Betrieb genommen. Erste Messungen am Aufbau zeigen die Funktionsfähigkeit der eingesetzten Messverstärker und der Datenübertragung sowie den sinusförmigen Stromfluss durch die Sendespule.

Item Type: Bachelor Thesis
Erschienen: 2012
Creators: Vangerow, Christian von
Title: Entwurf und Aufbau eines Messstandes für induktive Energieübertragungsstrecken
Language: German
Abstract:

Induktive Übertragungsstrecken ermöglichen die drahtlose Energieversorgung von Sensoren und werden z.B. in der Medizintechnik zur Versorgung von Implantaten eingesetzt. Die Auslegung der Übertragungsstrecke wird in einer früheren Arbeit theoretisch betrachtet. Um eine Optimierung zu ermöglichen, soll in der vorliegenden Arbeit die Grundlage für einen Messstand geschaffen werden. Der Messstand soll die Speisung einer Sendespule mit einem sinusförmigen Strom der Frequenz \SI{13.56}{MHz} und die Messung von Strom und Spannung nach Betrag und Phase an Sendespule und einer Empfangsspule ermöglichen. Der Speisestrom soll bei Verwendung unterschiedlicher Spulen bis zu einer Amplitude von \SI{500}{mA} bei einer maximal abgegebenen Scheinleistung von \SI{1}{VA} eingestellt werden können. Zum Teilaspekt der Speisung mit einem hochfrequenten Wechselstrom werden lineare Verstärker und Schaltverstärker betrachtet und hinsichtlich der Möglichkeiten zur Stromeinstellung bei unterschiedlichen Lasten untersucht. Für den Messstand wird die Topologie eines Klasse A Verstärkers ausgewählt und anschließend auf Grundlage von Kleinsignalmodellen und Schaltungssimulationen ein Entwurf erstellt. Zur Erfassung der Spulenströme werden Shuntwiderstände in Verbindung mit Instrumentationsverstärkern zur Differenzmessung eingesetzt. Zur Messung von Betrag und Phase der auftretenden Spannungen fällt die Entscheidung zugunsten der Abtastung der Signale mit einem Undersampling-Verfahren und die anschließende Signalrekonstruktion und Auswertung am PC. Zur Abschätzung der benötigten Auflösung des Analog/Digital-Wandlers und der Anzahl der Abtastwerte für die Einhaltung der geforderten Messunsicherheit wird ein Algorithmus zur Signalrekonstruktion auf Basis der Impulsantwort eines idealen Tiefpasses unter Berücksichtigung der Quantisierungsfehler in MATLAB implementiert und simuliert. Die synchrone Abtastung der vier zu messenden Spannungen sowie die Datenübertragung zum PC werden durch einen Mikrocontroller gesteuert. Die Schaltungen zur Speisung und zur Messung an der Empfangsspule werden aufgebaut und in Betrieb genommen. Erste Messungen am Aufbau zeigen die Funktionsfähigkeit der eingesetzten Messverstärker und der Datenübertragung sowie den sinusförmigen Stromfluss durch die Sendespule.

Uncontrolled Keywords: Mikro- und Feinwerktechnik Elektromechanische Konstruktionen Stromquelle spannungsgesteuert Phasenverschiebung Messung Amplitudenmessung Unterabtastung Strommessprinzipien
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Measurement and Sensor Technology
Date Deposited: 28 Mar 2012 11:58
Additional Information:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate Bibliotheks-Siegel: 17/24 EMKB 1784

Art der Arbeit: Bachelorarbeit

Beginn Datum: 17-10-2011

Ende Datum: 17-01-2012

Identification Number: 17/24 EMKB1784
Referees: Werthschützky, Prof. Dr. Roland
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