Sub-Kilowatt, Efficient Capacitive Power and Data Transfer for Monitoring the Major Mechanical Variables

Abstract

The main aim of this thesis is to design and prototype a sub-kilowatt, efficient capacitive data and power transfer (CPT) system that for example, monitors the loads on an axle of a vehicle. The data and power are transmitted wirelessly. In a separate case study, the power is provided for the weight measurement system by an E class power amplifier. In the industry, today, wireless power and data transfer methods have become quite popular. Some of those methods are inductive power transfer (IPT), capacitive power transfer, micro-wave power transfer (MCP). One of these techniques, which is the theme of this thesis, is the capacitive power and data transfer. The capacitive power system is quite compact and does not create electromagnetic interference (EMI), which is one of the strengths of the CPT. Hence, the stability of the embedded electronics system is preserved. Another attractive feature of CPT is that data and power can be transferred at the same frequency over a short distance. This thesis addresses the various facets of the CPT system. The historical development of the CPT technique has started with Nicola Tesla. Wireless power transfer methodology could safely be attributed to him. The system consists of two main parts which are the weight measurement system and power transmitting system. The power is transferred by the copper capacitive plates with 100 cm2 surface area. Average error of the measurement system is computed as 1.1% with high signal-to-noise ratio (SNR). Finally, the capacitive power and data transfer system has been designed with 83.8% efficiency at 1.7 MHz frequency and high SNR.

Bu tezin asıl amacı, örneğin bir aracın aksındaki yükleri izleyen bir kilovat altında, verimli kapasitif veri ve güç aktarma (CPT) sistemi tasarlamak ve prototipini yapmaktır. Veri ve güç kablosuz olarak iletilir. Ayrı bir durum çalışmasında, ağırlık ölçümü sistemi için güç, E sınıfı bir güç amplifikatörü tarafından sağlanır. Günümüzde sanayide, kablosuz güç ve veri aktarma yöntemleri oldukça popüler hale gelmiştir. Bu yöntemlerden bazıları endüktif (IPT), kapasitif, mikrodalga güç aktarımıdır (MPT). Bu tezin konusu olan bu tekniklerden biri kapasitif güç ve veri aktarımıdır. Kapasitif güç sistemi oldukça kompakttır ve CPT'nin ana avantajlarından birisi olan elektromanyetik girişimin (EMI) noksanlığıdır. Böylece, gömülü elektronik sistemin kararlılığı korunur. CPT'nin bir başka cazip özelliği, verilerin ve gücün kısa bir mesafede aynı frekansta aktarılabilmesidir. Bu tez, CPT sisteminin çeşitli yönlerini ele almaktadır. CPT tekniğinin tarihsel gelişimi Nicola Tesla ile başlamıştır. Kablosuz güç aktarımı metodolojisini bulan ilk kişidir. Sistem, ağırlık ölçüm sistemi ve güç aktarma sistemi olmak üzere iki ana bölümden oluşmaktadır. Güç 100 cm2 yüzey alanına sahip bakır kapasitif plakalar tarafından aktarılır. Ölçüm sisteminin ortalama hatası yüksek sinyal gürültü oranı (SNR) ile % 1,1 olarak hesaplanmıştır. Son olarak, kapasitif güç ve veri aktarım sistemi 1,7 MHz frekansında ve yüksek sinyal gürültü oranında, % 83,8 verimlilikle tasarlanmıştır.